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作者简介:

王家宝(1989-),男,安徽霍邱人,助理研究员,硕士,研究方向为新型肥料与高效施肥。E-mail:wangjiabao19900804@163.com。

通讯作者:

孙义祥,E-mail:sunyixiang@126.com。

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目录contents

    摘要

    水稻是安徽省总产量最高的粮食作物,为实现化肥零增长下的水稻高产,水稻施肥存在哪些问题以及需要哪些技术措施来解决是当前较为紧迫的任务。采用问卷调查的方式,对安徽省 2016 ~ 2018 年 5176 个农户的水稻施肥状况开展了调查。调查内容主要有肥料品种、养分含量、施用数量、施肥时期、施肥方法和水稻产量等。 根据化肥的养分含量计算氮磷钾的投入量,以理论适宜施肥量对安徽省水稻施肥情况进行评价并针对施肥存在的问题提出相应的解决办法。结果表明,安徽省水稻单位面积氮磷钾肥用量 3 年平均分别为氮(N)183.5 kg·hm-2、 磷(P2O5)69.7 kg·hm-2 和钾(K2O)86.2 kg·hm-2,呈正态分布;氮肥和磷肥施用过量的比例分别为 46.5% 和 29.4%,而钾肥施用量不足的比例高达 49.1%,各水稻种植区之间差异明显。沿淮淮北平原水稻单位面积的氮、磷用量最高,分别为 202.4 和 77.8 kg·hm-2,沿江圩区单位面积施钾量最高,为 108.4 kg·hm-2;全省水稻氮磷钾投入比例为 1∶0.38∶0.47,年际间变化不大。安徽省水稻肥源主要为尿素和复合肥,采用一基一追和一基二追施肥方式的样本超过总量的 80%。总之,安徽省水稻施肥过量问题较为突出,有 55% 以上的农户处于高产低效或者低产低效的水平。生产中应注重落实有机肥替代化肥行动,根据区域特点集成基于养分供应(土壤 + 肥料)和水稻养分需求的机械化施肥技术,研制与土壤特性和水稻养分需求匹配的水稻专用配方肥和适合一次性施肥技术的肥料产品,以提高肥料利用效率和降低对环境的污染。

    Abstract

    The total output of rice is the highest in grain crops in Anhui province. In order to achieve high yields of rice with zero growth of chemical fertilizers,what are the problems with rice fertilization and what technical measures should be put forward to solve are currently more urgent tasks. A questionnaire survey was conducted on the rice fertilization of 5176 rice farmers in Anhui province from 2016 to 2018. The survey included fertilizer varieties,nutrient content,application quantities,application period,application method,yield level,and so on. The nutrient inputs were calculated according to the nutrient contents and input amounts of fertilizer products. In this paper,the fertilization of rice in Anhui province was evaluated and the solutions to the existing problems were put forward. The results showed that the average nitrogen(N),phosphorus(P2O5)and potassium(K2O)fertilizer application in Anhui province was 183.5,69.7 and 86.2 kg·hm-2 in three years,and the fertilizer application among different farmers was normally distributed. There were quite a proportion of farmers whose fertilizer use exceeded the reasonable range. The proportion of excessive application of nitrogen and phosphorus fertilizer was 46.5% and 29.4%,respectively. The proportion of insufficient application of potassium fertilizer was high, reaching 49.1%. The differences among rice planting areas were obvious. The nitrogen and phosphorus application level of rice along the Huaibei area are the highest,which was 202.4 and 77.8 kg·hm-2,respectively. The highest amount of potassium application level was 108.4 kg·hm-2 in the polder area along the Yangtze River. The ratio of nitrogen,phosphorus and potassium input in rice was 1∶0.38∶0.47 in the whole province,which had little change between years. The nutrient application in rice in Anhui province mainly came from urea and compound fertilizer. More than 80% of the rice samples in the whole province were fertilized with the methods of "one base,one top dressing" and "one base,two top dressing". The problem of excessive fertilization of rice in Anhui province is more prominent. More than 55% of the farmers are at the level of high yield and low efficiency or low yield and low efficiency. In production,attention should be paid to the action of replacing chemical fertilizers with organic fertilizers,integrating mechanized fertilization technology based on nutrient supply(soil + fertilizer)and rice nutrient requirements according to regional characteristics,and developing special formula fertilizers that match soil characteristics and rice nutrient requirements and one-time suitable formula fertilizer products to improve fertilizer utilization efficiency and reduce environmental pollution.

    关键词

    水稻施肥现状施肥技术安徽

  • 水稻是世界上主要的粮食作物之一,预计未来10年中,水稻总产量须增长50%以上才能满足全球人口增长所带来的需求[1]。在我国,稻谷产量约占谷物总产量的40%,近60%的人口以稻米为主食[2]。因此,水稻产量的提升对于保障我国乃至世界粮食安全至关重要。我国水稻种植区域跨度很大,自黑龙江至海南岛均有分布。由于土壤、气候、种植习惯、水稻类型、机械化水平等的差异造成了水稻施肥具有明显的区域性。例如,长江下游江苏省一季稻区稻田氮肥用量超过N 300kg·hm-2[3],而北方稻区黑龙江稻田氮肥用量仅为N150kg·hm-2[4]。作为全国13个粮食主产区之一的安徽省,水稻种植面积常年保持在200万hm2 以上,总产量1470万t,分别占全国7.6%和6.9%,单产低于全国平均水平[5]。安徽省水稻在施肥方面存在哪些问题以及如何通过技术手段来改善,是研究者关心的问题。近30年来,我国水稻单产增加了65%左右,但是单位面积的施肥量却增加了4倍[6]。化肥施用量增幅远超水稻单产增幅,化肥施用过量的现象十分普遍。陈琦[7]以江苏735户农户为调查对象,发现有超过30%的农户存在氮肥施用过量的现象,导致氮肥偏生产力较低;王激清等[8]对农业农村部(原农业部)调查的农户数据进行分析后,认为高肥力地区要降低氮肥基肥比例,增加追肥比例;彭显龙等[9]在黑龙江水稻主产区就农户施肥情况调查分析后发现,在7500kg·hm-2 的产量水平下,氮、磷和钾肥用量可减少26%~30%。掌握水稻施肥水平、养分来源、施肥习惯等是制定合理的水稻养分管理策略与量化水稻施肥参数的前提。目前针对安徽省水稻施肥的调查大多局限于省内局部地区且主要是基于一个或几个长期定位试验[10-12],角度较为单一,缺少对施肥技术的探讨和区域指导意义。为此,本文调查分析了安徽省农户2016~2018年的水稻施肥情况,针对安徽省水稻施肥存在的问题,结合不同水稻种植区的具体情况,提出针对性的水稻简化高效栽培施肥技术措施,以期为制定合理的施肥方案以及肥料资源高效利用提供依据。

  • 1 材料与方法

  • 1.1 区域概况

  • 安徽省地处114°54′~119°37′ E,29°41′~34°38′ N,属暖温带与亚热带过渡区,年降水量800~1800mm,≥ 10℃积温为4600~5300℃,一年一熟到一年三熟种植制度均有分布。长江和淮河自西向东横贯全境,多样的地形和湿润的气候使得安徽省单双季稻均有种植。水稻常年种植面积超过200万hm2,根据不同限制因子、气候、地形、种植制度等因素,将安徽省划分为沿淮淮北平原单季稻区、淮南丘岗单双季稻过渡区、沿江圩区双季稻区、大别山区单双季稻混栽区和皖南山地双单季稻混栽区5个水稻种植区[13-14]

  • 1.2 数据来源与筛选

  • 本次调查在安徽省范围内,综合考虑水稻种植习惯、种植面积、轮作制度以及地力水平等因素,对2016~2018年的主要水稻种植县市(区)具有代表性乡镇的水稻种植户的施肥情况进行了调查,重点调查肥料品种、养分含量、施用数量、施肥时期、施肥方法和水稻产量等情况。将各县市(区) 上报的调查数据进行汇总后,逐个审查和筛选,剔除虚假值和明显错误的数值,去除无效问卷。3年共获得了5176个有效样本,调查区域样本数见表1。2005~2018年安徽省水稻种植面积、产量数据源于《中国统计年鉴》。

  • 表1 安徽省水稻施肥情况调查农户样本分布

  • 1.3 高产高效定义

  • 为了数据分析的可靠性和科学性,本文参照彭显龙等[9] 对水稻高产高效定义的方法,以文献[15-18]为依据,在安徽省水稻种植区内,将7500kg·hm-2 定为目标产量,当农户产量高于此产量时为高产,反之为低产;综合文献[15-17],得出安徽省水稻种植区域N、P2O5 和K2O适宜用量分别为170、75和80kg·hm-2,因此,对于氮磷钾可以分别分为低施肥量高产量(高产高效)、高施肥量高产量(高产低效)、低施肥量低产量(低产高效)和高施肥量低产量(低产低效)4个区域。

  • 1.4 数据处理方法

  • 本文所指养分均为折纯后,即N、P2O5、K2O,农户施肥量在进行纯养分折算时,复合肥按照包装袋标注为准,其余常规化肥按照相关标准折算,有机肥养分含量参考《中国有机肥料养分志》提供的数值折算。将各县市(区)当年的调查数据进行加权平均后,作为该年度水稻种植区或全省施肥情况数据。采用Excel 2010及Origin 2019进行数据分析和图表处理。

  • 2 结果与分析

  • 2.1 安徽省水稻生产现状

  • 2005~2018年安徽省水稻种植面积整体趋势较为平稳(图1)。但不同年份间有所差异,2005至2017年间差异变化不大,2017至2018年增加较为明显。2018年安徽省水稻种植总面积达254万hm2。安徽省水稻单产由2005年的5756kg·hm-2 上升到2018年的6606kg·hm-2,整体呈上升趋势,但产量水平不稳定。政策变化、自然灾害、施肥不合理均是影响安徽省水稻产量不稳定的重要因素。

  • 2.2 安徽省水稻施肥总量分析

  • 2.2.1 施肥量现状

  • 由表2可知,2016~2018年安徽省水稻平均施肥量为339.4kg·hm-2,2016~2018年安徽省水稻单位面积施肥量连续下降,2017年单位面积氮、磷、钾施用量分别较2016年降低了2.2%、1.9%、 3.3%,总量较2016年降低了2.4%;2018年单位面积氮、磷、钾施用量分别较2017年降低了3.4%、 7.2%、5.9%,总量较2017年降低了4.8%,3年中水稻施用氮磷钾比例以及基追比变化均不大。

  • 图1 2005~2018年安徽水稻种植面积及单产

  • 表2 2016~2018年安徽省水稻施肥情况

  • 安徽省水稻施氮量主要集中在100~300kg·hm-2,占样本总数的93.6%,施氮量超过200kg·hm-2 的占比达到了36.8%,超过250kg·hm-2 的占比为10.5%,氮肥施用过量现象较严重。安徽省水稻磷肥施用频率分布与氮肥相似,平均施磷量为69.7kg·hm-2,主要集中在25~100kg·hm-2,占85.18%,施磷量低于50kg·hm-2 的样本比例为24.5%,高于100kg·hm-2 的样本比例为14.8%,磷肥施用不足与过量现象并存。钾肥的平均施用量为86.2kg·hm-2,主要集中在25~125kg·hm-2,占85.9%,有41.8%的样本施钾量低于75kg·hm-2(图2)。

  • 2.2.2 水稻肥料施用量与产量的关系

  • 由图3可知,安徽省水稻氮、磷、钾肥达到高产高效(第1象限)的比例分别为29%、35%和32%。约有56%的农户氮肥效率较低(第2象限和第4象限),其中高产低效和低产低效的比例分别为33%和23%,氮肥低产高效的比例为15%(第3象限)(图3a)。磷肥低产低效所占比例为25%左右(第4象限)(图3b),在3种肥料中该区域占比最高,处于该区域的水稻对高产高效的施肥技术需求最为迫切。钾肥在3种肥料中的低产高效所占比例最高(第3象限)(图3c),约占20%,处于该区的水稻具有较大的增产潜力。

  • 2.2.3 不同地市施肥情况

  • 安徽省各地市3年的水稻施肥情况如图4, 2016~2018年水稻单位面积氮磷钾施用总量连续下降的有合肥、淮南、芜湖和宣城4市,其中,宣城降幅最大,达22.7%。3年中,单位面积氮磷钾施用总量连续上升的有安庆和六安2市,上升幅度分别为1.8%和2.0%。

  • 2.2.4 不同水稻种植区施肥情况

  • 安徽省水稻单位面积施氮量由北至南呈现明显下降趋势,沿淮淮北平原最高,为202.4kg·hm-2,皖南山区最低,为160.1kg·hm-2,两者相差20.9%,淮南丘岗区与沿江圩区水稻单位面积施氮量相当,分别为191.4和189.3kg·hm-2。安徽省水稻单位面积施磷量增减趋势与施氮量相似,沿淮淮北平原最高,为77.7kg·hm-2,大别山区次之,为73.5kg·hm-2,皖南山地最低,为60.4kg·hm-2。安徽省水稻单位面积施钾量最高和最低的水稻种植区分别为沿江圩区和皖南山区,分别为108.4和70.2kg·hm-2,两者相差35.2%(图5)。

  • 图2 安徽省水稻养分施用量频率分布

  • 图3 农户氮、磷、钾肥施用量与水稻产量的关系

  • 图4 安徽省各地市水稻施肥情况

  • 图5 安徽省不同稻作区水稻施肥情况

  • 2.2.5 不同水稻种植区施肥次数

  • 由表3可知,安徽省水稻施肥方式以一基一追和一基二追为主,两者之和超过了总样本的80%,只施一次基肥和施肥次数4次以上的农户分别占调查样本的13.8%和2.0%。沿淮淮北平原农户采用一基二追和一基一追施肥方式所占比例分别为52.5%和35.1%,施肥次数在4次及以上的比例在全省中最高,为4.6%;淮南丘岗区和沿江圩区农户采用一基一追施肥方式的比例分别为51.3%和52.0%,采用一基二追施肥方式的比例分别为34.5%和31.5%,但沿江圩区农户施肥次数在4次以上的比例在全省区域中最低,仅为0.4%;皖南山地稻作区农户只施一次化肥的比例在全省中最高,为18.1%,调查中未发现不施肥样本。

  • 表3 安徽省不同水稻种植区施肥次数(%)

  • 2.3 安徽省水稻化肥投入品种分析

  • 安徽省水稻施用养分主要来源于尿素、复合肥、碳酸氢铵、磷酸二铵、过磷酸钙等(图6)。尿素和复合肥超过总肥源的98%,而碳酸氢铵、磷酸二铵和普通过磷酸钙的用量仅为总肥源的0.3%,其余品种化肥所占比例为1.5%。

  • 在所有调查市中,六安市施用尿素的比例最高(35.8%),施用复合肥的比例最低(60.61%);阜阳市施用尿素的比例最低(16.7%),而施用复合肥的比例最高(83.2%)。除马鞍山和滁州两市施用碳酸氢铵的比例超过0.4%(均为0.5%)外,其余各县市施用碳酸氢铵的比例都很低;黄山市施用普通过磷酸钙的比例在各地市中最高,但是也仅为0.4%;磷酸二铵的施用比例极低,均在0.5%以下。

  • 复合肥是安徽省水稻氮磷钾肥的主要来源,化肥N、P2O5、K2O养分中分别有54%、96%、94%来自复合肥。然而,调查中发现农户所施用的复合肥以等比例的三元复合肥(15-15-15、16-16-16、 17-17-17和18-18-18)为主,施用水稻专用配方肥的样本比例很低。

  • 2.4 安徽省农户水稻施肥评价

  • 施肥量合理性评价参考王圣瑞等[19]对小麦施肥量评价的方法。根据安徽省水稻生产情况,综合分析不同产量水平、不同地力水平、汇总近几年有关安徽省水稻施肥的相关文献[15-18],得出安徽省水稻氮、磷、钾合理的施用量分别为N 150~180kg·hm-2、P2O5 40~85kg·hm-2 和K2O 80~120kg·hm-2。根据氮、磷、钾的合理施用量对安徽省水稻3年农户调查施肥量总体进行评价,分为不足、合理和过量三级。

  • 2016~2018年安徽省水稻施氮量在合理范围内(150~180kg·hm-2)的比例逐年增加,分别为17.3%、22.0%和35.6%,3年平均为25.0%; 施氮过量(>180kg·hm-2)的比例虽然呈明显的下降趋势,3年分别为55.1%、52.0、32.4%,但平均占比仍然高达46.5%;安徽省水稻施氮量不足(<150kg·hm-2) 的占比在3年中有所波动,分别为27.6%、26.0%、32.0%,3年平均占比为28.5%。

  • 2016~2018年安徽省水稻施磷量在合理范围内(40~85kg·hm-2) 的占比较高,分别为50.4%、62.8%、62.4%,平均为58.8%;3年中,水稻施磷量不足(<40kg·hm-2)的比例较低,分别为14.1%、8.9%、13.3%,平均为12.1%;安徽省施磷过量(>85kg·hm-2)的比例在3年中连续下降,分别为35.5%、28.4%、24.3%,平均为29.4%,施磷过量的比例相对较高。

  • 2016~2018年安徽省水稻施钾量在合理范围内(80~120kg·hm-2)的占比较为稳定,分别为36.2%、36.7%、35.6%,平均为36.2%;3年中施钾量不足(<80kg·hm-2)的比例分别高达43.8%、 50.3%、53.3%,平均达到了49.1%;2016~2018年安徽省水稻施钾过量(>120kg·hm-2)的比例逐年降低,分别为20.1%、13.0%、11.1%,平均为14.7%(表4)。

  • 图6 安徽省水稻养分施用来源分布

  • 表4 2016~2018年安徽省水稻施肥量评价(%)

  • 3 讨论

  • 3.1 安徽省水稻施肥量的时空变化特征

  • 作为长江中下游水稻产区的重要组成部分,全面准确地掌握安徽省水稻施肥现状对于科学施肥具有重要意义。自20世纪80年代以来,我国进行了全国范围的土壤普查工作,对全国土壤的养分状况有了较为全面的了解。2005年至今国家不断加大对测土配方施肥的投入,之后在农业生产过程中,氮肥用量持续增长,磷肥用量出现了下降的趋势,钾肥用量也在逐步提升[20]。但总体上还是存在施肥量增加过快,肥料施用不合理等问题。自2015年底农业农村部(原农业部)下发了《到2020年全国主要粮食作物化肥施用量零增长方案》以来,安徽省水稻施肥总量已经连续3年呈现下降趋势,但通过对水稻养分吸收规律的研究发现,在维持或适当提高当前产量水平的前提下,目前安徽省水稻施肥量尤其是氮肥施用量以及部分地区磷肥施用量仍有降低空间。

  • 安徽省由于南北气候差异巨大,水稻种植模式包含了单双季稻,这就导致了产量水平相差很大。对于全省范围的水稻而言,如果依据产量的养分回收率来确定最佳施肥量,那么,统计数值之间的变异性将很大,这会造成区域性施肥量评价指标的现实指导意义失真。因此,本研究根据前人对安徽省水稻施肥情况的研究[16-1821],将安徽省水稻氮、磷、钾合理的施用量划为150~180、 40~85和80~120kg·hm-2,以此为标准来评价安徽省水稻氮磷钾的施用量。结果表明,安徽省水稻氮肥施用过量的比例较高,3年平均占比为46.5%;磷肥施用在合理范围的比例较高,3年平均占比为58.5%;而钾肥施用量偏低的占49.1%。从空间变化来看,安徽省水稻施肥量基本呈现自北向南逐渐降低的趋势,沿淮淮北平原氮磷的投入均处于较高水平,而钾肥的施用量则在各稻作区中较低,这与该区域农户长期形成的施肥习惯有关,其中大别山区的水稻施肥合理性高于其他几个地区。

  • 3.2 安徽省水稻氮磷钾养分投入比例不合理

  • 适宜的养分配比以及基追比对于水稻产量和品质的提升具有十分重要的意义[8]。本研究发现,2016~2018年安徽省水稻施用氮磷钾比例N∶ P2O5∶K2O平均为1∶0.38∶0.47,且年际间变化很小。有研究表明,安徽省水稻氮磷钾投入比例为1∶0.21∶ 0.62时,可以达到最大经济效益[22]。因此,安徽省水稻在养分投入比例方面应当适当提升钾肥施用比例。

  • 磷肥和钾肥合理的施用方式应以基肥为主,追肥为辅。而本调查发现,安徽省水稻磷钾肥几乎全部作为底肥一次性施用。和20世纪相比,土壤氮水平有较大提高,因此高肥力地区要降低氮肥基施比例,增加追肥比例。但全省不同地区合理基追比的采用还要综合考虑当地影响基追比的因素。

  • 3.3 安徽省水稻养分来源不合理

  • 不同的养分来源对作物生长特别是土壤环境会产生较大影响。因此,选取适宜养分来源的肥料对保证水稻产量以及培肥地力等十分重要。已有研究表明,施用有机肥可以增加作物品质以及培肥土壤[23-24]。本研究发现,安徽省水稻有机肥施用比例虽然超过60%,但这其中有90%以上的样本都是秸秆还田,而施用农家肥、商品有机肥以及绿肥的占比很低。

  • 本研究还发现,很多农户过度依赖氮磷钾含量相同的三元平衡肥料(15-15-15、16-16-16、17-17-17、18-18-18),没有考虑到水稻对不同养分吸收的差异性,从而导致养分的施用与水稻的吸收之间不匹配,造成单个养分的不足或者过量。

  • 3.4 安徽省水稻施肥时期的掌握及相关技术有待提升

  • 养分的分次施用可以有针对性的与水稻养分需求规律进行匹配,从而达到养分高效利用的目的。水稻在分蘖、拔节、孕穗、灌浆等关键生育期时,养分供应充足对水稻产量以及品质具有促进作用[25]。但由于当前农村部分劳动力向城市转移,技术需求是精简化栽培。因此,在保证水稻产量的前提下,如何减少施肥次数和施肥量是农技部门和科研工作者最为关注的问题。安徽省水稻施肥次数在3次以上的比例占80%,但调查中发现,很多农户不能正确掌握施肥时期,往往错过水稻最佳施肥期或在水稻最佳施肥期前就将肥料施入,这样不仅对水稻生长不利,还会造成资源浪费和环境污染。

  • 3.5 安徽省水稻区域施肥建议

  • 吴良泉[26]根据不同生态区域的栽培习惯和土壤条件的差异以及“大配方、小调整”的技术思路,在我国8个水稻施肥亚区,确定了11个水稻区域肥料配方,有效提高了肥料利用率和水稻产量;车升国[27]根据我国不同区域水稻田土壤养分状况来确定区域水稻一次性施肥的配方,提出了适合我国主要稻作区水稻生长的氮磷钾适宜比例。

  • 基于养分供应(土壤 + 肥料)和水稻养分需求的施肥技术可以为化肥施用量提供指导,据此研制出匹配土壤供应和水稻需求的配方肥产品。就安徽省水稻施肥现状而言,沿淮淮北平原配方肥中应适当增加钾素浓度,降低氮磷素浓度,同时降低施肥总量;淮南丘岗区水稻施肥应注重减少氮磷的变异程度,适当增施钾肥,以降低施肥过量和不足并存现象发生的机率;沿江圩区要考虑化肥面源污染对长江生态环境的破坏,在保证水稻产量的前提下,采用化肥深施、侧深施肥等技术提升肥料利用率,以减少过量施肥带来的环境污染。研制开发适合一次性施肥方式(轻简化)配套的新型缓控释肥料产品,皖南山区由于地势落差很大,会加大施肥的人工成本,该区域应加大推广一次性施肥技术。另外,注重农机农艺融合,根据不同区域和种植习惯采用侧深施肥、种肥同播等水稻栽培技术,以求在化肥减施的同时实现高产高效。

  • 不同养分来源对作物生长特别是土壤环境的影响十分重要。农技推广部门应该加大对施用有机肥的宣传,安徽省畜牧业有机废弃物资源总量巨大,可以替代全省化肥施用量的20%以上[28]。因此有效利用这些畜禽粪便资源,推进有机肥替代化肥的实施,在保证水稻产量的前提下,有效降低化肥施用量,同时对提升土壤肥力以及作物品质也有一定的积极效应。

  • 4 结论

  • 安徽省水稻氮肥及磷肥施用过量的比例分别为46.5%和29.4%,钾肥施用不足的比例为49.1%。有55%以上的农户处于高产低效或者低产低效的水平。根据当前水稻施肥中存在的问题,应根据不同区域特点,充分利用有机肥资源替代化肥;集成基于养分供应(土壤 + 肥料)和水稻养分需求的施肥技术并推广机械化施肥,研制匹配土壤特性和水稻养分需求的水稻专用配方肥及适合一次性施肥技术的肥料产品,以提高肥料利用效率,降低肥料资源的浪费和对环境的污染。

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