□ 雷煜晨
农业是提供支撑国民经济建设与发展的基础产业，是为人类提供食物而至今仍无可替代的古老产业，如何提高农作物产量以满足人类对食物的需求，是有史以来人类一直探索的问题。然而世界农业科学研究至今还处于对现象描述、经验总结和猜测性思辨阶段，并未取得像物理学、天文学和化学一样的近代科学成就。
我国虽然是一个具有几千年文明史的农业大国，但传统农业多是生产经验的积累，农业生产过程中相关内容的技术规范并无科学而言。经历改革开放40年，当多数专家学者还在争论我国科学技术是处于跟跑还是并跑问题的时候，我国学者、山西省农科院农业资源与经济研究所二级研究员褚清河早已创立了作物栽培学一次性施肥理论、土壤施肥配比理论和作物育种学理论。这是我国改革开放以来取得的前所未有的科学成就，探索与借鉴理论研究思路、思想方法，有利于促进我国各学科理论技术的全面创新，标志着中国已树起世界科学丰碑。
世界科学创新的奇迹
物理学定律或定理通常是特定条件下单一事物运动规律的科学研究成就，如牛顿力学三定律是物体受力作用下的运动规律，热力学三定律研究的则是物体受热下的运动过程和规律等；而农业科学学科理论研究的则是不同自然环境下多种事物的相互关系及普遍运动规律。如要创立施肥理论首先必须研究作物有效施肥期和最佳施肥期、施肥引起的土壤养分增减变化、施肥和土壤原有养分共同作用下不同品种作物对养分的吸收利用状况、土壤原有养分和施肥共同作用下作物产量的变化规律及其函数关系等内容。研究涉及作物栽培学、土壤学、作物营养学、植物生理学、统计学等学科；而要进行玉米育种理论研究，首先需搞清杂交玉米品种父母本杂交形成产量潜力所携带的遗传基因各是什么、它们在杂交过程中是依什么条件和按照什么规律组合的、为什么父母本各自携带基因通过杂交组合能形成高产潜力、施肥是否左右或影响父母本基因组合及如何影响基因组合的问题。
此研究不仅与前述学科密切相关，而且与作物育种学和作物遗传学密不可分。因此，农业科学研究与物理学研究相比具有如下特点：一是农业科学理论研究涉及学科较多；二是研究内容广；三是研究问题有较大难度和深度。研究涉及学科多就要求研究者必须具备多学科知识，研究内容广则要求研究者必须具备哲学思维和综合分析的能力，而研究内容所具有的难度和深度使得某一学科理论的突破必须借助于影响事物主要矛盾的学科理论研究的突破。此外，农业科学研究受自然环境影响较大，研究周期长，定量研究难度也远大于物理学等学科。
正因如此，近代科学革命以来，农业科学研究远远落在了物理学的后面。然而，经典力学从开普勒1600年开始在第谷观察资料的基础上深入研究，到1687年牛顿在《自然哲学的数学原理》中提出牛顿三定律和万有引力定律，用了87年的时间；电磁波理论的提出则用了262年的时间；我国仅用30多年的时间就创立了土壤施肥配比理论和作物育种学奠基理论，这显然是世界科学研究上的奇迹。但是，在研究思路、研究过程、研究方法、归纳推理及理论创立的普遍性和规律性等方面，土壤施肥配比理论、作物育种理论的创立与物理学电磁波理论的形成一样经历了相同的复杂研究过程。
基础探索研究与质疑下的探索。电磁波理论创立的基础探索研究，始于1600年英国人威廉·吉尔伯特对磁学的研究和1650年德国物理学家格里凯对静电研究并制造出第一台摩擦起电机。而后格雷的研究发现了导体的静电感应现象，杜非通过实验发现并区分出正电荷和负电荷及发现了静电同性相斥、异性相吸的规律。在此基础上，卡文迪许提出了静电电容、电容率、电势等概念，库伦提出了电荷相互作用力与距离的平方成反比的库仑定律，欧姆提出了导体的电流与电势差成正比，与电阻成反比的欧姆定律，成为电磁波理论创立的研究基础。作物育种学理论的创立与电磁波理论探索研究也基本相同，它始于质疑作物栽培学和土壤施肥理论探索取得的研究成果之上。
作物多次追施氮肥“理论”通常是依据作物不同生育时期吸收养分的利用方向不同而划分的不同生育时期（苗期、拔节期、抽穗期等）吸收的养分量，占一生中总吸收量百分比的大小作为追肥的理论依据。一般认为播种前一次性施肥会造成作物需肥小的苗期形成过量，大量需肥期则不能满足作物需肥要求的问题。根据作物阶段吸肥推理追肥具有增产作用存在如下错误：作物不同生育时期吸收的养分都是同等重要的，并非阶段养分吸收越多越重要；实行阶段追肥并不能改变追肥时刻土壤养分浓度大，随时间推移逐渐变小的问题；追肥势必改变作物的主动吸肥规律；磷钾肥基肥一次施用，氮肥分基肥追肥施用，不能满足作物不同生育时期吸收氮磷比例的要求，且氮肥基肥追肥并用与磷钾肥一次施用相矛盾；没有考虑土壤供肥的作用和土壤肥力能够协调作物吸肥的问题。此外，追肥理论与不同作物施肥技术要求重施基肥和低肥力土壤苗期追肥达到追肥总量的60%的论述自相矛盾。
作物栽培学一次性施肥理论基于上述质疑，褚清河依据探索研究作出猜想，作物吸肥是由前一阶段吸肥决定后一阶段吸肥的连续过程，作物不同生育时期吸收的肥料是同等重要的，苗期作物吸收养分量虽少，但它决定作物后期的吸肥水平。因此，他探索研究认为，土壤施肥是一种调节手段，而非满足作物不同生育时期的需肥量要求。苗期土壤供肥能力不足和作物吸肥能力弱是作物施肥的主要矛盾，播种前所有肥料一次施用，土壤供肥才能协调作物的吸肥规律。褚清河《黄绵土供肥与谷子吸肥机理的研究》发表于1987年《山西农业大学学报》第1期，《谷子吸氮量与氮素生产率的研究》发表于1989年《土壤通报》第1期，《不同施氮量下北方水稻田一次与分次施氮对水稻产量的影响》发表于2008年《土壤通报》第1期，从而提出了作物栽培学一次性施肥理论。土壤施肥配比理论的提出也经历了质疑探索研究这一过程。
1840年德国著名化学家李比希在《化学在农业和生理学上的应用》一书中提出了“最小养分律”，即“ 植物为了生长发育需要吸收各种养分,但是决定植物产量的,却是土壤中那个相对含量最小的有效植物生长因素,产量也在一定限度内随这个因素的增减而相对地变化，因而无视这个限制因素的存在, 即使继续增加其他营养成分也难以再提高植物的产量。” 至今被专家学者奉为经典理论。然而研究发现，由于该理论是不同作物单位面积施同样数量基肥产量不同而得出的推论，而非用氮磷肥料做的实证试验，因此理论并不成立。质疑探索和实证试验表明，同一地块种植不同作物，不仅增施土壤养分相对最小的养分因子增产，而且增施相对最大的养分因子也具有显著增产效果，并发现氮磷配合施用增产效果显著高于氮磷单施。褚清河的相关文章《玉米最大施肥量的构成因素及其变化规律》发表于2003年《土壤通报》第5期，《氮磷等比与以磷定氮条件下的最大施肥量研究》发表于2007年《土壤学报》第6期，《土壤养分相对最高与最大量下的最小因子效应》发表于2011年《山西农业科学》第7期。李比希“最小养分律”提出后，米采利希在前人工作的基础上，深入探讨了施肥量与产量之间的关系，试验结果是随着施肥量的渐次增加，作物产量也随之增加，但作物的增产量却随着施肥量的增加而呈递减趋势，从而提出了著名的报酬递减学说，但该试验是在其它试验因子不变只有氮施用量改变下得出的结论。
质疑下的探索研究试验证明，在最佳氮磷施肥比例和土壤最大施肥量条件下，施肥量与产量的函数关系为直线函数关系，而直至目前被普遍确认的抛物线函数是试验与计算存在失误情况下抛物线函数的误用。褚清河的相关文章《玉米产量与施氮量的依变规律及其实质》《以磷定氮条件下施氮量处理间的无效性与抛物线函数关系的误用》分别发表于2009年《土壤通报》第6期和2012年第3期。如同欧姆发明了测定电流大小的扭秤为定量化研究电磁效应提供了方法一样，通过探索研究，褚清河研究发明了以土壤四项肥力指标直接计算土壤种植不同作物最佳施肥比例和最大施肥量的数学方法，为土壤施肥配比理论和作物育种理论研究提供了定量化方法。
在提出土壤施肥配比理论的基础上，褚清河作物育种理论研究对玉米品种产量潜力水平与株型性状及施肥的关系进行了探索。其相关论文《不同土壤养分供应下玉米品种产量潜力变异研究》发表于2007年《华北农学报》第5期，《玉米品种产量潜力水平形成原理及其与施肥的关系》发表于2013年《山西农业科学》第8期。
提出假说，发现现象规律与提出概念。提出假说是科学理论研究的方向和突破口，没有假说就没有目标和研究方向。当然假说通常建立在观测、试验基础之上。而规律、概念是学科理论形成的核心，它是假说实证试验研究的必然结果，提出假说并通过实验证明假说是否成立是理论研究的必然过程，电磁波理论的产生突破就经历了这样的过程。1800年，意大利物理学家伏打制成伏打电堆、德国物理学家欧姆发现电流的磁效应后，丹麦物理学家奥斯特接着提出假说，电和磁之间存在某种关系，电一定可以转化为磁，并于1807年开始探索。1819年～1820年，经过60多次实验，确认了电磁效应的存在，此后电磁学研究获得飞速进展。紧接着法国物理学家安培和他的助手德莱里弗，提出了判断电流磁场方向的右手螺旋法则，认为磁的本质是电流，一切磁现象均起源于电流。奥斯特的发现10年后，英国物理学家法拉第发现了磁的电流效应、电磁感应定律，提出了“力线”和“电场”的概念，从而奠定了电磁理论的基础。
土壤施肥配比理论与作物育种理论研究，根据前期探索试验结果，褚清河提出了土壤和作物品种各自存在一个由内在特性决定地最大施肥量，生产中的现实产量应是二者最大施肥量相互协调的结果的假说，并猜想氮磷单施与配施也是由作物品种基因性状决定的外在施肥特性，而施肥应是玉米品种相应性状基因表达重组的重要条件。为此他在不同生态区平衡与不平衡土壤养分类型土壤上针对玉米、小麦、谷子、水稻、烟草、马铃薯等作物进行了最佳施肥比例的实证试验。他的《土壤养分类型与玉米氮磷最适施肥比例》发表于2004年《土壤通报》第6期，《土壤养分类型与小麦最佳施肥比例及最大施肥量的关系》发表于2008年《土壤通报》第5期，《最佳施肥比例对烟草产量和品质的影响》发表于2009年《土壤通报》第1期，《不同施肥量及养分配比对马铃薯和结球甘蓝产量及其硝酸盐含量的影响》发表于2013年《山西农业科学》第2期。褚清河研究发现了土壤养分类型与最佳施肥比例的规律，之后又提出了作物苗期供肥与吸肥强度相协调、平衡与不平衡养分类型概念、施肥原则或定理。
褚清河还同时进行了土壤最佳氮磷施肥比例对作物养分吸收和转化影响的实证试验，证明土壤施肥比例直接影响作物的生理利用率，并预言作物存在由氮磷配施比例基因控制的养分利用效率性状。他的论文《玉米不同供肥强度和施肥配比下养分的吸收与利用》发表于2010年《土壤通报》第5期。在施肥配比理论假说得到证实的基础上提出了土壤施肥配比理论，在2013年，《土壤施肥配比理论和方法的研究》一书由山西科学技术出版社出版，之后他又进行了决定杂交玉米品种内在性状及其基因表达的施肥原理研究。研究中一是提出了耐肥性和养分利用效率基因性状的科学概念、最大施肥量相匹配概念；二是发现了基因激活和失活现象、同性耐易交杂规律，从而奠定了作物育种理论的基础。《杂交玉米养分利用遗传特性与产量潜力的关系》《杂交玉米内在性状与基因表达的施肥原理》分别在2018年《山西农业科学》第5期和2019年山西农业科学第10期刊出。
科学理论的提出。科学理论的提出是从感性思维到理性思维的哲学思辨归纳推理过程。由于从对事物研究探索的偶然发现提出假说到假说被证实通常要经历很长时间，实验者也并不局限于某一国家的一个人或几个人，而且实验者进行实验多数情况下是出于自愿和兴趣。
因此探索与实证试验获得的成果大多数是孤立的、分散的，而且在逻辑上也各自独立。而要想把试验获得的分散的研究结果、结论包括相互矛盾的结论综合发展成为理论，必须有创造性思维和归纳综合能力。伽利略、开普勒、胡克等都是科学巨人，他们都为经典力学体系的建立做出了重要贡献，但这些科学巨匠的研究成果是牛顿将其发展成科学理论，从而建立起经典力学的辉煌大厦。
走在世界科学前沿
土壤施肥配比理论和作物育种理论的创立实现了科学理论实验者和建立者的统一，而且这一过程仅用了30多年的时间。土壤施肥配比理论阐述，土壤种植作物存在平衡与不平衡土壤养分类型，并具有相应氮磷和氮磷钾最佳施肥比例；在最佳施肥比例条件下，作物产量随施肥量的增加呈线性增加，最大施肥量后这种关系转化为负相关关系；施肥比例的作用是调整作物苗期土壤供肥由不平衡供应转化为平衡供应或保持土壤原有供肥的均衡性，而施肥量的作用则是提高作物苗期土壤养分的供应强度；钾、微量元素与氮、磷元素具有不同的施肥性质，作物要获得高产，氮磷在作物耐肥性允许的任何土壤养分含量水平下均需施用，而钾和微量元素只有在缺乏即为最低量营养物质时才需与氮磷配合施用，否则就会降低作物产量水平，这是施肥的基本原则；作物施肥效应在施肥基本原则下，表现为土壤养分类型上相应元素的组合施肥效应，这种组合效应决定着作物的稳产高产与产品品质。
作物品种选育实际就是父母本养分性状基因激活和重组的过程；耐肥性和养分利用效率是作物高产品种的基本性状，这些性状是通过决定品种最大施肥量和氮磷单施和配施营养遗传特性基因表达的；通常父母本并非均携带上述全部基因，而且携带基因可以是相同的，也可以是不同的，但父母本只有含有相同的基因，且其中一方基因具有较强的耐肥性才能实现杂交重组形成高产品种；父母本所携带基因在无相应因素激活情况下，通常处于休眠状态即隐性状态，只有施用相应氮磷养分才能使隐性基因转化为显性基因，并通过杂交重组使其表现出相应施肥特性。
英国著名学者李约瑟在《中国科学技术史》一书中提出，尽管中国古代对人类科技发展做出了很多重要贡献，但为什么近代科学并没有在中国产生的疑问，至今几乎成为世界评论中国科技发展的焦点问题。纵观世界科学发展史，世界上还没有哪个国家独立发展出近代科学。近代经典物理学的诞生基于英国物理学家牛顿力学三定律和万有引力定律的创立，牛顿三定律和万有引力定律是牛顿综合开普勒、伽利略、哈雷、雷恩等的研究成果创立的理论。物理学上的其它理论及其它学科理论的建立也不例外，科学理论的建立都是集各国科学家研究成果的大成之作。
近代农业科学并未取得重大突破，进入19世纪，细胞学说的创立应是生物学产生的重要标志。但细胞学说的建立也非是由一个国家的科学家单独研究创立的。1665年，英国物理学家胡克通过实验观察提出了“细胞”的概念，1805年，德国医学家发现了原生质和细胞，1831年，英国植物学家布朗和捷克生理学家普叶金发现了细胞核，但未引起人们的重视。1838年，德国植物学家斯莱登在《植物发生论》一文中提出细胞是一切植物结构的基本单位，植物的所有器官组织都是由细胞组成的，植物发育的基本过程就是细胞的形成过程，由此，细胞学说正式创立。
从19世纪以前科学的产生发展来看，重大科学理论的产生有如下特点：一是由于科学认识首先是一个观念改变的过程，因此，科学理论的产生都经历了很长的时间；二是由于科学的产生受传统观念、传统文化和思想开放与否的影响，科学创新不可能发生在一个国家，通常多是由各国杰出的科学家相继接力完成的；三是科学理论创新要经过假说提出、探索试验、实证试验以及研究成果的归纳推理过程，因此，科学创新需要不同学科和具有不同思维的科学家参与，很难由一个人完成。科学革命也很难在某一个国家发生，我国没有产生近代科学无疑也是受上述条件制约的结果。但是改革开放40多年的中国已经打破科学创新的常规，通过30多年潜心研究，褚清河创立了作物栽培学一次性施肥理论、土壤施肥配比理论和作物育种学理论，如果非要说作物栽培学一次性施肥理论、土壤施肥配比理论还有外国人的研究基础（相当于伽利略的自由落体思想建立在质疑亚里士多德错误之上），那么作物育种学理论从探索基础研究、假说的提出、实证试验到最后理论的创立，则完全是由中国人自己完成的。因此，作物育种理论的创立是21世纪中国树起的世界科学丰碑。
新理论的意义和价值
土壤施肥配比理论和作物育种理论的创立已为学科研究建立起新的思想认识体系，它必将开辟技术创新的新纪元，使该学科领域的知识结构产生根本的和全局性的变化，使相关学科科学工作者原有研究思路和认识产生质的飞跃。相关学科研究人员必将通过深入研究理论揭示的新问题、发现的新现象尽快完善与深化学科内容，使该学科理论技术得到迅猛发展。土壤施肥配比理论和作物育种学理论的建立必将促进化肥新产品的问世，使通过依土壤和作物品种选择化肥产品的数字化施肥技术得到迅速发展应用。研究者还可以对通过施肥配比理论揭示的“施肥原则或定理”的深入研究，从而在生理学上有所发现；与此同时，育种研究者通过进一步深入对该理论发现的“激活”和“失活”的原因条件以及基因的差异性研究，取得科学的重大突破。因为科学的重大发现通常起源于理论的猜想。
施肥配比理论和作物育种学理论的创立还有助于研究者找到技术创新的新途径，解决目前单纯依靠增大施肥量和品种创新无法解决大面积普遍增产的问题。作物育种理论提出了最大施肥量相匹配概念，可使作物育种做到科学选育和相匹配种植获得普遍高产。即只要选择高、中、低肥力水平不同的地块，分别在地块各自土壤最大施肥量和氮磷最佳施肥比例条件下进行自交系选育和杂交，就可选育出与高、中、低肥力水平土壤最大施肥量相匹配种植的玉米品种，就可变高产的偶然性为必然性，将使小面积高产变成不同肥力水平土壤普遍高产，从而改变现行高产品种小范围、小面积种植亩产水平较高，但大范围、大面积种植亩产量较低的状况。
我国的科技创新多年饱受外国人诟病，而由于我国历史上还未出现牛顿、伽利略和爱因斯坦这样的科学巨匠，科学创新也没有范式可借鉴，因此多数国人对科学创新也缺乏自信。今天，我国在短时间内靠自己的智慧和能力破天荒地创立了作物栽培学一次施肥理论、土壤施肥配比理论和作物育种学理论，用无可辩驳的事实证明中国是具有独立科学创新能力的国家，这无疑是我国改革开放取得的重大科学成就。研究和借鉴这一科学理论创立的研究思路、方法和过程，必将推动我国各科学领域的全面创新。