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科学看待化肥 勿让化肥“背锅”

   发布时间::2020-05-28 18:27 摘录:baidu.com 点击人数:

  改革开放40年来,我国粮食总产量翻了一番,从1978年的3亿吨提高至2013年的6亿吨。此后,全国粮食产量已经连续多年稳定在6亿吨以上。人均占有粮食从1977年的297.7公斤上升到2017年的444公斤,增加了49%。我国不仅解决了百姓吃饱饭的问题,而且正从“吃饱”向“吃好”转变。土壤学家、肥料专家,包括农业部,都言之确凿地证实化肥对作物增产发挥了重要作用。但近几年来,却出现了化肥造成土壤板结、酸化、污染等抹黑化肥的不少言论,部分有机农业追捧者散布“中国农业有机肥必将完全替代化肥”的言论,引导公众抵触化学肥料。

  笔者作为77级北京农业大学土壤与农业化学专业的本科生,上大学前参加过农业生产劳动,毕业后一直从事土壤和土地的教学科研工作,觉得很有必要利用自己所学的理论知识和经验,科普化肥的作用,为化肥正名。

  化肥是工业革命的产物,是现代科学技术带给我们的作物生长所需的高效营养物质。化肥的施用,打开了从作物生物圈之外获取养分的又一个通道,彻底突破了传统农业依赖于地力自然恢复或仅仅依靠有机肥对作物产量提高的瓶颈,作物营养问题得到解决,作物产量迅速提高,解决了温饱后的人口快速增长。化肥的施用,对近200年的人类文明发展作出了重大贡献。

  1800年英国率先从工业炼焦中回收硫酸铵作为肥料。硫酸铵主要提供众所周知的作物营养的“三大元素”即氮磷钾中需求量最大的氮素。1842年英国用硫酸分解磷矿石生产出过磷酸钙肥料,1860年德国人从钾盐矿中提炼出钾肥。从欧洲1800年生产硫酸铵开始,经过200多年的发展,化肥已经完全可以为粮食蔬菜水果等各种农产品提供氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、锰、铜、锌、硼、钼、氯等必需的高效营养元素。

  植物生长所需要的养分来自于矿物质而非有机物,这早在19世纪40年代就得到了科学证实。1840年,德国著名化学家、国际公认的植物营养科学奠基人李比希(J.V.Libig)通过大量实验,提出了植物矿质营养学说,认为腐殖质(有机质)是在地球上有了植物以后才出现的,而不是植物出现以前,因此植物的原始养分只能是矿物质。在李比希之后,许多科学家的实验使植物矿质营养学说获得了进一步的证实和发展。法国农业科学家布森高(J.V.D.Biussingault)于1843年建立第一个农业试验站,发现作物中的碳来自空气中的二氧化碳,而不是土壤中的碳酸钙,提出了植物碳、氮营养学说。确定了植物生长必须的17种元素,探索出这些养分的来源与及植物吸收利用的数量、主要形态和途径,告诉世人,植物从土壤中吸收矿质养分和水分,与空气和水分中的碳、氢、氧通过光合作用合成碳水化合物。

  1908年德国诺贝尔化学奖获得者Fritz Haber(1918)和Carl Bosch(1931)发明了合成氨技术和工艺,实现了氮肥的充足供应。化肥的施用让欧洲生活水平迅速提高,自此,欧洲告别了饥荒。合成氨技术其实就是人工固氮,将大气中的氮气通过高温高压和催化剂的作用制成氨。磷、钾肥是从矿物中提取出来的,磷肥原料主要是磷矿石,钾肥原料主要钾矿。化肥提供的都是无机速效养分,不需要经过微生物转化分解,施入土壤中后可直接被作物根系吸收,让农田土壤养分亏损迅速得到补充,作物连续高产得以实现,极大地提高了作物产量。

  在没有化肥的时代,人们把作物生产的有机废弃物(秸秆)和人畜生活排泄物堆沤成有机肥施用于农田,在土壤微生物的作用下,有机物中含有的氮磷钾等养分被分解释放出来,供作物根系吸收,可以维持一定的土壤肥力和产量,但难以大幅提高产量,作物产量一直维持在低水平,解决不了人类的温饱需求。而且,因为草原或森林开垦为耕地后,作物从土壤中取走的养分多,而归还的少,草原和森林积累的土壤肥力在不断耗竭,土壤肥力在不断下降。过去土壤肥料学家常说的土壤肥力下降,就是将开垦后的耕地土壤的肥力与开垦之前的草原或森林土壤的相比。施用化肥,就是从农业生态系统之外调入补充作物生产需要的养分之不足,才使得作物产量得到大幅度的提高。施用化肥提高了作物产量,也产生了更多的根茎叶有机废弃物,可以堆腐生产更多的有机肥,归还到土壤中,提高了土壤肥力。

  笔者2000年在河北省曲周县采集了79个耕地样点的耕层土壤,进行了化验分析,发现这79个样点的土壤有机质和氮磷钾含量都比1980年提高了。究其原因,这是改革开放后我国化肥工业迅速发展,满足了高产所需要的化肥供应,农业生产施用了大量化肥的结果。笔者高中毕业后参加农业生产劳动,年年在生产队搞“积肥”(有机肥),但那时化肥短缺,仅仅施用一点氮含量低的碳酸氢铵,那时玉米产量也就是亩产200-250公斤。那时的所谓“有机肥”就是个“黄土搬家”,即从地里铲来土,加上一点牲畜吃剩的草渣和牲畜粪便,堆沤以后,再运到地里去。这样的“有机肥”有机物料少,为作物提供的养分少,产量只能维持在低水平,土壤肥力也就维持在低水平。而当时还有很多不施肥的“卫生田”,土壤肥力还在下降。

  我国历史上,从秦朝至民国,历经2000多年,水稻亩单产才从40公斤提高到200公斤,而今全国平均每亩水稻产量在500公斤以上,最高产可达1000公斤,其中化肥的产量贡献不容质疑。近年联合国粮农组织(FAO)研究和调查显示,施用化肥比不施用化肥可提高50%的单产,作物总产中有三分之一来自化肥的贡献,中国粮食产量的一半来自化肥,这和国内相关学者的研究高度一致。

  然而,近三十年来,化肥的过量施用,在高产稳产的同时,也产生了不可否认的副作用,这就是水体富营养化等。由此公众对化肥产生了负面认识。一些人借机扩大化化肥的副作用,甚至妖魔化化肥,如化肥导致土壤板结、酸化和污染。然而,研读大量相关科研文献,没有发现施用化肥导致土壤板结、酸化和污染的科学数据支撑。

  2000年和2002年,笔者带领团队成员在河北省曲周县和北京市大兴县进行土壤采样时发现,有些秸秆还田的耕层土壤,不但疏松,而且已经形成了微团聚体。土壤教科书告诉我们,腐殖质是形成良好土壤团聚体,使土壤疏松通气透水的主要物质。化肥的施用,使得作物生物量(根茎叶籽种)大量增加,大量根茎叶通过各种形式归还到土壤中,增加了土壤腐殖质含量,有利于土壤团聚体的形成,只能疏松土壤,不可能造成土壤板结。

  中国科学院南京土壤研究所封丘农业生态试验站长达30年的定位施肥试验表明,与不施肥料的处理相比,长期施用化肥使得有机质含量显著提升,土壤容重显著下降,而土壤酸度没有显著变化。也就是说,施用化肥的土壤不是变板结,而是变得更疏松。

  1888年设计的位于美国密苏里州的长期定位施肥试验(SanbornField),已经运行了130年,得到与封丘试验站类似结果。至于有些耕地的土壤板结,主要是缺少耕翻造成的。由于机会成本的增加,有些地方种田,不再进行世代相传的耕翻、耙碎、耱细田间耕作,而是种“懒汉田”,收后直播,缺少耕翻的土壤自然会板结。

  科研文献表明,不施化肥的自然土壤如森林土壤的酸化比耕地更显著,而化肥施用量显著高于耕地的温室大棚土壤却出现盐碱化,这些均表明化肥不是土壤酸化的直接因子,更不是主导因子。过去的一些酸性肥料,如过磷酸钙、硫酸铵、硝酸铵现在基本都不生产了。我国现在年化肥施用量约1/2~1/3是尿素。尿素呈弱碱性,溶于水的水溶液呈中性反应。我国施用磷肥的大部分是磷酸二铵,磷酸二铵的水溶液呈弱碱性,pH8.0。由此可见,化肥的施用不是土壤酸化的原因。化肥主要是小分子或各种盐,不会直接导致土壤酸化。所谓生理酸性化肥如氯化钾,是指植物吸收大量的钾而交换出氢离子,这会导致土壤变酸,同时植物生长过程中也会分泌有机酸,所以化肥致酸的主要源头是植物而不是化肥。换句话说,植物生长过程中就必须吸收相应的养分,同时产生相应的酸。如果说施肥导致土壤酸化,恐怕有机肥更容易导致土壤酸化,因为有机肥的主要成分胡敏酸和富里酸是酸性的。

  我国农田土壤变酸主要是因为盐基离子的淋失。盐基离子的淋失是地质大循环过程的必然。在我国南方,降雨量比北方多,盐基离子的淋溶强度大,所以南方土壤都是酸性的,即使原始的森林,其土壤也是酸性的。盐基离子的不断淋失、土壤就会进一步酸化。在北方,大多数土壤是微碱性的。但北方平原区耕地,由于排水系统的修建和开采地下水,降低了地下水位,即使是在春季,也很少有土壤水分通过土壤毛细管上升而蒸发,土壤水分运移已经转变为以雨水(或灌溉水)的下渗淋洗为主,也是脱盐基的过程,而导致酸化。特别是盐碱土水利改良的过程,就是淋洗盐基而使土壤酸化的过程。

  其实,导致土壤酸化的主要是大气干湿沉降。据不完全估算,每年我国硫氧化物沉降3000多万吨,氮氧化物沉降约2000万吨,这两项加起来就达5000万吨,干湿沉降保守估计在1亿吨以上。我国施用的5000万吨化肥基本是中性或碱性的,而这1亿吨干湿沉降是强致酸性物质。由此,把土壤酸化归罪于化肥显然是“嫁祸于人”。

  至于土壤中的重金属污染,有很多原因,主要是地球化学背景值高,第二是来自于工业和污水灌溉。化肥是无机物,很纯净的,基本不含重金属。土壤植物营养学家张福锁院士指出,化肥对土壤重金属污染的影响很小,化肥中仅磷酸铵会带入一定量的重金属,我国磷矿含镉量很低,按照目前施肥量(50公斤/亩,按平均含镉量10 mg/kg计),每年带入的镉仅为0.5克/亩。

  综上所述,化肥,是科技带给人类的高效作物营养。在没有化肥只施用有机肥的年代,始终没有解决人民的温饱问题。是化肥彻底突破了传统农业依赖于地力自然恢复或仅仅依靠有机肥对作物产量提高的瓶颈。化肥提高了作物产量,也提供了可转换为腐殖质的大量作物根茎叶,提高了土壤腐殖质含量,有利于土壤团聚体形成,疏松土壤。现代化肥大多数是中性或微碱性肥料,不是土壤酸化的原因,土壤酸化主要是盐基离子淋洗的结果,而盐基离子淋失是地质大循环的必然。而大气酸沉降加速了土壤酸化。化肥是纯净的,很少含有重金属,土壤重金属主要来自于土壤中的地质风化过程的原生矿物,外来重金属主要是工业和灌溉污水带来的。

  当然,如果过量施用化肥,多余的养分进入水体使得水体富营养化,会造成水体污染。因此,国家出台了减肥增效政策,也就是在确保稳产或增产的前提下,采用综合的技术措施,比如平衡施肥、精准施肥,来降低化肥用量,减少对水体的污染,也提高养分利用率,避免浪费资源。

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