宏观农业的分析

化肥与生态环境的宏观视角 奚振邦 上海市农业科学院土壤肥料研究所， 上海 201106 植物产品越多，动物生产随之发展：动植物产品日益丰富，必然促进微生物生产相应发达，实现更加丰富的物质和能量循 环。图 1是三类生物生产关系示意图。 (图：图 1 世界上最重要的生物生产依存关系) 由图 1可见，通过食物链，将植物生产阶段、动物生产阶段和微生物生产阶段相链接。每个阶段的生物及其生存环境 构成每个阶段的生态，即植物生态、动物生态与微生物生态，以及由多样性生物与多样性生存环境构成五彩缤纷的生物世 界。而人类则是影响每个阶段、每种生态类型发展的主宰。 三、化肥与生态环境 对于不同类生物间存在的食物链及与其相连的物质、能量循环，特别是农业中粮食生产和畜牧业发展的相互依存关系， 我国农民有精辟的论述和比喻，这就是：肥多粮多粮多猪多猪多肥多肥多粮多，并说“养猪不赚钱，回头看看田”。 农民十分珍惜有机肥，肥多就能多打粮食，五谷丰登，粮多就可多养畜禽，六畜兴旺，就能多积有机肥，促进农牧业生产 再发展，成为一个物质与能量越积越多的“滚雪球”似的良性循环。而不断提高这一循环水平的关键和源头，是如何增加 投入于粮食生产的肥料，是在传统有机肥源基础上增加新肥源。化肥正是在这个关键点上找到了用武之地。化肥能不依赖 于耕地而直接大量提供作物必须的养分；且在增产粮食上化肥养分与有机肥养分等价。任何作物施用化肥与不施或少施化 肥相比，都可获得增产（增加植物性有机物产品）。例如 667m2水稻，当只使用 0.5t猪厩肥时产量为 400kg，而若在 0.5t 猪厩肥基础上增加 3Okg氮、磷、钾化肥养分，每 667m2产量可达到 600kg。显然，因施用化肥而每 667m2多增产了 200kg 粮食及约 200kg秸秆和 8Okg根茬。这些多增产的粮食可多养一头猪（猪多了），根茬留在田里，秸秆可作褥草垫料用于养 猪，使第二年的猪厩肥可增加约 2t（肥多了）。施用这些增加的厩肥，又可促进第二年作物的增产（粮更多）。如果农业 生产中年复一年地增施化肥，增加作物产量，就可使农业中物质与能量的循环量越来越大，则可以在人类的控制下，实现 农牧业生产的不断发展，实现高水平上的物质循环与平衡。 根据我国在 20世纪 80年代及其以后的大量田间试验和生产性统计，表明每千克化肥养分（N+P 205+K20）平均可增加粮 食 7.5kg。这与鲁如坤（1998）据 FAO大量数据计算的结果基本一致（表 1）。 (表：表 1 化肥对粮食作物的增产效果 ) N P2O5 K2O 作物 试验数 n 用量 (kg/hm2) PI 用量 (kg/hm2) PI 用量 (kg/hm2) PI 小麦 9506 90120 9.1 60100 7 4585 5.4 水稻 12929 63120 9.4 4590 7.7 3087 6.3 玉米 4121 45124 11.1 4590 9.9 3097 4.8 注释：注：引自鲁如坤，1998，土壤-植物营养学，PI 系每千克化肥养分的增产量，称生产指 数。 鲁如刊据 FAO结 果改算。 7.5kg 粮食如用作饲料，大体上可增产 3kg鸡蛋或淡水鱼，或 2kg猪肉，或 1.2kg牛肉。从 1978年到 1993年，我国 人均消费的肉、蛋和水产品分别从 8.86kg、1.97kg 和 3.5kg增长到 22.6kg（255%）、7.75kg（393%）和 7.29kg（208%）。 1994年以后增长更快，使中国人的营养和健康水平迅速提高。从 1978年到 1998年，我国化肥养分的施用量从不足 1000 万 t增加到约 4000万 t，相应的粮食产量从不足 3亿 t增加到约 4.6亿 t。1998 年以后，我国粮食总产仍有一定增长，并 稳定在年产 5亿 t左右。如按近几年每年施用化肥养分 4000万 t，其中 70%用于粮食作物，以及每千克化肥养分平均增产 7.5kg粮食计算，则每年用于粮食生产的 2800万 t化肥养分，可增产 2.1亿 t粮食，约占我国粮食年总产量的 42%。试想 如果化肥增产的 2.1亿 t粮食全部用有机肥去代替，大约需要含 NPK养分 5%（养分利用率为化肥养分的 60%）的有机肥 9.4亿 t，即使替代一半化肥养分，也要 4.7亿 t有机肥。每年能增加那么多有机肥吗？由于有机肥本质上都来自于作物生 产，故这样的农业能持续发展吗？ 我国粮食五谷丰登，连年增产，才有今天的六畜兴旺，人寿年丰，才有可能不去毁林、毁绿和开垦草原种粮，并能大 面积调整种植业结构，去发展棉、麻、油、丝、茶、糖、菜、果、花、烟、药及多种经济作物。1995 年与 1980年相比， 我国粮食作物种植面积减少约 1/4，达 3555.74万 hm2（24.4%），经济作物面积增加近 1倍，净增 2143.08万 hm2（97.4%）（表 2、表 3）。 (表：表 2 我国种植业结构的改变 ) 1980 1995 项目 104hm2 % 104hm2 % 耕地面积 16762.8 100 15350.4 100 粮食作物 14561.8 86.9 11006 71.7 经济作物 2200.99 13.1 4344.08 28.3 注释：注：引自中国农业持续发展中的肥料问题(1998)。 (表：表 3 我国主要经济作物面积的增长*(1980-1995) ) 作物 1980 1995 增长 增% 棉花 492.01 542.16 50.15 9.3 油料 792.85 1310.14 517.29 39.5 麻类 31.41 37.6 6.19 19.7 糖料 92.23 181.99 89.76 49.3 烟叶 39.67 147 107.33 271 蔬菜 392.57 1061.6 669.03 63 瓜园 28.7 84.07 55.37 197 茶园 104.08 111.53 7.45 7.2 果园 178.27 809.11 630.84 354 橡胶园 49.4 59.18 9.78 19.8 合计 2200.99 4344.08 2143.09 97.4 注释：注 *(10 4hm2)。引自中国农业持续发展中的肥料问题(1998)。 同时可提高一些地区的复种指数，提高土地的利用率。如华北地区在主要粮食作物单产提高的基础上，普遍由两年三 熟发展成一年两熟等。 有了充裕的粮食，还可为人们提供更多的蛋、乳、肉、鱼等动物性产品。而更重要的是由于投入 1t化肥养分，可增产 7.5t粮食，约相当于增加 1hm2耕地的粮食产量，因而不仅不必去开垦林地和草原种粮，还能真正实施退耕还林，退耕还草， 退耕还湖，大规模发展城市绿化；才能真正从根本上改善我们赖以生存的生态环境。如果国家为实施退耕还林、还草的每 667m2耕地补偿农民 150kg粮食，若每件约 300万 hm2即需要 750万 t粮食，相当于 100万 t化肥养分能增产的粮食。 众所周知，CO 2是最主要的温室效应气体之一，而光合作用则是一个固定 CO2和释放 O2的化学反应，因而粮食生产过程 也是不断固定温室效应气体 CO2和释放新鲜 O2的过程。化肥增加粮食产量，在增加生物能贮存的同时，也在增加对 CO2固 定和 O2释放的生态效应。表 4是按通常选用的平均参数计算的每千克化肥养分增加粮食产量后对生物能贮存，对 CO2这一 主要的温室效应气体的固定和新鲜 O2释放的影响。可以看出，与化肥厂生产化肥释放 CO2和吸收 O2相比较，由化肥增产的 粮食带来的气体转化生态效益平均可增加 6倍（表 4）。 (表：表 4 化肥能耗、粮食贮能及对 CO2和 O2转化影响的估算 ) 能量转化(MJ) CO2转化(kg) O2转化(kg) 物质 耗能 贮能 相对(%) 释放 吸收 释放 吸收 62 - 100 4.77 - - 3.43 1kg化肥养分 (2400m3 ) (2400m3 ) - 372 596 - 26.9 19.6 - 7.5kg粮食 (13600m3 ) (13600m3 ) 1kg有机养分 12.7 - 20 0.35 - - 0.182 注释：注：参数选择：粮食(1kg 籽粒加 1.8kg茎叶根茬)贮能 49.6MJ；每千克化肥养分(N+P 2O5+K2O)平均耗能 62MJ；每千 克化肥养分平均增产粮食 7.5kg，贮量 372MJ；粮食含 C35%，有机肥含 C25%。 当然，如果考虑生产的粮食被人和畜禽消费过程中，以及有废弃物分解过程中会逐步释放能量和 CO2，吸收 O2，因而 一年生作物尤其是粮食作物，在气体转化方面的净生态效益，要比森林等多年生植物的持久积累效应逊色，但至少是一种 积极的正面效应。从表 4中还可看到，使用有机肥养分，同时会消耗一定量的 O2和排放出相应的 CO2。 据估算，退耕后 667m2成年林地，每年可吸收和固定 1.21tC02，释放 0.88t02。若每年约 300万 hm2退耕农田中有 200 万 hm2造林，则 510年后，每年能增加 C02的固定量 3630万 t，多释放 022640万 t。由于林木是多年生，其产品利用的周 期长（几十年至上百年），故林木将有持久积累的减少 C02与增加 02的净生态效益，可为近地层大气增加约 1.85109m3 新鲜氧气。林地是名副其实的氧吧，每棵树就是一个吸收 C02、制造 02的微型“工厂”或“车间”。事实上，我国在过去 粮食产量递增的 20年内，每年由于农作物光合作用的增强和农产品增多，同样在减少由工业和城市化排入大气中的 C02， 增加 02对大气的补充。据现有资料估算，如果我国 20世纪末比 70年代末粮食单产增加 1倍，则每 667m2粮田可多固定约 600kg C02，相当于 840m3含 CH490%天然气燃烧后产生的 C02。与此同时，可释放出 436kg新鲜 02。表 5是最近几年粮食一 般产量估算的每公顷农田作物对 C02的固定量和 02的释放量。 (表：表 5 粮食作物的生产量圾其对 CO2的固定和 O2释放影响 ) 单位产量(kg) 单产(t/hm 2) 作物 籽粒 籽粒+茎叶+根茬 籽粒 籽粒+茎叶+根茬 CO2固定 (t) O2释放 (t) 水稻 100 126(98153) 7.5 16.95 21.7 15.8 玉米 100 151(98204) 6 15.06 19.3 14 冬小麦 100 162(126197) 4.5 11.79 15.1 11 注释：注：本表据沈善敏主编中国土壤肥力(1998)所载产量资料计算；气体的重量与体积按标准状况(0， 1.01105Pa)。 美国钾磷研究所编写的资料肥料与环境（1994）中，列举了一个相同的例子，即 1hm2产量为 6.3t的玉米（不计 茎叶和根茬）可同化 8tCO2。这些 O2足够 12个人呼吸一年。若大气中 C02浓度为 0.03%（体积比），则 6.3t/hm2产量的玉 米，需同化 4.0106m3的 C02，才能构成有机碳化合物，同时向这些空气释放出 4.0106m3新鲜 C02。 显然，草原的恢复发展，多种经济作物的扩大和高产，城市绿化面积的增加，都将有助于对大气中 C02的固定，一定 程度上消除因能耗增加，城市化发展所增加的 C02排放，也是补充和不断更新空气中的 02，保持 02在空气体积中占有 21% 左右比例的重要因素。 因此，对于化肥与生态环境如此重要而又十分复杂的问题，决不能简单化地对待，也不能只是看那些局部的现象，如 可能出现的水体中 P205和 N03-N的增加，土壤中氮氧化物排放等。当然这些问题必须重视并应采取相应对策加以有效控制。 而更重要的是要从宏观上、根本上认识化肥对植物生产的重要性及其对大范围生态环境的积极贡献，以积极的态度去应对 和治理所谓的化肥污染。 下面主要从两个方面实施有效应对: （一）改善宏观生态环境 1.促进农业全面增产，控制和平衡物质循环强度。 2.扩大退耕还林、还草，发展城镇绿化。 3.逐步实现耕地园林化（作物以外适度发展乔、灌、草、竹、花、湖、河、塘等）。 (二)改善农田生态环境 1.发展精准农业，减少化肥养分向环境耗散。 2.控制面源排放（制定控制标准）。 3.实施多种轮作（草田、粮豆、粮经）。 放眼世界，从西欧到北美，从日本到澳洲，凡是化肥使用多，农业发达的国家，典型的如日本和荷兰，都是生态环境 相对优美的国家。反之，非洲和亚洲的某些国家，化肥用量不高，粮食不够，也就无法保护和保持其生态环境。 我国农业由于粮食的连年丰收，正在一个新的起点上对农林牧业进行规划发展。上海郊区是一个较好的实例。上海市 决定在今后 10年左右时间内，要把 1/3的耕地改为林地，总面积约 10万13 万 hm2，并大力扩展城市林木与绿化。这就意 味着上海将真正成为大地园林化的城市。大面积林地持续对 C02的吸收和新鲜 02的释放，无疑将从根本上解决上海工业城 市空气污染，热岛效应等问题，发展为名副其实的城市天然氧吧。而且，成片林地除显著的经济效益外，还有持续地调节 小气候，调蓄土壤水分，减轻干旱与洪涝，防风、防潮，保护水土，促进生物多样性等多方面的生态功能和效益。探根究 源，上海之所以能有如此宏观而又长远