施肥与耕地资源的合理利用和保护.doc

施肥与耕地资源的合理利用和保护金继运 吴荣贵中国农业科学院土壤肥料研究所 加拿大钾磷研究所北京办事处1. 引言 我国以占世界7%的耕地养活着占世界22%的人口。合理利用和保护有限的耕地资源，发展高产优质高效农业生产体系，是保护农业生产持续稳定发展的关键。农业生产是一个能量和物质的转化和循环过程，在1949年以前，我国农民在几千年的农业生产实践中把种植业和饲养业紧密结合起来，完全依靠有机肥料保持养分循环，遵循了物质能量循环的客观规律，合理地利用土地资源，保证了农业生产的持续发展。但是，依靠有机肥维持农业内部的物质和能量循环，只能是低水平上的循环，产量水平不可能有较大幅度的提高，从公元前221年到新中国成立前的二千多年的漫长时期，小麦和水稻的产量增长十分缓慢，平均每年分别仅增长0.3和1.3公斤/公顷。传统的封闭式农业无法满足现代社会不断增长的需求，必须从农业系统以外投入物质能量，扩大物质循环的内容，使农业生产跃上一个新的水平。自新中国成立以来，化肥的投入逐年增加，到1990年，化肥总投入量达2590.3万吨养分，成为世界上最大的化肥消费国。由于化肥的投入扩大了物质能量循环的内容，产量水平不断上升，1990年粮食总量达45184万吨，相当于1952年的2.8倍。从1952年到1990年近40年间，粮食产量与化肥用量呈极显著的正相关。小麦和水稻每公顷产量每年平均增长66公斤和89公斤。在我国施肥的历史上，甚至在目前的施肥实践中，的确存在有长期偏施单一养分肥料，引起土壤中其他养分的耗竭，施肥效益下降，影响产量和产品质量，甚至污染环境等问题。比如过量的氮肥会导致地下水污染，加速土壤中其他养分消耗，过量和不恰当地施用磷肥也会导致这一元素在水体中的富集。但是，这些问题都是由于人们缺少合理施肥的知识，违背了平衡施肥的原则，而不是施用化肥的必然结果。平衡施肥增加农业生产系统的物质和能量循环，提高农作物的生物产量和经济产量，改善土壤生态环境，提高耕地资源的利用价值。英国洛桑实验站一百多年的定位试验结果表明，连续百年配合施用适量的氮磷钾肥，即使不用有机肥，作物可以持续高产，土壤肥力没有下降，我国的一些定位试验结果也表明，只要氮磷钾配合得当，土壤有机质和速效养分含量均有所上升。 科学地平衡施用各种必需的营养元素，对于提高作物产量和品质以及保证环境质量，都是有益而无害的。反之，如果违背平衡施肥的原则，偏施某一种或几种养分，则可能引起地力下降，产量降低，影响产品品质，甚至危及环境。我们必须认识施肥的规律性，掌握平衡施肥这门科学，使农业生产中的物质和能量的转化进入良性循环，保证作物持续高产稳产，保证农产品的质量，提高土壤肥力，保持良好的生态环境。我国以不足世界7%的耕地养活着占世界22%以上的人口。而且在不可预见的未来，人口仍将不断增加，耕地面积继续下降。预计到2000年和2020年，我国总人口分别达到12.813亿和1516亿，人口的不断增加，人民生活的提高和国民经济的高速发展对农业生产提出越来越高的要求，对有限的耕地施加愈来愈大的压力。我们必须在有限的耕地上生产出更多的粮食、纤维、油、糖等生活必需品和工业原料，同时又要保持和提高土壤肥力，保护生态环境，实现这些目标，要一靠政策、二靠科技、三靠投入，走高产、优质、高效的道路。在农业生产的各种物资投入中，肥料是费用最高的一项。据估计，在我国粮食生产中，化肥的投入一般占各项物资和能量投入总费用的3040%，在某些高产地区，化肥的费用可以占总投入费用的50%以上。然而，如果使用得当，化肥又是各种投入中见效快、效益高的一项。据估计，近年来，我国粮食增产的30-50%来自化肥的应用。肥料施用必须有先进的科学技术的指导，才能充分发挥其增产效益，提高土壤肥力，保护和改善土壤环境。反之，应用不当，则可能对农业生产和生态环境造成不良影响。因此，肥料的合理施用，是发展三高农业，保证农业生产持续稳定增长和保护土地资源的关键措施之一。本文试图通过对我国长期施肥历史的回顾，综合近年来的科学研究发现，对施肥在农业生产，尤其是粮食生产持续发展中的作用及其对耕地资源合理利用与保护之间的关系进行探讨。2. 历史的回顾我国施肥历史悠久，早在公元前三千年的商朝，就有关于施用有机肥的记载。在二千多年前的战国时期及其后的秦朝，有机肥已普通应用。表1列出了我国自公元前221年到现代不同历史阶段的小麦和水稻的平均产量。从公元前221年到建国初期，小麦和水稻的产量缓慢增加，在这漫长的二千多年历史中，没有从农业系统以外投入养分，农民仅仅依靠施用有机肥调整农业生产系统内部的物质循环，有效地维持了土壤肥力。但是，这是以低投入和低产出为特点的低水平的物质循环和平衡。自公元前221年到公元1279年，小麦产量一直维持在每公顷800公斤左右，直到本世纪初，才提高到每公顷1465公斤，在二千多年的漫长历史中，每年平均只增长约0.3公斤/公顷。水稻单产增长比小麦快些，但从603公斤/公顷增加到2930公斤/公顷也用了1731年，平均每年只增长1.3公斤。农业生产是一个能量和物质的转化和循环过程，处理好农业生产体系内能量和物质的循环与平衡，是农业生产持续稳定发展的关键。在本世纪50年代之前，我国农民在几千年的农业生产实践中把种植业和饲养业结合起来，完全依靠有机肥保持养分循环，遵循了物质的客观规律，合理地利用资源，保证了农业生产的持续发展，创造了举世瞩目的民族文化。中国传统的有机肥中养分较齐全，氮磷钾养分的比例较为合理，因而在以有机肥为唯一物质投入的传统农业生产中，养分循环基本平衡，农业生产和土壤肥力水平得以保持甚至提高。然而，仅仅依靠有机肥维持内部物质循环的封闭式农业无法满足现代社会不断增长的需求，必须从农业系统以外投入物质和能量，扩大物质和能量循环的内容，方可使农业生产跃上新的台阶。自50年代以来，化肥的投入逐年增加，到1990年，化肥总投入量达到2590.3万吨养分，成为世界上最大的化肥消费国。与此同时，由于化肥的投入扩大了物质能量循环的内容，产量水平快速上升，从1952年到1990年，小麦产量从735公斤/公顷增加到3225公斤/公顷，平均每年增加66公斤，相当于明清以前二千多年间增长速度的200多倍。水稻产量从1952年的2408公斤/公顷增长到1990年的5805公斤/公顷，平均每年增长89公斤，相当于明清以前1731年间平均增长速度的66倍（表1）。1990年我国粮食总产量达45，184万吨，相当于1952年的2.8倍（表2）。应当指出，有许多其他因素影响着产量的快速增长，如优良品种的选育和推广，灌溉条件的改善，病虫害的成功防治等等。但是，化肥的合理投入是关键措施之一。据统计在过去40年间，化肥总用量与粮、棉总产量，以及化肥单位面积施用量与粮、棉产量均呈显著或极显著正相关。若以化肥总用量的80%用于粮食作物，每公斤养分增产粮食8公斤估算，则19861990年5年内，粮食总产中有35%左右是施用化肥的结果。(表：表1 我国历史上小麦和水稻的平均产量(公斤/公顷) )朝代 年 代 小麦 水稻 秦朝 公元前221-206 793 - 西汉 公元前206-公元25 904 603 宋朝 960-1279 780 1,560 明清 1368-1911 1,465 2,930 当代 1952 735 2,408 1965 1,020 2,940 1980 1,890 4,133 1986 3,040 5,338 1990 3,225 5,805 (表：表2 我国化肥消费量和粮食产量(万吨) )年份 化肥用量(养分) 粮食产量 1952 7.8 16392 1957 37.3 19505 1965 194.2 19453 1970 351.2 23996 1975 489.0 28452 1980 1269.4 32065 1982 1513.4 35450 1984 1739.8 40731 1986 1930.6 39151 1987 1999.3 40473 1988 2141.5 39930 1989 2357.4 40755 1990 2590.3 45184 3. 肥料的不平衡施用对耕地资源利用和土壤生态环境的影响肥料，尤其是化肥的大量施用，大大增加了农业生产系统的物质和能量循环的内容，对农业生产的持续稳定增长起到了积极的作用，这是农业现代化的重要标志之一。但是，与此同时，大量的外部物质和能量的投入，逐渐形成了以高投入高产出为特点的现代化农业生产系统，原有封闭的生产体系的物质能量平衡已不复存在，如果不能遵循能量循环的客观规律，不能按照土壤条件和作物需求规律均衡供应各种必需的营养元素，则可能破坏土壤资源，降低土壤肥力和生产力，影响农业生产持续稳定发展和环境质量。 3.1. 我国化肥施用的历程是最小养分因子律在宏观上的表述我国大量元素化肥的施用大致经历三个阶段。在50年代以前，由于农民长期靠施用有机肥维持土壤地力，土壤中磷钾相对较为丰富，而氮素缺乏成为进一步提高产量的第一限制因素，在改良品种的同时，50年代主要靠增施氮肥，使产量有了大幅度的增加。随着氮肥的大量施用和产量的提高，作物从土壤中移走的其他元素数量相应增加，引起土壤中其他营养元素的耗竭。因此，自60年代初期开始，从南到北，缺磷逐渐成为作物增产的限制因素，磷肥的施用受到普遍重视，使作物产量上升到一个新的水平。进入70年代后，氮磷肥的配合施用及产量的进一步提高加剧了土壤中钾素的耗竭，从南到北，逐渐出现了缺钾土壤和施用钾肥增产的报道，土壤缺钾逐渐成为农业生产持续发展的限制因素。因此，钾肥的合理施用提到议事日程，并对农业生产进一步发展起了关键作用。回顾这一段历史，可以清楚地看出，我国化肥施用的历程是最小养分因子律在宏观上的表述。当依靠施用氮肥克服了增产的第一限制因子（氮）之后，另一个最重要的限制因子（磷）就成为限制产量进一步提高的主要因素，当该因素通过磷肥施用而纠正之后，缺钾成为影响产量的重要因素。因此，在从农业外部投入养分时，必须考虑各种营养元素的平衡，才能在此高投入高产出的新的生产系统中建立新的平衡，保证土壤肥力的不断改善和生产的持续发展。必须指出，我们应该强调的不仅是氮磷钾三大营养元素之间的平衡，而是包括其他中量和微量元素的综合平衡和均衡供应。3.2. 肥料的不平衡施用与土壤养分的耗竭化肥不平衡施用对土壤肥力的直接影响是引起其他养分的耗竭，降低土壤肥力。表3是在河北省玉田县小麦-玉米一年二熟种植制度下连续种植9季作物后，计算的土壤和作物体系内的钾素平衡。(表：表3 小麦-玉米定位试验中钾素和投入和产出(公斤K/公顷) )处理* 移走量 加入量 盈亏 NP 711 0 -711 NPK 1357 841 -516 NPM 920 126 -794 NPKM 1592 967 -625 注释：*K=每季施K2O 112.5公斤/公顷,M=每年小麦上施有机肥11.7吨/公顷 在只施氮磷肥，不补充任何钾素情况下，5年内作物从每公顷土壤中共移走了711公斤钾素（K）。即使在以KCl或有机肥的形式补充钾素的情况下，由于作物对钾的奢侈吸收，在不进行秸秆还田的情况下，土壤中的钾仍然是亏损的。由于土壤中钾的严重亏损，作物施钾的增产效应逐年增加，在1987年第一季，施钾使玉米增产811%，而到1991年时，施钾使玉米增产幅度高达3132% （表4）。(表：表4 定位试验中玉米的增产效应 )年份 处理 产量 公斤/公顷 % 1987 NP 7125 100 NPK 7724 108* NPM 7244 100 NPKM 8027 111* 1991 NP 4809 100 NPK 6310 131* NPM 5070 100 NPKM 6685 132* 注释：*在0.01水平上显著。肥料施用不平衡同时也造成土壤中其他中、微量元素的耗竭。加拿大钾磷研究所通过中-加合作项目引进土壤养分状况系统研究法研究出了我国主要土壤上存在的养分限制因子。表5汇总了取自13个省（市、自治区）的104个土壤的土壤养分状况。结果表明，除了氮、磷、钾大量营养元素以外，中、微量元素的耗竭和缺乏问题也相当普遍，有的已经成为主要的产量限制因子，因此，在开展与土壤肥力和施肥有关的研究或进行施肥推荐工作时，必须综合考虑土壤中各元素的均衡供应，才能达到预期的效果。(表：表5 土壤养分限制因子研究盆栽试验中缺素处理的相对干物产量(以最佳处理产量100%,共104个土壤取自13个省份) )缺素处理 缺素处理减产 的土壤数 相对产量范围(%) 平均相对产量(%) -p 101 9-85 38 -N 100 6-83 43 -K 60 39-88 71 -Zn 38 44-89 75 -S 23 42-92 72 -B 22 65-91 80 -Mo 19 59-94 79 -Ca 18 2-85 50 -Mg 14 34-90 74 -Cu 13 42-89 74 -Mn 11 71-92 81 -Fe 3 46-71 62 当施肥环境引起的土壤某些元素的亏损得不到补充时，这些元素的缺乏就会发展成产量限制因子。我国东北地区某些土壤上缺硫的发生就是一个例证。由于近年来东北地区的磷肥逐惭由过去的以过磷酸钙（含P2O5 1518%，S 1517%）为主改为以不含硫的高浓复合肥，如磷酸二铵（18-16-0）和三元复合肥（15-15-15），断绝了土壤植物体系内硫的补充，引起硫的耗竭，缺硫在某些土壤上，尤其是多年的水稻土上成为产量限制因素。在吉林的一个水稻试验中，施硫使水稻增产28.135.9%（表6）。(表：表6 施硫对水稻产量的影响 )处理* 稻谷产量(公斤/公顷) 增产(公斤/公顷) 增产(%) NPS 7807.5 2062.5 35.9 NPKS 7680.0 1935.0 33.7 NKS 7357.5 1612.5 28.1 NPK 5745.0 - 注释：*N=每公顷施N160公斤, p=每公顷施P2O5 80公斤, K=每公顷施K2O 120公斤， S=每公顷施192公斤。 3.3. 肥料的不平衡施用与施肥数益的下降 如果土壤中存在的某些限制因子没有通过施肥纠正，而偏施某一种或几种其他肥料，则不能获得应有的增产效果，同时，偏施的元素，尤其是氮素还会造成环境污染和影响农产品品质。如前面表4中的例子，在NP处理中，由于只施用了氮磷肥，而没有补充钾肥，土壤缺钾限制着玉米产量，NP处理的产量比NPK处理显著阵低，而二个处理的N和P2O5的施用量是一致的。显然，NP处理中的氮肥和磷肥没有被作物充分利用，其增产效益没有得到充分发挥。同样，从表6中可以看出，在缺硫土壤上不施硫肥（NPK处理）明显阵低了所施用的氮、磷、钾肥的利用率和增产数益。全国肥料试验网曾经于1958-1962和1981-1983年间在全国范围内安排了大量田间试验，研究不同作物的施肥增产效应。表7汇总了这两次肥效试验中水稻、小麦和玉米施用氮、磷、钾肥的增产数应。从表7的结果可以清楚地看出，与19581963年的结果比较，在19811983的试验中，氮肥对三种作物的增产数应都明显下降了；磷肥的增产效应在水稻上（主要在南方）下降了，而在小麦和玉米上（主要在北方）有上升的趋势；钾肥的增产效应在三种作物上都显著提高了。这些肥料效应在二十年间的显著变化与诸多因素有关，如产量水平的提高，品种和施肥量的变化，等等。但是，肥料施用的不平衡是引起这些肥效变化的主要因素之一，尤其是氮肥增产效应的显著下降和钾肥增产效应的上升反映了氮肥用量偏高，而未能及时补充钾肥。事实上，在1965年和1975年，我国化肥消费总量中N:P2O5:K2O的比例分别为1:0.46:0.002和1:0.44:0.03，氮钾的比例不协调造成了土壤中钾素的耗竭，引起钾肥增产效应的提高和氮肥效应的下降。(表：表7 氮磷钾化肥的增产效果 )养分 作物 每公斤养分增产(公斤) 1958-1963 1981-1983 N 水稻 15-20 9.1 小麦 10-15 10.0 玉米 20-30 13.4 P2O5 水稻 8-12 4.7 小麦 5-10 8.1 玉米 5-10 9.7 K2O 水稻 2-4 4.9 小麦 不显著 (华南6.6) 玉米 不显著 1.6 3.4. 肥料不平衡施用对土壤和环境的其他不良影响大量的偏施一种或几种营养元素将破坏土壤生态环境，进而影响人类生存的环境质量。氮肥的过量应用或施用不当造成的不良影响最为明显，并引起人们的广泛重视。在一定的条件下，土壤-植物系统内过量的氮素以硝态氮的形式淋失，进入地下水，污染井水、湖泊和河流，同时，造成水体富营养化，影响人们的健康和淡水养殖业的发展。在使用管理不当的情况下，氮肥在农田生态系统中通过生物化学作用可以产生NO，NO2和N2O等气态氧化物，污染大气，形成酸雨，对水生生态系统和陆地生态系统造成危害。此外，过量的不合理施用氮肥引起蔬菜中硝酸盐的积累，影响人们的健康。关于氮肥使用不当对土壤和环境以及农产品品质的影响在本次学术讨论会上有专文介绍。磷对土壤生态系统本身无不良的影响，但是，如果使用和管理不当，过量的施用磷肥可能会对农田周围水体中磷的富集有一定影响。但是，由于土壤对磷的吸附固定十分强烈，一般情况下不会发生磷素从土壤剖面中的淋失。磷从农田生态系统中损失的主要途径是地表冲刷引起的土壤流失。通过平衡施肥改善植被则可能有效地防止磷从农田生态系统中的流失。 迄今为止，尚未发现钾对农田生态系统和其他陆地和水生生态系统的不良影响。但是，我国钾肥资源贫乏，充分利用有限的钾肥资源，通过平衡施肥最大限度地发挥其经济效益则是十分重要的。其他中、微量元素，如果局部施用过量，也会对土壤生态环境和农产品质量产生不良影响，不容忽视。4. 平衡施肥，合理利用和保护耕地资源如上所述，肥料的不合理施用会引起土壤养分耗竭，土壤肥力下降，施肥效益降低，以及环境质量的恶化等不良后果。在我国施肥历史上甚至在目前的施肥实践中，也的确存在偏施单一养分肥料、引起土壤中其他养分不平衡、影响产量和产品质量，甚至污染环境等问题，这些问题都是由于人们缺乏合理施肥的知识，违背了平衡施肥的原则，而不是施用化肥的必然结果。恰恰相反，施肥的主要效应是增加农业生产系统内的物质和能量循环的内容，增加农作物的生物产量和经济产量，提高农产品营养价值，提高农业生产效率和耕地资源的利用价值。同时，合理施肥促进了生物圈内土壤-植物-动物-微生物的物质交换及其与环境的相互作用，增加物质循环量和生物净化功能，进而对环境有积极保护作用。但是，实现这些目标，必须依靠科学技术，实现平衡施肥。英国洛桑实验站一百多年的定位试验结果表明，连续百年配合施用适量的氮磷钾肥，即使不用有机肥，作物也可以持续高产，土壤肥力没有下降。丹麦阿斯科夫试验站（Askov Station）50多年的比较试验表明，化肥比有机肥更为有效。美国伊利诺伊大学的摩洛试验站（Morrow）试验区开始于1876年，经过一百多年的研究，结果表明作物轮作并配合施肥，产量最高并能保持土壤中较高的有机质含量。我国一些定位试验结果也表明，只要氮磷钾配合得当，土壤有机质和养分含量均有所上升。在河北省曲周县从1980年开始对20个点进行定位观察，结果表明，通过平衡施用氦磷化肥（N:P2O5=1:0.5）和秸秆还田等措施，土壤平均有机质含量从1980年的0.79%提高到1991年的1.30%，同时，土壤有效氮和有效磷也有明显增加（表8）。(表：表8 河北曲周20个定位上土壤的机质和氮磷养分含量变化 )年份 有机质含量 (%) 全N (%) 速效N (mg/kg) 速效P (mg/kg) 1980 0.79 0.051 33.3 3.8 1983 0.93 0.055 55.4 5.3 1984 0.94 0.072 40.4 6.4 1985 0.91 0.077 44.4 10.4 1986 1.08 0.066 42.1 10.8 1989 1.18 0.071 55.4 9.3 1990 1.24 0.074 51.3 9.8 1991 1.30 0.08 44.8 9.5 平衡施用化肥，可以提高农产品的品质，这也是大量研究工作所证实了的。偏施氮肥会使农产品品质下降，但合理地配施钾肥，可以显著提高粮食作物、纤维作物、油料作物、糖料作物和瓜果疏菜产品的品质，同时，还可明显增强作物抗逆性。平衡施肥，也是保护环境质量的重要措施，通过平衡施肥，均衡供应各种营养元素，促进作物生长和对施入养分的吸收，则可以有效的防止氮肥的淋失。应当指出的是，地下水中硝态氮积累的来源不仅是化学氮肥，在工业化的国家，畜禽饲养场的粪肥中硝态氮的流失是地下水污染的主要来源。施肥是一门科学，有特定的规律性，如果掌握了其规律性，科学地平衡施用各种必需的营养元素，对于提高作物产量和品质以及保证环境质量，都是有益而无害的。反之，如果违背平衡施肥的原则，偏施某一种或几种养分，则可能引起地力下降，产量降低，影响产品品质，甚至危及环境。我们无法回避这个矛盾，必须认识植物营养的规律性，掌握平衡施肥这门科学，使之为农业生产持续稳定增长服务。平衡施肥决不仅仅指氮磷钾三种大量元素的平衡。植物正常生长必需的中量元素钙、镁、硫和微量元素硼、锰、锌、铜、铁、钼等，都必须均衡供应。任何一种元素的缺乏或过量，都会造成不良影响，有机肥料中各种养分较齐全，是十分重要的资源，应当充分利用。通过施用化肥获得高产的同时也生成大量的秸秆，这也是重要的有机资源，搞好秸秆还田，就可以以无机促有机，通过施用化肥提高土壤的有机质含量，保持和提高土壤肥力。在充分利用有机资源的基础上，通过土壤测试，找出土壤中存在的养分限制因子，按照土壤养分状况和作物需肥规律平衡施用各种缺乏的大、中、微量元素肥料，使农业生产中的物质和能量的转化进入良性循环，就可以保证作物持续高产稳产，保证农产品的质量，提高土壤肥力，保持良好的生态环境，充分利用和有效地保护土地资源，使农业生产向高产优质高效方向健康发展。参考文献（1）中国国际工程咨询公司，1988：2000年化肥发展战略研究（内部资料），化学工业部科学技术情报研究所。（2）中国农业年鉴，1960-1992，农业出版社。（3）刘更另，1989：中国粮食生产和平衡施肥，国际平衡施肥学木讨论会论文集农业出版社，第16-21页。（4）林葆，1991：充分发挥我国肥料的增产效果，中国土壤科学的观状与展望中国土壤学会，江苏科学技术出版社，第39-36页。（5）林葆，李家康，1989：五十年来中国化肥肥效的演变和平衡施肥，国际平衡施肥学术讨论会论文集农业出版社，43-51页。（6）张世贤，1989：中国的农业发展及平衡施肥在农业生产上的应用，国际平衡施肥学术讨论会论文集农业出版社，第10-15页。（7）Jin Jiyun and S.Portch.1991.Summary of greenhouse plant nutrient survey studies of Chinese soils. In: Pr