化学肥料与生态健康

2020,化学肥料与生态健康,科学看待化肥勿让化肥“背锅”,自化学肥料出现以来，极大地保证了世界的粮食安全。由于化学肥料可使粮食单产大幅提高，从而节省了大量的农田，使得不适宜农耕的土地大量被用于生态建设。所以，化学肥料在一定程度上保证了生态环境的健康发展。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。化学肥料的大量使用也会带来一定的负面作用，如水体富营养化等生态健康问题，然而解决这些问题的措施是合理施用化学肥料，而不是拒绝使用化学肥料。现代农业离不开化学肥料，生态健康也离不开化学肥料。,前言,粮食与人口的矛盾一直贯穿在人类发展的历史长河中，1798年英国教士马尔萨斯提出了著名的“人口论”，20世纪60年代美国学者著书饥饿1975人口爆炸等。幸运的是，这些书中的预言都没有实现，其中重要的原因是1902年德国化学家哈博发明了合成氨技术，后人在评价该项技术时认为它“养活了地球上48的人口”。如果没有氮肥供应，就需要增加倍的耕地来养活全球的人口，这意味着生态灾难。历史的发展不能重来，更不能倒退，人类无法想象没有化肥的世界是否会出现马尔萨斯所描述的场景。,化学肥料是生态健康的基础,新中国成立初期，我国粮食平均产量仅为68.6kg亩，至2018年达到408kg亩，是建国初期的近6倍。粮食单产的提高涉及多方面的因素，如品种改良、灌溉条件改善、植保技术提高等，其中化学肥料的作用不可低估。研究表明，目前作物产量对肥料的依赖程度在5060，即不使用肥料（长期）作物产量仅能达到目前产量的一半。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。,化学肥料是生态健康的基础,新中国成立后，我国化肥用量仅为6000t，温饱问题一直困扰着我国政府。为了解决我国4.5亿人口的吃饭问题,中央政府于20世纪50年代拉开了开发北大荒的序幕，开垦土地3500万亩，大片湿地开发成了万亩粮仓。20世纪的农业学大寨运动，把坡度在50以上的山坡改造成了“大寨田”。这其中的主要原因就是没有化学肥料，土地生产力不足以养活已有的人口，只能以破坏生态环境为代价，换来人类赖以生存的粮食。粮食是一切文明的基础，在充足的粮食供应下的生态环境建设才是可持续的。,化学肥料是生态健康的基础,正是由于化肥的使用，我国粮食产量得以大幅度提高，国家才有条件提出了还林还草政策。自1999年至2004年，国家安排的退耕还林任务共计19,165,500hm，其中退耕地造林面积为7,886,200h。目前，已经有四川、贵州、甘肃等十几个省区提出了重新启动退耕还林工程的要求，许多省区在遭受重大自然灾害后迫切要求扩大退耕还林面积。昔日的坡耕地变为秀美的山川，这与化肥的贡献是密不可分的。由于化学肥料的应用、粮食产量的大幅度提高，我国才有条件进行城市化建设，才有条件进行退耕、休耕。2019年，我国计划休耕500万亩，这也是以我国粮食供应能满足需求为前提的。,化学肥料是生态健康的基础,同时，化肥的使用也是减少CO2排放量的重要措施之一。据国际化肥工业协会估计，在合理施肥的范围内，与不施肥相比，1hm2耕地施用170kg氮肥可捕获相当于1.8t标准煤的能量，除去氮肥本身需消耗的273kg标准煤的能量，可净捕获约1.6t标准煤的能量。所以，合理施肥有利于CO2的固定，减少CO2的排放。,化学肥料是生态健康的基础,近年来，由于大量施用化学肥料，给环境造成了巨大的压力。据估计，美国切斯比克湾的污染有一半来源于化肥，美国密西西比河流域因过量使用氮肥而形成了15,540km（6,000平方英里）的“死亡区”。由于施用化肥，我国每年从农田排放的氨约为5,430kt，给大气环境造成了很大的影响。,高度重视化肥的负面作用,近年来，人们对化肥的认识发生了很大的变化，甚至对国家的决策产生了一定的影响，究其原因是对化肥的不合理宣传。“连续大量施用化肥不仅浪费资源、增加农业生产成本，也带来水体富营养化、温室气体排放、土壤酸化和病虫害加重等一系列环境问题”。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。,高产作物需要施用化肥才能实现高产,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。,高产作物需要施用化肥才能实现高产,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。,高产作物需要施用化肥才能实现高产,1908年德国诺贝尔化学奖获得者FritzHaber（1918）和CarlBosch（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。,高产作物需要施用化肥才能实现高产,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。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。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。,高产作物需要施用化肥才能实现高产,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。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。,高产作物需要施用化肥才能实现高产,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。,高产作物需要施用化肥才能实现高产,很多资料认为，合理的施肥水平是225kghm。按2014年的统计数据，农作物播种面积为24.82亿亩，茶园和果园面积分别为0.40亿亩和1.97亿亩，化肥施用量为59959kt，其中氮肥施用量为32390kt（复合肥含氮质量分数按40计），折合氮肥施用量不足180kghm，何来严重过量？某些人拿一些数字进行简单的比较，从不分析数字背后的具体原因，不仅误导群众，而且还会误导党和政府的决策。2014年5月25日，中央电视台播放了一期焦点访谈节目，题为“被化肥喂瘦的耕地”。根据笔者了解，该节目的背景是中国农业科学院祁阳试验站一项30多年的长期定位试验，其中1个处理是连续30多年单施硫酸铵而导致土壤障碍的情况。试想，我国还有农田30多年只施硫酸铵而其他肥料一概都不施的情况吗？事实表明，近年来虽然大量施用了化肥，但土壤有机质含量在稳步提高，土壤中的速效氮、磷、钾含量也在增加，重要的肥力指标都呈现出上升的趋势。这种总体状况不去分析，而是拿一些试验中极端不合理的施肥方法来表述化肥的负面作用，这不仅误导了大众，而且对党和人民都是不负责任的。,高度重视化肥的负面作用,我国确实存在土壤酸化的问题，其根本原因不是施用化肥所致。根据“植物酸生长理论”，植物在生长过程中会通过根系分泌氢离子而引起土壤酸化，且植物生长量越大对土壤的酸化作用越强。如果说土壤酸化与化肥有关的话，也是施肥使植物生长更旺盛，植物分泌的酸就更多，土壤酸化的速率就越快。解决土壤酸化的问题，施用石灰或其他碱性物质即可。有人认为采用石灰中和酸性土壤的成本太高，难道施用所谓的“土壤调理剂”改良土壤酸性就廉价了？这里不乏一些土壤调理剂生产企业的片面宣传，但如果所谓的“专家”也推波助澜，则十分令人遗憾。目前，施用化肥的农产品往往被认为是不安全的。需要指出的是，化肥的作用是为植物生长发育提供必需的营养元素，植物通过吸收肥料中的氮、磷、钾等营养元素后才能转化合成各种营养成分，如蛋白质、氨基酸、维生素等，诸如“瓜不甜、果不香”的原因是没有合理施用化肥，而不是化肥造成了农产品品质的下降。,高度重视化肥的负面作用,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，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。,高度重视化肥的负面作用,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。,高度重视化肥的负面作用,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1/21/3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。,高度重视化肥的负面作用,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。,高度重视化肥的负面作用,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10mg/kg计），每年带入的镉仅为0.5克/亩。,高度重视化肥的负面作用,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。,高度重视化肥的负面作用,随着生活质量的不断提高，人们对食品安全越来越重视。国际有机农业运动联盟于1972年在法国成立，该联盟对有机农业思潮在世界范围内的兴起起到了推波助澜的作用。在我国，有机农业与有机肥料往往密切结合在一起，有人错误地认为施用有机肥而不施用化肥的农业就是有机农业。19世纪的西方学者认为腐殖质是植物营养的唯一来源，该理论被称为“腐殖质营养学说”。德国科学家泰伊尔在合理的农业原理一书中提出：“土壤肥力决定于土壤腐殖质的含量，原因是基于它是植物养分的唯一来源”。“腐殖质营养学说”被当时的学术界广为接受，但并未在土壤培肥或提高作物产量方面发挥作用。德国化学家李比希的化学在农业和生理学上的应用于1840年出版，从而创立了现代农业三大理论基础之一的“植物矿物质营养学说”，其认为植物的原始养分只能是矿物质，因为地球上的腐殖质出现于植物之后而不是植物之前。这个学说的根本区别在于植物所需的营养物质不是有机质而是矿物质。试想，被证明是错误的“腐殖质营养学说”在200多年后还能用于指导当前的农业生产吗？,不施化肥的农业不是可持续农业,英国非有机小麦的产量是8000kghm，而有机小麦的产量为4000kghm，如果欧洲国家采用有机农业满足对粮食的需求，农田面积需增加28000000hm，这相当于法国、德国、丹麦和英国森林面积的总和。将森林改为农田，还能保持生态环境吗？美国从2002年开始实施有机认证，有机农业的年增长率从初期的15降至2010年的7，目前有机农业的产品在美国食品市场仅占4，有机农产品在美国仍是少数。人均耕地面积为66.46的美国尚无法大面积发展