植物營養中理論問題的追本溯源

（中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業農村部植物營養與肥料重點實驗室, 北京 100081）

植物的種植是農業生產的重要環節，是人類文明由狩獵向定居轉變的重要標志[1]。然而，長期以來，糧食供應的不足一直困擾著人類的發展。自公元前640年的泰勒斯 (Thales，約公元前640—546)開始，人們就不斷地探討植物生長究竟需要什么[2]？經過了德國的尼古拉斯-庫薩 (Nicholas of Cusa，1401—1464)、荷蘭科學家海爾蒙特 (Jan van Helmont，1579—1644)、英國的約翰·伍德沃德 (John Woodward，1665—1728) 等先驅們漫長的探索，使植物營養的研究看到了現代的曙光[3]。后又經過幾代人的努力，特別是在理論方面，先后經過了“腐殖質營養理論”階段，最后以“礦質營養理論”為基石，奠定植物營養學的現代基礎，并為人類的發展做出了巨大貢獻[4]。然而，近年來，隨著化學肥料負面效應的顯現，人們又開始懷疑植物的“礦物質營養理論”。就此，筆者回顧了植物營養200多年來的研究歷史，就植物營養中的幾個理論問題進行深入的剖析與研究，提出了有關幾個理論問題的見解，旨在為今后的植物營養研究與實踐提供借鑒。

1 早期的植物營養研究

從公元前300多年開始，亞里士多德 (Aristotle，公元前384—322) 就認為所有物質都是由四種元素組成的，即土、氣、火和水，生物體內的過程受一種叫生命力的力量所控制[5]。在古羅馬時代，就有很多關于農業的書籍，這些書籍一直到羅馬帝國衰亡后的幾個世紀都對作物生長管理起著重要作用[6]。有人認為德國的尼古拉斯-庫薩是最早用現代方法觀察植物生長發育過程的人，并斷言植物是從空氣中吸取養分的[7]，但是目前沒有該研究的具體記載。

然而，通過化學的方法對植物營養需求進行研究還是17世紀以后的事情，是海爾蒙特向更準確的植物營養觀點邁出了第一步。他第一個令人信服地證明，土壤不是植物養分的唯一來源。他在瓦盆里裝了200磅的烘干土，栽了一棵5磅重的柳樹，并在盆上面蓋了一個帶孔的蓋子，以防外物進去。5年中，他只往盆里加水，從土里取出柳樹再稱重 (沒有加上5年內落下的葉子)，同時將土壤烘干再稱重，他發現這棵樹長了大約164磅，而土壤只少了2盎司。從這個結果，他得出結論：植物的干物質不是來自于土壤，而是全部來自于水 (水是四個亞里士多德元素之一)。水或者是土 (另一個亞里士多德元素)變成了植物的干物質，對1648年海爾蒙特試驗的簡要報道出現在他去世后出版的作品里[8]。這是一個偉大的試驗，盡管他已注意到土壤重量的減少，但是他忽略了土壤的作用。

1661年，羅伯特·波義耳 (Robert Boyle，1627—1691) 用“意大利南瓜”進行了重復實驗，獲得了類似的結果。波義耳進一步蒸餾了這些植物，并根據他的試驗做出結論：“鹽、元氣、土、甚至油”都可以從水中產生出來[6]。

1699年，約翰·伍德沃德首先質疑水在植物生長中的作用，根據海爾蒙特、波義耳的試驗，他用不同來源的水種植荷蘭薄荷，都供應充足的水分，如果植物只需要水，而不需要其它東西，則生長量應該相同。然而，生長量的增加與水中的雜質成正比，他指出，植物不是由水形成的，而是由某種特殊的陸地物質形成的。已經表明，在雨水、泉水和河水中含有相當數量的這種物質，它們是液體質量的主要成份，可進入植物體內而不沉淀，但是可通過植物的毛孔散發到大氣中。這些陸地物質的大部分與水混合，一起進入植物體內，植物體內的這些物質與水中物質的含量成比例。通過所有這些現象可以合理推斷，土是構成植物的物質，而不是水[9]。

英國農業作家杰思羅·塔爾 (JethroTull，1674—1741) 認為把土壤粉碎成細顆粒，這種顆粒能很容易地被植物根系吸收。在他看來，這不是土的汁液，而是由濕氣作用所釋放的微小的土壤顆粒，構成了植物的適當營養。生長根的膨脹所造成的壓力迫使這些顆粒進入根部的“乳糜口”，從而進入循環系統。所有的植物都生活在這些顆粒上，也就是同一種食物上。他錯誤地斷言，正如一些人所做的那樣，不同種類的植物需要不同的方式喂養，就像馬和狗一樣。每一種都需要適當的食物。植物會接受任何東西，不管是好是壞。作物輪作不是必須的，只是方便。相反，如果溫度和水供應適當，任何土壤都會滋養任何植物。鋤地能增加土壤的表面或植物的養料，也使土壤能夠更好地吸收空氣中凝結的營養蒸汽。糞便的作用也是一樣的，但成本更高，效率也更低[10]。

到1750年時，杰思羅·塔爾認為，所有下列物質都以某種方式有助于植物增加產量，但有爭議的是它們中的哪個最有效[6]。

2 腐殖質營養理論

2.1 腐殖質的研究起源與名稱

實際上，有機糞肥對作物生長的有益作用很早就被希臘和羅馬的農業學家注意到了，但是，對糞肥作用的科學解釋則是18世紀以后的事。布朗(Charles A. Browne) 相信德國醫生和化學家格奧爾·厄恩斯特·斯塔爾 (Georg Ernst Stahl，1660—1734) 是貝希爾 (Becher)[注1]以后第一次嘗試對土壤肥力進行科學解釋的，斯塔爾把土壤肥力主要歸因于油和脂肪 (一種“燃素肥沃”)。同樣，1741年庫貝爾(Külbel) 假定腐殖質中的脂肪稀糊狀混合物 (稀糊狀混合物的脂肪) 是植物生長必需的物質，也是土壤肥力的主要原因[2]。

弗蘭西斯·賀姆 (Francis Home，1719—1813) 在其《農業和植物原理》 (Principle of Agriculture and Vegetable)一書中說，整個農業行業集中在一點：植物的營養。關于肥沃土壤的調查結果表明，它們含有油，油是植物的食物。但是當土壤被作物耗盡時，把它暴露于空氣中會恢復其肥力，空氣會提供另一種食物。賀姆進行了盆栽實驗，以確定不同物質對植物生長的影響。研究發現，硝石、瀉鹽 (七水硫酸鎂)、硫酸鉀都能促進植物生長，然而它們是三種不同的鹽。橄欖油也很有用。顯然，植物的食物不是一個東西，而是幾個，他列舉了六種：空氣、水、土、各種鹽類、油和在固定狀態下的火[注2]。他還進一步證明，所有植物和植物汁都遵循這個原則，沒有例外，所有的化學實驗都是在有火或沒有火的情況下進行的[3]。持同樣觀點的還有瓦勒留斯(Johan Gottschalk Wallerius，1709—1785)[注3]，1761年，在他的《農業基礎化學》一書中也強調了油和脂肪是土壤肥力的主要要素的觀點。所以，也有人認為瓦勒留斯是腐殖質理論的重要創始人[9]。

1797年，法國化學家路易·尼古拉斯·沃克隆(Louis Nicolas Vauquelin，1763—1829) 注意到從受傷的榆樹皮中有一種奇怪的膠狀分泌物。由于這種物質的特性與用堿從土壤中提取的黑色物質相似，1813年，英國化學家湯姆森 (Thomas Thomson，1773—1852) 建議將這種物質稱為ulmin (拉丁文的意思是榆樹)。由于它是與堿的化合物，所以也把它稱為棕腐酸 (ulmin acid)。

1826年，斯普林格 (Carl S. Sprengel，1787—1859) 建議將土壤中的堿溶有機物命名為腐殖酸(humic acid)，以便使不同的作者對含糊的名稱用準確含義的術語。斯普林格研究了腐殖酸的不同鹽類，并試圖確定它們的化學組成，他的這種方法在以后的幾十年中都被廣泛持續地采用。

同時，1819年，亨利·布拉科諾 (Henri Braconnot，1780—1855) 通過人工的方法，用鹽酸和硫酸來降解淀粉和糖，也第一次得到了類似土壤有機質的物質，他將它命名為“artificial ulmin”。1830年，布萊 (Boullay) 將其術語化為“artificial ulmic acid”，這明顯是示意植物物質轉化成的土壤腐殖質或ulmin與實驗室獲得的碳水化合物降解產物相似。

伯齊利厄斯 (J?ns Jacob Berzelius，1779—1848)注意到用ulmin這個詞用于不同性質和起源的物質太不嚴謹，1832年，他用“gein (希臘語的意思是‘土’) ”和“geic acid”表示土壤中的堿溶有機物。盡管伯齊利厄斯以后拋棄了這個術語，但在達納 (Samuel Luther Dana，1795—1868) 的著作中持續使用“gein”和“geic acid”。

1833年，伯齊利厄斯從波拉 (Porla) 泉水中分離到兩種有機酸的銅鹽，根據它的來源，將其命名為“crenic”和“aprocrenic”酸 (希臘語的意思是泉)。他確信這個復雜的化合物也有土壤有機質的成份[2]。

2.2 腐殖質理論的內容

腐殖質理論認為：植物在自然界中攝取與它們相似的物質，土壤有機質或土壤腐殖質是植物的主要營養物質，是土壤肥力的主要來源。植物的根從土壤中提取腐殖質，通過與水結合將其轉化為植物成份。因此，植物營養被認為是類似于動物營養，植物和動物都以復雜的有機體為營養。關于礦物質在植物中的作用，一些腐殖質理論的主導者認為它們對于植物生長不是必需的；它們被認為是刺激劑，而不是營養物質。還有一些人認為礦物只是偶然進入植物體內的成分，或者說是與動物骨骼相似的植物骨架物質。更有一些活力論認為，礦物質實際上是由植物的生命力而合成的。在這個時期，大部分農學家和植物生理學家在很大程度上堅信腐殖質代表植物的碳源[9]。

1804年，德國農學家泰伊爾 (Albrecht Daniel Thaer，1752—1828) 出版了一部詳細描述各種作物栽培的書，名為《實用農業原理》，在該書中這樣描述了腐殖質的作用：“腐殖質或多或少總是土壤的組成部分，土地的肥力完全依賴于它的存在，因為，除了水以外，它是土壤中唯一能使植物得到營養的物質?！盵11]由于泰伊爾在德國農業中的聲望極高，還有很多人認為腐殖質理論是由泰伊爾提出的[12-13]。

馬爾德 (Gerardrus Johannes Mulder，1802—1880) 是與法國布森高 (Jean Baptiste Boussingault，1801—1887) 和德國李比希 (Justus von Liebig，1803—1873) 同時代的荷蘭化學家，他是伯齊利厄斯的學生，他繼承了伯齊利厄斯的研究，認為已存在的7種有待證實的化合物 (ulmin、humin、ulmic、humic、geic、apocrenic和crenic acids)，是植物營養的必需和重要成份。1844年至1846年間他出版了兩卷《動植物生理化學》，其中659—660頁有這樣精髓的一段話，代表了他在植物營養上的觀點：

“在這七種物質中，五種酸都可以與堿結合，從而溶解在水中。這些是有機物質（我們至今還不知道其他物質）可被植物吸收為食物。它們存在于每種土壤中，顯然它們都通過嫩根進入植物體內，在那里它們發揮著重要的作用。”[2]

至于腐殖質理論是由誰首先提出的，現在已無從考證，有人認為是瓦勒留斯首先提出的[9]，也有人把它歸結于馬爾德[2]。馬爾德的一個學生達納 (Dana)，十分堅信腐殖質營養理論，他于1855年出版了《糞肥手冊》一書，其中有一章專門介紹腐殖質的作用，關于腐殖質的作用，他形象地比喻為“土壤就像一個盤子，腐殖質是營養物，礦物質就像佐料。”[14]這本書在美國影響很大。

3 植物礦質營養理論的形成與發展

可以認為，植物的礦質營養理論是與腐殖質營養理論同時發展起來的，也可以認為植物的礦物質營養理論是在與腐殖質營養理論的爭論中完善的。

3.1 礦質營養理論的初期研究

這里需要提出的是，腐殖質營養理論的核心是腐殖質是植物的主要營養物質，特別是腐殖質是植物碳的主要來源，關于腐殖質在土壤肥力中的非營養作用，從古至今都沒有被懷疑。

18世紀晚期，隨著化學科學的發展，有了對了解植物和動物的特別重要的化學發現，包括：1781年，拉瓦錫 (Antoine-Laurent de Lavoisier，1743—1794) 發現了“固定空氣”[注4]是由碳和氧組成；水不是一個元素，是由氫和氧組成；“固定空氣”與“有毒空氣”[注5]是不同的。在生理學方面，動物呼吸被證明是一個為身體提供熱量的氧化過程。拉瓦錫開發了用燃燒法分析有機物質的技術，并應用這個技術分析葡萄酒的原氣 (乙醇)、活油和蠟 (1784)，他指出：植物“真正”的組成元素是氫、氧和碳。

英格豪斯 (Jan Ingenhousz，1730—1799) 的結論是，植物是從“碳酸”[注6]的兩種元素中衍生出它們必需的物質，如酸、油、粘液。英格豪斯 (1796) 抨擊了腐殖質理論，他推測生長在開放大氣中的植物大部分的碳是獲取于大氣[3]。

1804年，瑞士生理學家索秀爾 (Nicolas-Théodore de Saussure，1767—1845) 出版了《植物生長的化學研究》一書，他提供了第一個有說服力的證據，表明植物主要從大氣中吸收碳。這是對腐殖質理論的一個重大打擊。在其第八章“關于植物根系對溶液的吸收”一章[15]中，明確指出：“一些作者假定動物還有植物的生命力可以通過不同的途徑分解或合成大氣和水，并生產所有物質，甚至焚燒后植物中的鹽、土和金屬。這種奇怪的想法就象從不含黃金的物質中獲得黃金一樣不需要證明。在我們求助于那些難以理解的、超自然的、違反我們所有已知知識的轉化之前，我們必須確保植物在植物生長的環境中沒有發現這些已經形成的物質，并且它們沒有從該來源中提取這些物質。”

1826年，斯普林格在其《植物腐殖質、腐殖酸及其它的鹽》一書中，否定了植物體內可以轉化成礦質元素的能力。斯普林格強調了植物從空氣和土壤中獲取其生長發育的必需元素，指出了植物生長所需要15種營養元素，即氧、碳、氫、氮、硫、磷、氯、鉀、鈉、鈣、鎂、鋁、硅、鐵、錳。指出前三種來自于大氣，后12種來自于土壤[16]。

盡管索秀爾和斯普林格在植物礦質營養方面做了大量的工作，在當時情況下，索秀爾的工作在其后的近40年中，都沒有引起人們的注意，而斯普林格的工作更是淹沒在了腐殖質營養的聲音中，以至于斯普林格的傳記作家在記述斯普林格的生平時，都忽略了斯普林格關于植物礦質營養的研究，到19世紀末，當時他的作品幾乎沒有人再參考，他被歷史學家厄恩斯特·馮·邁耶 (Ernst Von Meyer) 稱為“農業化學遺忘的人”；他也被認為是為李比希鋪路的人[2]。

3.2 李比希與礦質營養學說的提出

1837年，已經在有機化學方面有相當建樹的李比希，出席了在英國利物浦召開的英國科學促進會(British Association for the Advancement Science，BAAS) 年會，在會議上，他做了《尿酸的分解產物》的報告，在報告的最后他講了這樣一段話，“值得注意的是，在一個我所認識的國家，我永遠不會忘記他們的熱情好客。有機化學才剛剛開始生根發芽。我們生活在一個稍有努力就會產生有價值結果的年代，而且，如果我們考慮到有機化學對醫藥、制造和日常生活的巨大影響，我們必須明白，目前對人類來講，沒有什么問題比貫徹有機化學思想更重要，我相信英國科學工作者參加了這個運動，與歐洲大陸化學家的共同努力，促進生理學包括植物和動物生理學的進步，這個進步可聯系到生理學，它在這個國家的成功貫徹，可能會給我們提供有關組織功能最重要和最新穎的結論?！盵17]

根據德國化學家雅各布·福爾哈德 (Jacob Volhard，1834—1910) 的報道，李比希的報告得到好評，李比希是“今晚的獅子”。很自然，鑒于李比希對英國人在有機化學技術方面高度的評價，愛爾蘭化學家羅伯特·凱恩 (Robert Kane，1809—1890) 促使英國科學促進會的總務委員會抓住機會讓李比希寫兩個報告，一個是關于同分異構體，另一個是關于有機化學。前一部分未能完成。經過李比希近三年的準備，寫成了《化學在農業和生理學上的應用》[注7]一書[18]，該書參閱了100多個作者的200多篇論文。該書分為兩個部分：第一部分是“關于植物營養的化學過程”，第二部分是“關于發酵、分解和腐爛的化學過程”。他從一個化學家的視角分析了植物生長、發育及其代謝中的化學過程。第一部分共分九章。這本書的第二章和第三章，他駁斥了腐殖質學說，他從四個方面證明植物的碳不是來自于腐殖質：

第一，當時認為能進入植物體內的腐殖質需要與堿金屬或堿土金屬結合。根據海耶 (Heyer) 的計算，一黑森英畝[注8]林地每年平均生產2920磅的干杉木，它含有6.17磅的金屬氧化物，而“現在，根據麥拉古迪 (Malaguti) 和斯普林格的估計，1磅的石灰[注9]可與12磅的腐殖酸發生化學結合，因此，6.17磅的金屬氧化物將引入74.04磅腐殖酸到樹木中，其中腐殖酸含有58%的碳，對應于100磅的干木材。但是我們已經看到，2920磅的杉木木材確實是生產出來的。同樣，如果以腐殖酸的形式引入小麥中的腐殖酸的量是從已知的麥秸中存在的金屬氧化物的比例計算出來的 (包含在秸稈灰燼中的硫酸鹽和氯化物沒有包括在內)，就會發現1個黑森英畝上生長的小麥，可以這樣的方式接收63磅的腐殖酸，相當于93.6磅木本纖維。但是，所提到的土地范圍內，除了根和谷粒，產生了1961磅的稻草，其組成與木本纖維相同。”

根據這樣的計算，植物從腐殖質中獲得的碳遠遠低于其實際產生的碳，所以，植物碳的來源不可能是腐殖質，同時根據腐殖質的水溶性，斯普林格測定腐殖質可溶于2600倍的水中，溶于水中的腐殖質可被植物吸收，然而，“舒布勒 (Schubler) 說，德國最肥沃的地區之一愛爾福特 (Erfurt) 四月、五月、六月和七月的降雨量是每平方英尺地面19.3磅；1黑森英畝，或26 9 10平方英尺，因此得到519363磅雨水。如果現在我們假設整個雨水量被夏季植物的根吸收，而夏季植物在種植四個月后就成熟，所以除了植物的葉子之外，沒有一磅水蒸發掉；如果我們進一步假定這樣吸收的水是飽和的腐殖酸鹽石灰 (腐殖酸中最可溶的，并且在腐殖酸中含有的比例最大)；那么這樣被營養的植物不會接收超過330磅的腐殖酸，因為一份腐殖酸鹽石灰需要2500份的水溶解。但是，我們提到的土地面積產生2843磅玉米 (谷物和秸稈，不包括根部)，或22000磅的甜菜根 (沒有葉和小的根生纖維)。很明顯，植物吸收的330磅的腐殖酸，即使假設是正確的，整個雨水被植物吸收。也不能獨立解釋含在根和葉中的碳。但是，眾所周知，只有一小部分落入地表的雨水可通過植物蒸發，所以通過腐殖酸以任何可想象的方式輸送到植物中碳的數量與植物實際生產的相比較，一定是微不足道的。”

所以，這再一次證明從腐殖質中獲得的碳不是植物碳的主要來源。

第二，證明腐殖質理論是錯誤的。即“人們普遍認為腐殖質是由植物腐爛產生的。因此，原始腐殖質是不可能存在，因為植物應該出現在腐殖質之前。那么第一批植物如何得到碳？”

第三，從大氣碳平衡的角度證明植物的碳來源必須是大氣。認為在動物的呼吸過程中和燃燒過程中都消耗氧并產生碳酸 (CO2)，但大氣中的氧氣1800年來也沒有發生變化，碳酸也是如此，所以，植物碳的來源一定是完全來自于大氣。即“動物呼出植物所吸收的碳，這樣的介質成份保證了兩者的生存，也就是大氣的組成一直保持不變?！?/p>

第四，通過土壤腐殖質的變化說明土壤腐殖質不是植物碳的來源。即“植物在生長的正常條件下不消耗土壤中的碳，相反，它們增加土壤中的碳數量。但是，如果植物向土壤中回饋的碳確實比從土壤中獲取的多，那么很明顯，它們的生長必須依賴于以碳酸的形式從大氣中吸收養分。腐殖質對植物的影響以最清楚和令人滿意的方式解釋了上述事實。”

至于土壤腐殖質所起的作用，李比希認為，

“腐殖質不是以不變的形態通過被吸收和同化而營養植物的，而是通過呈現一種緩慢而持久的碳酸來源，這種碳酸被根吸收，并且是幼小植物的主要營養物，那時它們缺乏葉子，無法吸收自大氣的養料。 ”[19]

1840年，李比希發表《化學在農業和生理學上的應用》一書后，就引起了廣泛的關注，同時也引起了極大的爭議，在1840年到1865年的25年間，經過不斷的爭議與完善，形成了李比希在植物營養方面成熟的思想體系。這里以其1876年出版的第九版為例[20]，介紹李比希的思想體系。

在1865年李比希生前的最后一版著作中，將《化學在農業和生理學上的應用》一書的第一部分擴展成了兩部分，第一部分為植物營養的化學過程；第二部分為農田耕作的歷史規律，并加了一個長長的緒論。在緒論中解釋了別人對李比希提出的觀點的懷疑，并明確了一些理論。

3.3 “礦質營養學說”意涵與內容的完善

李比希在其緒論中明確了植物“礦質營養學說”的基本內容，并明確表達了礦質營養學說與腐殖質營養學說的不同。如“舊理論認為，農作物產量的植物營養來源于有機質，即來源于植物或動物的有機體。與這種理論相反，新學說認為，綠色植物的養料來源于非有機質，因為在植物機體里，植物是無機元素轉化為有機物質的體現者。按照這種理論，植物的各部分都是由無機元素組成的，它是一個由簡單化合物變成最復雜的機體組成部分，從而形成了活的有機體。與舊學說相對立，這個新學說叫做‘無機營養學說’，即‘礦質營養學說’?！?/p>

他進一步解釋了“礦質營養學說”的內容：

“綠色植物的養料是無機質或礦物質?！?/p>

“植物吸收二氧化碳、銨、硝酸、水、磷酸、硫酸、硅酸、石灰、鉀 (鈉) 和鐵，有些植物還需要一些食鹽。”

“在土壤各個組成部分之間，那些參與植物生命活動的水和空氣，及其與動植物機體的各個部分之間存在著一定聯系。如果在無機物質轉化成為有機體 (活動的體現者) 各環節中喪失一個環節，動植物生命就將停止?！?/p>

“廄肥、人畜糞便對植物生活的作用，不是其中有機營養元素所起的直接作用，而是由于間接的作用 (這些東西腐解的直接產物和分解轉化的結果，是碳酸氣和碳素；氮素化合物轉化成銨或硝酸)，因此，動植物殘體組成的有機肥，在土壤中分解成很多無機化合物?！?/p>

關于礦質營養學說的基本原理，在這版書中，也進行了完善，在第三版和第四版中，李比希表述的“礦質營養學說”的基本原理是：“作物產量的減少與增加與肥料中輸送到田里的礦物質的減少或增加成準確的比例。”[21]而在第七版[20]中表述為，“產量的上升和下降，主要看恢復土壤肥力的因素，是增加了還是減少了。而且因為這些因素都是無機元素或稱礦質元素，那么可以說，產量就決定于無機營養元素的增加或減少。”

在李比希的著作[19]中，高度評價了中國如何重視肥料和農業實踐，即“中國人是最令人欽佩的園丁和植物培訓師，他們了解如何準備和施用適應性最好的肥料。他們國家的農業是世界上最完善的；在那些最肥沃的地區，氣候和歐洲沒有什么不同，動物糞便的價值也很低。對于我們來說，厚厚的書本是寫出來的，但沒有進行實驗；這種和那種植物所消耗的糞便數量用百分數來表示，然而我們不知道什么是糞便。”

4 李比希的爭議

李比希的《化學在農業和生理學上的應用》一書出版以后，立即引起了巨大的爭議，加之李比希的風格，招致了眾多同行的不滿。

首先，在這本書的前言中講到“自從漢菲·戴維(Humphy Davy) 的《農業化學》以來，沒有一個化學家致力于研究化學原理在植物生長和有機過程中的應用[19]”。這引起了法國布森高的同事杜馬斯(Dumas) 的不滿，在他的《有機界的化學和生理學平衡》一書第三版 (1844)，列舉了8項化學在農業和生理學上的應用事例，以證明李比希的話是錯誤的。

李比希的礦物質理論也引起了腐殖質營養理論支持者的反對，較為典型的是馬爾德，他繼承了伯齊利厄斯關于土壤腐殖質的研究。李比希及其他反對腐殖質營養理論觀點的人認為，土壤中有機質的有益作用是在其分解過程中，可持續供給二氧化碳給正在生長的植物。而馬爾德不否認這個作用，但是堅持認為可溶性棕腐質氨鹽、腐殖酸氨鹽、赤榆酸氨鹽、Procrenic和白腐酸氨鹽可以被植物根系直接收吸并產生蛋白質。這個遭到了李比希的強烈反對。1846年，馬爾德寫了《對李比希的動物和植物生理化學的回答》一書與李比希進行了公開的論戰，遺憾的是，在馬爾德以后的著作中，他癡迷到全部反對李比希[2]。

與李比希有很大爭議的是英國洛桑試驗站的勞斯 (Lawes，1814—1900) 和吉爾伯特 (Gilbert，1817—1901)?？傮w上，勞斯不反對礦物質營養是植物必需的，但是，在植物氮的供應上存在嚴重的分歧。1855年，兩人在《英國皇家農學會雜志》第16卷，發表了一篇91頁的文章，題目為“關于農業化學的一些觀點”，集中體現了勞斯觀點與李比希觀點的分歧，分歧主要表現在作物對氮素的需求和施用方法上[21]。

至1848年，李比希的《化學在農業和生理學上的應用》一書已有17個版本，其中德國4個，英國2個，美國2個，法國2個，丹麥、荷蘭、意大利、波蘭、俄羅斯各1個。隨著時間的流逝，李比希在其不同的版本間都有修改，有時還完全相反，這引起了勞斯的反對，他舉了一個第一版與第三版之間的完全相反的論述。同時，兩人的分歧還在于，勞斯是以試驗結果為依據的，主要指的是栽培的農作物，而李比希是基于理論分析，可能是栽培的農作物，有時也指一般的植物。這個在理解上也存在一定的差距[21]。

這里指出，李比希是化學家，是以有機化學分析而著稱的，他沒有進行過農業實踐，特別是針對英國的具體實際，勞斯對李比希的表述則不完全同意。

對于嚴重的爭議，李比希也進行很多的分析和田間試驗，但由于經費的問題都沒有象勞斯一樣堅持下來[18]，以后也有很多人認為植物礦物質營養學說的原始提出不應該屬于李比希，李比希自己在評價礦物質營養的作用時，說道：“他不是那條路的制造者，也不是那條路的發現者，更不是那條路的第一測繪者，但是，他是第一個喚起了大家對忽視的且容易獲得的無限財富注意的人，他造就了過去只有貧窮的農民和小販走而現在常有高級人士走的路?！盵18]

李比希本人一直認為大家的爭議是理論與實踐的爭議，這在其第七版的前言中表現得十分充分，由于他年事已高，不可能再進行長期的實驗研究，他寫到：“因為在農業上的每一個實驗都要繼續一年或幾年才能得到正確的結論，那么，我幾乎沒有希望見到我的學說的最后結果了，最好的情況是我能夠把我的學說闡述清楚，以便有誰詳細讀我著作的時候，不致引起許多誤會?！盵20]

5 礦質營養學說對農業的貢獻

1942年，美國科學促進會以布朗 (Charles A.Browne) 為編輯委員會主席出版了一部紀念李比希礦質營養學說100周年的專輯，題為《Liebig and after Liebig—A century of progress in agricultural chemistry》，即《李比希及李比希以后—一個世紀農業化學的進展》，書中高度評價了李比希對農業的貢獻，“李比希和李比希學說對于農業的影響是完全著重于化學，以至于在《化學在農業和生理學上的應用》一書出版以后的50年中，人們把化學看作是全部的農業科學”，邁耶 (Mayer) 在19世紀末說：“即使刻薄的批評家可以把李比希在農業化學上的具體成就說成一錢不值，但是他的影響在精神上的意義是任何人也否定不了的”[22]。

綜合起來，可以把李比希在植物營養方面的貢獻綜合為以下幾方面。

5.1 解決了作物的連作問題

李比希礦質營養學說的提出，并由此帶動含礦物質肥料的應用，可滿足植物對礦質營養元素的需求，這樣極大地減少了由于長期連作帶來的某些礦質營養元素的缺乏，使作物產量逐漸降低，以至于很多作物都不能進行連作。為了解決這個問題，以前的做法是通過休閑，使土壤中的養分釋放積累到一定量再種植作物，或通過輪作的方法，減少某種養分的過度消耗，如果通過與豆科作物輪作時，實際上是利用豆科作物的固氮作用 (當時并不清楚) 提高了土壤中的氮素含量。

這樣通過休閑或輪作的方法，實際上是利用了土壤微生物對土壤中遲效養分的釋放，以利于作物的生長，礦物營養元素的直接施用，同樣減少了作物對土壤微生物的依賴性。

5.2 極大地提高了土地的生產力

李比希礦質營養理論的提出，特別是歸還學說，可以明確地表明土壤生產力的下降是由于生長在其上的作物吸收了土壤中的礦質成分，如果將作物吸收走了的礦質成分歸還給土壤，也就是我們現在所說的定向培肥。李比希明確指出，“我們進一步知道，通過從土壤中去除這些物質，就會引起生產的不平衡，最終甚至缺乏肥力；但是通過恢復這些物質，肥力可以維持，甚至可以增加[19]”。通過土壤肥力的維持和提高，當時歐洲人不必再開墾原始肥力較高的土地進行種植，不僅節約了土地，而且也保護了生態環境。中國幾千年來，通過施用農家肥，一直維持著中國幾千年的文明發展。對此，李比希也給予了很高的評價，但是，這種經驗式的培肥最終落后于了西方國家理論指導下的科學種植。

5.3 使工廠化農業成為可能

李比希礦質營養學說的提出，使人們完全認識了植物對營養物質吸收的本質是礦物質元素，只要通過給植物提供必要的營養元素，植物就可以健康生長，理論上可使植物的栽培離開土壤，將土壤對植物生長的物理支撐作用和化學營養作用完全分離，使得可以進行水培、砂培和基質栽培。物理基質的支撐作用替代了土壤的支撐作用，營養液替代了土壤的養分供應，使農業可以離開土壤進行工廠化栽培[23]。

6 對礦物質營養理論爭議的思考

6.1 科學問題爭議的解釋

從1840年李比希的《化學在農業和生理學上的應用》一書的出版到現在已經有近200年了，在近200年中，過去爭議的問題似乎已經被科學徹底解釋了，這主要表現在兩個方面：

一是，腐殖質營養的問題。目前利用水培等一系列現代化的手段證明植物在僅供應無機元素而沒有腐殖質的情況下能順利完成其生命周期，說明植物礦物質營養理論的正確性，同時土壤微生物的發現與研究證明了土壤有機質對植物營養的作用在于土壤有機質分解后所提供的礦質元素。

二是，作物的氮素需求問題。1888年，德國農學家對豆科植物固氮能力的發現，證明在豆科作物中，李比希所提出的不施氮肥或少施氮肥是正確的[24]。同樣，1909年哈伯工業固氮及100多年來氮肥施用的實際證明勞斯的觀點也是正確的，只是由于當時整個科學技術的水平限制才產生一系列的分歧[25]。所以，解決分歧問題需要長期的科學研究與探索，有些問題不可能在短時間內加以解決。

6.2 科學發現的歸屬問題

植物的礦質營養理論的發現是目前現代農業的三大理論基礎之一[25]。但是，對礦質營養理論發現的歸屬一直存在較大的爭議。但是，李比希在近20年的工作中，力排眾議，維護和完善了植物的礦質營養理論。索秀爾和斯普林格僅僅通過一本著作或幾篇文章發聲，很快就淹沒在了腐殖質營養理論的聲濤之中，以至于幾十年不為人知。這也表明歷史選定了李比希為植物礦質營養學說的代表人物是合情合理的[18]。

7 現代對植物營養理論的質疑

李比希提出的礦物質營養理論經過近200年的實踐證明，它在農業上發揮著巨大作用，同時，也為整個人類的發展做出了巨大的貢獻。隨著植物營養先驅們的遠去，歷史逐漸淡忘了他們研究中的不足，他們的真理就像航標燈指引著后繼者的研究航向。然而，近年來，隨著我國社會經濟的發展，又出現了很多對“植物礦質營養理論”的質疑，原本是科學的發展對前者的質疑無可厚非，但是對植物礦質營養理論的質疑卻顯得十分離奇，對該理論的內涵缺乏全面了解。筆者以自己對植物營養理論的理解作一闡述。

7.1 理論與實踐的問題

在19世紀的100年中，在植物營養物質的確定方面的爭論，實際上是理論與實踐的紛爭，對于有機肥料，對其在作物栽培中的作用沒有人懷疑[19]，所爭論的是有機肥料中哪一部分對植物營養起決定作用的問題。經過100多年的研究，人們用現代科技手段也證明植物是以礦物質為主要營養物質的，而有機肥料中的腐殖質部分不是植物營養所必需成份，但從來沒有人否定有機肥料在培肥地力中的作用。即使認為植物需要礦質營養的李比希，在其作物栽培過程中也采用的是有機肥料。但是，不同的人對有機肥料的認識存在著巨大的差異，有人認為有機肥料的作用是其中含有的腐殖質[14]，而有人則看重的是有機肥料可轉化為礦物質[19]。離開這些理論之爭，幾千年來都認為有機肥料在提高作物產量方面的作用是巨大的。這種認識是從幾千年的實踐中得到的，正如英國植物學家和有機農業的奠基人艾伯特·霍華德 (Albert Howard，1873—1947) 表述的“腐殖質營養理論的表述可能是錯誤的，但腐殖質本身沒有錯”[9]。但是，認為有機肥料起作用的成份是礦物質，或有機物料轉化為礦物質再起作用，則是理論問題。

7.2 關于植物的有機營養

植物營養的腐殖質理論可能是最早的植物有機營養理論。目前很多人提植物的有機營養[26]，甚至是植物的碳營養[27]，網絡上也有重大爭論[28]，有人認為“化學植物營養學最重大的失誤是對植物碳營養吸收途徑的看法。認為植物是通過葉片吸收二氧化碳，經葉綠素的光合作用轉化為碳水化合物 (營養積累)，不認為植物根部也能直接吸收水溶性有機碳，進行營養積累”[29]。筆者仿佛回到18世紀末，從1797年的英格豪斯開始[3]，就認為植物碳的主要來源是大氣中的CO2，直到現在也沒有人否定植物根系可吸收少量含碳有機物[30]。但是，這些少量的有機質是否是植物碳的主要來源？是否用于了植物碳同化？至少現在的科學證據還沒有達到令人信服的程度。目前化肥施用不當，造成了很多不利的影響，這只能歸結于實踐層面，多施用有機肥料，形成生態環境的良性循環，也是實踐層面的內容，不能認為化肥造成了負面影響就認為植物礦物質理論有問題，更不能因為多施有機肥就認為植物以吸收有機物質為主要營養。如果把理論與實踐問題混為一談，則不利于科學的發展。也不能認為化肥造成了負作用，就認為植物礦物質營養不是真理而“貽害無窮了”[29]。

李比希提出的“植物礦質營養理論”的核心是“田里的作物產量的減少與增加與肥料中輸送到田里的礦物質的減少或增加成準確的比例”。至于是什么礦物質，由于當時科學技術水平的限制，并沒有確定，實際上，斯普林格在1826年就提出15種元素或20種元素是植物的必需營養元素，目前植物必需營養元素的標準是1931年阿爾農 (Daniel Israel Arnon，1910—1994) 等確定的[31]，經過60多年的研究，才確定了目前植物所需的17種營養元素，這是植物礦物質營養理論的延伸，這種研究還在繼續，如果說其機械性，實際上1961年，英國布里斯托爾大學 (University of Bristol) 的朗阿什頓 (Ashton) 試驗站的尼古拉斯 (Nicholas) 就提出過，把只要有營養功能的元素都作為植物必需營養元素。按他的標準，目前有21種植物必需元素[32]，這是具有標準的科學問題，如果這些元素能充分供應，植物就不會在營養方面表現出癥狀，至于限制植物生長的因子還有很多，所以，后又將最小養分律改為限制因子律就是這個道理。

現代研究證明，植物可以吸收很多種類的有機分子。但是，這些有機分子在植物體內能否直接參與植物代謝尚待研究，目前所能證明的是這些有機分子大部分參與了植物生長的刺激和調節作用[33-34]，這就是施用少量的有機化合物，可以得到幾倍乃至幾十倍于施碳量的生物量。如果認為是碳的直接營養作用，即使不考慮其利用率，也僅能生產施碳量的1.724倍。所以，植物吸收的有機碳不是直接參與了植物的碳代謝，而是產生的生長刺激作用。從整個自然界考慮，植物的功能是將無機碳轉化為有機碳，從而將太陽能存貯在含碳有機化合物中，為動物提供營養和能量。如果直接施用有機化合物如糖、氨基酸等作為植物營養物，植物的功能將不再能發揮，植物在整個生態系統中的功能就失去了意義。所以，植物有機碳營養的提法尚需謹慎。

目前，我國肥料總體處于供大于銷的產能過剩的狀態，各生產廠家都在積極創新，為保證我國糧食安全和生態安全做出新的貢獻。但是，也有一些廠家為了找“賣點”，不惜在植物營養理論方面動腦筋，找出一些違背科學，甚至是偽科學的賣點，需要廣大消費者擦亮眼睛，以防受騙上當。

植物營養與肥料科學是不斷發展的，即使今天，關于腐殖質的研究還在努力進行，只是，人們關注的焦點已不在于它是否是植物的唯一營養，而是它對土壤肥力的貢獻及腐殖質的結構[35]，對植物生長的刺激作用[36]等方面。所以，從19世紀到現在，都沒有否定植物對有機物質，特別是水溶性小分子有機物質的吸收，但是目前較一致的觀點還是它對植物生長的刺激作用，而不是營養作用[37]。

注 釋：

[注1] 約?·喬基姆·貝希爾 (Johann Joachim Becher，1635—1682)，是一名德國醫生、煉金術士、化學先驅、學者和冒險家，以發展燃素燃燒理論和促進奧地利官房主義而聞名[38]。

[注2] 這里所說的火是指二氧化碳，這是“燃素理論”的術語。

[注3] 也有人將其翻譯為“華萊士”，他是瑞典的化學家和礦物學家，是農業化學的奠基人之一[2]。也有人認為他是第一個提出“腐殖質”這一名稱的[37]。

[注4] 固定空氣 (fixed air) 是18世紀的化學用語，即現在的二氧化碳。

[注5] 當時把氮氣 (N2) 稱為有毒空氣 (mephitic)。

[注6] 碳酸是19世紀化學家對二氧化碳的叫法，在李比希的著作中，全部將二氧化碳稱為“碳酸”。

[注7] 該書在第一個英文版和第一個美國版出版時的名稱為《Organic Chemistry in Its Applications to Agriculture and Physiology》，所以，在很多文章中稱為《有機化學在農業和生理學上的應用》，在其第二版以后均采用了《Chemistry in Its Applications to Agriculture and Physiology》；還由于當時它幾乎包含有農業化學的全部，所以也有人稱李比希的著作為《農業化學》。

[注8] 黑森英畝 (Hessian acre)，一黑森英畝等于40000平方英尺，相當于0.9183英畝。以英國的測量單位，1黑森英畝等于26910平方英尺，即0.6178英畝。根據李比希的著作中上下文的意思，應該為26910平方英尺。

[注9] 這里實際上是指鈣的氧化物，也可以認為是鈣元素。