化學(xué)肥料與生態(tài)健康

白由路

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100081)

自化學(xué)肥料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用以來(lái)，其在保障糧食安全供應(yīng)方面發(fā)揮了不可替代的作用，避免了馬爾薩斯所描述的人類(lèi)場(chǎng)景[1]的出現(xiàn)。但是，隨著化學(xué)肥料的過(guò)量施用，特別是隨著人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視，目前很多人把化學(xué)肥料推向了生態(tài)健康的對(duì)立面，基本上完全忽視了化學(xué)肥料在生態(tài)健康中的作用[2]。為了正確認(rèn)識(shí)化學(xué)肥料在人類(lèi)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)中的作用，以化學(xué)肥料與生態(tài)健康的關(guān)系為題，深入探討化學(xué)肥料在生態(tài)健康中的作用與地位，旨在引導(dǎo)正確認(rèn)識(shí)化學(xué)肥料。

1 化學(xué)肥料是生態(tài)健康的基礎(chǔ)

糧食與人口的矛盾一直貫穿在人類(lèi)發(fā)展的歷史長(zhǎng)河中，1798年英國(guó)教士馬爾薩斯提出了著名的“人口論”，20世紀(jì)60年代美國(guó)學(xué)者著書(shū)《饑餓1975》《人口爆炸》等。幸運(yùn)的是，這些書(shū)中的預(yù)言都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，其中重要的原因是1902年德國(guó)化學(xué)家哈博發(fā)明了合成氨技術(shù)[3]，后人在評(píng)價(jià)該項(xiàng)技術(shù)時(shí)認(rèn)為它“養(yǎng)活了地球上48%的人口”[4]。如果沒(méi)有氮肥供應(yīng)，就需要增加1倍的耕地來(lái)養(yǎng)活全球的人口，這意味著生態(tài)災(zāi)難。歷史的發(fā)展不能重來(lái)，更不能倒退，人類(lèi)無(wú)法想象沒(méi)有化肥的世界是否會(huì)出現(xiàn)馬爾薩斯所描述的場(chǎng)景。

新中國(guó)成立后，我國(guó)化肥用量?jī)H為6 000 t[5]，溫飽問(wèn)題一直困擾著我國(guó)政府。為了解決我國(guó)4.5億人口的吃飯問(wèn)題，中央政府于20世紀(jì)50年代拉開(kāi)了開(kāi)發(fā)北大荒的序幕，開(kāi)墾土地3 500萬(wàn)畝(1畝=667 m2，下同)，大片濕地開(kāi)發(fā)成了萬(wàn)畝糧倉(cāng)。20世紀(jì)的農(nóng)業(yè)學(xué)大寨運(yùn)動(dòng)，把坡度在50°以上的山坡改造成了“大寨田”。這其中的主要原因就是沒(méi)有化學(xué)肥料，土地生產(chǎn)力不足以養(yǎng)活已有的人口，只能以破壞生態(tài)環(huán)境為代價(jià)，換來(lái)人類(lèi)賴以生存的糧食。可以說(shuō)，糧食是一切文明的基礎(chǔ)，在充足的糧食供應(yīng)下的生態(tài)環(huán)境建設(shè)才是可持續(xù)的。

新中國(guó)成立初期，我國(guó)糧食平均產(chǎn)量?jī)H為68.6 kg/畝，至2018年達(dá)到408 kg/畝，是建國(guó)初期的近6倍。糧食單產(chǎn)的提高涉及多方面的因素，如品種改良、灌溉條件改善、植保技術(shù)提高等，其中化學(xué)肥料的作用不可低估。研究表明，目前作物產(chǎn)量對(duì)肥料的依賴程度在50%～60%，即不使用肥料(長(zhǎng)期)作物產(chǎn)量?jī)H能達(dá)到目前產(chǎn)量的一半[6]。正是由于化肥的使用，我國(guó)糧食產(chǎn)量得以大幅度提高，國(guó)家才有條件提出了還林還草政策。自1999年至2004年，國(guó)家安排的退耕還林任務(wù)共計(jì)19 165 500 hm2，其中退耕地造林面積為7 886 200 hm2。國(guó)家林業(yè)局副局長(zhǎng)張永利在2012年表示：“鞏固退耕還林成果、繼續(xù)推進(jìn)退耕還林工程建設(shè)正處在一個(gè)十分關(guān)鍵的時(shí)期。”目前，已經(jīng)有四川、貴州、甘肅等十幾個(gè)省區(qū)提出了重新啟動(dòng)退耕還林工程的要求，許多省區(qū)在遭受重大自然災(zāi)害后迫切要求擴(kuò)大退耕還林面積。昔日的坡耕地變?yōu)樾忝赖纳酱ǎ@與化肥的貢獻(xiàn)是密不可分的。

由于化學(xué)肥料的應(yīng)用、糧食產(chǎn)量的大幅度提高，我國(guó)才有條件進(jìn)行城市化建設(shè)，才有條件進(jìn)行退耕、休耕。2019年，我國(guó)計(jì)劃休耕500萬(wàn)畝[7]，這也是以我國(guó)糧食供應(yīng)能滿足需求為前提的。

同時(shí)，化肥的使用也是減少CO2排放量的重要措施之一。據(jù)國(guó)際化肥工業(yè)協(xié)會(huì)估計(jì)，在合理施肥的范圍內(nèi)，與不施肥相比，1 hm2耕地施用170 kg氮肥可捕獲相當(dāng)于1.8 t標(biāo)準(zhǔn)煤的能量，除去氮肥本身需消耗的273 kg標(biāo)準(zhǔn)煤的能量，可凈捕獲約1.6 t標(biāo)準(zhǔn)煤的能量。所以，合理施肥有利于CO2的固定，減少CO2的排放[8]。

2 高度重視化肥的負(fù)面作用

近年來(lái)，由于大量施用化學(xué)肥料，給環(huán)境造成了巨大的壓力。據(jù)估計(jì)，美國(guó)切斯比克灣的污染有一半來(lái)源于化肥，美國(guó)密西西比河流域因過(guò)量使用氮肥而形成了15 540 km2(6 000平方英里)的“死亡區(qū)”。由于施用化肥，我國(guó)每年從農(nóng)田排放的氨約為5 430 kt，給大氣環(huán)境造成了很大的影響。

近年來(lái)，人們對(duì)化肥的認(rèn)識(shí)發(fā)生了很大的變化，甚至對(duì)國(guó)家的決策產(chǎn)生了一定的影響，究其原因是對(duì)化肥的不合理宣傳。有一份報(bào)告這樣表述：“連續(xù)大量施用化肥不僅浪費(fèi)資源、增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，也帶來(lái)水體富營(yíng)養(yǎng)化、溫室氣體排放、土壤酸化和病蟲(chóng)害加重等一系列環(huán)境問(wèn)題”。我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的化肥施用量是否合理呢，筆者詳細(xì)分析如下。

很多資料認(rèn)為，合理的施肥水平是225 kg/hm2。按2014年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，農(nóng)作物播種面積為24.82億畝，茶園和果園面積分別為0.40億畝和1.97億畝，化肥施用量為59 959 kt，其中氮肥施用量為32 390 kt(復(fù)合肥含氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)按40%計(jì))，折合氮肥施用量不足180 kg/hm2，何來(lái)嚴(yán)重過(guò)量？某些人拿一些數(shù)字進(jìn)行簡(jiǎn)單的比較，從不分析數(shù)字背后的具體原因，不僅誤導(dǎo)群眾，而且還會(huì)誤導(dǎo)黨和政府的決策。

2014年5月25日，中央電視臺(tái)播放了一期焦點(diǎn)訪談節(jié)目，題為“被化肥喂瘦的耕地”。根據(jù)筆者了解，該節(jié)目的背景是中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院祁陽(yáng)試驗(yàn)站一項(xiàng)30多年的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，其中1個(gè)處理是連續(xù)30多年單施硫酸銨而導(dǎo)致土壤障礙的情況。試想，我國(guó)還有農(nóng)田30多年只施硫酸銨而其他肥料一概都不施的情況嗎？事實(shí)表明，近年來(lái)雖然大量施用了化肥，但土壤有機(jī)質(zhì)含量在穩(wěn)步提高，土壤中的速效氮、磷、鉀含量也在增加，重要的肥力指標(biāo)都呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。這種總體狀況不去分析，而是拿一些試驗(yàn)中極端不合理的施肥方法來(lái)表述化肥的負(fù)面作用，這不僅誤導(dǎo)了大眾，而且對(duì)黨和人民都是不負(fù)責(zé)任的。

我國(guó)確實(shí)存在土壤酸化的問(wèn)題，其根本原因不是施用化肥所致。根據(jù)“植物酸生長(zhǎng)理論”，植物在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)通過(guò)根系分泌H+而引起土壤酸化，且植物生長(zhǎng)量越大對(duì)土壤的酸化作用越強(qiáng)。如果說(shuō)土壤酸化與化肥有關(guān)的話，也是施肥使植物生長(zhǎng)更旺盛，植物分泌的酸就更多，土壤酸化的速率就越快。解決土壤酸化的問(wèn)題，施用石灰或其他堿性物質(zhì)即可。有人認(rèn)為采用石灰中和酸性土壤的成本太高，難道施用所謂的“土壤調(diào)理劑”改良土壤酸性就廉價(jià)了？這里不乏一些土壤調(diào)理劑生產(chǎn)企業(yè)的片面宣傳，但如果所謂的“專家”也推波助瀾，則十分令人遺憾。

目前，施用化肥的農(nóng)產(chǎn)品往往被認(rèn)為是不安全的。需要指出的是，化肥的作用是為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供必需的營(yíng)養(yǎng)元素，植物通過(guò)吸收肥料中的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素后才能轉(zhuǎn)化合成各種營(yíng)養(yǎng)成分，如蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素等，諸如“瓜不甜、果不香”的原因是沒(méi)有合理施用化肥，而不是化肥造成了農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的下降。

3 不施化肥的農(nóng)業(yè)不是可持續(xù)農(nóng)業(yè)

隨著生活質(zhì)量的不斷提高，人們對(duì)食品安全越來(lái)越重視。國(guó)際有機(jī)農(nóng)業(yè)運(yùn)動(dòng)聯(lián)盟于1972年在法國(guó)成立，該聯(lián)盟對(duì)有機(jī)農(nóng)業(yè)思潮在世界范圍內(nèi)的興起起到了推波助瀾的作用。在我國(guó)，有機(jī)農(nóng)業(yè)與有機(jī)肥料往往密切結(jié)合在一起，有人錯(cuò)誤地認(rèn)為施用有機(jī)肥而不施用化肥的農(nóng)業(yè)就是有機(jī)農(nóng)業(yè)。19世紀(jì)的西方學(xué)者認(rèn)為腐殖質(zhì)是植物營(yíng)養(yǎng)的唯一來(lái)源，該理論被稱為“腐殖質(zhì)營(yíng)養(yǎng)學(xué)說(shuō)”[3]。德國(guó)科學(xué)家泰伊爾在《合理的農(nóng)業(yè)原理》一書(shū)中提出：“土壤肥力決定于土壤腐殖質(zhì)的含量，原因是基于它是植物養(yǎng)分的唯一來(lái)源”[9]。“腐殖質(zhì)營(yíng)養(yǎng)學(xué)說(shuō)”被當(dāng)時(shí)的學(xué)術(shù)界廣為接受，但并未在土壤培肥或提高作物產(chǎn)量方面發(fā)揮作用。德國(guó)化學(xué)家李比希的《化學(xué)在農(nóng)業(yè)和生理學(xué)上的應(yīng)用》[10]于1840年出版，從而創(chuàng)立了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)三大理論基礎(chǔ)之一的“植物礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)學(xué)說(shuō)”，其認(rèn)為植物的原始養(yǎng)分只能是礦物質(zhì)，因?yàn)榈厍蛏系母迟|(zhì)出現(xiàn)于植物之后而不是植物之前。這2個(gè)學(xué)說(shuō)的根本區(qū)別在于植物所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不是有機(jī)質(zhì)而是礦物質(zhì)。試想，被證明是錯(cuò)誤的“腐殖質(zhì)營(yíng)養(yǎng)學(xué)說(shuō)”在200多年后還能用于指導(dǎo)當(dāng)前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)嗎？

英國(guó)非有機(jī)小麥的產(chǎn)量是8 000 kg/hm2，而有機(jī)小麥的產(chǎn)量為4 000 kg/hm2，如果歐洲國(guó)家采用有機(jī)農(nóng)業(yè)滿足對(duì)糧食的需求，農(nóng)田面積需增加28 000 000 hm2，這相當(dāng)于法國(guó)、德國(guó)、丹麥和英國(guó)森林面積的總和[11]。將森林改為農(nóng)田，還能保持生態(tài)環(huán)境嗎？美國(guó)從2002年開(kāi)始實(shí)施有機(jī)認(rèn)證，有機(jī)農(nóng)業(yè)的年增長(zhǎng)率從初期的15%降至2010年的7%，目前有機(jī)農(nóng)業(yè)的產(chǎn)品在美國(guó)食品市場(chǎng)僅占4%，有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品在美國(guó)仍是少數(shù)[11]。人均耕地面積為66.46 hm2的美國(guó)尚無(wú)法大面積發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)，我國(guó)人均耕地僅為0.098 hm2，有機(jī)農(nóng)業(yè)不可能是發(fā)展方向。

筆者認(rèn)為：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)離不開(kāi)化學(xué)肥料，單純施用有機(jī)肥料的時(shí)代已經(jīng)遠(yuǎn)去；化學(xué)肥料在施用過(guò)程中確實(shí)產(chǎn)生了各種負(fù)面效應(yīng)，但可以通過(guò)更科學(xué)、更合理的方法予以解決，為了回避化學(xué)肥料所造成的問(wèn)題而回到原始的農(nóng)業(yè)狀態(tài)是不現(xiàn)實(shí)的；有機(jī)農(nóng)業(yè)無(wú)法滿足人類(lèi)對(duì)糧食的需求，更不能把“有機(jī)農(nóng)業(yè)”誤認(rèn)為是“施有機(jī)肥的農(nóng)業(yè)”。

4 科學(xué)用肥，解決化肥的負(fù)面作用

化肥在保證糧食安全的同時(shí)，也給環(huán)境造成了巨大的壓力，這是不爭(zhēng)的事實(shí)。為了解決化肥的高效利用問(wèn)題，農(nóng)業(yè)部于2015年印發(fā)了《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》，一百多年來(lái)土壤肥料科技工作者已經(jīng)從不同的角度在此方面開(kāi)展了大量的研究工作。施肥零增長(zhǎng)就是要實(shí)現(xiàn)減量不減產(chǎn)，這必須通過(guò)科技手段來(lái)提供支撐。在肥料生產(chǎn)技術(shù)或施肥技術(shù)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)突破的情況下，減量就意味著減產(chǎn)，想高產(chǎn)就要多施肥。

要減少施肥量，就必須提高肥料利用率，就需要合理施肥。合理施肥應(yīng)把握4個(gè)“正確”，即正確的肥料、正確的用量、正確的時(shí)間和正確的位置。①正確的肥料。通過(guò)肥料技術(shù)的創(chuàng)新，生產(chǎn)出符合我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化要求的肥料，多利用、少損失，且便于施用。②正確的用量。我國(guó)在之前10年的測(cè)土配方施肥中一直在研究農(nóng)作物生長(zhǎng)

最合適的施肥量，肥料施用量超過(guò)了作物的需求就是浪費(fèi)，因此，所說(shuō)的減量就是要把不合理的過(guò)量部分減下來(lái)。③正確的時(shí)間。作物在不同的生長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)對(duì)養(yǎng)分的需求量不盡相同，如果時(shí)間不對(duì)，所施用的肥料不能被作物吸收而在土壤中長(zhǎng)時(shí)間存留，通過(guò)揮發(fā)、淋溶，不但造成浪費(fèi)，而且會(huì)污染環(huán)境。因此，在作物最需要的時(shí)候施肥，其效果是最好的。④正確的位置。比如肥料放在離農(nóng)作物的根部近一點(diǎn)，吸收效果就非常好。

近年來(lái)，我國(guó)成功引進(jìn)并研發(fā)出很多新的施肥技術(shù)，如精準(zhǔn)施肥、灌溉施肥、測(cè)土配方施肥等[16]，也研制出了一批環(huán)境友好型的新型肥料品種，這些技術(shù)和產(chǎn)品的合理使用能大大減少化肥的用量，有些技術(shù)是很成熟的，但農(nóng)民不愿意采用，一是操作麻煩，二是成本高。這就需要政策來(lái)引導(dǎo)，給予鼓勵(lì)。因此，采用高效施肥技術(shù)，在保證糧食安全的前提下，把化肥對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響降至最低程度，需要科技和政策的雙重支撐才能逐步實(shí)現(xiàn)。