科学看待化肥 勿让化肥“背锅”

改革开放40年来，中国粮食总产量翻了一番，从1978年的3亿吨增加到2013年的6亿吨。从那以后，中国的粮食产量多年来一直稳定在6亿吨以上。人均粮食份额从1977年的297.7公斤上升到2017年的444公斤，增长了49%。我国不仅解决了人民的吃饱问题，而且正在从“饱”向“好”转变。包括农业部在内的土壤科学家和肥料专家已经最终证实，化肥在提高作物产量方面发挥着重要作用。然而，近年来，有许多关于涂抹化肥的评论，如土壤板结、酸化和化肥造成的污染。一些有机农业的追随者散布“中国农业有机肥料必将取代化肥”的言论，引导公众抵制化肥。

作者是北京农业大学土壤与农业化学专业的77级本科学生，毕业后一直从事土壤与土地方面的教学与研究工作。他认为有必要用他的理论知识和经验以及科普肥料的作用来证明化肥的合理性。

首先，化肥在提高作物产量方面发挥了重要作用。高产作物需要化肥才能获得高产

化肥是工业革命的产物，是现代科学技术给农作物带来的高效养分。化肥的应用开辟了另一条从作物生物圈以外获取养分的渠道，彻底突破了传统农业依靠土壤肥力自然恢复或仅依靠有机肥增加作物产量的瓶颈。作物营养问题得到解决，作物产量迅速增加，温饱问题解决后人口迅速增长。在过去的200年里，化肥的使用为人类文明的发展做出了巨大贡献。

1800年，英国是第一个从工业炼焦中回收硫酸铵作为肥料的国家。硫酸铵主要提供已知的作物营养“三种元素”，即氮、磷和钾，这三种元素需求量最大。1842年，英国用硫酸分解磷矿生产过磷酸钙肥料，1860年，德国人从钾矿中提取钾。从1800年欧洲硫酸铵的生产开始，经过200多年的发展，化肥已经能够为谷物、蔬菜和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。

植物生长所需的营养来自矿物质，而不是有机物，这一点早在19世纪40年代就得到科学证实。1840年，德国著名化学家、国际公认的植物营养科学奠基人尤斯图斯·冯·李比希通过大量实验提出了植物矿质营养理论。他认为腐殖质(有机物)只有在地球上发现植物之后才出现，而不是在植物出现之前，所以植物的原始营养只能是矿物质。继尤斯图斯·冯·李比希之后，许多科学家的实验进一步证实和发展了植物矿质营养理论。1843年，法国农业科学家比兴高建立了第一个农业实验站。他发现农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，并提出了植物碳和氮营养的理论。确定了植物生长所必需的17种元素，探讨了这些营养物质的来源及其吸收利用的数量、主要形式和途径。据说植物从土壤中吸收矿物质和水分，并通过光合作用与空气和水中的碳、氢和氧合成碳水化合物。

德国1908年诺贝尔化学奖获得者弗里茨·哈伯(1918)和卡尔·博施(1931)发明了合成氨技术和工艺，实现了氮肥的充分供应。化肥的使用迅速提高了欧洲的生活水平。从那以后，欧洲告别了饥荒。合成氨技术实际上是人工固氮，它通过高温高压和催化剂的作用使大气中的氮转化成氨。磷和钾是从矿物中提取的。磷肥主要是磷矿，钾肥主要是钾矿。肥料提供无机速效养分，不需要微生物转化和分解，施入土壤后可直接被作物根系吸收，从而快速补充农田土壤中的养分流失，实现作物持续高产，大幅提高作物产量。

在没有化肥的时代，人们将农作物生产中的有机废物(秸秆)和人畜粪便堆肥成有机肥，并应用于农田。在土壤微生物的作用下，有机质中所含的氮、磷、钾等养分被分解释放出来，供作物根系吸收，可以保持一定的土壤肥力和产量，但很难大幅度提高产量。农作物产量一直保持在较低水平，不能满足人类对食物和衣物的需求。此外，由于作物从土壤中吸收了更多的养分，而在草地或森林被开垦为农田后收获的养分较少，草地和森林中积累的土壤肥力不断枯竭，土壤肥力不断下降。过去，土壤肥力下降，就像土壤肥料科学家常说的那样，是为了比较开垦前耕地土壤和草地或森林土壤的肥力。施用化肥是为了从农业生态系统之外转移养分，以补充作物生产所需的养分短缺，从而大大提高作物产量。施用化肥增加了作物产量，也产生了更多的根、茎和叶的有机废物，可以堆积和腐烂产生更多的有机肥料，返回土壤，并提高土壤肥力。

2000年，作者在衢州县79个耕地采样点采集表层土壤，并进行实验室分析。结果表明，与1980年相比，这79个采样点的土壤有机质和氮、磷、钾含量均有所增加。原因是改革开放后中国化肥工业发展迅速，高产所需化肥供应充足，农业生产中大量施用化肥。高中毕业后，作者参加了农业生产，每年都在“积肥”(有机肥)生产队工作。然而，化肥短缺，仅施用少量含氮量低的碳酸氢铵。当时，玉米的产量是每亩200-250公斤。当时所谓的“有机肥”是一种“黄土清除法”，即把土壤从地里铲出来，在土壤中加入少量剩余的草渣和牲畜粪便，堆肥后运至地面。这种“有机肥料”含有较少的有机物质，为作物提供较少的养分。产量只能维持在低水平，土壤肥力也将维持在低水平。当时，仍有许多没有施肥的“卫生田”，土壤肥力仍在下降。

在我国历史上，从秦朝到民国，经过2000多年，每亩水稻产量从40公斤增加到200公斤。现在全国平均每亩水稻产量超过500公斤，最高产量为1000公斤。其中，化肥生产的贡献不容置疑。近年来，联合国粮食及农业组织(粮农组织)的研究和调查表明，与不施用化肥相比，施用化肥可提高单位产量50%。农作物总产量的三分之一来自化肥的贡献，中国粮食产量的一半来自化肥，这与国内相关学者的研究高度一致。

其次，化肥不是导致土壤板结、酸化和污染的罪魁祸首。

然而，在过去30年中，过量施用化肥产生了不可否认的副作用，例如水体富营养化，同时实现了高产和稳产。因此，公众对肥料有负面的理解。一些人抓住机会扩大化肥的副作用，甚至妖魔化它们。例如，化肥会导致土壤板结、酸化和污染。然而，在研究了大量相关科学研究文献后，目前还没有科学数据支持土壤板结、酸化和化肥施用造成的污染。

2000年和2002年，笔者带领团队成员在北京市曲周县和大兴县进行土壤采样时，发现部分秸秆还田的表土不仅疏松，而且形成了微团聚体。土壤教科书告诉我们，腐殖质是形成良好土壤团聚体的主要物质，并使土壤疏松、通风和透水。施用化肥大大增加了作物的生物量(根、茎、叶和种子)，大量的根、茎和叶通过各种形式返回到土壤中，从而增加了土壤腐殖质的含量，促进了土壤团聚体的形成，疏松了土壤，不会造成土壤板结。

中科院南京土壤研究所封丘农业生态实验站站长进行的30年定位施肥试验表明，与不施肥处理相比，长期施用化肥显著提高了有机质含量，显著降低了土壤容重，但没有显著改变土壤酸度。换句话说，施用化肥的土壤不会变硬，而是变得更疏松。

1888年在美国密苏里州设计的长期定位施肥试验(SanbornField)已经运行了130年，取得了与封丘试验站相似的结果。至于某些耕地的土壤板结，主要是由于缺乏耕作造成的。由于机会成本的增加，在一些地方，耕作不再在世代相传的土地上进行，如耕地、耙地和精耕细作。取而代之的是，它是在“闲置的田地”里完成的，收获后直接播出。不耕作的土壤会自然变硬。

科学研究文献表明，无化肥的天然土壤，如森林土壤，其酸化程度比耕地更为显著，而施用化肥的温室土壤的盐渍化程度明显高于耕地，所有这些都表明化肥不是土壤酸化的直接因素，也不是主导因素。过去，一些酸性肥料，如过磷酸钙、硫酸铵和硝酸铵，现在基本上不生产了。中国每年施肥量的1/2~1/3是尿素。尿素是弱碱性的，溶解在水中的水溶液是中性的。我国施用的磷肥以磷酸二铵为主，磷酸二铵水溶液呈弱碱性，酸碱度为8.0。因此，施用化肥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。生理酸性肥料如氯化钾是指吸收大量钾并交换氢离子的植物，这将导致土壤变酸，同时有机酸将在植物生长过程中分泌，因此肥料产酸的主要来源是植物而不是肥料。换句话说，植物在生长过程中必须吸收相应的营养并产生相应的酸。如果施肥导致土壤酸化，恐怕有机肥更容易导致土壤酸化，因为有机肥的主要成分腐植酸和黄腐酸是酸性的。

中国农田土壤酸化主要是由碱性离子的淋溶引起的。在地质循环过程中，碱性离子的浸出是不可避免的。在我国南方，降雨量比北方多，而且碱性离子的淋溶强度较大，所以南方的土壤是酸性的，即使在原始森林中，土壤也是酸性的。碱性离子的持续淋溶将进一步酸化土壤。在北方，大多数土壤呈微碱性。然而，北方平原地区的排水系统建设和耕地地下水的开采降低了地下水位。即使在春天，很少土壤水分通过土壤的毛细上升蒸发。土壤水分的迁移转化为雨水(或灌溉水)的渗透沥滤，这也是一个脱盐过程，导致酸化。特别是盐碱土壤的水利改良过程，是由碱的淋溶引起的土壤酸化过程。

事实上，土壤酸化的主要原因是大气干湿沉降。据不完全估计，中国每年的硫氧化物沉积量超过3000万吨，氮氧化物沉积量约为2000万吨。两者之和达5000万吨，干沉降和湿沉降保守估计超过1亿吨。中国使用的5000万吨化肥基本上是中性或碱性的，1亿吨干沉降和湿沉降是强酸性物质。因此，将土壤酸化归咎于肥料显然是“责怪他人”。

至于土壤中的重金属污染，原因很多，主要是由于地球化学背景值高，其次是由于工业和污水灌溉。肥料是无机的，非常纯净，基本上不含重金属。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影响不大。磷酸铵本身会给化肥带来一定量的重金属。中国磷矿中的镉含量很低。根据目前的施肥量(50公斤/亩，按10毫克/公斤的平均镉含量计算)，每年带来的镉只有0.5克/亩。

综上所述，化肥是科学技术带给人类的高效作物营养。在没有化肥而只有有机肥的时代，人们的温饱问题从未得到解决。化肥完全突破了传统农业依靠土壤肥力自然恢复或仅仅依靠有机肥来增加作物产量的瓶颈。化肥增加了作物产量，也提供了大量的根、茎和叶，可以转化为腐殖质，增加了土壤腐殖质的含量，有利于土壤团聚体的形成，并疏松了土壤。大多数现代化肥是中性或微碱性肥料，这不是土壤酸化的原因。土壤酸化主要是碱性离子淋溶的结果，碱性离子淋溶是地质循环的必然。然而，大气酸沉降加速了土壤酸化。肥料是纯的，几乎不含重金属。土壤中的重金属主要来自土壤地质风化过程中的原生矿物。外来重金属主要来自工业和灌溉污水。

当然，如果施用过多的化肥，过量的营养物质会进入水体，使其富营养化，从而造成水污染。为此，国家出台了减肥增效政策，即在保证稳定或增产的前提下，采取平衡施肥、精准施肥等综合技术措施，减少化肥用量，减少水体污染，提高养分利用率，避免资源浪费。

(作者是中国农业大学土地科学与技术学院教授)