【云顶娱乐】化肥与农业:利害之间找平衡

10月8日,美国《科学》杂志刊登南丹麦大学教授Donald
Canfield撰写的《地球氮循环演变与未来(The Evolution and Future of
Earth‘s Nitrogen
Cycle)》文章,提出“过去一个世纪人类大规模施肥活动已经严重破坏了地球原有的氮循环活动,造成水资源富营养化、温室气体氧化亚氮排放增加,必须尽快采取措施改变现有施肥模式,减少氮肥使用。”
Donald
Canfield及其研究小组跟踪了从地球诞生到当代的“地球氮循环”活动,研究表明,大约27亿年前地球就已经通过大气化学反应和缓慢地质活动控制早期的氮素循环,微生物负责小范围内氮素的有机转化活动。但是,从1960年到2000年,全球化肥用量增加了800%,化肥大量施用不仅提高农业成本,更给环境带来了巨大影响,尤其是氮肥大量施用造成海洋、沿海“不毛之地”增多,农业温室气体氧化亚氮排放增加。
据了解,氮肥是重要的农业投入品之一,每年全球氮肥消费9000万吨,但是由于氮肥活性很强,很容易活化到环境,以气化、淋洗等方式排放到环境中,成为河流、湖泊、海洋的污染源之一,广受世界科学家关注。
文章最后指出,微生物活动也许能够在未来几十年创造一个新的稳定态氮循环,但同时随着人口的增长,2050年以前氮肥消费还将增加,这就意味着地球上的
“不毛之地”将继续增加。为了尽可能降低人类对氮循环的破坏作用,文章建议采用轮作制度、控制化肥用量、利用基因工程进行富氮作物研究、通过育种技术改良粮食作物品质、培育根际固氮作物、提高化肥使用成本等措施以改变现有施肥模式。
《科学》杂志1880年由爱迪生创办,1894年成为美国科学促进会官方刊物,是发表最好的原始研究论文、综述文章以及分析科学研究进展和科学政策的期刊。该杂志所刊登的文章大都涉及人类社会重大发现、发明以及一些重要观点。
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2009年2月17日,美国《国家科学院院刊》刊登了中国农业大学资环学院巨晓堂和张福锁教授的文章《通过改善集约化农业氮肥管理降低中国农业生产体系环境风险》,指出过量施用氮肥会引发对环境的污染。在中国现有集约化农业体系中可减少约三成氮肥施用量。
2010年2月19日,美国《科学》杂志刊登由中国农业大学资环学院张福锁教授领导的科研小组的文章《中国主要农田土壤显着酸化》,指出上世纪80年代以来中国主要农田土壤酸量在原有基础上增加了2.2倍,氮肥过量施用是农田土壤酸化加速的首要原因。
2010年4月12日,PNAS刊登了北京林业大学刘俊国教授等人撰写的论文《对全球农田土壤氮循环的高分辨率评估》,指出每年注入环境的氮数量约有一半来自于化肥氮,全球氮的平均回收率为59%。

中国占全球7%的耕地,消耗着全球35%的氮肥,直接导致中国高达90%的农田土壤发生不同程度的酸化
□ 本刊记者 张瑞丹 | 文
2009年上映的纪录片《家园》中,有这样一组镜头:在化肥和农药的共同作用下,全球农业和畜牧业生产的工业化步伐空前加快,粮食产量纪录不断被打破;但奇迹的背后,是触目惊心的环境污染。
2010年2月19日,美国《科学》杂志刊登了一篇来自中国科学家的论文。中国农业大学资源与环境学院院长张福锁及其团队的研究发现,中国主要农田的土壤在过去20年间发生了显着的酸化现象。罪魁祸首,恰恰是最主要的化肥品种—氮肥。
实际上,滥用氮肥所造成的负面效应,以及随之而来的土壤酸化,并不出人意料。不过,滥用程度之高,问题之严重,仍然令人吃惊。
土壤酸化加速
1998年,张福锁去山东省考察时,发现一户农民在不到1亩地的农田里施了超过1000公斤氮肥。
按照正常的氮肥施用量,以小麦、玉米、水稻为主的粮食作物体系,只需要每亩150至200公斤氮肥;以蔬菜、果园为主的经济作物体系,也不过300多公斤而已。
“当时我就问:哪里用得着那么多?”张福锁回忆道,“那个农民回答,没关系,反正我能卖4万块钱,化肥才花了4000块。”
这不过是中国农业过度依赖化肥的一个简单缩影。十多年过去了,张福锁发现,滥用化肥尤其是氮肥的现象,并没有得到很大改观。
自1981年至2008年,通过发展高投入集约化农业,中国粮食年产量从3.25亿吨增长至5.29亿吨,增长约六成。与此同时,氮肥消费量却从1118万吨增加到3292万吨,增长了近2倍。目前,中国占全球7%的耕地,消耗着全球35%的氮肥。
这直接导致中国高达90%的农田土壤,均发生不同程度的酸化现象。氮肥造成的土壤酸化,主要是指氮肥在转化过程中形成的阴离子硝酸盐,在水的作用下,携带着碱性的阳离子,如钙、镁离子离开土壤系统,从而使土壤酸度增加。
张福锁团队的研究发现,在氮肥作用下,土壤酸碱度平均下降了约0.5个单位。在没有人为干扰的自然条件下,土壤pH值下降0.5个单位,至少需要成百上千年。
“我们在20年就完成了这个过程,说明中国过去20年来高投入集约化农业生产,大大加速了土壤酸化进程。”论文作者之一、中国农业大学资源与环境学院院长张福锁告诉本刊记者。
张福锁团队的这项研究工作,自1994年起已进行了近20年。为了更准确地反映中国集约化农田的土壤酸化问题,团队特意避开了同样会导致土壤酸化的酸雨严重地区,而选择主要集约化农田地区。
他们发现,不仅是南方地区本身偏酸性的土壤发生了酸化现象,即使是过去被认为对酸化不敏感的华北石灰性、碱性土壤,也出现了同样问题。
其中,对粮食作物体系来说,氮肥过量施用对土壤酸化的潜在贡献率达到六成;对以大棚蔬菜和果园为主的经济作物体系而言,氮肥过量施用的贡献率则高达九成。
“现实中,农民每年平均1亩粮食作物施氮肥600公斤的现象十分普遍,蔬菜地和果园等经济作物的氮肥施用量甚至高达上千公斤。”张福锁对本刊记者说。
化肥“双刃剑”
过去的研究中,人们更多关注大气中二氧化碳浓度升高导致的海洋酸化,以及酸雨导致的湖泊、森林和土壤酸化。而全球农业生产中来自合成氨工业的化学氮肥滥用所引发的农田土壤酸化,却一直未引起足够重视。
作为土壤最基本的性质,酸碱度是判断土壤系统是否健康的标准之一,也是对作物生长情况影响较大的一个重要因素。
“不同的作物适合不同的酸碱度,大多数作物在中性,pH值在6至7的条件下长势较好。酸碱度过高过低,都会对作物的生长有影响。”张福锁对本刊记者解释说。
如果将土壤系统比作人体系统,化肥使用对应营养摄取,那么土壤营养摄取全面而充足,可以保证作物健康生长;而一旦“营养过剩”,就可能打破平衡,导致作物“生病”。中国农业大学“十五”期间在山东省的调查结果显示,农民对大棚黄瓜的氮肥投入不足,就会造成产量低、品质差、弯瓜较多等现象;而施氮量过大,又“适得其反”,导致病害严重、产量下降、口味变差。
此外,氮肥施用过多造成土壤酸化的背后,隐藏着巨大的环境污染和人体健康风险。
首先是对地下水的破坏。氮肥施用过量,使地下水的硝酸盐含量超过饮用水标准,而过量的硝酸盐可能导致高铁血蛋白症,同时具有致癌危险。
氮肥的滥用对湖泊河流富营养化“贡献率”也颇高,是造成太湖蓝藻等“藻华”现象频发的罪魁祸首之一。
2月9日公布的全国第一次污染源普查的结果显示,农业污染源是主要水污染物化学需氧量的最大“贡献”者,排放量占四成以上。而总氮的排放量为270.46万吨,占排放总量的近六成。
不仅如此,氮肥过量使用与气候变暖也有着千丝万缕的关系。它是氧化亚氮的重要来源之一,后者是比二氧化碳具有更大致暖效应的温室气体,具有促进气候变暖和破坏臭氧层的双重作用。反过来,氮肥对温度变化十分敏感,气候变暖又会加速氧化亚氮的释放。
拯救农田
其实,维持乃至增加粮食产量,并不总是需要化肥用量的增加。2009年1月,张福锁和同事巨晓棠教授等人发表在《美国科学院院报》上的一篇论文就显示,在保持农作物产量不变的情况下,氮肥的施用量有可能减少三成至六成。
国际上在控制化肥滥用方面已经有成功经验。上世纪80年代之前,荷兰就曾因为养殖业发达,化肥施用量过多而造成大面积的硝酸盐污染。当局随即采取严格措施,出台一系列如监测、罚款等政策来控制氮肥的施用量。到上世纪90年代,荷兰顺利度过化肥施用高峰期,土壤得到恢复。
“我们一直认为,合理施用氮肥不仅可节约资源,而且可以保护环境,减缓土壤酸化。”张福锁告诉本刊记者。
张福锁建议,根据各地土壤性质的不同,针对南方一些农业土壤酸化严重的地区,可以采取撒石灰中和的方式;而在土壤碱度比较高的北方,只需控制氮肥用量,就可以达到“既不浪费资源,也不继续造成酸化”的目的。
当然,在实际生产中仅仅单纯控制氮肥用量并不能完全解决问题。中国农业大学的这个研究团队,就曾因为忽视了水分管理而得到失败结果。
在山东省寿光市的辣椒大棚进行养分调控中,研究人员发现,即使施用的肥料总量完全可以满足作物生长发育要求,后期也仍然出现了严重脱肥、产量明显降低的现象。“当时该试验地的农民非常生气,甚至把我们的研究生赶出了大棚。”张福锁回忆道。
事后证明,问题出在灌溉用水上。虽然农民原本的施肥量高达1600公斤,但大量浇水之后肥料很多被冲走,真正留在根部的只有二三百公斤,刚好能满足农作物需求。
“我们的施肥总量刚好满足需求,但由于频繁的大量灌水,所以肥料被冲得没剩下多少。”张福锁告诉本刊记者。
目前在全国范围内大面积推广的“水肥一体化”技术,恰恰解决了这个问题。一方面,减少施肥量,防止氮肥量过度;另一方面,更有针对性地利用灌溉用水,在满足作物需求的同时减少水资源的浪费。
在土壤专家们看来,技术已经完全掌握,但要在全国普遍推广应用,仍然需要很长的时间。
首先,中国的土壤先天就具有“质量较差、障碍因素多”的缺陷。这也从侧面说明中国农业土壤施肥过多的原因。但实际上,改善土壤质量的途径有很多。
张福锁举例说,现在搞的秸秆还田,就是提倡不要烧秸秆,还田之后不但可以培肥土壤,还可以收纳温室气体,减少全球变暖。
更重要的是,政府多年以来“高投入高产出”、给化肥生产大量补贴等优惠政策,来鼓励企业多生产化肥,农民多使用化肥。
“对于农民来说,一亩二分地用一袋肥料花的钱不算什么,不用算成本账。从农民角度来说,根本没有动力来减少化肥施用量。”张福锁坦言。
在他看来,当务之急还是要改变政府领导观念和现有政策,政府应该引导农民合理用肥,用好肥,而不是鼓励多用肥。
“建议不要再给化肥工业补贴。过去没有化肥工业,补贴刺激化肥工业是对的;但到了化肥已经过量的今天,国家没有必要一年掏几百亿补贴。”张福锁说。

——访中国农业大学资源与环境学院教授刘学军
化肥是现代农业的物质基础、是粮食的“粮食”,我国化肥产量和用量从1950年的不到5万吨/年升至2009年的5000多万吨/年,增幅超过1000倍,在保障国家粮食安全方面起到了不可替代的作用。但另一方面,由于部分地区施肥不当化肥带来了局部生态环境污染加剧等问题,成为我国经济和农业发展的制约因素。因此,如何科学评价化肥与农业的关系,或者说如何辩证看待化肥特别是氮肥在农业中的增产作用与生态环境效应,已经成为关系到我国农业与环境可持续发展的一个重大问题。
记者:有数据显示,全球40%以上人口依赖于化肥提供的粮食,而中国化肥的增产贡献高于世界平均水平40%。假如不使用化肥,将会是什么情况?
刘学军:建国以来,我国粮食生产取得了巨大成就,创造了世界的奇迹——以世界7%的耕地养活全世界22%的人口,其主要贡献来自化肥。从1961年到2009年,我国粮食作物的总产从1.1亿吨增至5.3亿吨,同一时期单产从年均1.2吨/公顷增加到5.6吨/公顷,增加了3.7倍,而收获面积基本不变。从1961年到2007年,蔬菜、水果的收获面积分别增加了3.2倍和16倍,单产增加了近1倍、总产增加了6.7倍和30倍。我国作物单产增加主要依靠农业化学品投入尤其是化肥投入的增加,化肥已经普及到全国所有农业区,保障了全国农业大面积增产。假设不使用化肥,全国粮食产量可能只能维持在年均2.5亿吨,而施用化肥的粮食产量在5亿吨左右,那么化肥增产的粮食能养活全国约一半的人口,化肥的增产贡献甚至高于世界平均水平40%。由此可见,没有化肥的投入就不可能有我国的粮食安全。
记者:化肥的增产作用如此明显,那么化肥的投入与作物增产之间是否存在正比关系?
刘学军:通过比较国家粮食产量和氮肥的有关统计资料,我们发现二者并非呈线性关系。国家统计局数据表明,2009年我国化肥用量达到5404.4万吨,单位播种面积的化肥用量为341kg/ha,比1961年的0.5kg/ha增加670倍。由此可见,作物产量增幅要远远小于化肥用量的增幅,化肥的农业增产效应随着化肥用量的增加呈下降趋势,例如:每千克氮肥投入增产的粮食从1961年的300kg以上降低到20世纪90年代初的30kg,近些年更下降到20kg以下。中国农业大学资源与环境学院张福锁教授等人对我国氮肥农学效率的研究表明,目前每千克氮肥投入当年净增产的水稻、小麦、玉米已经分别从上世纪80年代的20kg左右下降到21世纪初的10.4kg、8.0kg和9.8kg;磷肥、钾肥的增产效率也呈现类似的下降趋势。
此外,我国化肥的农业增产效应区域性差异很大。在地形、土壤、灌溉等自然条件良好的农业主产区,化肥增产效率较高,而且随着农业综合措施的进步,近两年化肥的增产效率呈现上升趋势。
自从1993年实施菜篮子工程以来,我国种植业产业结构发生了翻天覆地的变化。粮食播种面积波动式下降,而蔬菜和果树种植面积不断增加,到2008年,蔬菜播种面积占全国总播种面积的12%,而果园达到7%。由于水果和蔬菜的附加值高,农户往往不惜资源投入,资源浪费严重。例如:大棚蔬菜每年投入的化肥和有机肥纯养分是粮田投入量的10~20倍,远远超过蔬菜自身的需要。大面积种植蔬菜是全国化肥肥料效率不断下降的主要因素。
记者:针对我国化肥利用率低的问题,目前有没有较好的对策?
刘学军:据统计,目前我国农田氮、磷、钾化肥养分利用率平均仅为27.5%、11.3%和31.3%,表明我国化肥使用的优化空间很大。在如何优化氮肥管理、提高氮素利用效率方面,国内许多土壤肥料工作者进行了一些有益的探索。
中国科学院南京土壤所朱兆良院士针对中国人多地少的国情,较早提出“平均适宜施氮量”的方法,并首先在江苏太湖获得成功。太湖地区试验证明,水稻氮肥投入总量控制在180~225kg/ha,可保证现有产量,而氮肥用量比农民传统用量平均少1/4~1/3。中国农业大学张福锁、陈新平教授等则提出氮肥实时监测、磷钾肥衡量监控的养分资源综合管理策略,他们在华北平原进行的264个田间试验结果表明,利用养分资源综合管理技术可以把小麦、玉米氮肥用量控制到150~180kg/ha,比农民施肥量降低30%以上,而产量可以增长5%~10%。1998~2005年,中国农业大学在北京进行的121个露地蔬菜试验研究证明,在获得与农民相同产量的基础上,通过水肥一体化综合管理技术可把氮肥用量降低到100云顶娱乐,~260kg/ha,比农户用量下降151~183kg/ha,节氮23%。
记者:要真正实现化肥的增产增效应从哪些方面入手?有何技术手段?
刘学军:要实现化肥增产增效在战略上应从以下几个方面入手:
一是发展和应用总量控制、分期调控的氮肥管理技术。我国农户经营规模小、土地分散的特点决定了过于复杂和精确的施肥技术的可操作性差,经济上也不划算。中国农业大学在氮素实时监控技术基础上发展的总量控制、分期调控的氮肥综合管理技术,把作物全生育期氮素总量与关键生育期氮素调控结合起来,有效地解决了科学性与实用性的矛盾。
二是以“大配方,小调整”策略调整肥料产品结构,实现贴近农业需求的化肥技术改造与升级。具体的说,就是利用全国测土配方施肥技术成果,采用“大配方,小调整”策略大幅度调整肥料产品结构,使先进的施肥技术物化,并通过产、学、研与推广的结合,使技术人员、肥料经销商和广大农民实实在在用上这些技术。
三是加大测土配方施肥技术推广力度,彻底改变传统施肥观念。全国测土配方施肥项目开展5年来,通过大量的土壤测试,对我国农田养分状况有了新的认识。大量的田间试验和示范已基本明确了我国土壤肥力和主要作物的肥料效应,创新了一大批施肥技术和推广模式。从2009年农业部提供的3000多个田间试验结果看,小麦、玉米和水稻等粮食作物测土配方施肥比农民常规施肥增产450kg/ha以上,每千克养分增产量1.5kg以上,比常规施氮量减少30kg/ha左右,氮肥利用率提高10个百分点以上。2009年3月农业部测土配方施肥技术专家组对6个省1152个农户的随机抽样调研结果表明,项目区农户明显增产,粮食作物平均增产5.5%。
记者:化肥在保证粮食安全方面的功劳人所共知,但如果化肥施用不当也将不可避免地带来一系列的生态环境问题。能介绍一下这方面的情况吗?
刘学军:化肥在我国农业增产中的作用很大,其功劳是第一位的,完全可以说没有化肥的投入就没有现代农业生产、也不可能解决我国目前的粮食安全问题。化肥的环境代价主要体现在不合理地过量施肥,尤其是氮肥的过量使用造成氮素连锁效应。氮素连锁效应是引起水体氮素污染、大气中氮素痕量气体及颗粒物浓度升高、氮素沉降和酸雨加剧等的主要原因。对于中国一些地区存在的大量施用化肥、片面追求粮食高产以及化肥不合理使用导致生态环境代价增加等问题应该引起我们的高度重视。新近欧洲氮项目的结果表明,在欧盟主要成员国由于氮素损失导致的生态环境代价高达700~1400亿欧元。我国的氮评估工作尚未结束,初步估计这方面的代价不会低于欧盟国家。
目前,农业已成为温室气体的重要排放源,过量使用氮磷肥所导致的土壤剖面中硝酸盐累积、耕层土壤有效磷富集以及与此相关的土壤酸化、水体污染和富营养化等报道日益增多,氮肥不合理使用导致氨挥发、氧化亚氮和氮氧化物等痕量气体排放引起的氮素沉降增加与酸雨危害等问题也已经成为影响我国农业和环境可持续发展的制约因素。
土壤是农业的基础,不合理施用化肥可导致土壤质量下降和污染的发生,从而直接威胁农业的可持续发展。同时,过量施用氮肥或者偏施氮肥会导致土壤中硝酸盐大量累积和向下淋溶,成为水体尤其是浅层地下水的重要污染源。全国污染源普查结果发现,农业是总氮、总磷排放的主要来源,其排放量分别占全国排放总量的57.2%和67.4%。此外,关于氮肥不合理使用导致的NH3、NOx和N2O等农田痕量气体排放,也越来越引起人们的关注。
记者:既要保证农业的增产,又要兼顾生态环境效益,您认为化肥产业在未来发展中如何才能做到这两点?
刘学军:今后我们应该在农业高产高效的目标下通过多学科合作优化肥料的管理、进一步提高化肥的增产贡献,而通过养分资源综合管理技术结合测土配方施肥的国家行动是提高我国肥料利用率、降低生态风险和环境代价的根本途径。
就整体而言,氮肥、磷肥用量应逐步下调、回归至理性水平,钾肥维持稳定或略有增长。国家应加强化肥生产、使用和国际市场等方面的中长期预测预报的研究工作,加强肥料立法、逐步减少化肥的补贴,既避免化肥企业的大起大落,又要有前瞻性地适当发展一些有市场前景的新型肥料,如包膜控释肥、专用复混肥等。
今后5~10年内,我国化肥企业应该在保持现有产量的前提下大力提升肥料产品质量,并且更多地关注农化服务,培养一支较为专业的农化服务队伍,有效地为农民提供如何合理施肥的科学知识和试验示范基地,并与各类农村专业化合作组织建立长期合作的关系,同时为农民提供合格的肥料产品和优质的售后服务。
从更长远的未来分析,化肥的高浓化、复合化、液体化和多功能化是国际上的发展大趋势,我国在发展高浓度单质肥料和复混肥的同时,也应针对国情适当保留一些相对廉价、养分浓度相对较低的肥料产品比如碳酸氢铵、过磷酸钙等,以适用一些地区农民的经济状况和特定作物的养分需要。
作为中科院重要方向性项目水土资源和养分的高效持续利用的研究内容之一,由离子束生物重点实验室研发的新型控缓释化肥——控失型复合肥2008年秋季试验示范在我国小麦主产区黄淮海平原的河南、山东、河北和安徽四省9个地市顺利实施。项目组对河南、山东和安徽三省4个试验示范现场进行了考察,发现小麦控失型控缓释化肥全部基施和减量基施均较习惯施肥生长旺盛、增产趋势明显。图为施用控失肥的田间对照。
2001~2010年我国粮食产量和化肥消费量 年度 粮食产量化肥消费量 农用化肥产量
2001 45246 4254 3383 2002 45706 4339 3791 2003 43070 4412 3881 2004
46947 4637 4805 2005 48402 4766 5178 2006 49804 4928 5345 2007 50160
5108 5825 2008 52871 5239 6028 2009 53082 5404 6385 2010 54641 5545 6741