科學認識化肥的作用 二維碼
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作者：中國農業大學 張福鎖來源：農業部新聞辦公室 化肥作為糧食的“糧食”，是現代科學技術帶給我們的高效營養物質。從歐洲1800年生產硫酸銨開始，經過200多年的發展，化肥已經形成了完整的產、供、銷、用體系，完全可以為糧、棉、油、果、菜等農產品提供氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵、錳、銅、鋅、硼、鉬、氯等必需的礦質態元素以及硅等有益元素。化肥施用200多年來，人口連續翻番的同時，營養水平大幅提高，人類文明進步呈現指數級增長，徹底突破了傳統農業依賴于地力自然恢復的瓶頸。 一、化肥是工業革命技術成果和現代農業的物質支撐 化肥起源于歐洲，是工業革命的產物。1800年英國率先從工業煉焦中回收硫酸銨作為肥料，但直到1908年德國發明了現代合成氨工藝，才實現了化肥充足供應。化肥的施用讓歐洲生活水平迅速提高，并成為世界經濟中心。鑒于化肥對人類文明的重大貢獻，合成氨技術發明者德國Fritz Haber（1918）和Carl Bosch（1931）先后獲得諾貝爾化學獎。 （一）化肥的特性和歷史功績 化肥來自于自然界，供應效率高。氮肥主要原料來自于大氣，其他化肥原料主要是礦產。氮肥生產與生物固氮機理相似，通過高溫高壓及催化劑，將大氣中的惰性N2變成作物可以利用的活性氮（銨鹽、硝酸鹽）。在一個10公頃土地上建立的合成氨廠每天可以生產3000噸N，一年能夠滿足千萬畝農田維持畝產800～1000斤的產量，比傳統生物固氮效率提高約100萬倍。化肥讓農田從培肥—生產的長周期轉變為連續生產的短周期，極大地提高了農田產出效率。 化肥養分濃度高，勁大，降低了勞動強度。化肥中養分含量一般超過40%，是傳統有機肥的10倍以上。尿素含氮46%，滿足一畝農田10公斤的氮素供應只需要25公斤左右尿素，一個勞動力徒手用半天就可以完成運輸和施用。而傳統農業收集、堆漚、運輸、施用有機肥需要許多人花費幾個月的時間。化肥將農戶從繁重的肥料收集、堆漚等勞動中解放了出來，極大地提高了農民的勞動生產效率。 化肥肥效快，利于作物及時吸收。化肥中的養分主要是無機態的，不需要經過微生物轉化分解，施入土壤中后會迅速被作物根系吸收。例如化學氮肥施入土壤后一般3～15天就會完全釋放，在植物生長旺盛階段可以迅速滿足作物需要。化肥還可以通過灌溉，甚至可以通過葉面噴施的方式施用，極大地提高了作物的養分吸收效率。 化肥本身是無害的。化肥中養分含量高、雜質低。例如尿素中含有46%的氮素，氮是作物所需要的營養元素，其余的主要是CO2，施用到土壤中后會再次釋放回到大氣中，是無害的。此外，還含有1%左右的水和1%左右的縮二脲，縮二脲嚴格控制到1.5%以下對作物無害，而且會在土壤中分解并被作物和微生物利用。其他的磷肥、鉀肥以及中微量元素都是從礦物中提取出來的，基本成分也都是無害的。 （二）中國化肥來之不易 目前，中國是全球最大的化肥生產國和消費國。作為一個發展中國家，在滿足自己化肥供應的同時，還可以向國外出口，這是非常了不起的事情。化肥工業的壯大，為我國農業和國民經濟的持續快速發展提供了堅實基礎。 保障化肥供應是國家基本戰略。新中國成立后，化肥作為戰略資源重點保障，即使在困難時期，化肥用量的增長也沒有停止過。國家采取了一系列措施保障化肥供應，例如獎售政策、無利潤統購統銷政策、生產補貼、施用補貼等。2013年，補貼金額高達1000億元以上。針對化肥的特殊政策持續時間之長、范圍之廣、力度之大是其他任何商品都沒有的。 不惜代價建立化肥工業體系。化肥生產是一個資源高度依賴的工業體系，對于工業基礎薄弱的發展中國家異常艱難。在上世紀80年代以前，我國化學工業投資的40%、優質無煙塊煤的50%、進口天然氣的30%、進口硫資源的60%以上都用于化肥生產。為提高化肥儲運能力，國家還為大中型化肥廠修建了專用鐵路線、輸電線路，鐵路和碼頭倉庫等。 技術創新之路十分艱難。建國初期，進口化肥生產裝置和材料都異常困難。秉承“自力更生、自給自足”的原則，我國開始了艱苦的化肥研發生產之路。侯德榜等科學家自上世紀50年代開始，歷經8年努力，研發了具有中國特色的化肥技術—“聯堿法”制取碳酸氫銨，建成了自主創新的現代化氮肥工業體系。磷肥從過磷酸鈣—鈣鎂磷肥—硝酸磷肥—磷酸銨—復合肥整整摸索了半個世紀，鉀肥工業從1956年在青海察爾汗干鹽湖找礦開始，直到本世紀初研發成功“反浮選冷結晶”工藝后，才開始大規模生產。 （三）化肥是吃飽、吃好、吃得健康的重要保障 上世紀60年代第一次綠色革命是人類發展史上重要的里程碑，通過高產品種、灌溉、機械化和大量施用化肥提高了農產品供給。聯合國糧農組織（FAO）統計，上世紀60年代至80年代，發展中國家通過施肥提高糧食作物單產55%～57%，而化肥對于中國來說，意義更加重大。 中國糧食產量的一半來自化肥。新中國成立前，我國一直采用傳統農業生產方式，即利用作物秸稈、人畜糞尿、綠肥等方式培肥地力，糧食產量長期處于較低水平。秦漢至清朝2000余年間，我國每畝小麥和水稻的產量僅從106斤和80斤增長到195斤和291斤。而新中國成立后至今的70余年間，我國小麥平均單產達到700～800斤，高產地區達到1500斤。其中，化肥的施用發揮了關鍵作用。科學家研究證明，不施化肥和施用化肥的作物單產相差55%～65%。 化肥顯著提高了國人的營養水平。近年來，我國人均蔬菜水果供應量持續增長，在豐富食譜的同時，也提高了居民營養水平。人均動物蛋白供應量從1961年的1.4公斤增長到2014年的15.5公斤。水果和蔬菜增產主要是通過現代化的生產方式（大棚、灌溉、化肥、農藥）提高了產出。肉制品、奶制品的增長來自飼料供應的增加，而飼料生產也依賴化肥的施用。化肥極大地豐富了農業生產系統中的養分供應，為生產更多人類所需的蛋白、能量、礦物質提供了基礎。 化肥提高了土壤肥力。耕地質量是糧食安全的基本保障。傳統農業中耕地養分含量主要由成土礦物決定，絕大部分土壤出現了不同程度的養分缺乏。例如，我國土壤有效磷含量相對較低，據上世紀80年代開展的二次土壤普查數據，平均含量僅7.4mg/kg（如玉米最適宜的含量不應低于8mg/kg）。通過施用磷肥，近30年來我國土壤有效磷含量上升到23mg/kg。化肥施用還可以增加農作物生物量，提高地表覆蓋度，減少水土流失。土壤本身也是一個碳匯，可以儲存人類活動產生的溫室氣體，減輕工業化帶來的負面影響。此外，通過施用化肥提高作物單產，為城市建設、交通、工業和商業發展提供了廣闊的土地空間。 二、科學認識化肥利用中的幾個問題 現在，化肥施用帶來了一些問題，但大家對此存在很多誤解，導致一些負面影響被過分放大。其實，把化肥比作食品大家就好理解。不合理飲食、營養過剩帶來的高血壓、高血脂、高血糖等一系列健康問題是食物攝入方式的問題，不是食物本身的問題。和飲食一樣，化肥施用過量、養分搭配不合理、施用方式粗放等錯誤方式也會產生負面影響，但需要科學分析、正確認識、理性對待。 （一）化肥施用與面源污染的關系。目前水體污染已比較突出，但水體污染物有三大來源：農業面源排放、工業企業及農村和城鎮居民污水排放，以及與化石能源排放有關的大氣干濕沉降。《2014年中國環境狀況公報》顯示，全國廢水中氨氮排放總量為238.5萬噸，其中生活源排放138.1萬噸，農業源排放75.5萬噸，工業源23.2萬噸，集中式排放源為1.7萬噸。可見農業源低于生活源排放。農業面源污染又包括化肥流失、畜禽養殖業和水產養殖引起的氮磷養分流失。據研究，化肥養分流失對農業源氮、磷排放的貢獻分別為11.2%和25.7%，總體而言是較低的。實際上，化肥中滅有被當季作物吸收的磷、鉀元素大部分還會留在土壤中，為下季作物所利用。 （二）化肥施用與大氣污染的關系。大氣污染、尤其是霧霾已經對我們的生活產生了極大影響。一般而言，農業生產中施用的氮肥如尿素、碳銨和磷酸二銨等銨態氮肥等進入土壤后若沒有被作物吸收利用，部分氮素將以氨氣和氮氧化物等活性氮形式排放到大氣中，引起大氣污染。如果采取深施覆土、分次施用、選用合理產品，這些損失是很小的。研究表明，目前氮肥對我國氮氧化物總排放的貢獻約5%。隨著施肥方式的轉變，這一比例還將逐步降低。 （三）化肥施用與土壤質量的關系。近年來我國土壤健康問題引起了廣泛的關注，農戶直觀感覺土壤板結了、污染了，就簡單歸結為化肥的作用。其實土壤板結不是化肥的作用。土壤板結主要是大水漫灌、淹灌、不合理的耕作等造成的。合理使用化肥尤其是與有機肥配施可以改善土壤結構。另外，化肥對土壤重金屬污染的影響很小，化肥中僅磷酸銨會帶入一定量的重金屬，我國磷礦含鎘量很低，按照目前施肥量（50公斤/畝，按平均含鎘量10 mg/kg計），每年帶入的鎘僅為0.5克/畝，而工礦業開采和污水灌溉帶入的鎘數量遠高于肥料。 （四）化肥施用與農產品品質的關系。農產品外觀、營養及內含物成分、儲藏性狀與化肥施用有直接關系。老百姓常說“用了化肥瓜不香了、果不甜了”，是化肥施用不合理的結果。部分果農盲足追求大果和超高產，大量投入氮肥，忽視其他元素配合，導致果實很大、水分很多，而可溶性固形物、糖度反而跟不上，降低了風味。實際上，作物品質與養分吸收比例有關，化肥養分結構、施用方法合理，健康成長的瓜果，果更香、瓜更甜。 三、推動化肥減量增效是農業調結構、轉方式，實現綠色發展的關鍵措施 習近平總書記指出，“要堅定不移加快轉變農業發展方式，盡快轉到數量質量效益并重、注重提高競爭力、注重農業技術創新、注重可持續的集約發展上來，走產出高效、產品安全、資源節約、環境友好的現代農業發展道路”。當前，我國農業生產遇到了價格“天花板”和成本“地板”的雙重擠壓，我們唯有轉變生產方式，降低已經過量的農資成本，才能實現農業提質增效，節本增效。 農業生產中，化肥農藥是主要的物質投入。大體上，小麥、玉米、水稻三大谷物化肥農藥占物質投入的45%。園藝作物就更高了，蘋果生產中肥料和農藥投入占到總物質成本的2/3。而農產品價格上不去主要是因為品質不過硬，化肥是品質的決定性因素。資源環境問題也逐漸成為影響農業生產的剛性制約因素，環境的惡化不僅會直接增加農業生產成本，而治理的成本也會間接加重農業生產成本。因此，化肥對轉變農業生產方式的重要性不言而喻。要立足國情，按照“增產施肥、經濟施肥、環保施肥”的要求，開展化肥使用量零增長行動，推行“精、調、改、替”四字方針，逐步將過量、不合理施肥的面貌改正過來。 精，即是推進精準施肥。根據不同區域土壤條件、作物產量潛力和養分綜合管理要求，合理制定各區域、作物單位面積施肥限量標準。測土配方施肥數十萬個試驗證明，精確施肥可以實現每畝糧食作物減肥5公斤、增產5-8%、增收100元的效果，而果菜茶等經濟作物可以減肥20-90公斤、增產10-20%，增收超過2000元。但由于我國土壤類型多樣、種植制度復雜，農田多達7億多塊，讓每塊地實現精準施肥是一個長期的工作，需要技術、政策、制度的綜合保障。 調，即是調整化肥使用結構。我國農戶過于分散，因此過去一直以通用型的化肥產品為主，這類產品可以滿足基本生產要求，但不是最優的。首先，要優化氮、磷、鉀配比，增強大量元素與中微量元素的配合增效作用，讓土壤作物營養更高效。其次，要針對我國不同土壤條件和作物需要，發展適宜的高效肥料產品，并確保這些產品能用到地里。這就需要肥料工業切合農業需求升級產品、肥料營銷系統貨真價實服務用戶、農業領域深入創新本地化技術。 改，即是改進施肥方式。目前，由于勞動力短缺和農機不足，化肥表施、撒施、“一炮轟”等不合理施肥現象比較普遍。要加快研發推廣適用的施肥設備，推動施肥方式轉變。例如，氮肥表施養分揮發會超過20%，而深施覆土就可以降低到5%以內。設施蔬菜以及部分大田肥料是隨水沖施，可逐步改為水肥一體化、葉面噴施等。施肥方式的改變需要肥料產品、農機、農藝、設施的緊密配合，這是一項系統工程，需要加大力度，長期推動。 替，即是有機肥部分替代化肥。我國養殖業很發達，有機肥中含有的養分大致與化肥提供的氮磷鉀養分一致，但是有機肥中的養分還田率僅40%左右，不僅沒有發揮肥效，而且成為了污染源。目前，大部分糧田、果園不用有機肥，從長期看，不僅影響產量也制約了土壤生產力的提高。通過合理利用有機養分資源，特別是在水果、設施蔬菜、茶葉上用有機肥替代部分化肥，推進有機無機結合，可以在提升耕地基礎地力的同時，實現增產增效、提質增效。 總之，當下在中國全面認識化肥的作用，積極合理的轉變施肥方式，是保證食物供應和可持續發展的大事。既要改變“多施肥多增產”等錯誤觀念和“水大肥勤不用問人”等錯誤方式，也不能走向極端，把化肥妖魔化，從而一刀切的否定化肥。科學理性的認識化肥，正確合理的施用化肥，立足現代農業發展創新化肥產品，才是正確的方向。
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