改革開放40年來，我國糧食總產(chǎn)量翻了一番，從1978年的3億噸提高至2013年的6億噸。此后，全國糧食產(chǎn)量已經(jīng)連續(xù)多年穩(wěn)定在6億噸以上。人均占有糧食從1977年的297.7公斤上升到2017年的444公斤，增加了49%。我國不僅解決了百姓吃飽飯的問題，而且正從“吃飽”向“吃好”轉(zhuǎn)變。土壤學家、肥料專家，包括農(nóng)業(yè)部，都言之確鑿地證實化肥對作物增產(chǎn)發(fā)揮了重要作用。但近幾年來，卻出現(xiàn)了化肥造成土壤板結、酸化、污染等抹黑化肥的不少言論，部分有機農(nóng)業(yè)追捧者散布“中國農(nóng)業(yè)有機肥必將完全替代化肥”的言論，引導公眾抵觸化學肥料。
筆者作為77級北京農(nóng)業(yè)大學土壤與農(nóng)業(yè)化學專業(yè)的本科生，上大學前參加過農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動，畢業(yè)后一直從事土壤和土地的教學科研工作，覺得很有必要利用自己所學的理論知識和經(jīng)驗，科普化肥的作用，為化肥正名。
一、化肥對作物增產(chǎn)起到了重要貢獻，高產(chǎn)作物需要施用化肥才能實現(xiàn)高產(chǎn)
化肥是工業(yè)革命的產(chǎn)物，是現(xiàn)代科學技術帶給我們的作物生長所需的高效營養(yǎng)物質(zhì)。化肥的施用，打開了從作物生物圈之外獲取養(yǎng)分的又一個通道，徹底突破了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)依賴于地力自然恢復或僅僅依靠有機肥對作物產(chǎn)量提高的瓶頸，作物營養(yǎng)問題得到解決，作物產(chǎn)量迅速提高，解決了溫飽后的人口快速增長?；实氖┯茫瑢?00年的人類文明發(fā)展作出了重大貢獻。
1800年英國率先從工業(yè)煉焦中回收硫酸銨作為肥料。硫酸銨主要提供眾所周知的作物營養(yǎng)的“三大元素”即氮磷鉀中需求量最大的氮素。1842年英國用硫酸分解磷礦石生產(chǎn)出過磷酸鈣肥料，1860年德國人從鉀鹽礦中提煉出鉀肥。從歐洲1800年生產(chǎn)硫酸銨開始，經(jīng)過200多年的發(fā)展，化肥已經(jīng)完全可以為糧食蔬菜水果等各種農(nóng)產(chǎn)品提供氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵、錳、銅、鋅、硼、鉬、氯等必需的高效營養(yǎng)元素。
植物生長所需要的養(yǎng)分來自于礦物質(zhì)而非有機物，這早在19世紀40年代就得到了科學證實。1840年，德國著名化學家、國際公認的植物營養(yǎng)科學奠基人李比希（J.V.Libig）通過大量實驗，提出了植物礦質(zhì)營養(yǎng)學說，認為腐殖質(zhì)（有機質(zhì)）是在地球上有了植物以后才出現(xiàn)的，而不是植物出現(xiàn)以前，因此植物的原始養(yǎng)分只能是礦物質(zhì)。在李比希之后，許多科學家的實驗使植物礦質(zhì)營養(yǎng)學說獲得了進一步的證實和發(fā)展。法國農(nóng)業(yè)科學家布森高(J.V.D.Biussingault）于1843年建立第一個農(nóng)業(yè)試驗站，發(fā)現(xiàn)作物中的碳來自空氣中的二氧化碳，而不是土壤中的碳酸鈣，提出了植物碳、氮營養(yǎng)學說。確定了植物生長必須的17種元素，探索出這些養(yǎng)分的來源與及植物吸收利用的數(shù)量、主要形態(tài)和途徑，告訴世人，植物從土壤中吸收礦質(zhì)養(yǎng)分和水分，與空氣和水分中的碳、氫、氧通過光合作用合成碳水化合物。
1908年德國諾貝爾化學獎獲得者Fritz Haber（1918）和Carl Bosch（1931）發(fā)明了合成氨技術和工藝，實現(xiàn)了氮肥的充足供應。化肥的施用讓歐洲生活水平迅速提高，自此，歐洲告別了饑荒。合成氨技術其實就是人工固氮，將大氣中的氮氣通過高溫高壓和催化劑的作用制成氨。磷、鉀肥是從礦物中提取出來的，磷肥原料主要是磷礦石，鉀肥原料主要鉀礦?；侍峁┑亩际菬o機速效養(yǎng)分，不需要經(jīng)過微生物轉(zhuǎn)化分解，施入土壤中后可直接被作物根系吸收，讓農(nóng)田土壤養(yǎng)分虧損迅速得到補充，作物連續(xù)高產(chǎn)得以實現(xiàn)，極大地提高了作物產(chǎn)量。
在沒有化肥的時代，人們把作物生產(chǎn)的有機廢棄物（秸稈）和人畜生活排泄物堆漚成有機肥施用于農(nóng)田，在土壤微生物的作用下，有機物中含有的氮磷鉀等養(yǎng)分被分解釋放出來，供作物根系吸收，可以維持一定的土壤肥力和產(chǎn)量，但難以大幅提高產(chǎn)量，作物產(chǎn)量一直維持在低水平，解決不了人類的溫飽需求。而且，因為草原或森林開墾為耕地后，作物從土壤中取走的養(yǎng)分多，而歸還的少，草原和森林積累的土壤肥力在不斷耗竭，土壤肥力在不斷下降。過去土壤肥料學家常說的土壤肥力下降，就是將開墾后的耕地土壤的肥力與開墾之前的草原或森林土壤的相比。施用化肥，就是從農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)之外調(diào)入補充作物生產(chǎn)需要的養(yǎng)分之不足，才使得作物產(chǎn)量得到大幅度的提高。施用化肥提高了作物產(chǎn)量，也產(chǎn)生了更多的根莖葉有機廢棄物，可以堆腐生產(chǎn)更多的有機肥，歸還到土壤中，提高了土壤肥力。
筆者2000年在河北省曲周縣采集了79個耕地樣點的耕層土壤，進行了化驗分析，發(fā)現(xiàn)這79個樣點的土壤有機質(zhì)和氮磷鉀含量都比1980年提高了。究其原因，這是改革開放后我國化肥工業(yè)迅速發(fā)展，滿足了高產(chǎn)所需要的化肥供應，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施用了大量化肥的結果。筆者高中畢業(yè)后參加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動，年年在生產(chǎn)隊搞“積肥”（有機肥），但那時化肥短缺，僅僅施用一點氮含量低的碳酸氫銨，那時玉米產(chǎn)量也就是畝產(chǎn)200-250公斤。那時的所謂“有機肥”就是個“黃土搬家”，即從地里鏟來土，加上一點牲畜吃剩的草渣和牲畜糞便，堆漚以后，再運到地里去。這樣的“有機肥”有機物料少，為作物提供的養(yǎng)分少，產(chǎn)量只能維持在低水平，土壤肥力也就維持在低水平。而當時還有很多不施肥的“衛(wèi)生田”，土壤肥力還在下降。
我國歷史上，從秦朝至民國，歷經(jīng)2000多年，水稻畝單產(chǎn)才從40公斤提高到200公斤，而今全國平均每畝水稻產(chǎn)量在500公斤以上，最高產(chǎn)可達1000公斤，其中化肥的產(chǎn)量貢獻不容質(zhì)疑。近年聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）研究和調(diào)查顯示，施用化肥比不施用化肥可提高50%的單產(chǎn)，作物總產(chǎn)中有三分之一來自化肥的貢獻，中國糧食產(chǎn)量的一半來自化肥，這和國內(nèi)相關學者的研究高度一致。
二、化肥不是導致土壤板結、酸化和污染的元兇
然而，近三十年來，化肥的過量施用，在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的同時，也產(chǎn)生了不可否認的副作用，這就是水體富營養(yǎng)化等。由此公眾對化肥產(chǎn)生了負面認識。一些人借機擴大化化肥的副作用，甚至妖魔化化肥，如化肥導致土壤板結、酸化和污染。然而，研讀大量相關科研文獻，沒有發(fā)現(xiàn)施用化肥導致土壤板結、酸化和污染的科學數(shù)據(jù)支撐。
2000年和2002年，筆者帶領團隊成員在河北省曲周縣和北京市大興縣進行土壤采樣時發(fā)現(xiàn)，有些秸稈還田的耕層土壤，不但疏松，而且已經(jīng)形成了微團聚體。土壤教科書告訴我們，腐殖質(zhì)是形成良好土壤團聚體，使土壤疏松通氣透水的主要物質(zhì)。化肥的施用，使得作物生物量（根莖葉籽種）大量增加，大量根莖葉通過各種形式歸還到土壤中，增加了土壤腐殖質(zhì)含量，有利于土壤團聚體的形成，只能疏松土壤，不可能造成土壤板結。
中國科學院南京土壤研究所封丘農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站長達30年的定位施肥試驗表明，與不施肥料的處理相比，長期施用化肥使得有機質(zhì)含量顯著提升，土壤容重顯著下降，而土壤酸度沒有顯著變化。也就是說，施用化肥的土壤不是變板結，而是變得更疏松。
1888年設計的位于美國密蘇里州的長期定位施肥試驗（SanbornField），已經(jīng)運行了130年，得到與封丘試驗站類似結果。至于有些耕地的土壤板結，主要是缺少耕翻造成的。由于機會成本的增加，有些地方種田，不再進行世代相傳的耕翻、耙碎、耱細田間耕作，而是種“懶漢田”，收后直播，缺少耕翻的土壤自然會板結。
科研文獻表明，不施化肥的自然土壤如森林土壤的酸化比耕地更顯著，而化肥施用量顯著高于耕地的溫室大棚土壤卻出現(xiàn)鹽堿化，這些均表明化肥不是土壤酸化的直接因子，更不是主導因子。過去的一些酸性肥料，如過磷酸鈣、硫酸銨、硝酸銨現(xiàn)在基本都不生產(chǎn)了。我國現(xiàn)在年化肥施用量約1/2~1/3是尿素。尿素呈弱堿性，溶于水的水溶液呈中性反應。我國施用磷肥的大部分是磷酸二銨，磷酸二銨的水溶液呈弱堿性，pH8.0。由此可見，化肥的施用不是土壤酸化的原因?；手饕切》肿踊蚋鞣N鹽，不會直接導致土壤酸化。所謂生理酸性化肥如氯化鉀，是指植物吸收大量的鉀而交換出氫離子，這會導致土壤變酸，同時植物生長過程中也會分泌有機酸，所以化肥致酸的主要源頭是植物而不是化肥。換句話說，植物生長過程中就必須吸收相應的養(yǎng)分，同時產(chǎn)生相應的酸。如果說施肥導致土壤酸化，恐怕有機肥更容易導致土壤酸化，因為有機肥的主要成分胡敏酸和富里酸是酸性的。
我國農(nóng)田土壤變酸主要是因為鹽基離子的淋失。鹽基離子的淋失是地質(zhì)大循環(huán)過程的必然。在我國南方，降雨量比北方多，鹽基離子的淋溶強度大，所以南方土壤都是酸性的，即使原始的森林，其土壤也是酸性的。鹽基離子的不斷淋失、土壤就會進一步酸化。在北方，大多數(shù)土壤是微堿性的。但北方平原區(qū)耕地，由于排水系統(tǒng)的修建和開采地下水，降低了地下水位，即使是在春季，也很少有土壤水分通過土壤毛細管上升而蒸發(fā)，土壤水分運移已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂晁ɑ蚬喔人┑南聺B淋洗為主，也是脫鹽基的過程，而導致酸化。特別是鹽堿土水利改良的過程，就是淋洗鹽基而使土壤酸化的過程。
其實，導致土壤酸化的主要是大氣干濕沉降。據(jù)不完全估算，每年我國硫氧化物沉降3000多萬噸，氮氧化物沉降約2000萬噸，這兩項加起來就達5000萬噸，干濕沉降保守估計在1億噸以上。我國施用的5000萬噸化肥基本是中性或堿性的，而這1億噸干濕沉降是強致酸性物質(zhì)。由此，把土壤酸化歸罪于化肥顯然是“嫁禍于人”。
至于土壤中的重金屬污染，有很多原因，主要是地球化學背景值高，第二是來自于工業(yè)和污水灌溉?；适菬o機物，很純凈的，基本不含重金屬。土壤植物營養(yǎng)學家張福鎖院士指出，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。
綜上所述，化肥，是科技帶給人類的高效作物營養(yǎng)。在沒有化肥只施用有機肥的年代，始終沒有解決人民的溫飽問題。是化肥徹底突破了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)依賴于地力自然恢復或僅僅依靠有機肥對作物產(chǎn)量提高的瓶頸?；侍岣吡俗魑锂a(chǎn)量，也提供了可轉(zhuǎn)換為腐殖質(zhì)的大量作物根莖葉，提高了土壤腐殖質(zhì)含量，有利于土壤團聚體形成，疏松土壤?，F(xiàn)代化肥大多數(shù)是中性或微堿性肥料，不是土壤酸化的原因，土壤酸化主要是鹽基離子淋洗的結果，而鹽基離子淋失是地質(zhì)大循環(huán)的必然。而大氣酸沉降加速了土壤酸化?；适羌儍舻模苌俸兄亟饘?，土壤重金屬主要來自于土壤中的地質(zhì)風化過程的原生礦物，外來重金屬主要是工業(yè)和灌溉污水帶來的。
當然，如果過量施用化肥，多余的養(yǎng)分進入水體使得水體富營養(yǎng)化，會造成水體污染。因此，國家出臺了減肥增效政策，也就是在確保穩(wěn)產(chǎn)或增產(chǎn)的前提下，采用綜合的技術措施，比如平衡施肥、精準施肥，來降低化肥用量，減少對水體的污染，也提高養(yǎng)分利用率，避免浪費資源。
來源：中國科學報，作者：張鳳榮
