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科学认识化肥的作用

2016-12-15 08:54:10 作者:中国农业大学 张福锁 来源: 农业部新闻办公室 浏览次数:89
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  化肥作为粮食的“粮食”,是现代科学技术带给我们的高效营养物质。从欧洲1800年生产硫酸铵开始,经过200多年的发展,化肥已经形成了完整的产、供、销、用体系,完全可以为粮、棉、油、果、菜等农产品提供氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、锰、铜、锌、硼、钼、氯等必需的矿质态元素以及硅等有益元素。化肥施用200多年来,人口连续翻番的同时,营养水平大幅提高,人类文明进步呈现指数级增长,彻底突破了传统农业依赖于地力自然恢复的瓶颈。

  一、化肥是工业革命技术成果和现代农业的物质支撑

  化肥起源于欧洲,是工业革命的产物。1800年英国率先从工业炼焦中回收硫酸铵作为肥料,但直到1908年德国发明了现代合成氨工艺,才实现了化肥充足供应。化肥的施用让欧洲生活水平迅速提高,并成为世界经济中心。鉴于化肥对人类文明的重大贡献,合成氨技术发明者德国Fritz Haber(1918)和Carl Bosch(1931)先后获得诺贝尔化学奖。

  (一)化肥的特性和历史功绩

  化肥来自于自然界,供应效率高。氮肥主要原料来自于大气,其他化肥原料主要是矿产。氮肥生产与生物固氮机理相似,通过高温高压及催化剂,将大气中的惰性N2变成作物可以利用的活性氮(铵盐、硝酸盐)。在一个10公顷土地上建立的合成氨厂每天可以生产3000吨N,一年能够满足千万亩农田维持亩产800~1000斤的产量,比传统生物固氮效率提高约100万倍。化肥让农田从培肥—生产的长周期转变为连续生产的短周期,极大地提高了农田产出效率。

  化肥养分浓度高,劲大,降低了劳动强度。化肥中养分含量一般超过40%,是传统有机肥的10倍以上。尿素含氮46%,满足一亩农田10公斤的氮素供应只需要25公斤左右尿素,一个劳动力徒手用半天就可以完成运输和施用。而传统农业收集、堆沤、运输、施用有机肥需要许多人花费几个月的时间。化肥将农户从繁重的肥料收集、堆沤等劳动中解放了出来,极大地提高了农民的劳动生产效率。

  化肥肥效快,利于作物及时吸收。化肥中的养分主要是无机态的,不需要经过微生物转化分解,施入土壤中后会迅速被作物根系吸收。例如化学氮肥施入土壤后一般3~15天就会完全释放,在植物生长旺盛阶段可以迅速满足作物需要。化肥还可以通过灌溉,甚至可以通过叶面喷施的方式施用,极大地提高了作物的养分吸收效率。

  化肥本身是无害的。化肥中养分含量高、杂质低。例如尿素中含有46%的氮素,氮是作物所需要的营养元素,其余的主要是CO2,施用到土壤中后会再次释放回到大气中,是无害的。此外,还含有1%左右的水和1%左右的缩二脲,缩二脲严格控制到1.5%以下对作物无害,而且会在土壤中分解并被作物和微生物利用。其他的磷肥、钾肥以及中微量元素都是从矿物中提取出来的,基本成分也都是无害的。

  (二)中国化肥来之不易

  目前,中国是全球最大的化肥生产国和消费国。作为一个发展中国家,在满足自己化肥供应的同时,还可以向国外出口,这是非常了不起的事情。化肥工业的壮大,为我国农业和国民经济的持续快速发展提供了坚实基础。

  保障化肥供应是国家基本战略。新中国成立后,化肥作为战略资源重点保障,即使在困难时期,化肥用量的增长也没有停止过。国家采取了一系列措施保障化肥供应,例如奖售政策、无利润统购统销政策、生产补贴、施用补贴等。2013年,补贴金额高达1000亿元以上。针对化肥的特殊政策持续时间之长、范围之广、力度之大是其他任何商品都没有的。

  不惜代价建立化肥工业体系。化肥生产是一个资源高度依赖的工业体系,对于工业基础薄弱的发展中国家异常艰难。在上世纪80年代以前,我国化学工业投资的40%、优质无烟块煤的50%、进口天然气的30%、进口硫资源的60%以上都用于化肥生产。为提高化肥储运能力,国家还为大中型化肥厂修建了专用铁路线、输电线路,铁路和码头仓库等。

  技术创新之路十分艰难。建国初期,进口化肥生产装置和材料都异常困难。秉承“自力更生、自给自足”的原则,我国开始了艰苦的化肥研发生产之路。侯德榜等科学家自上世纪50年代开始,历经8年努力,研发了具有中国特色的化肥技术—“联碱法”制取碳酸氢铵,建成了自主创新的现代化氮肥工业体系。磷肥从过磷酸钙—钙镁磷肥—硝酸磷肥—磷酸铵—复合肥整整摸索了半个世纪,钾肥工业从1956年在青海察尔汗干盐湖找矿开始,直到本世纪初研发成功“反浮选冷结晶”工艺后,才开始大规模生产。

  (三)化肥是吃饱、吃好、吃得健康的重要保障

  上世纪60年代第一次绿色革命是人类发展史上重要的里程碑,通过高产品种、灌溉、机械化和大量施用化肥提高了农产品供给。联合国粮农组织(FAO)统计,上世纪60年代至80年代,发展中国家通过施肥提高粮食作物单产55%~57%,而化肥对于中国来说,意义更加重大。

  中国粮食产量的一半来自化肥。新中国成立前,我国一直采用传统农业生产方式,即利用作物秸秆、人畜粪尿、绿肥等方式培肥地力,粮食产量长期处于较低水平。秦汉至清朝2000余年间,我国每亩小麦和水稻的产量仅从106斤和80斤增长到195斤和291斤。而新中国成立后至今的70余年间,我国小麦平均单产达到700~800斤,高产地区达到1500斤。其中,化肥的施用发挥了关键作用。科学家研究证明,不施化肥和施用化肥的作物单产相差55%~65%。

  化肥显著提高了国人的营养水平。近年来,我国人均蔬菜水果供应量持续增长,在丰富食谱的同时,也提高了居民营养水平。人均动物蛋白供应量从1961年的1.4公斤增长到2014年的15.5公斤。水果和蔬菜增产主要是通过现代化的生产方式(大棚、灌溉、化肥、农药)提高了产出。肉制品、奶制品的增长来自饲料供应的增加,而饲料生产也依赖化肥的施用。化肥极大地丰富了农业生产系统中的养分供应,为生产更多人类所需的蛋白、能量、矿物质提供了基础。

  化肥提高了土壤肥力。耕地质量是粮食安全的基本保障。传统农业中耕地养分含量主要由成土矿物决定,绝大部分土壤出现了不同程度的养分缺乏。例如,我国土壤有效磷含量相对较低,据上世纪80年代开展的二次土壤普查数据,平均含量仅7.4mg/kg(如玉米最适宜的含量不应低于8mg/kg)。通过施用磷肥,近30年来我国土壤有效磷含量上升到23mg/kg。化肥施用还可以增加农作物生物量,提高地表覆盖度,减少水土流失。土壤本身也是一个碳汇,可以储存人类活动产生的温室气体,减轻工业化带来的负面影响。此外,通过施用化肥提高作物单产,为城市建设、交通、工业和商业发展提供了广阔的土地空间。

  二、科学认识化肥利用中的几个问题

  现在,化肥施用带来了一些问题,但大家对此存在很多误解,导致一些负面影响被过分放大。其实,把化肥比作食品大家就好理解。不合理饮食、营养过剩带来的高血压、高血脂、高血糖等一系列健康问题是食物摄入方式的问题,不是食物本身的问题。和饮食一样,化肥施用过量、养分搭配不合理、施用方式粗放等错误方式也会产生负面影响,但需要科学分析、正确认识、理性对待。

  (一)化肥施用与面源污染的关系。目前水体污染已比较突出,但水体污染物有三大来源:农业面源排放、工业企业及农村和城镇居民污水排放,以及与化石能源排放有关的大气干湿沉降。《2014年中国环境状况公报》显示,全国废水中氨氮排放总量为238.5万吨,其中生活源排放138.1万吨,农业源排放75.5万吨,工业源23.2万吨,集中式排放源为1.7万吨。可见农业源低于生活源排放。农业面源污染又包括化肥流失、畜禽养殖业和水产养殖引起的氮磷养分流失。据研究,化肥养分流失对农业源氮、磷排放的贡献分别为11.2%和25.7%,总体而言是较低的。实际上,化肥中灭有被当季作物吸收的磷、钾元素大部分还会留在土壤中,为下季作物所利用。

  (二)化肥施用与大气污染的关系。大气污染、尤其是雾霾已经对我们的生活产生了极大影响。一般而言,农业生产中施用的氮肥如尿素、碳铵和磷酸二铵等铵态氮肥等进入土壤后若没有被作物吸收利用,部分氮素将以氨气和氮氧化物等活性氮形式排放到大气中,引起大气污染。如果采取深施覆土、分次施用、选用合理产品,这些损失是很小的。研究表明,目前氮肥对我国氮氧化物总排放的贡献约5%。随着施肥方式的转变,这一比例还将逐步降低。

  (三)化肥施用与土壤质量的关系。近年来我国土壤健康问题引起了广泛的关注,农户直观感觉土壤板结了、污染了,就简单归结为化肥的作用。其实土壤板结不是化肥的作用。土壤板结主要是大水漫灌、淹灌、不合理的耕作等造成的。合理使用化肥尤其是与有机肥配施可以改善土壤结构。另外,化肥对土壤重金属污染的影响很小,化肥中仅磷酸铵会带入一定量的重金属,我国磷矿含镉量很低,按照目前施肥量(50公斤/亩,按平均含镉量10 mg/kg计),每年带入的镉仅为0.5克/亩,而工矿业开采和污水灌溉带入的镉数量远高于肥料。

  (四)化肥施用与农产品品质的关系。农产品外观、营养及内含物成分、储藏性状与化肥施用有直接关系。老百姓常说“用了化肥瓜不香了、果不甜了”,是化肥施用不合理的结果。部分果农盲足追求大果和超高产,大量投入氮肥,忽视其他元素配合,导致果实很大、水分很多,而可溶性固形物、糖度反而跟不上,降低了风味。实际上,作物品质与养分吸收比例有关,化肥养分结构、施用方法合理,健康成长的瓜果,果更香、瓜更甜。

  三、推动化肥减量增效是农业调结构、转方式,实现绿色发展的关键措施

  习近平总书记指出,“要坚定不移加快转变农业发展方式,尽快转到数量质量效益并重、注重提高竞争力、注重农业技术创新、注重可持续的集约发展上来,走产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的现代农业发展道路”。当前,我国农业生产遇到了价格“天花板”和成本“地板”的双重挤压,我们唯有转变生产方式,降低已经过量的农资成本,才能实现农业提质增效,节本增效。

  农业生产中,化肥农药是主要的物质投入。大体上,小麦、玉米、水稻三大谷物化肥农药占物质投入的45%。园艺作物就更高了,苹果生产中肥料和农药投入占到总物质成本的2/3。而农产品价格上不去主要是因为品质不过硬,化肥是品质的决定性因素。资源环境问题也逐渐成为影响农业生产的刚性制约因素,环境的恶化不仅会直接增加农业生产成本,而治理的成本也会间接加重农业生产成本。因此,化肥对转变农业生产方式的重要性不言而喻。要立足国情,按照“增产施肥、经济施肥、环保施肥”的要求,开展化肥使用量零增长行动,推行“精、调、改、替”四字方针,逐步将过量、不合理施肥的面貌改正过来。

  精,即是推进精准施肥。根据不同区域土壤条件、作物产量潜力和养分综合管理要求,合理制定各区域、作物单位面积施肥限量标准。测土配方施肥数十万个试验证明,精确施肥可以实现每亩粮食作物减肥5公斤、增产5-8%、增收100元的效果,而果菜茶等经济作物可以减肥20-90公斤、增产10-20%,增收超过2000元。但由于我国土壤类型多样、种植制度复杂,农田多达7亿多块,让每块地实现精准施肥是一个长期的工作,需要技术、政策、制度的综合保障。

  调,即是调整化肥使用结构。我国农户过于分散,因此过去一直以通用型的化肥产品为主,这类产品可以满足基本生产要求,但不是最优的。首先,要优化氮、磷、钾配比,增强大量元素与中微量元素的配合增效作用,让土壤作物营养更高效。其次,要针对我国不同土壤条件和作物需要,发展适宜的高效肥料产品,并确保这些产品能用到地里。这就需要肥料工业切合农业需求升级产品、肥料营销系统货真价实服务用户、农业领域深入创新本地化技术。

  改,即是改进施肥方式。目前,由于劳动力短缺和农机不足,化肥表施、撒施、“一炮轰”等不合理施肥现象比较普遍。要加快研发推广适用的施肥设备,推动施肥方式转变。例如,氮肥表施养分挥发会超过20%,而深施覆土就可以降低到5%以内。设施蔬菜以及部分大田肥料是随水冲施,可逐步改为水肥一体化、叶面喷施等。施肥方式的改变需要肥料产品、农机、农艺、设施的紧密配合,这是一项系统工程,需要加大力度,长期推动。

  替,即是有机肥部分替代化肥。我国养殖业很发达,有机肥中含有的养分大致与化肥提供的氮磷钾养分一致,但是有机肥中的养分还田率仅40%左右,不仅没有发挥肥效,而且成为了污染源。目前,大部分粮田、果园不用有机肥,从长期看,不仅影响产量也制约了土壤生产力的提高。通过合理利用有机养分资源,特别是在水果、设施蔬菜、茶叶上用有机肥替代部分化肥,推进有机无机结合,可以在提升耕地基础地力的同时,实现增产增效、提质增效。

  总之,当下在中国全面认识化肥的作用,积极合理的转变施肥方式,是保证食物供应和可持续发展的大事。既要改变“多施肥多增产”等错误观念和“水大肥勤不用问人”等错误方式,也不能走向极端,把化肥妖魔化,从而一刀切的否定化肥。科学理性的认识化肥,正确合理的施用化肥,立足现代农业发展创新化肥产品,才是正确的方向。

(责任编辑:本站编辑)
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