改革開放以來，我國化肥用量顯著增加，在提高作物產(chǎn)量、改善作物品質(zhì)等方面做出了突出的貢獻(xiàn)，與此同時(shí)，我國也消費(fèi)了世界約三分之一的化肥。長期大量施用化肥也帶來了諸多問題，因此，近年來出現(xiàn)了懷疑或否定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用化肥的思潮。為此，有必要回顧植物營養(yǎng)學(xué)科的發(fā)展歷史，反思出現(xiàn)問題的根源，找出保證我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的養(yǎng)分資源利用的科學(xué)途徑。
1、植物營養(yǎng)發(fā)展歷史回顧
1.1 有機(jī)肥的施用歷史
人類從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)并知道施用肥料，最早可以追溯到尼羅河及兩河流域的古埃及和古巴比倫時(shí)期，人們靠富含養(yǎng)分的河流沖積物補(bǔ)充地力。主動(dòng)使用有機(jī)肥為作物供應(yīng)養(yǎng)分最早的記錄，始于古希臘時(shí)期，之后，這一營養(yǎng)作物的方式持續(xù)了數(shù)千年，被稱之為“有機(jī)營養(yǎng)”階段。
我國是世界上施用有機(jī)肥較早的國家之一。具體何時(shí)開始施用有機(jī)肥，已難以考證，大約始于春秋時(shí)代，到戰(zhàn)國時(shí)期，肥料已經(jīng)很受重視。在長期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，我國勞動(dòng)人民積累了豐富的施用有機(jī)肥的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，提出的地力常新論等對(duì)今天的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也具有重要的指導(dǎo)意義。中華文明一脈相承，由于長期施用有機(jī)肥未出現(xiàn)地力衰竭。我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)施用有機(jī)肥維持作物產(chǎn)量、培肥地力的做法受到了國外學(xué)者的關(guān)注，上個(gè)世紀(jì)初美國農(nóng)學(xué)家金氏 (King) 來中國、日本和朝鮮考察農(nóng)業(yè)后寫的《四千年農(nóng)夫》一本書，極力贊揚(yáng)這一傳統(tǒng)的培肥地力的方式。
長期施用有機(jī)肥雖然培肥了地力，但作物產(chǎn)量水平低。先秦時(shí)北方地區(qū)麥類產(chǎn)量為824 kg/hm2，明清時(shí)為1465 kg/hm2，近兩千年間作物單產(chǎn)僅增加了77.9%，相當(dāng)于每經(jīng)歷一個(gè)世紀(jì)，麥類單產(chǎn)僅增加幾十公斤，凸顯了有機(jī)農(nóng)業(yè)的局限性。近代化學(xué)理論的飛速發(fā)展，為文藝復(fù)興后期探索植物營養(yǎng)的機(jī)理提供了理論基礎(chǔ)，歐洲學(xué)者先后創(chuàng)立了不同學(xué)說或理論解釋植物營養(yǎng)的機(jī)理。
1.2 植物礦質(zhì)營養(yǎng)理論的提出
十八世紀(jì)末至十九世紀(jì)初，腐殖質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說占據(jù)植物營養(yǎng)理論的主導(dǎo)地位，這一理論認(rèn)為，腐殖質(zhì)是土壤中唯一的植物營養(yǎng)物質(zhì)，而礦物質(zhì)僅起間接作用，即加速腐殖質(zhì)的轉(zhuǎn)化與溶解，使其變成易被植物吸收的物質(zhì)。腐殖質(zhì)營養(yǎng)理論由瑞典學(xué)者Wallerius (1709～1785) 最先提出，德國學(xué)者泰伊爾(Thaer，1752～1828) 為這一理論堅(jiān)定的支持者。
隨后植物礦質(zhì)營養(yǎng)理論的提出，否定了腐殖質(zhì)營養(yǎng)理論，標(biāo)志著植物營養(yǎng)學(xué)科的創(chuàng)立。長期以來人們一直認(rèn)為，德國學(xué)者李比希 (Justus von Liebig)(1803～1873) 是植物礦質(zhì)營養(yǎng)理論的創(chuàng)立人，他在1840 年出版的《化學(xué)在農(nóng)業(yè)及生理學(xué)上的應(yīng)用》一書，否定了腐殖質(zhì)營養(yǎng)理論，提出了植物礦質(zhì)營養(yǎng)理論。實(shí)際上早在1826，李比希的同胞斯普林格爾(Carl Sprengel)(1787～1859) 就提出，土壤中的可溶性鹽是植物必需的營養(yǎng)物質(zhì)，腐殖質(zhì)的作用主要是培肥地力。1828 年，他提到：“當(dāng)植物生長需要12 種營養(yǎng)物質(zhì)，缺乏其中的任何一種養(yǎng)分，植物將不能生長；其中的任何一種養(yǎng)分供應(yīng)不足，將會(huì)影響植物的正常生長”，這就是我們今天熟知的“最小養(yǎng)分律”，較李比希也早了10 多年。
二十世紀(jì)四十年代，一些學(xué)者開始注意到斯普林格爾在植物營養(yǎng)理論創(chuàng)立過程中的貢獻(xiàn)，1950 年Wendt 通過較為詳實(shí)的資料證明了斯普林格爾對(duì)植物礦質(zhì)營養(yǎng)理論及最小養(yǎng)分律的貢獻(xiàn)。因此，自二十世紀(jì)五十年代起，德國一些學(xué)者呼吁，應(yīng)肯定斯普林格爾對(duì)植物營養(yǎng)理論建立做出的貢獻(xiàn)，德國“農(nóng)業(yè)試驗(yàn)與研究協(xié)會(huì)”最早付諸行動(dòng)，設(shè)立的一個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)就以斯普林格爾與李比希的名字共同命名(Sprengel-Liebig Medal)。遺憾的是，不少文獻(xiàn)至今仍將植物礦質(zhì)營養(yǎng)理論的創(chuàng)立歸功于李比希一個(gè)人的貢獻(xiàn)，而忽視了斯普林格爾的作用。
為何后人將植物礦質(zhì)營養(yǎng)理論的創(chuàng)立歸為李比希，而忽視了斯普林格爾的工作？一些學(xué)者認(rèn)為，相對(duì)于當(dāng)時(shí)人們的認(rèn)知水平，斯普林格爾的理論當(dāng)時(shí)過于超前，而李比希《化學(xué)在農(nóng)業(yè)及生理學(xué)上的應(yīng)用》一書出版時(shí)，歐美農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤肥力退化問題引起人們的普遍關(guān)注。斯普林格爾提出這一理論時(shí)，礦質(zhì)肥料的資源有限，難以大規(guī)模進(jìn)行肥料試驗(yàn)。還有，李比希當(dāng)時(shí)是國際知名的化學(xué)家，但對(duì)農(nóng)業(yè)化學(xué)知識(shí)的了解有限，書中存在一些有爭論或錯(cuò)誤的提法或觀點(diǎn)，更易引起人們的關(guān)注。回顧這段歷史，并不是否定李比希對(duì)植物營養(yǎng)學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)，只是作為后人，我們應(yīng)該知道斯普林格爾對(duì)植物營養(yǎng)理論創(chuàng)立的貢獻(xiàn)，以尊重歷史。
植物礦質(zhì)營養(yǎng)理論的提出，是植物生理學(xué)及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)立的標(biāo)志之一，顯著促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。1842 年，英國的勞倫斯 (John B. Lawes) 獲得了用硫酸處理磷礦石加工磷肥 (普通過磷酸鈣) 方法的專利，1843 年開始生產(chǎn)這種肥料，從此拉開了化學(xué)肥料工業(yè)的序幕。
2、化學(xué)肥料的施用及帶來的問題
雖然早在1830 年左右，一些國家或地區(qū)開始施用以硝酸鹽礦物為代表的無機(jī)肥料 (智利硝石)，但關(guān)于世界上化肥的生產(chǎn)與施用，一般以1843 年英國勞倫斯生產(chǎn)的過磷酸鈣算起。同一年勞倫斯在自己位于倫敦北部約40 公里的莊園進(jìn)行了有機(jī)肥及化肥施用的田間試驗(yàn)，旨在比較施用化肥與有機(jī)肥的效果，發(fā)現(xiàn)施用化肥可以達(dá)到與有機(jī)肥相同的產(chǎn)量，這一試驗(yàn)?zāi)壳斑€在進(jìn)行，這就是著名的洛桑試驗(yàn)站。
1861 年德國建立了世界上第一座生產(chǎn)氯化鉀的工廠；1903 年發(fā)明了采用電弧法生產(chǎn)硝酸，生產(chǎn)出了硝酸鈣肥料。而化肥生產(chǎn)與施用真正改變世界農(nóng)業(yè)面貌的當(dāng)屬1909 年德國化學(xué)家Harber 發(fā)明的合成氨工藝，1913 年巴斯夫公司的Bosch 實(shí)現(xiàn)了這一工藝的工業(yè)化生產(chǎn)過程，當(dāng)年合成氨產(chǎn)量就達(dá)800 噸。當(dāng)初合成氨工藝主要用于炸藥的生產(chǎn)，第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，合成氨的工廠開始轉(zhuǎn)向氮肥的生產(chǎn)。因此，二十世紀(jì)中期后發(fā)達(dá)國家化肥施用量不斷增加，顯著地提高了作物產(chǎn)量。化肥施用是二十世紀(jì)六、七十年代世界綠色革命的重要物質(zhì)保障之一。
化學(xué)肥料的施用雖僅有170 多年的歷史，但其對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展起到了不可忽視的作用。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者著名作物育種學(xué)家Borlaug 等 (1994) 在第十五屆國際土壤學(xué)大會(huì)上曾提到“二十世紀(jì)全世界所增加的作物產(chǎn)量中的一半是來自化肥的施用”。若立即停止施用化肥，全球農(nóng)作物將會(huì)減產(chǎn)40%～50%。美國及英格蘭農(nóng)產(chǎn)品約有一半是由于化肥的貢獻(xiàn)，熱帶地區(qū)化肥的貢獻(xiàn)更大。化肥也是我國農(nóng)業(yè)取得舉世公認(rèn)成就的主要貢獻(xiàn)者。合成氨養(yǎng)活了世界上近一半的人口，因此，該工藝被認(rèn)為是二十世紀(jì)人類最重要的發(fā)明。
化肥的大量生產(chǎn)與施用不僅消耗了大量的資源，由于被作物利用的養(yǎng)分僅占施用肥料養(yǎng)分比例的一小部分，相當(dāng)比例的養(yǎng)分進(jìn)入了環(huán)境。以氮肥為例，僅有約17% 的氮肥養(yǎng)分通過農(nóng)產(chǎn)品 (包括糧食、奶制品及肉類) 被人們最終消費(fèi)，大部分殘留在土壤中，或進(jìn)入水體及大氣，給生態(tài)環(huán)境帶來巨大的危機(jī)，如水體富營養(yǎng)化、溫室效應(yīng)及臭氧層破壞、生物多樣性降低等。
我國化肥的施用從氮肥開始，之后是磷肥及鉀肥。我國1949 年前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中投入的養(yǎng)分一直以有機(jī)肥為主，之后化肥用量逐漸增加，有機(jī)肥提供的養(yǎng)分比例則逐漸降低。在上世紀(jì)八十年代，化肥供應(yīng)的養(yǎng)分超過了有機(jī)肥，進(jìn)入本世紀(jì)后，化肥養(yǎng)分的供應(yīng)比例超過70%，不少地區(qū)農(nóng)田完全依靠化肥養(yǎng)分，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)入以化肥養(yǎng)分供應(yīng)為主的“無機(jī)營養(yǎng)”階段。目前，我國化肥總施用量和單位面積施用量已經(jīng)處于世界高水平，其中蔬菜、果樹施肥量更高。過量施用化肥帶來了諸多問題，包括土壤養(yǎng)分失衡，土壤酸化、鹽漬化，環(huán)境污染等。
從全球尺度看，大量施用化肥顯著改變了全球養(yǎng)分的生物地球化學(xué)循環(huán)過程。到上個(gè)世紀(jì)七十年代，全球合成氨工藝生產(chǎn)的氮素已超過自然生態(tài)系統(tǒng)下生物固氮的數(shù)量，成為氮?dú)廪D(zhuǎn)化為活性氧的主要來源。2010 年，全球合成氨固定的氮素（N）達(dá)120 Tg，為全球陸地生態(tài)系統(tǒng)自然固氮量的兩倍之多。全球活性氮的增加，不僅影響了陸地生態(tài)系統(tǒng)，而且影響海洋生態(tài)系統(tǒng)，如進(jìn)入大氣的活性氮沉降進(jìn)入海洋后會(huì)導(dǎo)致海水酸化。有專家用氮素階梯流動(dòng) (nitrogen cascade) 來描述人類活動(dòng)對(duì)全球氮素循環(huán)影響所帶來的一系列問題。目前，全球通過施用磷肥及畜禽糞便等方式進(jìn)入生物圈的磷素也顯著改變了全球磷素循環(huán)，磷素進(jìn)入水體引起了嚴(yán)重的富營養(yǎng)化問題。因此，施用化肥以及人類其他生產(chǎn)及生活活動(dòng)對(duì)全球養(yǎng)分循環(huán)影響帶來的問題無容置疑。
3、有機(jī)農(nóng)業(yè)的興起及存在的問題
大量施用化肥帶來的問題使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生了限制甚至停止施用化肥的呼聲及做法，其中以有機(jī)農(nóng)業(yè) (organic farming) 的做法最具代表性。雖然各個(gè)國家及地區(qū)對(duì)有機(jī)農(nóng)業(yè)的定義存在一定的差異，但從養(yǎng)分投入看，都強(qiáng)調(diào)不施用化學(xué)合成的養(yǎng)分，可以施用一些天然的礦物類肥料，主要依靠輪作、秸稈還田、施用有機(jī)肥、種植豆科作物及綠肥等方式為農(nóng)田提供養(yǎng)分。
現(xiàn)代有機(jī)農(nóng)業(yè)的概念于上個(gè)世紀(jì)四十年代起源于英國，從1946 年起英國土壤學(xué)會(huì)就開始了有機(jī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的認(rèn)證工作，當(dāng)時(shí)主要關(guān)注的是化肥施用對(duì)土壤性質(zhì)的不良影響。到上個(gè)世紀(jì)六七十年代，隨著人們對(duì)化肥及農(nóng)藥大量施用帶來生態(tài)環(huán)境問題的擔(dān)憂，有機(jī)農(nóng)業(yè)在西方一些發(fā)達(dá)國家引起了人們的關(guān)注。我國于上個(gè)世紀(jì)八十年代開始了有機(jī)農(nóng)業(yè)的研究與實(shí)踐，近年來的發(fā)展也較為迅速。
自有機(jī)農(nóng)業(yè)理論提出后，其與施用化肥的常規(guī)農(nóng)業(yè)間孰優(yōu)孰劣的爭論就未曾中斷過。爭論主要集中在兩種生產(chǎn)方式對(duì)作物產(chǎn)量、環(huán)境的影響等方面。
有研究表明，有機(jī)農(nóng)業(yè)可以達(dá)到與常規(guī)農(nóng)業(yè)相同的產(chǎn)量水平。但多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)農(nóng)業(yè)條件下作物產(chǎn)量較常規(guī)農(nóng)業(yè)低，降低的幅度與作物類型有關(guān)，農(nóng)作物一般減產(chǎn)20%～40%，蔬菜及果樹減產(chǎn)20%～50%。
在瑞士進(jìn)行的21 年的試驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)農(nóng)業(yè)處理的作物產(chǎn)量較常規(guī)農(nóng)業(yè)平均低20%。美國加州大學(xué)戴維斯分校9 年的定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)農(nóng)業(yè)相比，有機(jī)農(nóng)業(yè)栽培下玉米、小麥產(chǎn)量顯著降低，而番茄產(chǎn)量二者無差異。
Seufert 等采用整合分析的方法比較了全球不同地區(qū)有機(jī)及常規(guī)農(nóng)業(yè)兩種系統(tǒng)下作物產(chǎn)量的差異發(fā)現(xiàn)，有機(jī)農(nóng)業(yè)平均比常規(guī)農(nóng)業(yè)作物產(chǎn)量降低25%，產(chǎn)量降低的幅度隨作物種類、地點(diǎn)等存在較大的變化，減產(chǎn)幅度在5%～34% 之間；雨養(yǎng)地區(qū)的豆科作物及弱酸或弱堿土壤的多年生牧草減產(chǎn)幅度較小，禾谷類作物及蔬菜產(chǎn)量降低幅度大。
有機(jī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下僅采用種植綠肥、輪作等方式，難以維持土壤養(yǎng)分的平衡，這是其導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低的主要原因。從養(yǎng)分循環(huán)角度看，由于收獲農(nóng)產(chǎn)品從系統(tǒng)中攜出了大量的養(yǎng)分，投入外源養(yǎng)分是增加系統(tǒng)生產(chǎn)力的有效手段。如撒哈拉以南的非洲地區(qū)，化肥用量比較低，僅為8 kg/hm2。施用化肥，增加外源養(yǎng)分的投入，是這一類地區(qū)增產(chǎn)的有效手段。
倡導(dǎo)有機(jī)農(nóng)業(yè)的主要原因之一是，這一生產(chǎn)方式的可持續(xù)性及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的良好效應(yīng)。但關(guān)于有機(jī)農(nóng)業(yè)對(duì)生態(tài)環(huán)境等的影響，答案遠(yuǎn)比想象的要復(fù)雜得多。如生物多樣性方面，有機(jī)農(nóng)業(yè)無疑具有明顯的優(yōu)勢(shì)；但在養(yǎng)分徑流損失以及向大氣排放溫室效應(yīng)氣體等方面，很難說出有機(jī)農(nóng)業(yè)與常規(guī)農(nóng)業(yè)二者的差異。
“有機(jī)農(nóng)業(yè)是否是未來農(nóng)業(yè)的方向”，若按純有機(jī)農(nóng)業(yè)的定義看，可能不是如此。因?yàn)榫腿蚯闆r看，預(yù)計(jì)到2050 年，全球?qū)κ澄锏男枰繉⒎虼耍瑢?duì)化肥的需要量還會(huì)增加。在貧困人口眾多的非洲地區(qū)，化肥施用量還很低，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還在消耗土壤養(yǎng)分，增施化肥是解決這些國家及地區(qū)糧食供應(yīng)不足的主要手段。但有機(jī)農(nóng)業(yè)的一些理念，如資源循環(huán)利用、環(huán)境保護(hù)等正在被人們接受。將有機(jī)農(nóng)業(yè)與常規(guī)農(nóng)業(yè)相結(jié)合的有機(jī)–無機(jī)復(fù)合農(nóng)業(yè) (Integrated agriculture) 被認(rèn)為是未來世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。
我國人口眾多，人均耕地少，保證充足農(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的頭等大事。雖然我國農(nóng)業(yè)過量施用化肥帶來的問題日益突出，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨重大挑戰(zhàn)，近幾年對(duì)我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展要擺脫對(duì)化肥、農(nóng)藥的過度依賴的呼聲不斷高漲，但我們應(yīng)該清醒地看到，不施用化肥，僅靠施用有機(jī)肥、種植豆科作物等傳統(tǒng)的方法難以滿足作物對(duì)養(yǎng)分的需求，因此，我們應(yīng)特別審慎地對(duì)待有機(jī)農(nóng)業(yè)問題。
將有機(jī)農(nóng)業(yè)與常規(guī)農(nóng)業(yè)二者有機(jī)地結(jié)合，協(xié)調(diào)土壤有機(jī)、無機(jī)養(yǎng)分平衡，以較小的環(huán)境代價(jià)生產(chǎn)更多的農(nóng)產(chǎn)品是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。我國近來的一些研究表明，采用土壤–作物系統(tǒng)綜合管理技術(shù)，可以在大幅度增產(chǎn)的同時(shí)，大幅提高氮肥效率，減少活性氮損失30%、減少溫室氣體排放11%。
4、養(yǎng)分資源高效利用的途徑
世界人口還在不斷增加，預(yù)計(jì)到2050 年將超過90 億，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的需要量將是2005 年的2 倍。同時(shí)，隨著人們生活水平的提高，農(nóng)產(chǎn)品的人均需要量也會(huì)增加。因此，采取有效措施增加農(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)仍是世界各國特別是人口眾多的發(fā)展中國家面臨的巨大挑戰(zhàn)。由于全球可利用的耕地資源有限，所以增加單位面積產(chǎn)量是增加糧食總產(chǎn)的重要手段，化肥的施用無疑將繼續(xù)發(fā)揮重要的作用。同時(shí)，我們應(yīng)該正視化肥過量及不合理施用帶來的問題。
我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過量施肥問題較為普遍，尤其以果樹、蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物更為突出。雖然對(duì)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中如何控制或減少化肥用量的認(rèn)識(shí)尚存在差異，但我國肥料施用量高，養(yǎng)分利用率普遍偏低是一個(gè)共識(shí)。為此，我國提出了到2020 年“化肥零增長”的目標(biāo)，對(duì)控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥過量施用問題提出了明確的要求。“十三五”期間科技部正在實(shí)施的“化學(xué)肥料和農(nóng)藥減施增效綜合技術(shù)研發(fā)”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，將對(duì)改變我國目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過量施肥問題提供有力的支持。
但同時(shí)應(yīng)看到，我國幅員遼闊，解決不合理施肥帶來的問題不能簡單地采取“減肥”的措施，應(yīng)通過多種措施，除挖掘作物對(duì)養(yǎng)分吸收利用潛力、采用“4R”技術(shù)、繼續(xù)開展測(cè)土配方施肥等技術(shù)研究與推廣外，筆者認(rèn)為尚需注意以下問題。
4.1 不能將作物營養(yǎng)僅僅看作是氮、磷、鉀等礦質(zhì)養(yǎng)分的供應(yīng)，應(yīng)考慮礦質(zhì)養(yǎng)分與有機(jī)碳間的平衡協(xié)調(diào)
植物礦質(zhì)營養(yǎng)理論提出后，長期以來，以化學(xué)為主導(dǎo)的思想在植物營養(yǎng)研究與應(yīng)用中占有重要的主導(dǎo)地位；植物營養(yǎng)學(xué)科相當(dāng)一段時(shí)間被稱為“農(nóng)業(yè)化學(xué)”。以化學(xué)為主導(dǎo)思想導(dǎo)致生產(chǎn)實(shí)踐中不少人將作物養(yǎng)分供應(yīng)問題僅僅看作是氮、磷、鉀等礦質(zhì)養(yǎng)分的供應(yīng)問題。生產(chǎn)中大量施用化肥，導(dǎo)致農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳、氮、磷等養(yǎng)分的時(shí)空平衡失調(diào)，損失量增加。
國內(nèi)外大量研究表明，有機(jī)與無機(jī)配合不僅提高了作物產(chǎn)量，還培肥了地力，其理論基礎(chǔ)已有不少論述。長期定位試驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)肥與化肥配施處理，氮肥用量減少了70%，獲得了與僅施化肥處理相近的產(chǎn)量，但提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善了土壤肥力。
我們的研究表明，與施用相同量的氮肥相比，長期有機(jī)肥與化肥配施處理氮肥利用率高、損失量低，這不僅與有機(jī)肥配施化肥處理改善了土壤理化性質(zhì)有關(guān)；也與氮肥與有機(jī)肥或有機(jī)物料配合，增加土壤微生物對(duì)養(yǎng)分的固持有關(guān)；還與作物生長后期微生物固持養(yǎng)分的釋放和協(xié)調(diào)氮素供應(yīng)有關(guān)。從宏觀尺度對(duì)全球不同國家氮素利用效率的分析發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生物固氮比例高的國家或地區(qū)，其氮素利用效率也高。因此，應(yīng)該改變施肥實(shí)踐中僅考慮氮、磷及鉀化肥養(yǎng)分的供應(yīng)問題，同時(shí)重視農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳、氮、磷、鉀等元素間的時(shí)空平衡。
20 世紀(jì)中期后歐美發(fā)達(dá)國家植物營養(yǎng)的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向無機(jī)營養(yǎng)及化肥方面，也在一定程度上忽視了有機(jī)物質(zhì)的營養(yǎng)作用。不論土壤還是有機(jī)肥，均含有一定的有機(jī)態(tài)養(yǎng)分或生理活性或刺激類物質(zhì)，其對(duì)作物生長也具有一定的營養(yǎng)及調(diào)控作用。以有機(jī)態(tài)養(yǎng)分為例，早在1881 年英國洛桑實(shí)驗(yàn)站的測(cè)定就發(fā)現(xiàn)，土壤及其滲漏液、雨水中含有一定數(shù)量的有機(jī)態(tài)氮；但對(duì)其營養(yǎng)作用的研究由于受研究手段限制證據(jù)有限。上個(gè)世紀(jì)五十年代起，同位素技術(shù)的應(yīng)用，為植物吸收有機(jī)養(yǎng)分提供了直接的證據(jù)。因此，有必要進(jìn)一步挖掘有機(jī)養(yǎng)分的調(diào)控及營養(yǎng)作用。
4.2 重視土壤、微生物、作物間的關(guān)系在協(xié)調(diào)作物生長及養(yǎng)分供應(yīng)中的作用
施用的化肥養(yǎng)分被作物吸收利用取決于其與作物、土壤、微生物及其環(huán)境條件相互作用的結(jié)果。以氮素為例，化肥氮被作物吸收與土壤有效氮的供應(yīng)有密切關(guān)系，土壤有效氮含量高，作物吸收肥料氮比例相對(duì)就低。土壤微生物是有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化與養(yǎng)分元素循環(huán)的引擎，土壤中各種來源和形態(tài)的有機(jī)質(zhì)最終都必須經(jīng)過微生物的分解礦化過程才能重新參與土壤生物地球化學(xué)循環(huán)。化學(xué)氮肥施入土壤后會(huì)發(fā)生作物根系與微生物競爭氮素現(xiàn)象，短期內(nèi)微生物獲勝，導(dǎo)致氮素固定；而微生物生命周期短，其死亡后分解釋放氮素，可為植物利用，所以植物是最終的勝利者。因此，微生物對(duì)養(yǎng)分的固持與釋放在植物養(yǎng)分供應(yīng)方面也具有重要作用。過量和不合理施肥，會(huì)影響土壤微生物區(qū)系，進(jìn)而抑制菌根侵染及固氮菌等有益微生物的活性，導(dǎo)致作物病害加劇，影響作物養(yǎng)分吸收與利用。
可以采用不同方法調(diào)控、培育土壤微生物區(qū)系，包括直接接種有益微生物、使用殺菌劑、作物輪作、耕作等方法有針對(duì)性地干擾土壤原著微生物的生長，以有利于接種微生物的生長。施用有機(jī)肥、秸稈還田以及作物根系分泌物，可以為土壤微生物提供有效的碳源，是調(diào)控土壤微生物區(qū)系的有效手段。以根系分泌物為例，有人粗略估計(jì)，一年生植物生長期間通過根系分泌物或脫落物進(jìn)入土壤有機(jī)物的數(shù)量約為其成熟時(shí)根系有機(jī)物量的兩倍多。采用14C 標(biāo)記試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，根系分泌物的數(shù)量可占其凈固碳量的5%～19%，這些根系分泌物或脫落物在調(diào)節(jié)土壤生物活性方面具有重要作用。
二十世紀(jì)90 年代后期，隨著分子生物學(xué)和組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為揭示農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤、作物、肥料及微生物間的關(guān)系提供了有效手段，使得土壤微生物的研究由“黑箱”變成“灰箱”，甚至“白箱”。
在微生物調(diào)控方面，近年來圍繞調(diào)控根際微生物促進(jìn)植物生長和保持植物健康，增強(qiáng)有益菌根際定殖、調(diào)控根際微生物群落結(jié)構(gòu)、培育高生物肥力及抑病型土壤微生物區(qū)系等基礎(chǔ)科學(xué)問題方面開展了一些研究。國外提出了根際工程法 (rhizosphere engineering)，通過育種的方法，調(diào)控根系分泌物特性，進(jìn)而調(diào)控根際有益微生物種群的構(gòu)建，改善植物生長環(huán)境。
近年來，以南京農(nóng)業(yè)大學(xué)沈其榮教授為首的團(tuán)隊(duì)結(jié)合我國特有的集約化管理模式，開展了構(gòu)建和調(diào)控高生物肥力及抑病型根際土壤微生物區(qū)系工作，利用外源有益微生物與有機(jī)肥通過二次固體發(fā)酵制成的生物有機(jī)肥，在調(diào)控根際微生物區(qū)系、促進(jìn)植物生長和健康的研究方面取得了突出成果，展示了這一領(lǐng)域巨大的潛力。
4.3 最大限度地實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分資源的循環(huán)利用
與農(nóng)藥等化學(xué)品不同，化肥養(yǎng)分和有機(jī)肥養(yǎng)分均可以循環(huán)利用。我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)屬自給自足的小農(nóng)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)方式，在很大程度上實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)分資源的循環(huán)利用，保證了我國農(nóng)業(yè)幾千年來的持續(xù)發(fā)展。而隨著社會(huì)的發(fā)展，農(nóng)產(chǎn)品的流通范圍不斷擴(kuò)大，使得從農(nóng)田帶出的養(yǎng)分難以還田。特別是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式下，種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)分離問題突出，有機(jī)肥養(yǎng)分難以實(shí)現(xiàn)就地還田。
有機(jī)肥特別是畜禽糞便是重要的養(yǎng)分資源，全球畜禽糞便的全氮量與化肥氮的總用量相當(dāng)，但由于養(yǎng)分損失及還田比例低，實(shí)際施用到農(nóng)田的數(shù)量僅為化肥氮的30%。我國畜禽養(yǎng)殖每年產(chǎn)生糞污38 億噸，折合氮1423 萬噸、磷246 萬噸，而目前綜合利用率不足60%，不僅造成資源浪費(fèi)，還成為重要的污染源。養(yǎng)殖業(yè)糞污的處理與利用已成為限制畜牧業(yè)發(fā)展的重要障礙，為此，國務(wù)院辦公廳新近印發(fā)了《關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》，以推動(dòng)我國畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用、破解畜禽養(yǎng)殖廢棄物環(huán)境污染治理難題。除合理利用畜禽糞便外，也應(yīng)同時(shí)重視秸稈及其他工農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物養(yǎng)分的利用。
植物營養(yǎng)學(xué)通常關(guān)注的是肥料養(yǎng)分在田塊尺度的吸收利用及損失，對(duì)養(yǎng)分離開田塊后的去向及利用關(guān)注不夠。實(shí)際上離開一個(gè)田塊的養(yǎng)分，可以進(jìn)入另一田塊而被其他作物吸收利用。因此，養(yǎng)分資源管理應(yīng)以養(yǎng)分流向及循環(huán)利用理論為指導(dǎo)，從生物地球化學(xué)循環(huán)的角度看待養(yǎng)分的流向，實(shí)現(xiàn)從田塊向流域尺度的拓展，最大限度地實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)利用。
4.4 綜合利用技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與政策等措施進(jìn)行養(yǎng)分管理
施肥實(shí)踐是一項(xiàng)人類生產(chǎn)活動(dòng)，不僅受研究及技術(shù)推廣的影響，也與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等因素有關(guān)。僅采用其中的一項(xiàng)措施，難以有效引導(dǎo)生產(chǎn)者科學(xué)合理地利用養(yǎng)分。
西方發(fā)達(dá)國家解決化肥施用帶來的負(fù)面影響的實(shí)踐充分證明了這一點(diǎn)。西方發(fā)達(dá)國家特別是西歐地區(qū)工業(yè)化進(jìn)程早，化肥施用歷史長，農(nóng)業(yè)的集約化程度高，養(yǎng)分過量投入帶來的生態(tài)環(huán)境也較早出現(xiàn)。
為此，1971 年西歐施肥量最高的荷蘭率先制定了控制過量施肥、保護(hù)土壤環(huán)境的法案。自上個(gè)世紀(jì)七十年代起，荷蘭氮肥用量不斷降低，目前已降至六十年代的水平，但作物產(chǎn)量卻翻了一番，氮肥利用率顯著增加。丹麥?zhǔn)俏鳉W地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品的主要出口國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中由于過量施用氮肥導(dǎo)致的污染問題相當(dāng)嚴(yán)重。
而在過去的30 年間，由于采用多種措施控制農(nóng)田氮素投入量，氮素盈余量顯著降低，而農(nóng)、畜產(chǎn)品產(chǎn)量不斷增加，氮素利用效率 (農(nóng)業(yè) + 畜牧業(yè)) 增加了近一半，氮素淋溶損失、氨揮發(fā)、氮素沉降及氧化亞氮排放顯著降低，其中的一個(gè)有效措施是采用有機(jī)肥代替化肥，并且設(shè)定氮素投入的上限等。歐盟提出的控制養(yǎng)分過量投入污染水體等的政策與法規(guī)包括1991 實(shí)施的“硝酸鹽指令” (nitrates directive)、2000 年實(shí)施的“水框架指令” (water framework directive) 及2008 年實(shí)施的“海洋戰(zhàn)略框架指令”(marine strategy framework directive)，規(guī)定了向水體排放有關(guān)養(yǎng)分的限度及肥料施用的時(shí)期等，對(duì)超標(biāo)排放的生產(chǎn)者采取經(jīng)濟(jì)處罰。
由于采取了這些綜合措施，使得歐盟國家自上個(gè)世紀(jì)九十年代以來化肥用量逐漸降低。有機(jī)肥施用面積不斷增加，目前，歐盟施用有機(jī)肥的面積占農(nóng)田面積的55%；歐美國家有機(jī)肥氮循環(huán)利用到農(nóng)田的比例在75%～90% 之間。
我國當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中果樹、蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物過量施肥問題較為普遍，種養(yǎng)分離導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)面源污染問題突出。雖然我國國情與歐美發(fā)達(dá)國家存在一定的差異，但其采取的綜合利用技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與政策等措施控制養(yǎng)分過量投入，促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)利用的做法值得我們借鑒。
5、結(jié)語
上個(gè)世紀(jì)初美國的農(nóng)學(xué)家King 曾感嘆我國及日本和朝鮮三個(gè)東亞國家?guī)浊陙淼霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用有機(jī)肥，在養(yǎng)活了大量人口的同時(shí)還培肥了地力的奇跡。但自上個(gè)世紀(jì)八十年代以來，我國農(nóng)業(yè)大量施用化肥，種養(yǎng)分離導(dǎo)致畜禽糞肥難以農(nóng)業(yè)利用，帶來了諸多生態(tài)環(huán)境問題，我們需要反思大量施用化肥帶來的問題的根源以及解決這些問題的途徑與辦法。
無疑，過量及不合理施用化肥是出現(xiàn)問題的根源。除采取已有技術(shù)及措施外，應(yīng)改變將植物營養(yǎng)內(nèi)容僅看作是氮、磷、鉀等無機(jī)養(yǎng)分的供應(yīng)，重視碳、氮、磷及鉀等不同元素間的時(shí)空平衡關(guān)系；實(shí)踐中應(yīng)避免陷入有機(jī)與無機(jī)營養(yǎng)的爭論，以農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分資源高效循環(huán)利用為核心，采取不同方式實(shí)現(xiàn)有機(jī)–無機(jī)營養(yǎng)的結(jié)合。從生物地球化學(xué)循環(huán)角度看待養(yǎng)分利用與管理問題，關(guān)注養(yǎng)分在田塊、流域及區(qū)域尺度的流向及對(duì)土壤、水體、大氣的影響。將技術(shù)與政策、法規(guī)等有效結(jié)合，提高養(yǎng)分利用效率，減少養(yǎng)分損失，保障我國農(nóng)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。
作者單位：西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
中國鄉(xiāng)村發(fā)現(xiàn)網(wǎng)轉(zhuǎn)自：《植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)》2017年06期
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