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科學認識化肥的作用

相關詞條

  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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