施肥与环境

施肥与环境曹志洪中国科学院南京土壤研究所，南京210008一、前言水、土、气是人类生存不可缺的三大环境条件和资源。人们常说：“没有水便没有生命”，“没有气便没有生命”。人们也常说“万物土中生”，“大地是人类的母亲”。这是因为土壤不仅为生命活动提供了栖息的场所，同时，也提供了生命必需的水分、养分和空气。养分是什么？养分就是指对植物、微生物与病毒等，以及其他可能存在的生命形态必需的C、H、0、N、P、K、S、Ca、Mg、Fe、MnCu、Zn、B、Mo、Cl等16种元素，它们是组成氨基酸、蛋白质、细胞和生命体的最基本的结构单元。虽然植物与微生物、高等生物与低等生物之间对上述养分元素需求的种类和数量会有差异，但如缺少上述必需元素的供应，会导致生命周期的中断，如果某些元素不足，则将使生命活动处于亚健康或不活跃的状态。肥料是直接为植物提供养分的物料。从这个定义出发，肥料只有两大类，即有机肥料和无机肥料。有机肥料是指生命残体，它是在土壤中矿化后释放植物养分的；无机肥料是指经人为加工（粉碎、溶解、浓缩、反应、干燥、造粒等）的矿物质肥料，或从大气中惰性的氮气转化为合成氨及铵态氮肥。有机肥料与无机肥料的本质区别只有一点：即前者是生命本身的残体（含有机碳为特征），而后者是无生命物质（不含有机碳为特征）。合成氨进一步生产为尿素虽然含有机碳，但是人工合成的，故仍可称“矿质”肥料或“无机”肥料，但人和动物排泄的尿素则属于“有机”肥料。目前国内市场上有人（某些外商也投国人所好）把微生物“菌剂”称为“生物肥料”，这显然不是科学的定义。把在实验室内对磷、钾矿物有一点分解作用，而应用到大田时大多数无明显效果的菌剂当作“肥料”来销售，确有害农之嫌。因为迄今还没有证据证明有某种植物能直接吸收微生物作为养分，如果说微生物死后的残体经矿化分解提供养分，那么也只是在“有机肥料”的范畴。有人称21世纪是生物的世纪，于是“生物肥料”借机炒作。可是至今还没有一份令人信服的科学报告来证明“生物肥料”在田间有效。使用固氮菌、根瘤菌等“菌剂”，在适宜条件下是具有肯定效果的，但也不是任何一种有益微生物都可以作为“菌剂”来使用（李阜棣、胡正嘉，1994）。肥料（有机的、无机的）是人们植物性食品（粮食、蔬果、糖油、烟茶等）和动物性食品（鱼、肉、蛋、奶）生产不可缺少的生产资料，也是人们的衣（纤维、棉麻、丝、毛）、住（房屋、家具）、行（交通工具）、用（纸张、办公用品等）、休闲娱乐（草地、花卉、高尔夫球场、林地氧吧）和药（中药材）等的生产资料。虽然有其他的替代产品，随着人们生活质量的提高和改善，对身体健康及环境保护意识的加强，人们更乐于使用以大自然赐与的原料制成的产品，可见，肥料已是人类现代生活所不可缺少的。无机肥料的诞生在世界上也只有150~160年的历史，是科学技术进步的产物。德国农业化学家李比西博士于1840年创立了植物无机营养学说，开始了无机肥料工业的发展。此前，人类几万年的发展史是无意或有意利用有机肥料的历史。人类社会漫长迟缓的发展史证明，只依赖自然界小循环的有机农业在历史发展中作用的局限性。正是依靠了无机肥料工业的突飞猛进，世界农业才能提供和基本满足人类人口膨胀和其他事业需求的粮食。中国在1949年前基本上是依赖有机肥料的状态，只因为我国的化肥工业有长足的进步，才保证了近50年人口翻三翻的粮食需求，以不足世界10%的耕地养活占世界22%的人口，这是一个世界瞩目的成就!目前，渡过了温饱阶段的中国人民正向小康和中等发达国家迈进，无机肥料的巨大作用是一个无可争议的事实（曹志洪，1998）。英国洛桑试验站始于1843年的长期肥料试验证明，使用NPK无机肥料与豆科绿肥的翻压相结合，不仅使小麦的产量不断上升，而且使土壤肥力不断更新提高，保证了土壤的可持续利用。而不施无机肥料，只有豆科绿肥的小区，不仅小麦产量逐渐下降，土壤肥力也急剧蜕化（Bockman等，1990）。但是，过量施用肥料（无论是无机的或有机的），或者偏施某一种肥料；不重视有机肥与无机肥的合理配合使用；或者把有机废弃物、人、畜、禽的排泄物任意堆放而不加以利用，或直接排入水体等，均会导致局部地区严重的生态环境问题，如地下水硝态氮含量超标、水体富营养化、重金属污染以及土壤肥力衰退等（Engelstad，1965；Bockman，1990；曹志洪，1994）。因此，全球的科学家已开展了广泛的研究：如何科学施肥，既能保持土壤的肥力和生产力，满足人类社会对粮食和其他生活用品的数量和品质的要求，又能使生态环境受到良好的保护，实现农业和人类社会的可持续发展。下面就过量施肥导致的对大气、水和土壤环境的危害和相应的对策展开讨论，以便使公众对肥料在粮食和“绿色”食品生产上的作用有正确的认识，对因“过量”、“偏施”带来的副作用和防治措施有基本的了解。二、施肥与大气环境（一）施肥与温室效应和全球变暖太阳光穿过地球外转的大气层时，大部分长波辐射能被大气吸收，而短波辐射则抵达地表加热了土壤。地球表层的近红外线又向大气辐射，使大气的温度进一步升高。能量的传递在大气层与地表之间循环往复，使地球表层的大气层温度维持在15℃左右而适于人类居住。假如地球没有了这一层大气的保护，则也会像月亮或其他星球一样成为“广寒宫”，平均温度可能在零下22℃左右。这如同“日光温室”的玻璃或塑料薄膜，冬季在阳光照射下温室内的温度升高，夜晚也能维持比室外高的温度一样。大气层的这个作用就是所谓的“温室效应”。工业化之前，大气层中对“温室效应”负责的温室气体组分是CO2、CH4、N20和水气，其在大气中的浓度相对稳定，吸收热量和释放能量的平衡，使地球表层大气的温度稳定地维持在15℃左右。因此“温室效应”是客观存在的自然现象，而且是有利于人类生存的。但工业化后的现代社会，越来越多地消耗石油、煤炭、天然气，越来越多的森林被毁坏，使得向大气排放的C02、CH4和氮氧化物急剧增加，而森林吸收的CO2减少，裸露的土地加强了土壤有机质的氧化……，使大气层中温室气体的浓度大大上升。表1是最近400年来大气中温室气体组分浓度的变量化（Bouuman，1990；Houghton，1997）。(表：表1地表温室气体浓度变化以及近50年平均增长率及对全球变暖的贡献率(μl/L))气体种类1600180019501995增长率(%)贡献率(%)CO22802803113610.2~0.550CH40.70.81.151.730.919~25N2O0.280.280.290.320.2~0.34随着大气中温室气体组分的浓度上升，使保持吸收的热容量增加，因而导致全球变盟友。根据预测，2025年比100年前全球气温将上升2℃，而2100年将上升4℃。全球气温的变盟友，导致两极的冰山、积雪融化，海平面上升。例如到2030年，每平面将上升达20cm，不仅影响到工业生产和人们的生活，而且使人类的生存空间也大大缩小，为此引起全世界的密切关注。1997年世界各国签署了“温室气体公约”，以图全球共同努力，减少向大气排放温室气体，保护我们生存的共同家园?地球。表1数据说明了对全球温室变暖的主要贡献来自于C02和CH4两种温室气体组分。氮氧化物（N20）的贡献仅为4%，而且数量增加也不明显。作者将在后面文章中讨论N20对于臭氧的形成和对臭氧层破坏而引发的另一个环境与健康问题。1.二氧化碳（C02）。二氧化碳对全球气候变暖的贡献率达50%左右，其浓度的增加主要是人类的工业生产所至。例如，1990年全球排放的CO2为2800Mt/年（即28亿t），其中79%是燃烧石化燃料引起的（达22亿t），另外，因森林被毁、土壤有机质氧化增加所产生的排放量有1.8亿t，占6%（Lagreid等，1999）。与农业和施肥有关的C02的排放，有肥料生产过程中石化燃料的消耗，肥料的运输和机械施肥对石油的燃烧；秸秆等农业废弃物的焚烧；堆肥发酵过程CO2的释放；土壤耕作增加的有机质的氧化等等。当然，有机肥的使用、秸秆还田等都会增加土壤C02的排放。如徐琪等（1998）指出，稻麦两熟的稻田生态系统中土壤排放的C02量不施肥的为4.4t/hm2，施肥的为4.8~7.1t/hm2。其中施粪肥的最高，粪肥+无机肥的其次，秸秆+无机肥的第三，而只施无机肥的最低。大气中CO2浓度的增加，被海洋吸收占37%，只有约57%留在大气层。大气CO2浓度增加使植物光合作用功能强化，因而导致森林、农作物对C02的同化量也增加达13%。但排放还是大于吸收，故全球C02的浓度还属净增加。到2050年全球大气中CO2的浓度将高达440~660μl/L（Lagreid等，1999）。因此，减少CO2的排放仍是全球共同的努力目标。从农业的施肥及土壤管理角度看，任何增加农作物产量的措施都将意味着增加C02的固定。例如每增产1t玉米，将可多固定1.28tCO2（鲁如坤，1998）。又如徐琪等的研究指出，在稻麦两熟制的条件下，每年固定的碳量：不施肥时为8.7t/hm2，施肥后增加到15.6~16.6t/hm2，提高24%，而且是只施无机肥的增加最多，施有机肥的增加最少（徐琪等，1998）。使用氮肥促进森林的生长，也能增加森林对C02的吸收，有利于大气中C02浓度的下降。包括中国在内的北半球的大多数林木，都是因为氮肥供应不足而生长不良。调节森林土壤的N/C和N/S比值，以及退耕还林等措施，都将有利于降低大气中C02浓度，还能缓解土壤的酸度（Lagreid等，1999）。2.甲炕（CH4）。甲炕对全球气候变暖的贡献率达20%~25%，其近年来的增长率是所有温室气体中最高的（每年达0.9%）。但是甲烷在空气中的存在时间较短，一般只有12年（Houghton，1997），所以，其浓度变化敏感且快速，比C02快7.5倍（Lagreid等，1999）。自然界排放甲烷的源主要是湿地、滩涂，每年为1.5亿t（150Mt/年），而人为活动导致的甲烷的排放量则每年达3.3亿t（330Mt/年），其中农业生产中反刍动物导致的排放及畜禽排泄物堆放过程中的排放，稻田土壤的排放及热带草原和秸秆的焚烧过程中的排放达1.9亿t（190Mt/年）（Ladreid等，1999）。土壤甲烷的排放主要受土壤通气状况，即氧化还原电位控制。因为甲烷是在强还原条件下产甲烷细菌作用于土壤有机质而产生的。因此，在稻田施用有机肥既增加了碳源，又强化了土壤还原条件，使之有利于增加甲烷的排放。全球稻田甲烷的排放量为31.48Mt/年，即每年0.3亿t左右，占全球人为活动导致甲烷排放总量的10%左右，其中因使用有机肥而排放的占稻田排放量的45%（Ladred等，1999）。孟加拉国农业中甲烷的排放总量为970.OGg/年，其中畜牧业（包括其排泄物）的甲烷排放量为526Gg/年，占54%。孟加拉国共种植灌溉水稻为674万hm2，因为气候炎热，又为节水而采取间歇灌水，因而稻田排放甲烷的通量要高于中国，达到0.20~0.234（m2?年）。灌溉稻田甲烷排放总量为439Gg/年（257~622Gg/年），占该国甲烷排放总量的44%；而因焚烧秸秆和堆肥导致的甲烷排放仅为5.OGg/年，占该国总排放量2%左右。[Sultana，Anwar，1997]。根据2001年南京召开的全球稻田甲烷排放会议报告认为，稻田甲烷排放在全球甲烷排放中不占重要地位，对气候变暖的贡献不大。施用氮肥特别是含有N03-和SO42-的氮肥（如硫酸铵及硝态氮肥），施用普通过磷酸钙及硝酸磷肥等磷肥，都能显著抑制甲烷细菌的活动，因为N03-和S042-均可提高或维持土壤的氧化还原电位，而且其还原产物如H2S、N20、NO等对甲烷细菌有毒害作用，使甲烷的产出下降。国内外的许多试验都已证明了这一点（表2）。(表：表2氮肥品种对甲烷(CH4)排放的影响(蔡祖聪,1995))处理CH4平均通量[mg/(m2?h)]相对量(%)不施氮肥3.31100硫酸铵(N,100kg/hm2)1.9158硫酸铵(N,300kg/hm2)1.3440尿素(N,100kg/hm2)3.0793尿素(N,300kg/h