改革開放40年來，我國糧食總產量翻了一番，從1978年的3億噸提高至2013年的6億噸。此後，全國糧食產量已經連續多年穩定在6億噸以上。人均佔有糧食從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」轉變。土壤學家、肥料專家，包括農業部，都言之確鑿地證實化肥對作物增產發揮了重要作用。但近幾年來，卻出現了化肥造成土壤板結、酸化、汙染等抹黑化肥的不少言論，部分有機農業追捧者散布「中國農業有機肥必將完全替代化肥」的言論，引導公眾牴觸化學肥料。
筆者作為77級北京農業大學土壤與農業化學專業的本科生，上大學前參加過農業生產勞動，畢業後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驗，科普化肥的作用，為化肥正名。
一、化肥對作物增產起到了重要貢獻，高產作物需要施用化肥才能實現高產
化肥是工業革命的產物，是現代科學技術帶給我們的作物生長所需的高效營養物質。化肥的施用，打開了從作物生物圈之外獲取養分的又一個通道，徹底突破了傳統農業依賴於地力自然恢復或僅僅依靠有機肥對作物產量提高的瓶頸，作物營養問題得到解決，作物產量迅速提高，解決了溫飽後的人口快速增長。化肥的施用，對近200年的人類文明發展作出了重大貢獻。
1800年英國率先從工業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年生產硫酸銨開始，經過200多年的發展，化肥已經完全可以為糧食蔬菜水果等各種農產品提供氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵、錳、銅、鋅、硼、鉬、氯等必需的高效營養元素。
植物生長所需要的養分來自於礦物質而非有機物，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科學奠基人李比希（J.V.Libig）通過大量實驗，提出了植物礦質營養學說，認為腐殖質（有機質）是在地球上有了植物以後才出現的，而不是植物出現以前，因此植物的原始養分只能是礦物質。在李比希之後，許多科學家的實驗使植物礦質營養學說獲得了進一步的證實和發展。法國農業科學家布森高(J.V.D.Biussingault）於1843年建立第一個農業試驗站，發現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、氮營養學說。確定了植物生長必須的17種元素，探索出這些養分的來源與及植物吸收利用的數量、主要形態和途徑，告訴世人，植物從土壤中吸收礦質養分和水分，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）發明了合成氨技術和工藝，實現了氮肥的充足供應。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製成氨。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。化肥提供的都是無機速效養分，不需要經過微生物轉化分解，施入土壤中後可直接被作物根系吸收，讓農田土壤養分虧損迅速得到補充，作物連續高產得以實現，極大地提高了作物產量。
在沒有化肥的時代，人們把作物生產的有機廢棄物（秸稈）和人畜生活排洩物堆漚成有機肥施用於農田，在土壤微生物的作用下，有機物中含有的氮磷鉀等養分被分解釋放出來，供作物根系吸收，可以維持一定的土壤肥力和產量，但難以大幅提高產量，作物產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後，作物從土壤中取走的養分多，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，就是將開墾後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，就是從農業生態系統之外調入補充作物生產需要的養分之不足，才使得作物產量得到大幅度的提高。施用化肥提高了作物產量，也產生了更多的根莖葉有機廢棄物，可以堆腐生產更多的有機肥，歸還到土壤中，提高了土壤肥力。
筆者2000年在河北省曲周縣採集了79個耕地樣點的耕層土壤，進行了化驗分析，發現這79個樣點的土壤有機質和氮磷鉀含量都比1980年提高了。究其原因，這是改革開放後我國化肥工業迅速發展，滿足了高產所需要的化肥供應，農業生產施用了大量化肥的結果。筆者高中畢業後參加農業生產勞動，年年在生產隊搞「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，那時玉米產量也就是畝產200-250公斤。那時的所謂「有機肥」就是個「黃土搬家」，即從地裡鏟來土，加上一點牲畜吃剩的草渣和牲畜糞便，堆漚以後，再運到地裡去。這樣的「有機肥」有機物料少，為作物提供的養分少，產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「衛生田」，土壤肥力還在下降。
我國歷史上，從秦朝至民國，歷經2000多年，水稻畝單產才從40公斤提高到200公斤，而今全國平均每畝水稻產量在500公斤以上，最高產可達1000公斤，其中化肥的產量貢獻不容質疑。近年聯合國糧農組織（FAO）研究和調查顯示，施用化肥比不施用化肥可提高50%的單產，作物總產中有三分之一來自化肥的貢獻，中國糧食產量的一半來自化肥，這和國內相關學者的研究高度一致。
二、化肥不是導致土壤板結、酸化和汙染的元兇
然而，近三十年來，化肥的過量施用，在高產穩產的同時，也產生了不可否認的副作用，這就是水體富營養化等。由此公眾對化肥產生了負面認識。一些人藉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、酸化和汙染。然而，研讀大量相關科研文獻，沒有發現施用化肥導致土壤板結、酸化和汙染的科學數據支撐。
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採樣時發現，有些秸稈還田的耕層土壤，不但疏鬆，而且已經形成了微團聚體。土壤教科書告訴我們，腐殖質是形成良好土壤團聚體，使土壤疏鬆通氣透水的主要物質。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，增加了土壤腐殖質含量，有利於土壤團聚體的形成，只能疏鬆土壤，不可能造成土壤板結。
中國科學院南京土壤研究所封丘農業生態試驗站長達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，而是變得更疏鬆。
1888年設計的位於美國密蘇裡州的長期定位施肥試驗（SanbornField），已經運行了130年，得到與封丘試驗站類似結果。至於有些耕地的土壤板結，主要是缺少耕翻造成的。由於機會成本的增加，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」，收後直播，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於耕地的溫室大棚土壤卻出現鹽鹼化，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、硝酸銨現在基本都不生產了。我國現在年化肥施用量約1/2~1/3是尿素。尿素呈弱鹼性，溶於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鹼性，pH8.0。由此可見，化肥的施用不是土壤酸化的原因。化肥主要是小分子或各種鹽，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分，同時產生相應的酸。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裡酸是酸性的。
我國農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大循環過程的必然。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，大多數土壤是微鹼性的。但北方平原區耕地，由於排水系統的修建和開採地下水，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，土壤水分運移已經轉變為以雨水（或灌溉水）的下滲淋洗為主，也是脫鹽基的過程，而導致酸化。特別是鹽鹼土水利改良的過程，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乾濕沉降。據不完全估算，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，乾濕沉降保守估計在1億噸以上。我國施用的5000萬噸化肥基本是中性或鹼性的，而這1億噸乾濕沉降是強致酸性物質。由此，把土壤酸化歸罪於化肥顯然是「嫁禍於人」。
至於土壤中的重金屬汙染，有很多原因，主要是地球化學背景值高，第二是來自於工業和汙水灌溉。化肥是無機物，很純淨的，基本不含重金屬。土壤植物營養學家張福鎖院士指出，化肥對土壤重金屬汙染的影響很小，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。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農業依賴於地力自然恢復或僅僅依靠有機肥對作物產量提高的瓶頸。化肥提高了作物產量，也提供了可轉換為腐殖質的大量作物根莖葉，提高了土壤腐殖質含量，有利於土壤團聚體形成，疏鬆土壤。現代化肥大多數是中性或微鹼性肥料，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大循環的必然。而大氣酸沉降加速了土壤酸化。化肥是純淨的，很少含有重金屬，土壤重金屬主要來自於土壤中的地質風化過程的原生礦物，外來重金屬主要是工業和灌溉汙水帶來的。
當然，如果過量施用化肥，多餘的養分進入水體使得水體富營養化，會造成水體汙染。因此，國家出臺了減肥增效政策，也就是在確保穩產或增產的前提下，採用綜合的技術措施，比如平衡施肥、精準施肥，來降低化肥用量，減少對水體的汙染，也提高養分利用率，避免浪費資源。
（作者系中國農業大學土地科學與技術學院教授）
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