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改革开放以来，我国化肥使用量大幅增加，为提高农作物产量、改善农作物品质做出了突出贡献。与此同时，我国还消耗了全球约三分之一的化肥【】。长期大量施用化肥也带来了很多问题。因此，近年来出现了对农业生产中化肥使用表示怀疑或否认的趋势。为此，有必要回顾植物营养的发展历史，反思问题的根源，寻找科学利用养分资源的途径，确保我国农业的可持续发展。
1 植物营养发展史回顾 1.1 有机肥施用历史
人类从事农业生产，懂得施肥，可以追溯到尼罗河流域和美索不达米亚的古埃及和巴比伦时期。人们依靠营养丰富的河流冲积物来补充土壤肥力。积极使用有机肥料为农作物提供养分的最早记录始于古希腊时期[]。此后，这种营养作物的方法延续了数千年，被称为“有机营养”阶段。
我国是世界上施用有机肥最早的国家之一。很难考证有机肥的确切施用时间。大概始于春秋时期，到了战国时期，肥料就已经受到了极大的重视。在长期的农业生产实践中，我国劳动人民积累了丰富的有机肥施用经验和知识，提出的土壤新鲜肥力恒定理论对于当今的农业生产也具有重要的指导意义。中华文明同源，由于长期施用有机肥料，没有出现土壤流失的情况[]。我国传统农业施用有机肥来保持作物产量、提高土壤肥力已引起国外学者的关注。上世纪初，美国农学家金在访问中国、日本、朝鲜考察农业后写下了《农民四千年》。 “这本书高度赞扬了这种传统的土壤施肥方式[]。
长期施用有机肥虽然提高了土壤肥力，但农作物产量较低。先秦时期，北方地区小麦产量为824公斤/hm2，明清时期为1465公斤/hm2。两千多年来，农作物单位面积产量只增加了77.9%，相当于每个世纪单位面积只增加几十公斤[1]，凸显了有机农业的局限性。现代化学理论的迅速发展为文艺复兴后期探索植物营养机制提供了理论基础。欧洲学者相继创造了不同的学说或理论来解释植物营养的机制。
1.2 植物矿质营养理论的提出
18世纪末至19世纪初，腐殖质营养理论在植物营养理论中占据主导地位。该理论认为，腐殖质是土壤中唯一的植物养分，矿物质仅起到间接作用，即加速腐殖质的转化和溶解。 ，将其转化为易于被植物吸收的物质[]。腐殖质营养理论最早由瑞典学者（1709-1785）提出，德国学者泰尔（1752-1828）是该理论的坚定支持者[]。
随后植物矿质营养学说的提出，否定了腐殖质营养学说，标志着植物营养学学科的建立。长期以来人们认为德国学者冯·李比希（1803-1873）是植物矿质营养理论的创始人。他于1840年出版的《化学在农业和生理学中的应用》一书否定了腐殖质营养学说。 ，提出植物矿质营养理论[]。事实上，早在1826年，李比希的同胞卡尔·施普林格（1787-1859）就提出，土壤中的可溶性盐是植物必需的养分，而腐殖质的作用主要是给土壤施肥[]。 1828年，他提到：“当植物生长需要12种养分时，如果缺少其中任何一种，植物就无法生长；如果其中任何一种养分供应不足，植物就不能正常生长。工厂将会受到影响。”这就是我们今天所熟悉的“最低营养素定律”，比李比希早了10多年。
20世纪40年代，一些学者开始注意到斯普林格尔对植物营养理论建立的贡献。 1950年，温特通过相对详细的资料证明了施普林格对植物矿质营养理论和最低营养元素的贡献。法的贡献[]。因此，自20世纪50年代以来，一些德国学者呼吁承认施普林格尔对建立植物营养理论的贡献。德国“农业实验研究协会”率先采取行动，设立了奖项。它以施普林格和李比希（- 奖章）共同命名。遗憾的是，许多文献仍然将植物矿质营养理论的创立归结于李比希一人的贡献，而忽视了斯普林格尔的作用。
为什么后人将植物矿质营养理论的创立归功于李比希，而忽视了斯普林格尔的工作？有学者认为[，]，相对于当时人们的认知水平，施普林格的理论在当时过于超前，而当李比希的《化学在农业和生理学中的应用》发表时，欧美农业生产中的土壤肥力退化问题已引起广泛关注。斯普林格尔提出这一理论时，矿物肥料资源有限，难以大规模进行肥料实验。另外，李比希当时是国际知名的化学家，但他对农业化学的了解有限。书中存在一些有争议或错误的表述或观点，更容易引起人们的关注。回顾这段历史并不是要否认李比希对植物营养发展的贡献，而是作为后人，我们应该知道斯普林格尔对植物营养理论创立的贡献，才能尊重历史。
植物矿质营养理论的提出是植物生理学和现代农业创建的标志之一，极大地促进了农业生产的发展。 1842年，英国的约翰·B·劳斯（John B. Lawes）获得了用硫酸处理磷矿来加工磷肥（通称磷酸钙）的方法的专利。他于 1843 年开始生产这种肥料，从而拉开了化肥工业的序幕。
2 化肥施用及引起的问题
虽然一些国家或地区早在1830年左右就开始施用以硝酸盐矿物（智利硝石）为代表的无机肥料，但世界范围内化肥的生产和施用一般还是以1843年英国劳伦斯生产的过磷酸钙为基础。 ，]。同年，劳伦斯在他位于伦敦以北约40公里的庄园进行了有机化肥施用的田间试验。目的是比较施用化肥和有机肥的效果。他发现施用化肥可以达到与施用有机肥相同的产量。这个实验仍在进行中，被称为洛桑实验站。
1861年，德国建立了世界上第一家生产氯化钾的工厂； 1903年发明电弧法生产硝酸，生产硝酸钙肥料[]。真正改变世界农业面貌的化肥生产和应用是1909年德国化学家发明的氨合成工艺。1913年巴斯夫的博世实现了这一工艺的工业化生产过程，当年合成氨的产量达到800吨。起初，氨合成工艺主要用于生产炸药。二战结束后，氨合成工厂开始转向生产氮肥[]。因此，20世纪中叶以来，发达国家化肥使用量持续增加，农作物产量显着提高。化肥施用是20世纪60、70年代世界绿色革命的重要物质保障之一。
化肥的应用虽然只有170多年的历史，但它对农业生产的发展发挥了不可忽视的重要作用。著名农作物育种家、诺贝尔奖获得者（1994年）在第十五届国际土壤科学大会上提到“二十世纪世界上增加的农作物产量有一半来自化肥的施用”[]。如果立即停止使用化肥，全球农作物产量将减少40%至50%。美国和英国大约有一半的农产品是由于化肥的贡献，热带地区化肥的贡献更大【】。化肥也是我国农业取得世界公认成就的一大功臣。合成氨养活了世界上近一半的人口[]，因此该工艺被认为是二十世纪人类最重要的发明[]。
化肥的大量生产和施用不仅消耗大量的资源，而且由于农作物所利用的养分只占所施肥料中养分的一小部分，相当一部分养分进入了环境。以氮肥为例，氮肥养分只有约17%最终通过农产品（包括粮食、乳制品和肉类）被人们消耗掉，大部分残留在土壤中或进入水体和大气中[] ，给生态环境带来严重后果。巨大的危机，如水体富营养化、温室效应、臭氧层破坏、生物多样性减少等[,,]。
我国化肥的施用从氮肥开始，其次是磷肥、钾肥。 1949年之前，我国农业生产的主要养分投入是有机肥料。此后，化肥用量逐渐增加，有机肥提供的养分比例逐渐下降。 20世纪80年代，化肥的养分供应量超过了有机肥。进入本世纪后，化肥供给的养分比例超过70%[]。许多地区的农田完全依赖化肥养分。我国农业生产已进入化肥养分供应成为主导的时期。 “无机营养”阶段之主。目前，我国化肥施用总量和单位面积施肥量已处于世界最高水平，蔬菜、果树施肥量更高。化肥的过量施用造成了土壤养分失衡、土壤酸化、盐碱化和环境污染等诸多问题[–]。
从全球范围来看，化肥的大量施用显着改变了全球养分的生物地球化学循环过程。到了20世纪70年代，全球氨合成过程产生的氮已经超过了自然生态系统中生物固氮的量，成为氮转化为活性氧的主要来源[]。 2010年，全球合成氨固氮量达到120Tg，是全球陆地生态系统固氮量的两倍[]。全球活性氮的增加不仅影响陆地生态系统，也影响海洋生态系统。例如，进入大气的活性氮会沉入海洋并导致海水酸化。有专家用氮梯流（ Flow）来描述人类活动对全球氮循环影响所引起的一系列问题[]。目前，全球磷通过磷肥和畜禽粪便的施用进入生物圈，也显着改变了全球磷循环。磷进入水体已造成严重的富营养化问题[–]。因此，毫无疑问，化肥的施用等人类生产生活活动会对全球养分循环产生问题。
3 有机农业的兴起及存在的问题
大量施用化肥带来的问题，引发了限制甚至停止农业生产中化肥施用的呼声和做法。其中，有机农业的实践（ ）最具代表性。虽然各个国家和地区对有机农业的定义存在一定差异，但在养分投入方面，都强调不使用化学合成养分，可以施用一些天然矿物肥料。主要依靠轮作、秸秆还田、施用有机肥等方式。 、种植豆科作物和绿肥，为农田提供养分[]。现代有机农业的概念起源于20世纪40年代的英国。英国土壤协会于 1946 年开始认证有机农业生产[]。当时主要关注的是化肥施用对土壤性质的不利影响。到了20世纪60年代和70年代，随着人们对大量施用化肥和农药造成的生态环境问题的关注，有机农业在西方一些发达国家引起了人们的关注。我国于20世纪80年代开始有机农业的研究和实践，近年来发展迅速[]。
自从有机农业理论提出以来，关于其相对于使用化肥的传统农业是否优越的争论就从未停止过。争论主要集中在两种生产方式对农作物产量和环境的影响上。研究表明，有机农业可以达到与传统农业相同的产量水平。然而，大多数研究发现，有机农业条件下的作物产量低于传统农业，且减少的程度与作物类型有关。农作物一般损失20%~40%，蔬菜、果树损失20%~50%[]。瑞士一项为期 21 年的实验结果表明，有机农业的农作物产量比传统农业平均低 20%。加州大学戴维斯分校一项为期九年的定位实验发现，与传统农业相比，有机农业下玉米和小麦的产量显着降低，而番茄产量则没有差异[]。 【】采用综合分析方法比较了世界不同地区有机农业和传统农业系统作物产量的差异，发现有机农业的作物产量比传统农业平均少25%，且减产程度因作物类型、地点等而异。对于较大的变化，减产幅度为 5% 至 34%；雨养地区弱酸性或弱碱性土壤中的豆科作物和多年生牧草减产幅度较小，谷类作物和蔬菜减产幅度较大。有机农业生产条件下，仅靠种植绿肥和轮作难以维持土壤养分平衡，是农作物产量降低的主要原因[]。从养分循环的角度来看，由于农产品收获会带出系统中的大量养分，输入外源养分是提高系统生产力的有效手段。例如，在撒哈拉以南非洲地区，化肥使用量相对较低，仅为8 kg/hm2[]。施用化肥和增加外源养分的投入是该类地区增产的有效手段。
提倡有机农业的主要原因之一是这种生产方式的可持续性及其对生态环境的良好影响。但对于有机农业对生态环境的影响，答案远比想象的复杂。比如，在生物多样性方面，有机农业无疑具有明显的优势；但就养分径流损失和向大气中的温室气体排放而言，很难区分有机农业和传统农业的区别。 “有机农业是未来农业的方向吗？”，如果我们看纯有机农业的定义，情况可能并非如此。因为放眼全球形势，预计到2050年全球粮食需求将翻一番，因此对化肥的需求也会增加【】。在贫困人口较多的非洲地区，化肥施用量还很低，农业生产仍在消耗土壤养分。增加化肥施用量是解决这些国家和地区粮食供应不足的主要手段。然而，有机农业的一些理念，如资源循环利用、环境保护等正在被人们所接受。有机-无机复合农业（有机-无机复合农业），将有机农业与常规农业相结合，被认为是世界农业发展的未来方向。
我国人口多，人均耕地少。保障充足的农产品供应是我国农业生产的重中之重。尽管我国农业过量施用化肥带来的问题日益突出，农业可持续发展面临重大挑战。近年来，要求我国农业发展摆脱对化肥农药过度依赖的呼声日益高涨。但我们也应该清醒地看到，在不施用化肥的情况下，施用有机肥、种植豆科作物等传统方法很难满足农作物的养分需求。因此，我们应该特别谨慎地对待有机农业问题。我国农业发展的方向是将有机农业与常规农业有机结合，协调土壤中有机和无机养分的平衡，以更小的环境成本生产更多的农产品。我国近期的一些研究表明，采用土壤-作物系统综合管理技术可以显着提高产量，同时显着提高氮肥利用率，减少活性氮损失30%，减少温室气体排放11%[–]。
有效利用营养资源的 4 种方法
世界人口仍在增长，预计到2050年将超过90亿，对农产品的需求将是2005年的两倍[]。同时，随着人们生活水平的提高，人均对农产品的需求量也会增加。因此，采取有效措施增加农产品供给仍然是世界各国特别是人口众多的发展中国家面临的巨大挑战。由于全球可利用的耕地资源有限，提高单位面积产量是增加粮食总产量的重要手段，而化肥的施用无疑将继续发挥重要作用。同时，要正视化肥过量、不合理施用带来的问题。
我国农业生产中普遍存在施肥过多的问题，特别是果树、蔬菜等经济作物。虽然对于如何控制或减少我国农业生产中化肥使用量的认识还存在分歧，但共识是我国化肥施用量较高，养分利用效率普遍较低。为此，我国提出了到2020年“化肥零增长”的目标，对农业生产中控制化肥过量施用提出了明确要求。 “十三五”期间，科技部正在实施的“化肥农药施用减量增效综合技术研发”重点研发计划将为改变这一问题提供有力支撑我国当前农业生产中施肥过多的问题。但同时也应该看到，我国幅员辽阔。解决不合理施肥带来的问题，不能简单地采取“减肥”措施。应采取多种措施，除了挖掘作物养分吸收利用潜力、采用“4R”技术、持续开展测土配方施肥等技术研究和推广外，笔者认为以下问题仍需关注。
4.1 作物营养不能仅视为氮、磷、钾等矿质养分的供给。应考虑矿质养分与有机碳之间的平衡与协调。
植物矿质营养理论提出后，以化学为主导的思想长期在植物营养的研究和应用中占据重要和主导地位。植物营养学科在相当长的一段时间内被称为“农业化学”。化学的主导思想，导致很多人在生产实践中只把作物养分的供给仅仅视为氮、磷、钾等矿质养分的供给。生产中大量使用化肥，导致农田生态系统碳、氮、磷等养分时空平衡失衡，损失加大。
国内外大量研究表明，有机与无机结合不仅可以提高作物产量，而且可以肥沃土壤，其理论基础已经被讨论很多[，]。长期定位试验结果表明，有机肥与化肥配施时，氮肥用量减少70%，获得与仅施化肥相似的产量，但土壤有机质含量增加，土壤肥力得到提高[]。我们的研究表明，与施用等量氮肥相比，长期配施有机肥和化肥，氮素利用率更高，损失更低。这不仅与有机肥、化肥处理中土壤理化性质的改善有关；与施氮肥也有关系。与有机肥料或有机材料的配合，增加土壤微生物对养分的保留有关；还与作物生长后期微生物所持养分的释放和氮素供应的协调有关[]。从宏观尺度对世界不同国家的氮素利用效率进行分析发现，农业生态系统中生物固氮比例高的国家或地区的氮素利用效率也较高。因此，应改变施肥做法只考虑氮、磷、钾肥料养分的供给，同时注重农田生态系统中碳、氮、磷、钾等元素的时空平衡。
20世纪中叶以后，欧美发达国家对植物营养的研究重点转向无机营养和化肥，有机质的营养作用也在一定程度上被忽视。土壤和有机肥都含有一定的有机养分或生理活性或刺激物质，对作物生长也有一定的营养和调节作用。以有机养分为例，早在1881年，英国洛桑实验站的测量就发现土壤及其渗流液和雨水中含有一定量的有机氮[]；然而，对其营养作用的研究受到研究方法的限制。有限的证据表明其局限性。 20世纪50年代以来，同位素技术的应用为植物吸收有机养分提供了直接证据[]。因此，有必要进一步探讨有机营养素的调节和营养作用。
4.2 重视土壤、微生物和作物之间的关系在协调作物生长和养分供给中的作用
作物对施肥养分的吸收和利用取决于其与作物、土壤、微生物及其环境条件的相互作用。以氮肥为例，作物对化肥氮的吸收与土壤速效氮的供应密切相关。如果土壤速效氮含量高，作物吸收化肥氮的比例就会相对较低。土壤微生物是有机质转化和营养元素循环的发动机。土壤中各种来源和形态的有机物最终必须经过微生物的分解和矿化过程，才能重新参与土壤生物地球化学循环。化学氮肥施入土壤后，作物根系与微生物竞争氮。在短期内，微生物获胜，导致固氮。微生物的生命周期很短。它们死后会分解并释放出氮，这些氮可以被植物利用，所以植物是最终的赢家[]。因此，微生物对养分的保留和释放在植物养分供应中也起着重要作用[]。过量、不合理的施肥会影响土壤微生物菌群，从而抑制菌根侵染和固氮菌等有益微生物的活性，导致作物病害加重，影响作物养分吸收利用。
可以采用不同的方法来调节和培养土壤微生物区系，包括直接接种有益微生物、使用杀菌剂、轮作、耕作等方法，有针对性地干扰原生土壤微生物的生长，以利于接种微生物的生长。 []。施用有机肥、秸秆还田和作物根系分泌物可为土壤微生物提供有效碳源，是调节土壤微生物区系的有效手段。以根系分泌物为例，有人粗略估计一年生植物生长过程中通过根系分泌物或脱离物进入土壤的有机质量是成熟时根系有机质量的两倍以上[]。利用14C标记实验发现根系分泌物量可占净碳固存量的5%～19%[]。这些根系分泌物或脱落物在调节土壤生物活性方面发挥着重要作用。
20世纪90年代末，随着分子生物学和组学技术的发展，为揭示农田生态系统中土壤、作物、肥料和微生物之间的关系提供了有效手段，使土壤微生物的研究从“黑匣子”变成了“黑匣子”。灰盒”甚至“白盒”[–]。在微生物调控方面，近年来，基础科学重点关注调控根际微生物促进植物生长和维持植物健康，增强有益菌在根际定植，调控根际微生物群落结构，培育高生物肥力和抗病土壤。微生物区系。针对这个问题已经进行了一些研究[]。国外已提出根际工程方法（ ），通过育种方法调控根系分泌物的特性，从而调节根际有益微生物种群的构建，改善植物生长环境[]。近年来，南京农业大学沉启荣教授带领的团队结合我国特有的集约化经营模式，利用外源有益微生物和有机肥，开展高生物肥力、抑病根际土壤微生物区系的构建和调控工作。通过二次固体发酵制成的生物有机肥料的肥料在调节根际菌群并促进植物生长和健康方面取得了出色的成果，证明了该领域的巨大潜力。
4.3最大化养分资源的回收
与农药等化学物质不同，可以回收化肥和有机肥料的营养。我国家的传统农业是一种自给自足的小规模农民经济生产方法，它在很大程度上实现了营养资源的回收利用，并确保了数千年来我国家的农业的可持续发展[]。随着社会的发展，农产品的循环范围不断扩大，因此很难将从农田带回田间的营养成分。特别是在现代农业生产方法下，种植和育种之间的分离问题很突出，很难将有机肥料的营养归还现场的田间。
有机肥料，尤其是牲畜和家禽粪便是重要的营养资源。世界上牲畜和家禽粪的总氮量等效于化肥氮的总量[]。但是，由于营养损失和对农田的回报率较低，实际上适用于农田的数量仅是化肥。 30％的氮[]。我国的牲畜和家禽育种每年产生38亿吨的肥料，相当于1423万吨氮和246万吨的磷。但是，当前的综合利用率少于60％，这不仅导致浪费资源，而且也成为污染的重要来源[ - ]。牲畜和家禽废物的治疗和利用已成为牲畜行业发展的重要障碍。为此，国务院总办公室最近发表了“关于加速牲畜和家禽育种废料的资源利用的意见”，以促进我们国家从牲畜和家禽育种中使用废物的利用。利用材料资源并解决牲畜和家禽育种废物的环境污染控制问题。除了合理地使用牲畜和家禽粪便外，还应注意从稻草以及其他工业和农业有机废物中利用营养物质。
植物营养通常集中在田间尺度上的吸收，利用和损失肥料营养物质，并且在养分离开现场后对营养素的命运和利用没有足够的注意。实际上，离开一个领域的营养物质可以进入另一个领域，并被其他农作物吸收和利用[ - ]。因此，营养资源管理应以营养流和回收的理论为指导，从生物地球化学周期的角度来看营养素的流动，从田间扩展到流域量表，并最大程度地提高农业生态系统中养分的回收利用。 。
4.4全面利用营养管理的技术，经济和政策措施
受精实践是一种人类生产活动，不仅受研究和技术促进的影响，而且还与经济，社会和其他因素有关。很难通过仅使用这些措施之一，有效地指导生产者科学和合理地使用营养。西方发达国家在解决化学肥料施用造成的负面影响方面的实践完全证明了这一点[]。
西方发达国家，尤其是西欧，有一个早期的工业化过程，较长的化肥历史，高度的农业强化以及由过多的营养投入引起的生态环境也出现了早期。因此，在1971年，西欧受精量最高的荷兰领导着制定一项法案，以控制过多的施肥和保护土壤环境[]。自1970年代以来，荷兰使用的氮肥量已不断减少，现在已经下降到1960年代的水平。但是，作物产量增加了一倍，氮肥的使用效率显着提高[]。丹麦是西欧农产品的主要出口商。氮肥在农业生产中的过度施用引起的污染问题非常严重。在过去的30年中，由于使用各种措施来控制农田中的氮输入，氮的盈余已大大减少，而农业和牲畜产物的产量仍在继续增加，氮气使用效率（农业 +动物 +动物 +动物）饲养）增加了近一半。氮浸出损失，氨挥发，氮沉积和一氧化二氮的排放量显着降低。有效的措施之一是使用有机肥料代替化肥，并为氮输入设定上限[]。欧盟为控制水体的过多养分投入提出的政策和法规包括1991年实施的“硝酸盐指令”，2000年实施的“水框架指令”（水）和“海洋战略框架指令”在2008年（）[ - ]，规定将相关营养物质排放到水体和施肥期等期的限制中，并对排放量超出标准的生产者施加经济处罚。由于采用了这些综合措施，自1990年代以来，欧盟国家使用的化肥量逐渐减少[，]。有机肥料的施用面积继续增加。目前，欧盟的有机肥料施用面积占农田地区的55％；在欧美国家，回收到农田的有机肥料氮的比例在75％至90％[]之间。
在我国目前的农业生产中，果树，蔬菜和其他经济作物过度受精的问题相对普遍，并且由于种植和繁殖的分离而引起的农业非点源污染问题是显着的。尽管我国的国家状况与欧洲和美国发达国家的国家条件之间存在一定的差异，但采用的技术，经济学和政策的全面利用是为了控制过度的营养投入和促进养分回收，值得一试。
5 结论
国王是上个世纪初的美国农艺师，曾在我的国家和三个东亚国家，日本和朝鲜的奇迹感叹有机肥料在农业生产中已有数千年了人数，但也施肥了土壤。但是，自1980年代以来，我国的农业使用了大量的化肥。种植和育种的分离使在农业中使用牲畜和家禽粪便很难，这引起了许多生态和环境问题。我们需要反思由大量化肥以及如何解决这些问题引起的问题的根本原因。解决问题的方法和解决方案。毫无疑问，化肥的过多和非理性的应用是问题的根本原因。除了采用现有的技术和措施外，我们还应该改变植物营养含量的视图，仅是氮，磷和钾等无机营养物质的供应，并注意各种元素（例如碳，氮，氮，氮）之间的时空平衡关系，磷和钾；实际上，我们应该避免陷入有机营养和无机营养之间的辩论，重点关注农业生态系统中养分资源的有效回收，并采用不同的方法来实现有机和无机营养的结合。从生物地球化学周期的角度查看营养利用率和管理问题，注意田间，流域和区域尺度中的养分流以及它们对土壤，水和气氛的影响。有效地将技术与政策，法规等相结合，以提高养分利用效率，降低营养损失，并确保我国农业的健康和可持续发展。 |
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发表于 2024-10-14 21:07:40
