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化肥与生态环境的宏观视角
奚振邦
上海市农业科学院土壤肥料研究所， 上海 201106
植物产品越多，动物生产随之发展：动植物产品日益丰富，必然促进微生物生产相应发达，实现更加丰富的物质和能量循环。图1是三类生物生产关系示意图。
(图：图1 世界上最重要的生物生产依存关系)
由图1可见，通过食物链，将植物生产阶段、动物生产阶段和微生物生产阶段相链接。每个阶段的生物及其生存环境构成每个阶段的生态，即植物生态、动物生态与微生物生态，以及由多样性生物与多样性生存环境构成五彩缤纷的生物世界。而人类则是影响每个阶段、每种生态类型发展的主宰。
三、化肥与生态环境
对于不同类生物间存在的食物链及与其相连的物质、能量循环，特别是农业中粮食生产和畜牧业发展的相互依存关系，我国农民有精辟的论述和比喻，这就是：肥多粮多→粮多猪多→猪多肥多→肥多粮多，并说“养猪不赚钱，回头看看田”。农民十分珍惜有机肥，肥多就能多打粮食，五谷丰登，粮多就可多养畜禽，六畜兴旺，就能多积有机肥，促进农牧业生产再发展，成为一个物质与能量越积越多的“滚雪球”似的良性循环。而不断提高这一循环水平的关键和源头，是如何增加投入于粮食生产的肥料，是在传统有机肥源基础上增加新肥源。化肥正是在这个关键点上找到了用武之地。化肥能不依赖于耕地而直接大量提供作物必须的养分；且在增产粮食上化肥养分与有机肥养分等价。任何作物施用化肥与不施或少施化肥相比，都可获得增产（增加植物性有机物产品）。例如667m水稻，当只使用0.5t猪厩肥时产量为400kg，而若在0.5t猪厩肥基础上增加3Okg氮、磷、钾化肥养分，每667m产量可达到600kg。显然，因施用化肥而每667m多增产了200kg粮食及约200kg秸秆和8Okg根茬。这些多增产的粮食可多养一头猪（猪多了），根茬留在田里，秸秆可作褥草垫料用于养猪，使第二年的猪厩肥可增加约2t（肥多了）。施用这些增加的厩肥，又可促进第二年作物的增产（粮更多）。如果农业生产中年复一年地增施化肥，增加作物产量，就可使农业中物质与能量的循环量越来越大，则可以在人类的控制下，实现农牧业生产的不断发展，实现高水平上的物质循环与平衡。
根据我国在20世纪80年代及其以后的大量田间试验和生产性统计，表明每千克化肥养分（N+P205+K20）平均可增加粮食7.5kg。这与鲁如坤（1998）据FAO大量数据计算的结果基本一致（表1）。
(表：表1 化肥对粮食作物的增产效果 )
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N P2O5 K2O 作物 试验数n 222用量(kg/hm) PI 用量(kg/hm) PI 用量(kg/hm) PI 小麦 9506 水稻 12929 玉米 4121 90~120 63~120 45~124 9.1 60~100 9.4 45~90 11.1 45~90 7 45~85 7.7 30~87 9.9 30~97 5.4 6.3 4.8 注释：注：①引自鲁如坤，1998，土壤-植物营养学，PI系每千克化肥养分的增产量，称生产指 数。 ②鲁如刊据FAO结果
改算。
7.5kg粮食如用作饲料，大体上可增产3kg鸡蛋或淡水鱼，或2kg猪肉，或1.2kg牛肉。从1978年到1993年，我国人均消费的肉、蛋和水产品分别从8.86kg、1.97kg和3.5kg增长到22.6kg（255%）、7.75kg（393%）和7.29kg（208%）。1994年以后增长更快，使中国人的营养和健康水平迅速提高。从1978年到1998年，我国化肥养分的施用量从不足1000万t增加到约4000万t，相应的粮食产量从不足3亿t增加到约4.6亿t。1998年以后，我国粮食总产仍有一定增长，并稳定在年产5亿t左右。如按近几年每年施用化肥养分4000万t，其中70%用于粮食作物，以及每千克化肥养分平均增产7.5kg粮食计算，则每年用于粮食生产的2800万t化肥养分，可增产2.1亿t粮食，约占我国粮食年总产量的42%。试想如果化肥增产的2.1亿t粮食全部用有机肥去代替，大约需要含NPK养分5%（养分利用率为化肥养分的60%）的有机肥9.4亿t，即使替代一半化肥养分，也要4.7亿t有机肥。每年能增加那么多有机肥吗？由于有机肥本质上都来自于作物生产，故这样的农业能持续发展吗？
我国粮食五谷丰登，连年增产，才有今天的六畜兴旺，人寿年丰，才有可能不去毁林、毁绿和开垦草原种粮，并能大面积调整种植业结构，去发展棉、麻、油、丝、茶、糖、菜、果、花、烟、药及多种经济作物。1995年与1980年相比，我国粮食作物种植面积减少约1/4，达3555.74万hm（24.4%），经济作物面积增加近1倍，净增2143.08万hm（97.4%）（表2、表3）。
(表：表2 我国种植业结构的改变 )
1980 项目 10hm % 422
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1995 10hm % 42耕地面积 16762.8 100 15350.4 100 粮食作物 14561.8 86.9 11006 71.7 经济作物 2200.99 13.1 4344.08 28.3 注释：注：引自《中国农业持续发展中的肥料问题》(1998)。 (表：表3 我国主要经济作物面积的增长*(1980-1995) )
作物 1980 1995 增长 增% 棉花 492.01 542.16 50.15 9.3 油料 792.85 1310.14 517.29 39.5 麻类 31.41 37.6 6.19 19.7 糖料 92.23 181.99 89.76 49.3 烟叶 39.67 147 107.33 271 蔬菜 392.57 1061.6 669.03 63 瓜园 28.7 84.07 55.37 197 7.2 茶园 104.08 111.53 7.45 文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.
果园 178.27 809.11 630.84 354 橡胶园 49.4 59.18 9.78 19.8 合计 2200.99 4344.08 2143.09 97.4 注释：注 *(×10hm)。引自《中国农业持续发展中的肥料问题》(1998)。
同时可提高一些地区的复种指数，提高土地的利用率。如华北地区在主要粮食作物单产提高的基础上，普遍由两年三熟发展成一年两熟等。
有了充裕的粮食，还可为人们提供更多的蛋、乳、肉、鱼等动物性产品。而更重要的是由于投入1t化肥养分，可增产7.5t粮食，约相当于增加1hm耕地的粮食产量，因而不仅不必去开垦林地和草原种粮，还能真正实施退耕还林，退耕还草，退耕还湖，大规模发展城市绿化；才能真正从根本上改善我们赖以生存的生态环境。如果国家为实施退耕还林、还草的每667m耕地补偿农民150kg粮食，若每件约300万hm即需要750万t粮食，相当于100万t化肥养分能增产的粮食。
众所周知，CO2是最主要的温室效应气体之一，而光合作用则是一个固定CO2和释放O2的化学反应，因而粮食生产过程也是不断固定温室效应气体CO2和释放新鲜O2的过程。化肥增加粮食产量，在增加生物能贮存的同时，也在增加对CO2固定和O2释放的生态效应。表4是按通常选用的平均参数计算的每千克化肥养分增加粮食产量后对生物能贮存，对CO2这一主要的温室效应气体的固定和新鲜O2释放的影响。可以看出，与化肥厂生产化肥释放CO2和吸收O2相比较，由化肥增产的粮食带来的气体转化生态效益平均可增加6倍（表4）。
(表：表4 化肥能耗、粮食贮能及对CO2和O2转化影响的估算 )
能量转化(MJ) 物质 耗能 贮能 相对(%) 释放 62 - 1kg化肥养分 100 4.77 32
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CO2转化(kg) 吸收 - O2转化(kg) 释放 - 吸收 3.43 (2400m) - 33 (2400m) - 26.9 3 19.6 - 7.5kg粮食 372 596 20 0.35 (13600m) (13600m) - - 0.182 1kg有机养分 12.7 - 注释：注：参数选择：粮食(1kg籽粒加1.8kg茎叶根茬)贮能49.6MJ；每千克化肥养分(N+P2O5+K2O)平均耗能62MJ；每千克
化肥养分平均增产粮食7.5kg，贮量372MJ；粮食含C35%，有机肥含C25%。
当然，如果考虑生产的粮食被人和畜禽消费过程中，以及有废弃物分解过程中会逐步释放能量和CO2，吸收O2，因而一年生作物尤其是粮食作物，在气体转化方面的净生态效益，要比森林等多年生植物的持久积累效应逊色，但至少是一种积极的正面效应。从表4中还可看到，使用有机肥养分，同时会消耗一定量的O2和排放出相应的CO2。
据估算，退耕后667m成年林地，每年可吸收和固定1.21tC02，释放0.88t02。若每年约300万hm退耕农田中有200万hm造林，则5~10年后，每年能增加C02的固定量3630万t，多释放022640万t。由于林木是多年生，其产品利用的周期长（几十年至上百年），故林木将有持久积累的减少C02与增加02的净生态效益，可为近地层大气增加约1.85×10m新鲜氧气。林地是名副其实的氧吧，每棵树就是一个吸收C02、制造02的微型“工厂”或“车间”。事实上，我国在过去粮食产量递增的20年内，每年由于农作物光合作用的增强和农产品增多，同样在减少由工业和城市化排入大气中的C02，增加02对大气的补充。据现有资料估算，如果我国20世纪末比70年代末粮食单产增加1倍，则每667m粮田可多固定约600kg C02，相当于840m含CH490%天然气燃烧后产生的C02。与此同时，可释放出436kg新鲜02。表5是最近几年粮食一般产量估算的每公顷农田作物对C02的固定量和02的释放量。
(表：表5 粮食作物的生产量圾其对CO2的固定和O2释放影响 )
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单位产量(kg) 作物 单产(t/hm) 2CO2固定(t) O2释放(t) 籽粒 籽粒+茎叶+根茬 籽粒 籽粒+茎叶+根茬 7.5 16.95 6 15.06 21.7 19.3 15.1 15.8 14 11 5
水稻 100 126(98~153) 玉米 100 151(98~204) 冬小麦 100 162(126~197) 4.5 11.79 注释：注：本表据沈善敏主编《中国土壤肥力》(1998)所载产量资料计算；气体的重量与体积按标准状况(0℃，1.01×10Pa)。 美国钾磷研究所编写的资料《肥料与环境》（1994）中，列举了一个相同的例子，即1hm产量为6.3t的玉米（不计茎叶和根茬）可同化8tCO2。这些O2足够12个人呼吸一年。若大气中C02浓度为0.03%（体积比），则6.3t/hm产量的玉米，需同化4.0×10m的C02，才能构成有机碳化合物，同时向这些空气释放出4.0×10m新鲜C02。
显然，草原的恢复发展，多种经济作物的扩大和高产，城市绿化面积的增加，都将有助于对大气中C02的固定，一定程度上消除因能耗增加，城市化发展所增加的C02排放，也是补充和不断更新空气中的02，保持02在空气体积中占有21%左右比例的重要因素。
因此，对于化肥与生态环境如此重要而又十分复杂的问题，决不能简单化地对待，也不能只是看那些局部的现象，如可能出现的水体中P205和N03-N的增加，土壤中氮氧化物排放等。当然这些问题必须重视并应采取相应对策加以有效控制。而更重要的是要从宏观上、根本上认识化肥对植物生产的重要性及其对大范围生态环境的积极贡献，以积极的态度去应对和治理所谓的化肥污染。
下面主要从两个方面实施有效应对:
（一）改善宏观生态环境
1.促进农业全面增产，控制和平衡物质循环强度。
2.扩大退耕还林、还草，发展城镇绿化。
3.逐步实现耕地园林化（作物以外适度发展乔、灌、草、竹、花、湖、河、塘等）。
(二)改善农田生态环境
1.发展精准农业，减少化肥养分向环境耗散。
2.控制面源排放（制定控制标准）。
3.实施多种轮作（草田、粮豆、粮经）。
放眼世界，从西欧到北美，从日本到澳洲，凡是化肥使用多，农业发达的国家，典型的如日本和荷兰，都是生态环境相对优美的国家。反之，非洲和亚洲的某些国家，化肥用量不高，粮食不够，也就无法保护和保持其生态环境。
我国农业由于粮食的连年丰收，正在一个新的起点上对农林牧业进行规划发展。上海郊区是一个较好的实例。上海市决定在今后10年左右时间内，要把1/3的耕地改为林地，总面积约10万~13万hm，并大力扩展城市林木与绿化。这就意味着上海将真正成为大地园林化的城市。大面积林地持续对C02的吸收和新鲜02的释放，无疑将从根本上解决上海工业城市空气污染，热岛效应等问题，发展为名副其实的城市天然氧吧。而且，成片林地除显著的经济效益外，还有持续地调节小气候，调蓄土壤水分，减轻干旱与洪涝，防风、防潮，保护水土，促进生物多样性等多方面的生态功能和效益。探根究源，上海之
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所以能有如此宏观而又长远的规划，其物质基础就是我国基本解决了粮食问题，上海不必再为解决三粮（口粮、饲料粮和种子粮）而让每一寸耕地都去种粮。
有了上述基本认识，就可以正确认识那些似是而非，甚至包括一定商业炒作的某些论调了。例如，什么是生态农业？什么是生态有机肥？难道有非生态的农业和非生态的有机肥吗？不用化肥就是生态农业吗？只考虑生存环境而不考虑生活在其中的多样性生物，就很难说是生态农业。所谓的石油农业，就其促进农作物生产，农产品丰富的本质而言，也是一种生态农业。20世纪80年代，美国每年用1%的石油能耗来生产化肥技放农业，可以换取其每年农产品总量的36%~40%，是维持其每年约600亿美元农产品出口值的重要基础。而在这些农产品生产过程中的气体交换等生态效益，更是一个巨大的数字。怪不得不论某些人如何强烈地批判石油农业，却从不为西方主流科学家和农场主所理睬。而事实上，美国人少地多，与我国相比，有更多的可能不去发展所谓的石油农业。
主要参考文献
[1] 李庆逵等.中国农业持续发展中的肥料问题.南昌：江西科技出版社，1998
[2] 鲁如坤等.土壤-植物营养学.北京：环境科学出版社，1987
[3] 张玉良.农业化学与生物圈.北京：中国环境科学出版社，1987
[4] 奚振邦.农田生态系统中氮素循环简析.我国氮素研究工作现状与展望.北京：科学出版社，1995
[5] ，孙儒泳译.生态学基础.北京：科学出版社，1982
宏观农业的分析
