粮食安全与环境安全的肥料发展双目标

白由路

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

粮食安全与环境安全的肥料发展双目标

白由路

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

文章系统分析了肥料包括化学肥料和有机肥料在我国农业生产中的作用，指出：在我国目前的农业生产中不能忽视化肥在保证粮食安全中的作用，同时要发挥有机肥料资源优势，注意有机废弃物污染；论述分有机农业与有机肥料的关系。在今后的肥料管理中需改进肥料监管方式，正确发挥肥料的市场监管作用，在施肥方面要合理施用肥料，减少化肥污染；同时，提高我国肥料创新能力是保证农业可持续发展的重要基础。

化学肥料 有机肥料 粮食安全 环境安全

新中国成立以来，为了保证粮食的充足供应，我国几乎从无到有，建立了较为完整的化肥生产体系，目前除钾肥外，我国基本实现了化肥的自给有余的状况。但是，化肥在保证我国粮食安全的同时，也给环境造成了巨大的压力。目前，农业的主要矛盾由总量不足转变为结构性矛盾，突出表现为阶段性供过于求和供给不足并存[1]。在这样情况下，肥料的使用目标可以从过去单一的保证粮食安全的目标转变为保证粮食安全与环境安全的双目标。如何实现肥料发展的双目标，文章从化学肥料的作用及其对环境影响的分析入手，系统分析目前人们对肥料的不同认识，旨在为我国农业健康发展提供借鉴。

1 不能忽视化肥在保证粮食安全中的作用

肥料在我国应用已经有十分漫长的历史，从商代出土的甲骨文中就有使用粪肥的记载[2]。但是，化学肥料的使用则时近代的事情。从1843年开始制造化肥以来，化肥对国际粮食的贡献不容小觑，特别是哈博发明的合氨技术（尿素生产的前物质），后人在评价这个技术对粮食生产的贡献时，认为目前全球48%的人口是由合成氨技术所养活的[3]。也有人认为，正是由于合成氨技术，才使得1798年马尔萨斯的人口论遇阻并破产[4]。我国在20世纪60年代后开始大量生产化肥，经过半个世纪的发展，我国已经形成了完整的化肥工业体系[5]，正是我国化肥工业体系的支撑，才使得我国粮食产量逐年提高，从过去不能解决温饱的状态，发展到了我国粮食稍有过剩的情况。分析新中国成立以来我国肥料的使用，特别是化学肥料的使用量与粮食单产的相关分析表明，化肥使用与粮食单产的相关系数达0.961 6。根据中国农业科学院农业资源与农业区划研究所进行的长期肥料定位试验研究结果，粮食生产对肥料的依赖度在50%以上，也就是，没有肥料的情况下（2年以上不施肥）粮食产量仅能维持目前的一半。所以，化肥对保障我国粮食安全具有十分重要的作用，正是有了化肥，我国政府才能做出生态脆弱地区退耕还林还草的决策，改善我国生态环境；正是有了化肥，我国在工业化过程中，虽然占用了部分土地，仍能保证我国粮食安全。

2 发挥有机肥料资源优势，注意有机废弃物污染

目前，很多人都在问，当前有机肥是一个非常热门的研究领域，与化肥相比它具有很多优点，如无污染、含有多种微量元素等，但是在实际使用中，化肥所占比例远远超过有机肥，为何它依然取代不了化肥？这里指出：有机肥培育了中华大地，21世纪初，当时美国农业土地管理局长King考察了中国的农业，并总结出中国农业数千年兴盛不衰的经验，于1911年写成了《四千年的农民》一书。书中指出中国农业兴盛不衰的关键在于中国农民的勤劳、智慧和节俭，善于利用时间和空间提高土地利用率，并以人畜粪便和农场废弃物堆积沤制成肥料等还田培养地力[6]。我国目前有约2.7亿t的有机废弃物，其中养分。其中氮素2 176.1 万t、磷素380.1 万t、钾素1 907.2 万t[7]。但是，有机肥料也存在很多固有的缺限，如有机肥的污染问题，很多学者指出目前在肥料的污染中，有机肥对土壤的污染占整个肥料的60%以上，为什么呢？与化肥相比，我们说的化肥污染主要是其中的氮磷养分流出农业生态系统后，对水体造成的富营养化，对土壤本身不会造成影响，如尿素，施入土壤后分解转化，其中的氮素被植物吸收或流失出土体，其它成份变为了CO2和水。磷肥是从磷矿中提取的，所以磷肥可能含有一些重金属等残留到土壤中，但是我国的磷矿是全世界公认含重金属最低的磷矿，在磷肥生产过程中，也会加以去除，残留到土壤中很有限。而有机肥则不然。目前所使用的有机肥已不是过去的农家肥，是规模化养殖场的畜禽粪便，由于有畜禽养殖过程所添加的一些物质，不能被畜禽代谢的，都会残留在粪便中，所以，由于有机肥的成份不确定，众多的不可检测的有害物质如抗生素、重金属在有机肥中都存在，加之有机肥施用量大，这些物质对土壤所造成的污染也不是十分明确。所以说有机肥无污染是不全面的。

虽然有机肥含有多种微量元素，但其植物所需的大量元素浓度很低，速效性差，很难满足作物对养分的需求，同时，从整个生态系统的观点出发，有机肥来源于有机废弃物，有机废弃物来源于植物生产，如果再将有机废弃物用于植物生产，即使有循环过程中一点都不浪费，作物产量也只能维持在一个水平，这样的自然生态循环过程不能满足日益增长的人口对粮食的需求，所以，从理论上讲，有机肥取代化肥是不可能的，但是，充分利用有机废弃物资源，减少化学肥料的施用，节约资源和能源，保护生态环境是农业可持续发展的必由之路。

3 施用有机肥的农业不等于有机农业

目前人们十分关注有机农业，不少人都认为施用有机肥的农业就是有机农业，这是不正确的。随着人们生活水平的提高，人们对健康的忧虑日趋增加，这一点都不足为奇，根据马斯洛的层次需求理论，当人们满足了基本生理需求后，对安全的需求就会提出来。现在的问题是有机农业是否安全？有机农业是否能可持续发展？ 1972年在法国成立的国际有机农业运动联盟（International Federation of Organic Agriculture Movements）为世界范围内的有机农业思潮起到了推波助澜的作用。人有指出，以英国为例，有机小麦4 t/ hm2、而非有机小麦是8 t/hm2，如果欧洲要用有机农业养活自己，需要增加2 800万hm2的农田，这相当于法国、德国、丹麦和英国森林面积的总和[4]。目前全球范围内有机农业的面积不足1%，高收入国家市场是的有机产品不足5%[8]。国际上对有机农业的发展倍受争议[9]。在我国，人们往往把有机农业与有机肥料密切结合，有人错误地认为，施用有机肥（不施用化肥）的农业就是有机农业。那么有机农业是农业发展的方向和潮流吗？有机肥料能发展成主流肥料吗？这里赘述一段科学史话：德国科学家泰伊尔（Albrecht Daniel Thaer 1752～1828）在其《合理的农业原理》（Grünstaze der rationellen Landwritschaft 1809～1812）一书中提出：土壤肥力决定于土壤腐殖质的含量，原因是基于它是植物养分的唯一来源。这一学说曾一度被当时学术界广为接受。历时达数十年之久。这个学说被后人称为“腐殖质营养学说”[10]，这个学说并没有给土壤培肥或提高作物产量带来飞跃，1837年，德国化学家李比希（Justus von Liebig），在英国利物浦召开的一次英国科学促进会上做了一个关于“当前有机肥学理论现状”的报告，认为在地球上腐殖质出现于植物之后，不是植物之前，因此，植物的原始是养分只能是矿物质[11]。1840年，出版了《化学在农业和生理学上的应用》一书，也这是被称为现代农业三大理论基础之一的“植物矿物质营养学说”。这两个学说的根本区别在于“植物所需的营养物质是矿物质而不是有机质”[12]。试想，被后人证明为错误的学说在200多年后，还能指导农业生产吗？目前地球人口处于爆炸状态，高强度的农业开发还满足不了人口增长对粮食的需求，回到原始的生态循环条件下，人类会怎样？地球会怎样？笔者认为：现代农业是离不开化学肥料的，有机肥料的时代已经远去，化学肥料所带来的各样负面效应可以通过更科学、更合理的方法去解决，为了回避化学肥料所造成的问题而回到原始的农业状态是不可能，有机农业不能养活中国人，更不能把“有机农业”误认为是“施有机肥的农业”[13]。

关于有机肥料的发展空间问题，笔者认为，一是减少环境污染，二是充分利用有机资源。近年来，随着社会发展和“有机农业思潮”的影响，我国出现了一个新的行业，就是商品有机肥料行业，只所以是新行业，就是原来虽然大量应用有机肥料，但基本上没有将有机肥料作为商品进行市场流通。目前，我国目前注册的有机肥料工厂有2 000多家，除部分工厂的原料是本公司上游产品的废弃物外，很大部分是外部收集原料，再进行异地加工，形成有机肥料产品，销往市场的模式。这个模式是否是我国有机肥料的发展模式，可以仁者见仁、智者见智地进行讨论。笔者认为：目前有机肥料在供应作物养分的功能上已基本丧失，有机肥料的存在是因为大量的生产和生活废弃物需要处理，而目前的商品有机肥加工模式存在很多问题，第一，生产和生活废弃物的异地加工，不仅浪费运力，还造成了二次污染；第二，低价值的商品有机肥料在市场流通，占有大量的物流资源；第三，过度加工有机肥带来了能源和资源的消耗。结合欧洲农业的发展的模式，在我国实现种养一体的现代农业模式是解决有机肥料污染的重要途径。

随着我国新型城镇化和农业的适度规模经营，种植业和养殖业必须结合在一起，按照土壤消解有机废弃物的容量，确定种植/养殖比例。养殖业所产生的废弃物经过简单加工，直接施用到自己的土地上，或者进行沼气处理，一方面可产生一定数量的沼气，解决能源问题，其沼液和沼渣可直接农业利用，减少运输环节，减少环境的污染。同时该模式还可抵御农业生产中粮食价格波动对养殖业的影响。减少低价值有机肥的市场流通和过度加工所带来的负面效应。所以，在土壤消解容量允许的范围内，就近、简便处理有机废弃物是有效保护生态环境的重要手段，远距离运输、异地处理、过度加工，只会加重环境负担。

4 改进肥料监管方式，发挥肥料的市场监管作用

肥料是商品，又是特殊的商品，主要表现为质量隐性、效果滞后、损失难补等方面，即使肥料的专家也不能通过肉眼过判断肥料质量的好坏，假冒伪劣产品所带来的危害又难以弥补。所以政府对它的质量监管是应该的。在全世界范围内，肥料质量的监管可分为两种模式，即政府监管和市场监管两种，我国采用的是前者，目前我国农村经济和农民科学素质条件下，它对稳定肥料质量、防止坑农害农现象起到了不可替代的作用。

但是，随着肥料产业的不断发展，新的肥料品种层出不穷，这给单纯的政府监管带来了极大的困难，过去肥料品种单一，氮肥只有碳酸氢铵、尿素和硫酸铵等，例如，在尿素的监管上，只分出一级品、二级品、三级品即可，现在的复（混）合肥料，养分含量和比例十分灵活，加之肥料中养分的形态和助剂，会出现千变万化的肥料，如果政府对肥料中的养分含量、养分比例、养分形态、肥料助剂等均进行监管，则会付出巨大的成本，同时，也会给肥料生产企业带来很大的麻烦，无怪有些企业说一个肥料生产企业仅肥料登记证就有400多个。由此也会引起人们的思考。对我国的肥料质量如何监管？笔者认为：根据目前肥料发展的现状和我国市场经济的发展，对我国肥料可采用政府监管与市场监管相结合的模式，肥料的养分含量由政府监管，肥料的效果由市场监管，具体是，在肥料生产过程中，肥料中的养分含量必须按目前国际通用的标识方法，进行登记管理，但肥料中养分的形态、肥料生产过程中为了提高效果使用的助剂可以用市场监管，这一方面能有效避免不良厂商的造假，另一方面也激励了肥料企业的创新和品牌意识。试想，如果同为15∶15∶15的肥料，一个品牌效果好，一个品牌效果差，农民会选择谁？然而，肥料效果的好坏不仅仅决定于养分的总量与比例，肥料中养分的形态与肥料助剂也起到十分重要的作用，如果考虑到肥料形态和助剂会对环境造成影响，可由政府列出负面清单，由政府监督。

5 合理施用肥料，减少化肥污染

随着化肥用量的增加，它一方面保证了我国的粮食安全，但是也给环境造成了巨大的压力，目前人们通常提到的一句话叫“农业面源污染”，很多人把农业面源污染与化肥的使用联系到一起，所以，在治理了农业的面源污染，首先要厘清3个概念需要，即农业面源污染、农村面源污染和农田面源污染。笔者认为：农业面源污染包括农村面源污染和农田面源污染两部分，这两部分的来源和治理都是很大不同的，农村的面源污染主要来自于农村污水的排放和养殖业，这两种污染都可通过工程措施加以解决，而农田面源污染主要来自于农田施用的化肥和有机肥，且量大面广，单纯的工程措施难以奏效，必须通过技术进步才能加以决解，所以，把农业面源污染的元凶归于化肥的施用是不科学的，同时也不利用农业面源污染的治理。作者曾对太湖面源污染的养分来源进行过详尽的分析，其中每年从农田进入太湖湖区水体的氮素数量不足0.94万t，占总氮排放的10%左右，从农田中直接排出的磷不足83 t，约占总排磷量的1.5%。由此可见，农田对排放对水体富营养化的作用远小于其它方面[14]。

近年来，由于大气雾霾的影响，人们开始注意到农田氨排放对大气质量的影响，其中影响大气透明度较大的二次颗粒物是硫酸铵和硝酸铵，组成该物质的铵主要来源于农业排放。据笔者的统计，中国由农业源向大气中排放的氨约为967 万t，其中由农田排放的氨为543 万t，由畜禽养殖排放的氨为424 万t，分别占农业源氨排放的56.2%和43.8%[15]。大气监测结果表明，PM2.5中含氨7%～9%[16]，也就是，农田中排放的氨每年可形成5 000万t的PM2.5颗粒。由于可见，施肥，无论是化肥还是有机肥对环境都会造成一定的负面影响，科学施肥会减少肥料对环境的影响，但消除影响是不可能的，这里需要一个合理的影响范围。把施肥对环境的影响控制在一定的范围内。笼统的农业面源污染不利于农业面源污染的治理。

如何减少化肥对环境的环境，其中最根本的方法是合理使用肥料、增加作物对养分的吸收，减少肥料的损失，这些年来，课题组一直在进行这方面的工作，例如精准施肥技术可在亚米级的范围内调整施肥量，在田间的空间尺度上最大限制地满足作物对养分的需求、减少肥料的损失；在营养诊断方面，研究的高效土壤养分测试技术可快速准确地测定出土壤中的N、P、K、Ca、Mg、S、Fe、Cu、Zn、Mn等养分含量，根据土壤的供肥水平，确定作物的施肥量、既保证了作物的养分需求，又避免了过量施肥带来的环境问题，可最大限度地减少土壤的氨排放，保护大气环境。

6 提高我国肥料创新能力，保证农业可持续发展

目前，我国正在进行农业供给侧改革[1]，肥料是农业生产中典型的供给侧，笔者认为，我国肥料是生产和使用大国。但不是强国。主要表现在：一是原始创新不够，在肥料的生产和使用中的很多涵义大部分是从国外引入的，如精准施肥技术、复合肥生产技术等，例如很早之前，国外就注意到肥料中养分形态与肥效的问题，而我国一段时间一直以“等养分等效”的观点指导肥料的生产与使用，直到近几年才注意到个这问题；再如国外很早就注意到肥料添加剂（增效剂）在肥料中的应用，虽然注意到国外进口的同养分含量的肥料比国内生产的肥效好，但一直没有详细研究其原因。目前我国肥料虽然是世界大国，是因为我们国内需求量大才导致了生产量大的原因。

近年来，随着我国对环境保护力度的加大，再加上目前农业生产中粮食需求结构的变化，作为重要的作物生产物资基础的肥料在生产和施用上也会发生相应的变化，也就是从过去强调保证粮食安全、获得最高产量的单一目标变为粮食安全和环境安全的双目标。环境友好型的施肥方法和环境友好型的肥料可能是今后一段时间内肥料发展的目标。

[1] 关于深入推进农业供给侧结构性改革加快培育农业农村发展新动能的若干意见．http：//www.moa.gov.cn/ztzl/yhwj2017/zywj/201702/ t20170206_5468567.htm

[2] 胡厚宣．殷代农作施肥说．历史研究，1955，（1）：97～106

[3] Erisman J W，Sutton M A，Galloway J，Klimont Z，Winiwarter W．How a century of ammonia synthesis changed the world．Nature Geoscience，2008，1：636～639

[4] Robert Paarlberg．Food politics，What everyone needs to know．Oxford university press．2013．New York．U．S．A

[5] 龚七一，沈勤家．中国化肥工业现状及发展趋势．化肥工业．2004，31（1）：3～10

[6] 世界有机农业的起源和发展动态．农业工程技术，2009，（12）：24～29

[7] 杨 帆，马常宝．我国有机肥料产业化利用现状及发展前景．腐植酸，2006，（4）：13～18

[8] Verena Seufert，Navin Ramankutty，Tabea Mayerhofer．What is this call organic?—How organic farming is codified in regulations．Food policy．2017，68：10～20

[9] Thomas R．Degregori．Origins of the organic agriculture debate．2003．Lowa State Press．USA

[10] Albrecht Thaer．https：//en．wikipedia．org/wiki/Albrecht_Thaer

[11] Justus von Liebig．https：//en．wikipedia．org/wiki/Justus_von_ Liebig

[12] 尤·李比希著，刘更另译．化学在农业和生理学上的应用．北京：农业出版社，1983

[13] 白由路．我国肥料发展若干问题的思考．中国农业信息，2014（22）：5～9

[14] 白由路，卢艳丽，杨俐苹，等．农业种植对水体富营养化的影响．中国农业资源与区划，2008，29（3）：11～15

[15] 郝吉明，尹伟伦，岑可法，中国大气PM2.5污染防治策略与技术途径．北京：科学出版社，2016

[16] Fuwang Zhang，Lingling Xu，Jinsheng Chen et al．Chemical compositions and extinction coefficients of PM2.5 in peri-urban of Xiamen，China during June 2009-May 2010. Atmospheric Research. 2012，106：150～158