植物营养中理论问题的追本溯源

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点实验室, 北京 100081）

植物的种植是农业生产的重要环节，是人类文明由狩猎向定居转变的重要标志[1]。然而，长期以来，粮食供应的不足一直困扰着人类的发展。自公元前640年的泰勒斯 (Thales，约公元前640—546)开始，人们就不断地探讨植物生长究竟需要什么[2]？经过了德国的尼古拉斯-库萨 (Nicholas of Cusa，1401—1464)、荷兰科学家海尔蒙特 (Jan van Helmont，1579—1644)、英国的约翰·伍德沃德 (John Woodward，1665—1728) 等先驱们漫长的探索，使植物营养的研究看到了现代的曙光[3]。后又经过几代人的努力，特别是在理论方面，先后经过了“腐殖质营养理论”阶段，最后以“矿质营养理论”为基石，奠定植物营养学的现代基础，并为人类的发展做出了巨大贡献[4]。然而，近年来，随着化学肥料负面效应的显现，人们又开始怀疑植物的“矿物质营养理论”。就此，笔者回顾了植物营养200多年来的研究历史，就植物营养中的几个理论问题进行深入的剖析与研究，提出了有关几个理论问题的见解，旨在为今后的植物营养研究与实践提供借鉴。

1 早期的植物营养研究

从公元前300多年开始，亚里士多德 (Aristotle，公元前384—322) 就认为所有物质都是由四种元素组成的，即土、气、火和水，生物体内的过程受一种叫生命力的力量所控制[5]。在古罗马时代，就有很多关于农业的书籍，这些书籍一直到罗马帝国衰亡后的几个世纪都对作物生长管理起着重要作用[6]。有人认为德国的尼古拉斯-库萨是最早用现代方法观察植物生长发育过程的人，并断言植物是从空气中吸取养分的[7]，但是目前没有该研究的具体记载。

然而，通过化学的方法对植物营养需求进行研究还是17世纪以后的事情，是海尔蒙特向更准确的植物营养观点迈出了第一步。他第一个令人信服地证明，土壤不是植物养分的唯一来源。他在瓦盆里装了200磅的烘干土，栽了一棵5磅重的柳树，并在盆上面盖了一个带孔的盖子，以防外物进去。5年中，他只往盆里加水，从土里取出柳树再称重 (没有加上5年内落下的叶子)，同时将土壤烘干再称重，他发现这棵树长了大约164磅，而土壤只少了2盎司。从这个结果，他得出结论：植物的干物质不是来自于土壤，而是全部来自于水 (水是四个亚里士多德元素之一)。水或者是土 (另一个亚里士多德元素)变成了植物的干物质，对1648年海尔蒙特试验的简要报道出现在他去世后出版的作品里[8]。这是一个伟大的试验，尽管他已注意到土壤重量的减少，但是他忽略了土壤的作用。

1661年，罗伯特·波义耳 (Robert Boyle，1627—1691) 用“意大利南瓜”进行了重复实验，获得了类似的结果。波义耳进一步蒸馏了这些植物，并根据他的试验做出结论：“盐、元气、土、甚至油”都可以从水中产生出来[6]。

1699年，约翰·伍德沃德首先质疑水在植物生长中的作用，根据海尔蒙特、波义耳的试验，他用不同来源的水种植荷兰薄荷，都供应充足的水分，如果植物只需要水，而不需要其它东西，则生长量应该相同。然而，生长量的增加与水中的杂质成正比，他指出，植物不是由水形成的，而是由某种特殊的陆地物质形成的。已经表明，在雨水、泉水和河水中含有相当数量的这种物质，它们是液体质量的主要成份，可进入植物体内而不沉淀，但是可通过植物的毛孔散发到大气中。这些陆地物质的大部分与水混合，一起进入植物体内，植物体内的这些物质与水中物质的含量成比例。通过所有这些现象可以合理推断，土是构成植物的物质，而不是水[9]。

英国农业作家杰思罗·塔尔 (JethroTull，1674—1741) 认为把土壤粉碎成细颗粒，这种颗粒能很容易地被植物根系吸收。在他看来，这不是土的汁液，而是由湿气作用所释放的微小的土壤颗粒，构成了植物的适当营养。生长根的膨胀所造成的压力迫使这些颗粒进入根部的“乳糜口”，从而进入循环系统。所有的植物都生活在这些颗粒上，也就是同一种食物上。他错误地断言，正如一些人所做的那样，不同种类的植物需要不同的方式喂养，就像马和狗一样。每一种都需要适当的食物。植物会接受任何东西，不管是好是坏。作物轮作不是必须的，只是方便。相反，如果温度和水供应适当，任何土壤都会滋养任何植物。锄地能增加土壤的表面或植物的养料，也使土壤能够更好地吸收空气中凝结的营养蒸汽。粪便的作用也是一样的，但成本更高，效率也更低[10]。

到1750年时，杰思罗·塔尔认为，所有下列物质都以某种方式有助于植物增加产量，但有争议的是它们中的哪个最有效[6]。

2 腐殖质营养理论

2.1 腐殖质的研究起源与名称

实际上，有机粪肥对作物生长的有益作用很早就被希腊和罗马的农业学家注意到了，但是，对粪肥作用的科学解释则是18世纪以后的事。布朗(Charles A. Browne) 相信德国医生和化学家格奥尔·厄恩斯特·斯塔尔 (Georg Ernst Stahl，1660—1734) 是贝希尔 (Becher)[注1]以后第一次尝试对土壤肥力进行科学解释的，斯塔尔把土壤肥力主要归因于油和脂肪 (一种“燃素肥沃”)。同样，1741年库贝尔(Külbel) 假定腐殖质中的脂肪稀糊状混合物 (稀糊状混合物的脂肪) 是植物生长必需的物质，也是土壤肥力的主要原因[2]。

弗兰西斯·贺姆 (Francis Home，1719—1813) 在其《农业和植物原理》 (Principle of Agriculture and Vegetable)一书中说，整个农业行业集中在一点：植物的营养。关于肥沃土壤的调查结果表明，它们含有油，油是植物的食物。但是当土壤被作物耗尽时，把它暴露于空气中会恢复其肥力，空气会提供另一种食物。贺姆进行了盆栽实验，以确定不同物质对植物生长的影响。研究发现，硝石、泻盐 (七水硫酸镁)、硫酸钾都能促进植物生长，然而它们是三种不同的盐。橄榄油也很有用。显然，植物的食物不是一个东西，而是几个，他列举了六种：空气、水、土、各种盐类、油和在固定状态下的火[注2]。他还进一步证明，所有植物和植物汁都遵循这个原则，没有例外，所有的化学实验都是在有火或没有火的情况下进行的[3]。持同样观点的还有瓦勒留斯(Johan Gottschalk Wallerius，1709—1785)[注3]，1761年，在他的《农业基础化学》一书中也强调了油和脂肪是土壤肥力的主要要素的观点。所以，也有人认为瓦勒留斯是腐殖质理论的重要创始人[9]。

1797年，法国化学家路易·尼古拉斯·沃克隆(Louis Nicolas Vauquelin，1763—1829) 注意到从受伤的榆树皮中有一种奇怪的胶状分泌物。由于这种物质的特性与用碱从土壤中提取的黑色物质相似，1813年，英国化学家汤姆森 (Thomas Thomson，1773—1852) 建议将这种物质称为ulmin (拉丁文的意思是榆树)。由于它是与碱的化合物，所以也把它称为棕腐酸 (ulmin acid)。

1826年，斯普林格 (Carl S. Sprengel，1787—1859) 建议将土壤中的碱溶有机物命名为腐殖酸(humic acid)，以便使不同的作者对含糊的名称用准确含义的术语。斯普林格研究了腐殖酸的不同盐类，并试图确定它们的化学组成，他的这种方法在以后的几十年中都被广泛持续地采用。

同时，1819年，亨利·布拉科诺 (Henri Braconnot，1780—1855) 通过人工的方法，用盐酸和硫酸来降解淀粉和糖，也第一次得到了类似土壤有机质的物质，他将它命名为“artificial ulmin”。1830年，布莱 (Boullay) 将其术语化为“artificial ulmic acid”，这明显是示意植物物质转化成的土壤腐殖质或ulmin与实验室获得的碳水化合物降解产物相似。

伯齐利厄斯 (Jöns Jacob Berzelius，1779—1848)注意到用ulmin这个词用于不同性质和起源的物质太不严谨，1832年，他用“gein (希腊语的意思是‘土’) ”和“geic acid”表示土壤中的碱溶有机物。尽管伯齐利厄斯以后抛弃了这个术语，但在达纳 (Samuel Luther Dana，1795—1868) 的著作中持续使用“gein”和“geic acid”。

1833年，伯齐利厄斯从波拉 (Porla) 泉水中分离到两种有机酸的铜盐，根据它的来源，将其命名为“crenic”和“aprocrenic”酸 (希腊语的意思是泉)。他确信这个复杂的化合物也有土壤有机质的成份[2]。

2.2 腐殖质理论的内容

腐殖质理论认为：植物在自然界中摄取与它们相似的物质，土壤有机质或土壤腐殖质是植物的主要营养物质，是土壤肥力的主要来源。植物的根从土壤中提取腐殖质，通过与水结合将其转化为植物成份。因此，植物营养被认为是类似于动物营养，植物和动物都以复杂的有机体为营养。关于矿物质在植物中的作用，一些腐殖质理论的主导者认为它们对于植物生长不是必需的；它们被认为是刺激剂，而不是营养物质。还有一些人认为矿物只是偶然进入植物体内的成分，或者说是与动物骨骼相似的植物骨架物质。更有一些活力论认为，矿物质实际上是由植物的生命力而合成的。在这个时期，大部分农学家和植物生理学家在很大程度上坚信腐殖质代表植物的碳源[9]。

1804年，德国农学家泰伊尔 (Albrecht Daniel Thaer，1752—1828) 出版了一部详细描述各种作物栽培的书，名为《实用农业原理》，在该书中这样描述了腐殖质的作用：“腐殖质或多或少总是土壤的组成部分，土地的肥力完全依赖于它的存在，因为，除了水以外，它是土壤中唯一能使植物得到营养的物质。”[11]由于泰伊尔在德国农业中的声望极高，还有很多人认为腐殖质理论是由泰伊尔提出的[12-13]。

马尔德 (Gerardrus Johannes Mulder，1802—1880) 是与法国布森高 (Jean Baptiste Boussingault，1801—1887) 和德国李比希 (Justus von Liebig，1803—1873) 同时代的荷兰化学家，他是伯齐利厄斯的学生，他继承了伯齐利厄斯的研究，认为已存在的7种有待证实的化合物 (ulmin、humin、ulmic、humic、geic、apocrenic和crenic acids)，是植物营养的必需和重要成份。1844年至1846年间他出版了两卷《动植物生理化学》，其中659—660页有这样精髓的一段话，代表了他在植物营养上的观点：

“在这七种物质中，五种酸都可以与碱结合，从而溶解在水中。这些是有机物质（我们至今还不知道其他物质）可被植物吸收为食物。它们存在于每种土壤中，显然它们都通过嫩根进入植物体内，在那里它们发挥着重要的作用。”[2]

至于腐殖质理论是由谁首先提出的，现在已无从考证，有人认为是瓦勒留斯首先提出的[9]，也有人把它归结于马尔德[2]。马尔德的一个学生达纳 (Dana)，十分坚信腐殖质营养理论，他于1855年出版了《粪肥手册》一书，其中有一章专门介绍腐殖质的作用，关于腐殖质的作用，他形象地比喻为“土壤就像一个盘子，腐殖质是营养物，矿物质就像佐料。”[14]这本书在美国影响很大。

3 植物矿质营养理论的形成与发展

可以认为，植物的矿质营养理论是与腐殖质营养理论同时发展起来的，也可以认为植物的矿物质营养理论是在与腐殖质营养理论的争论中完善的。

3.1 矿质营养理论的初期研究

这里需要提出的是，腐殖质营养理论的核心是腐殖质是植物的主要营养物质，特别是腐殖质是植物碳的主要来源，关于腐殖质在土壤肥力中的非营养作用，从古至今都没有被怀疑。

18世纪晚期，随着化学科学的发展，有了对了解植物和动物的特别重要的化学发现，包括：1781年，拉瓦锡 (Antoine-Laurent de Lavoisier，1743—1794) 发现了“固定空气”[注4]是由碳和氧组成；水不是一个元素，是由氢和氧组成；“固定空气”与“有毒空气”[注5]是不同的。在生理学方面，动物呼吸被证明是一个为身体提供热量的氧化过程。拉瓦锡开发了用燃烧法分析有机物质的技术，并应用这个技术分析葡萄酒的原气 (乙醇)、活油和蜡 (1784)，他指出：植物“真正”的组成元素是氢、氧和碳。

英格豪斯 (Jan Ingenhousz，1730—1799) 的结论是，植物是从“碳酸”[注6]的两种元素中衍生出它们必需的物质，如酸、油、粘液。英格豪斯 (1796) 抨击了腐殖质理论，他推测生长在开放大气中的植物大部分的碳是获取于大气[3]。

1804年，瑞士生理学家索秀尔 (Nicolas-Théodore de Saussure，1767—1845) 出版了《植物生长的化学研究》一书，他提供了第一个有说服力的证据，表明植物主要从大气中吸收碳。这是对腐殖质理论的一个重大打击。在其第八章“关于植物根系对溶液的吸收”一章[15]中，明确指出：“一些作者假定动物还有植物的生命力可以通过不同的途径分解或合成大气和水，并生产所有物质，甚至焚烧后植物中的盐、土和金属。这种奇怪的想法就象从不含黄金的物质中获得黄金一样不需要证明。在我们求助于那些难以理解的、超自然的、违反我们所有已知知识的转化之前，我们必须确保植物在植物生长的环境中没有发现这些已经形成的物质，并且它们没有从该来源中提取这些物质。”

1826年，斯普林格在其《植物腐殖质、腐殖酸及其它的盐》一书中，否定了植物体内可以转化成矿质元素的能力。斯普林格强调了植物从空气和土壤中获取其生长发育的必需元素，指出了植物生长所需要15种营养元素，即氧、碳、氢、氮、硫、磷、氯、钾、钠、钙、镁、铝、硅、铁、锰。指出前三种来自于大气，后12种来自于土壤[16]。

尽管索秀尔和斯普林格在植物矿质营养方面做了大量的工作，在当时情况下，索秀尔的工作在其后的近40年中，都没有引起人们的注意，而斯普林格的工作更是淹没在了腐殖质营养的声音中，以至于斯普林格的传记作家在记述斯普林格的生平时，都忽略了斯普林格关于植物矿质营养的研究，到19世纪末，当时他的作品几乎没有人再参考，他被历史学家厄恩斯特·冯·迈耶 (Ernst Von Meyer) 称为“农业化学遗忘的人”；他也被认为是为李比希铺路的人[2]。

3.2 李比希与矿质营养学说的提出

1837年，已经在有机化学方面有相当建树的李比希，出席了在英国利物浦召开的英国科学促进会(British Association for the Advancement Science，BAAS) 年会，在会议上，他做了《尿酸的分解产物》的报告，在报告的最后他讲了这样一段话，“值得注意的是，在一个我所认识的国家，我永远不会忘记他们的热情好客。有机化学才刚刚开始生根发芽。我们生活在一个稍有努力就会产生有价值结果的年代，而且，如果我们考虑到有机化学对医药、制造和日常生活的巨大影响，我们必须明白，目前对人类来讲，没有什么问题比贯彻有机化学思想更重要，我相信英国科学工作者参加了这个运动，与欧洲大陆化学家的共同努力，促进生理学包括植物和动物生理学的进步，这个进步可联系到生理学，它在这个国家的成功贯彻，可能会给我们提供有关组织功能最重要和最新颖的结论。”[17]

根据德国化学家雅各布·福尔哈德 (Jacob Volhard，1834—1910) 的报道，李比希的报告得到好评，李比希是“今晚的狮子”。很自然，鉴于李比希对英国人在有机化学技术方面高度的评价，爱尔兰化学家罗伯特·凯恩 (Robert Kane，1809—1890) 促使英国科学促进会的总务委员会抓住机会让李比希写两个报告，一个是关于同分异构体，另一个是关于有机化学。前一部分未能完成。经过李比希近三年的准备，写成了《化学在农业和生理学上的应用》[注7]一书[18]，该书参阅了100多个作者的200多篇论文。该书分为两个部分：第一部分是“关于植物营养的化学过程”，第二部分是“关于发酵、分解和腐烂的化学过程”。他从一个化学家的视角分析了植物生长、发育及其代谢中的化学过程。第一部分共分九章。这本书的第二章和第三章，他驳斥了腐殖质学说，他从四个方面证明植物的碳不是来自于腐殖质：

第一，当时认为能进入植物体内的腐殖质需要与碱金属或碱土金属结合。根据海耶 (Heyer) 的计算，一黑森英亩[注8]林地每年平均生产2920磅的干杉木，它含有6.17磅的金属氧化物，而“现在，根据麦拉古迪 (Malaguti) 和斯普林格的估计，1磅的石灰[注9]可与12磅的腐殖酸发生化学结合，因此，6.17磅的金属氧化物将引入74.04磅腐殖酸到树木中，其中腐殖酸含有58%的碳，对应于100磅的干木材。但是我们已经看到，2920磅的杉木木材确实是生产出来的。同样，如果以腐殖酸的形式引入小麦中的腐殖酸的量是从已知的麦秸中存在的金属氧化物的比例计算出来的 (包含在秸秆灰烬中的硫酸盐和氯化物没有包括在内)，就会发现1个黑森英亩上生长的小麦，可以这样的方式接收63磅的腐殖酸，相当于93.6磅木本纤维。但是，所提到的土地范围内，除了根和谷粒，产生了1961磅的稻草，其组成与木本纤维相同。”

根据这样的计算，植物从腐殖质中获得的碳远远低于其实际产生的碳，所以，植物碳的来源不可能是腐殖质，同时根据腐殖质的水溶性，斯普林格测定腐殖质可溶于2600倍的水中，溶于水中的腐殖质可被植物吸收，然而，“舒布勒 (Schubler) 说，德国最肥沃的地区之一爱尔福特 (Erfurt) 四月、五月、六月和七月的降雨量是每平方英尺地面19.3磅；1黑森英亩，或26 9 10平方英尺，因此得到519363磅雨水。如果现在我们假设整个雨水量被夏季植物的根吸收，而夏季植物在种植四个月后就成熟，所以除了植物的叶子之外，没有一磅水蒸发掉；如果我们进一步假定这样吸收的水是饱和的腐殖酸盐石灰 (腐殖酸中最可溶的，并且在腐殖酸中含有的比例最大)；那么这样被营养的植物不会接收超过330磅的腐殖酸，因为一份腐殖酸盐石灰需要2500份的水溶解。但是，我们提到的土地面积产生2843磅玉米 (谷物和秸秆，不包括根部)，或22000磅的甜菜根 (没有叶和小的根生纤维)。很明显，植物吸收的330磅的腐殖酸，即使假设是正确的，整个雨水被植物吸收。也不能独立解释含在根和叶中的碳。但是，众所周知，只有一小部分落入地表的雨水可通过植物蒸发，所以通过腐殖酸以任何可想象的方式输送到植物中碳的数量与植物实际生产的相比较，一定是微不足道的。”

所以，这再一次证明从腐殖质中获得的碳不是植物碳的主要来源。

第二，证明腐殖质理论是错误的。即“人们普遍认为腐殖质是由植物腐烂产生的。因此，原始腐殖质是不可能存在，因为植物应该出现在腐殖质之前。那么第一批植物如何得到碳？”

第三，从大气碳平衡的角度证明植物的碳来源必须是大气。认为在动物的呼吸过程中和燃烧过程中都消耗氧并产生碳酸 (CO2)，但大气中的氧气1800年来也没有发生变化，碳酸也是如此，所以，植物碳的来源一定是完全来自于大气。即“动物呼出植物所吸收的碳，这样的介质成份保证了两者的生存，也就是大气的组成一直保持不变。”

第四，通过土壤腐殖质的变化说明土壤腐殖质不是植物碳的来源。即“植物在生长的正常条件下不消耗土壤中的碳，相反，它们增加土壤中的碳数量。但是，如果植物向土壤中回馈的碳确实比从土壤中获取的多，那么很明显，它们的生长必须依赖于以碳酸的形式从大气中吸收养分。腐殖质对植物的影响以最清楚和令人满意的方式解释了上述事实。”

至于土壤腐殖质所起的作用，李比希认为，

“腐殖质不是以不变的形态通过被吸收和同化而营养植物的，而是通过呈现一种缓慢而持久的碳酸来源，这种碳酸被根吸收，并且是幼小植物的主要营养物，那时它们缺乏叶子，无法吸收自大气的养料。 ”[19]

1840年，李比希发表《化学在农业和生理学上的应用》一书后，就引起了广泛的关注，同时也引起了极大的争议，在1840年到1865年的25年间，经过不断的争议与完善，形成了李比希在植物营养方面成熟的思想体系。这里以其1876年出版的第九版为例[20]，介绍李比希的思想体系。

在1865年李比希生前的最后一版著作中，将《化学在农业和生理学上的应用》一书的第一部分扩展成了两部分，第一部分为植物营养的化学过程；第二部分为农田耕作的历史规律，并加了一个长长的绪论。在绪论中解释了别人对李比希提出的观点的怀疑，并明确了一些理论。

3.3 “矿质营养学说”意涵与内容的完善

李比希在其绪论中明确了植物“矿质营养学说”的基本内容，并明确表达了矿质营养学说与腐殖质营养学说的不同。如“旧理论认为，农作物产量的植物营养来源于有机质，即来源于植物或动物的有机体。与这种理论相反，新学说认为，绿色植物的养料来源于非有机质，因为在植物机体里，植物是无机元素转化为有机物质的体现者。按照这种理论，植物的各部分都是由无机元素组成的，它是一个由简单化合物变成最复杂的机体组成部分，从而形成了活的有机体。与旧学说相对立，这个新学说叫做‘无机营养学说’，即‘矿质营养学说’。”

他进一步解释了“矿质营养学说”的内容：

“绿色植物的养料是无机质或矿物质。”

“植物吸收二氧化碳、铵、硝酸、水、磷酸、硫酸、硅酸、石灰、钾 (钠) 和铁，有些植物还需要一些食盐。”

“在土壤各个组成部分之间，那些参与植物生命活动的水和空气，及其与动植物机体的各个部分之间存在着一定联系。如果在无机物质转化成为有机体 (活动的体现者) 各环节中丧失一个环节，动植物生命就将停止。”

“厩肥、人畜粪便对植物生活的作用，不是其中有机营养元素所起的直接作用，而是由于间接的作用 (这些东西腐解的直接产物和分解转化的结果，是碳酸气和碳素；氮素化合物转化成铵或硝酸)，因此，动植物残体组成的有机肥，在土壤中分解成很多无机化合物。”

关于矿质营养学说的基本原理，在这版书中，也进行了完善，在第三版和第四版中，李比希表述的“矿质营养学说”的基本原理是：“作物产量的减少与增加与肥料中输送到田里的矿物质的减少或增加成准确的比例。”[21]而在第七版[20]中表述为，“产量的上升和下降，主要看恢复土壤肥力的因素，是增加了还是减少了。而且因为这些因素都是无机元素或称矿质元素，那么可以说，产量就决定于无机营养元素的增加或减少。”

在李比希的著作[19]中，高度评价了中国如何重视肥料和农业实践，即“中国人是最令人钦佩的园丁和植物培训师，他们了解如何准备和施用适应性最好的肥料。他们国家的农业是世界上最完善的；在那些最肥沃的地区，气候和欧洲没有什么不同，动物粪便的价值也很低。对于我们来说，厚厚的书本是写出来的，但没有进行实验；这种和那种植物所消耗的粪便数量用百分数来表示，然而我们不知道什么是粪便。”

4 李比希的争议

李比希的《化学在农业和生理学上的应用》一书出版以后，立即引起了巨大的争议，加之李比希的风格，招致了众多同行的不满。

首先，在这本书的前言中讲到“自从汉菲·戴维(Humphy Davy) 的《农业化学》以来，没有一个化学家致力于研究化学原理在植物生长和有机过程中的应用[19]”。这引起了法国布森高的同事杜马斯(Dumas) 的不满，在他的《有机界的化学和生理学平衡》一书第三版 (1844)，列举了8项化学在农业和生理学上的应用事例，以证明李比希的话是错误的。

李比希的矿物质理论也引起了腐殖质营养理论支持者的反对，较为典型的是马尔德，他继承了伯齐利厄斯关于土壤腐殖质的研究。李比希及其他反对腐殖质营养理论观点的人认为，土壤中有机质的有益作用是在其分解过程中，可持续供给二氧化碳给正在生长的植物。而马尔德不否认这个作用，但是坚持认为可溶性棕腐质氨盐、腐殖酸氨盐、赤榆酸氨盐、Procrenic和白腐酸氨盐可以被植物根系直接收吸并产生蛋白质。这个遭到了李比希的强烈反对。1846年，马尔德写了《对李比希的动物和植物生理化学的回答》一书与李比希进行了公开的论战，遗憾的是，在马尔德以后的著作中，他痴迷到全部反对李比希[2]。

与李比希有很大争议的是英国洛桑试验站的劳斯 (Lawes，1814—1900) 和吉尔伯特 (Gilbert，1817—1901)。总体上，劳斯不反对矿物质营养是植物必需的，但是，在植物氮的供应上存在严重的分歧。1855年，两人在《英国皇家农学会杂志》第16卷，发表了一篇91页的文章，题目为“关于农业化学的一些观点”，集中体现了劳斯观点与李比希观点的分歧，分歧主要表现在作物对氮素的需求和施用方法上[21]。

至1848年，李比希的《化学在农业和生理学上的应用》一书已有17个版本，其中德国4个，英国2个，美国2个，法国2个，丹麦、荷兰、意大利、波兰、俄罗斯各1个。随着时间的流逝，李比希在其不同的版本间都有修改，有时还完全相反，这引起了劳斯的反对，他举了一个第一版与第三版之间的完全相反的论述。同时，两人的分歧还在于，劳斯是以试验结果为依据的，主要指的是栽培的农作物，而李比希是基于理论分析，可能是栽培的农作物，有时也指一般的植物。这个在理解上也存在一定的差距[21]。

这里指出，李比希是化学家，是以有机化学分析而著称的，他没有进行过农业实践，特别是针对英国的具体实际，劳斯对李比希的表述则不完全同意。

对于严重的争议，李比希也进行很多的分析和田间试验，但由于经费的问题都没有象劳斯一样坚持下来[18]，以后也有很多人认为植物矿物质营养学说的原始提出不应该属于李比希，李比希自己在评价矿物质营养的作用时，说道：“他不是那条路的制造者，也不是那条路的发现者，更不是那条路的第一测绘者，但是，他是第一个唤起了大家对忽视的且容易获得的无限财富注意的人，他造就了过去只有贫穷的农民和小贩走而现在常有高级人士走的路。”[18]

李比希本人一直认为大家的争议是理论与实践的争议，这在其第七版的前言中表现得十分充分，由于他年事已高，不可能再进行长期的实验研究，他写到：“因为在农业上的每一个实验都要继续一年或几年才能得到正确的结论，那么，我几乎没有希望见到我的学说的最后结果了，最好的情况是我能够把我的学说阐述清楚，以便有谁详细读我著作的时候，不致引起许多误会。”[20]

5 矿质营养学说对农业的贡献

1942年，美国科学促进会以布朗 (Charles A.Browne) 为编辑委员会主席出版了一部纪念李比希矿质营养学说100周年的专辑，题为《Liebig and after Liebig—A century of progress in agricultural chemistry》，即《李比希及李比希以后—一个世纪农业化学的进展》，书中高度评价了李比希对农业的贡献，“李比希和李比希学说对于农业的影响是完全着重于化学，以至于在《化学在农业和生理学上的应用》一书出版以后的50年中，人们把化学看作是全部的农业科学”，迈耶 (Mayer) 在19世纪末说：“即使刻薄的批评家可以把李比希在农业化学上的具体成就说成一钱不值，但是他的影响在精神上的意义是任何人也否定不了的”[22]。

综合起来，可以把李比希在植物营养方面的贡献综合为以下几方面。

5.1 解决了作物的连作问题

李比希矿质营养学说的提出，并由此带动含矿物质肥料的应用，可满足植物对矿质营养元素的需求，这样极大地减少了由于长期连作带来的某些矿质营养元素的缺乏，使作物产量逐渐降低，以至于很多作物都不能进行连作。为了解决这个问题，以前的做法是通过休闲，使土壤中的养分释放积累到一定量再种植作物，或通过轮作的方法，减少某种养分的过度消耗，如果通过与豆科作物轮作时，实际上是利用豆科作物的固氮作用 (当时并不清楚) 提高了土壤中的氮素含量。

这样通过休闲或轮作的方法，实际上是利用了土壤微生物对土壤中迟效养分的释放，以利于作物的生长，矿物营养元素的直接施用，同样减少了作物对土壤微生物的依赖性。

5.2 极大地提高了土地的生产力

李比希矿质营养理论的提出，特别是归还学说，可以明确地表明土壤生产力的下降是由于生长在其上的作物吸收了土壤中的矿质成分，如果将作物吸收走了的矿质成分归还给土壤，也就是我们现在所说的定向培肥。李比希明确指出，“我们进一步知道，通过从土壤中去除这些物质，就会引起生产的不平衡，最终甚至缺乏肥力；但是通过恢复这些物质，肥力可以维持，甚至可以增加[19]”。通过土壤肥力的维持和提高，当时欧洲人不必再开垦原始肥力较高的土地进行种植，不仅节约了土地，而且也保护了生态环境。中国几千年来，通过施用农家肥，一直维持着中国几千年的文明发展。对此，李比希也给予了很高的评价，但是，这种经验式的培肥最终落后于了西方国家理论指导下的科学种植。

5.3 使工厂化农业成为可能

李比希矿质营养学说的提出，使人们完全认识了植物对营养物质吸收的本质是矿物质元素，只要通过给植物提供必要的营养元素，植物就可以健康生长，理论上可使植物的栽培离开土壤，将土壤对植物生长的物理支撑作用和化学营养作用完全分离，使得可以进行水培、砂培和基质栽培。物理基质的支撑作用替代了土壤的支撑作用，营养液替代了土壤的养分供应，使农业可以离开土壤进行工厂化栽培[23]。

6 对矿物质营养理论争议的思考

6.1 科学问题争议的解释

从1840年李比希的《化学在农业和生理学上的应用》一书的出版到现在已经有近200年了，在近200年中，过去争议的问题似乎已经被科学彻底解释了，这主要表现在两个方面：

一是，腐殖质营养的问题。目前利用水培等一系列现代化的手段证明植物在仅供应无机元素而没有腐殖质的情况下能顺利完成其生命周期，说明植物矿物质营养理论的正确性，同时土壤微生物的发现与研究证明了土壤有机质对植物营养的作用在于土壤有机质分解后所提供的矿质元素。

二是，作物的氮素需求问题。1888年，德国农学家对豆科植物固氮能力的发现，证明在豆科作物中，李比希所提出的不施氮肥或少施氮肥是正确的[24]。同样，1909年哈伯工业固氮及100多年来氮肥施用的实际证明劳斯的观点也是正确的，只是由于当时整个科学技术的水平限制才产生一系列的分歧[25]。所以，解决分歧问题需要长期的科学研究与探索，有些问题不可能在短时间内加以解决。

6.2 科学发现的归属问题

植物的矿质营养理论的发现是目前现代农业的三大理论基础之一[25]。但是，对矿质营养理论发现的归属一直存在较大的争议。但是，李比希在近20年的工作中，力排众议，维护和完善了植物的矿质营养理论。索秀尔和斯普林格仅仅通过一本著作或几篇文章发声，很快就淹没在了腐殖质营养理论的声涛之中，以至于几十年不为人知。这也表明历史选定了李比希为植物矿质营养学说的代表人物是合情合理的[18]。

7 现代对植物营养理论的质疑

李比希提出的矿物质营养理论经过近200年的实践证明，它在农业上发挥着巨大作用，同时，也为整个人类的发展做出了巨大的贡献。随着植物营养先驱们的远去，历史逐渐淡忘了他们研究中的不足，他们的真理就像航标灯指引着后继者的研究航向。然而，近年来，随着我国社会经济的发展，又出现了很多对“植物矿质营养理论”的质疑，原本是科学的发展对前者的质疑无可厚非，但是对植物矿质营养理论的质疑却显得十分离奇，对该理论的内涵缺乏全面了解。笔者以自己对植物营养理论的理解作一阐述。

7.1 理论与实践的问题

在19世纪的100年中，在植物营养物质的确定方面的争论，实际上是理论与实践的纷争，对于有机肥料，对其在作物栽培中的作用没有人怀疑[19]，所争论的是有机肥料中哪一部分对植物营养起决定作用的问题。经过100多年的研究，人们用现代科技手段也证明植物是以矿物质为主要营养物质的，而有机肥料中的腐殖质部分不是植物营养所必需成份，但从来没有人否定有机肥料在培肥地力中的作用。即使认为植物需要矿质营养的李比希，在其作物栽培过程中也采用的是有机肥料。但是，不同的人对有机肥料的认识存在着巨大的差异，有人认为有机肥料的作用是其中含有的腐殖质[14]，而有人则看重的是有机肥料可转化为矿物质[19]。离开这些理论之争，几千年来都认为有机肥料在提高作物产量方面的作用是巨大的。这种认识是从几千年的实践中得到的，正如英国植物学家和有机农业的奠基人艾伯特·霍华德 (Albert Howard，1873—1947) 表述的“腐殖质营养理论的表述可能是错误的，但腐殖质本身没有错”[9]。但是，认为有机肥料起作用的成份是矿物质，或有机物料转化为矿物质再起作用，则是理论问题。

7.2 关于植物的有机营养

植物营养的腐殖质理论可能是最早的植物有机营养理论。目前很多人提植物的有机营养[26]，甚至是植物的碳营养[27]，网络上也有重大争论[28]，有人认为“化学植物营养学最重大的失误是对植物碳营养吸收途径的看法。认为植物是通过叶片吸收二氧化碳，经叶绿素的光合作用转化为碳水化合物 (营养积累)，不认为植物根部也能直接吸收水溶性有机碳，进行营养积累”[29]。笔者仿佛回到18世纪末，从1797年的英格豪斯开始[3]，就认为植物碳的主要来源是大气中的CO2，直到现在也没有人否定植物根系可吸收少量含碳有机物[30]。但是，这些少量的有机质是否是植物碳的主要来源？是否用于了植物碳同化？至少现在的科学证据还没有达到令人信服的程度。目前化肥施用不当，造成了很多不利的影响，这只能归结于实践层面，多施用有机肥料，形成生态环境的良性循环，也是实践层面的内容，不能认为化肥造成了负面影响就认为植物矿物质理论有问题，更不能因为多施有机肥就认为植物以吸收有机物质为主要营养。如果把理论与实践问题混为一谈，则不利于科学的发展。也不能认为化肥造成了负作用，就认为植物矿物质营养不是真理而“贻害无穷了”[29]。

李比希提出的“植物矿质营养理论”的核心是“田里的作物产量的减少与增加与肥料中输送到田里的矿物质的减少或增加成准确的比例”。至于是什么矿物质，由于当时科学技术水平的限制，并没有确定，实际上，斯普林格在1826年就提出15种元素或20种元素是植物的必需营养元素，目前植物必需营养元素的标准是1931年阿尔农 (Daniel Israel Arnon，1910—1994) 等确定的[31]，经过60多年的研究，才确定了目前植物所需的17种营养元素，这是植物矿物质营养理论的延伸，这种研究还在继续，如果说其机械性，实际上1961年，英国布里斯托尔大学 (University of Bristol) 的朗阿什顿 (Ashton) 试验站的尼古拉斯 (Nicholas) 就提出过，把只要有营养功能的元素都作为植物必需营养元素。按他的标准，目前有21种植物必需元素[32]，这是具有标准的科学问题，如果这些元素能充分供应，植物就不会在营养方面表现出症状，至于限制植物生长的因子还有很多，所以，后又将最小养分律改为限制因子律就是这个道理。

现代研究证明，植物可以吸收很多种类的有机分子。但是，这些有机分子在植物体内能否直接参与植物代谢尚待研究，目前所能证明的是这些有机分子大部分参与了植物生长的刺激和调节作用[33-34]，这就是施用少量的有机化合物，可以得到几倍乃至几十倍于施碳量的生物量。如果认为是碳的直接营养作用，即使不考虑其利用率，也仅能生产施碳量的1.724倍。所以，植物吸收的有机碳不是直接参与了植物的碳代谢，而是产生的生长刺激作用。从整个自然界考虑，植物的功能是将无机碳转化为有机碳，从而将太阳能存贮在含碳有机化合物中，为动物提供营养和能量。如果直接施用有机化合物如糖、氨基酸等作为植物营养物，植物的功能将不再能发挥，植物在整个生态系统中的功能就失去了意义。所以，植物有机碳营养的提法尚需谨慎。

目前，我国肥料总体处于供大于销的产能过剩的状态，各生产厂家都在积极创新，为保证我国粮食安全和生态安全做出新的贡献。但是，也有一些厂家为了找“卖点”，不惜在植物营养理论方面动脑筋，找出一些违背科学，甚至是伪科学的卖点，需要广大消费者擦亮眼睛，以防受骗上当。

植物营养与肥料科学是不断发展的，即使今天，关于腐殖质的研究还在努力进行，只是，人们关注的焦点已不在于它是否是植物的唯一营养，而是它对土壤肥力的贡献及腐殖质的结构[35]，对植物生长的刺激作用[36]等方面。所以，从19世纪到现在，都没有否定植物对有机物质，特别是水溶性小分子有机物质的吸收，但是目前较一致的观点还是它对植物生长的刺激作用，而不是营养作用[37]。

注 释：

[注1] 约䎐·乔基姆·贝希尔 (Johann Joachim Becher，1635—1682)，是一名德国医生、炼金术士、化学先驱、学者和冒险家，以发展燃素燃烧理论和促进奥地利官房主义而闻名[38]。

[注2] 这里所说的火是指二氧化碳，这是“燃素理论”的术语。

[注3] 也有人将其翻译为“华莱士”，他是瑞典的化学家和矿物学家，是农业化学的奠基人之一[2]。也有人认为他是第一个提出“腐殖质”这一名称的[37]。

[注4] 固定空气 (fixed air) 是18世纪的化学用语，即现在的二氧化碳。

[注5] 当时把氮气 (N2) 称为有毒空气 (mephitic)。

[注6] 碳酸是19世纪化学家对二氧化碳的叫法，在李比希的著作中，全部将二氧化碳称为“碳酸”。

[注7] 该书在第一个英文版和第一个美国版出版时的名称为《Organic Chemistry in Its Applications to Agriculture and Physiology》，所以，在很多文章中称为《有机化学在农业和生理学上的应用》，在其第二版以后均采用了《Chemistry in Its Applications to Agriculture and Physiology》；还由于当时它几乎包含有农业化学的全部，所以也有人称李比希的著作为《农业化学》。

[注8] 黑森英亩 (Hessian acre)，一黑森英亩等于40000平方英尺，相当于0.9183英亩。以英国的测量单位，1黑森英亩等于26910平方英尺，即0.6178英亩。根据李比希的著作中上下文的意思，应该为26910平方英尺。

[注9] 这里实际上是指钙的氧化物，也可以认为是钙元素。