從化學與生物學的角度看土壤的退化與修復

過量和不合理使用化肥導致我國土壤嚴重退化

 

中國是一個地少人多的發展中國家，擁有世界7%的土地，養活了世界22%的人口，同時也消耗了世界35%的化肥，中國農業對化肥的依賴已達到不可取代的地步。

 

化肥的過量和不合理使用帶來了一系列不良后果。首先是土地資源的破壞。長期過度依賴化學肥料，加上不合理的施用N、P 肥，有機肥和中微量元素肥料投入不足，長期規模化單一種植模式致使土壤中某些中微量元素有效性下降，微生物多樣性減少，種群結構失衡，土壤結構惡化，養分失衡。土壤結構破壞、酸化、鹽化，耕地退化，土傳病害猖獗又使得化學農藥使用量猛增，蟲害抗藥性增加，土地資源遂進入惡化循環。土壤板結就是土壤退化最表觀、最顯著的特征。

 

其次是能源和資源的巨大浪費。中國主要存在的問題是化肥利用率較低，如氮肥只有35%左右，比發達國家平均低10%以上。根據國家統計局數據，2013 年我國共生產  化肥7153.7 萬噸，能源消費總量折標準煤8841 萬噸。

 

再次是環境污染使農產品質量安全危機嚴重。硝酸鹽、亞硝酸鹽嚴重累積。在北方某些農業高度集約化的地區，氮肥的不合理施用導致地下水硝酸鹽超標，有些地區竟達到100%的嚴重超標程度。陜西某地“肥水井”的出現，也與氮肥大量施用引起的硝酸鹽污染有直接關系。在我國南方經濟發達地區，氮磷肥過度施用導致地表水富營養化、湖泊嚴重污染。

 

此外，蔬菜中硝酸鹽超標，大氣中氧化亞氮排放量增加，沿海城市赤潮現象的發生以及厄爾尼諾現象在全球范圍內肆虐等環境問題，也與肥料不合理施用對環境產生的負面影響密切相關。環境污染使農產品質量安全危機嚴重。農產品品質低下以及有害物質超標，尤其是蔬菜中的亞硝酸鹽嚴重超標，對我國居民的健康構成了巨大的潛在威脅。人大代表在人大會議發言中說“肉不香，魚不鮮，果不甜，菜無味，慢性中毒是人民、民族、國家的潛在殺手”。同時，由于化肥利用率降低，產量難于增加，而持續增長的人口、耕地的減少和自然災害的不可預見性，已嚴重威脅中國糧食安全。

 

土地資源破壞最顯著表現是土壤板結，造成土壤板結的主要原因有以下三方面：

一是不正確及過量施用磷肥。土壤中的陽離子以二價的鈣、鎂離子為主，以鍵橋形式將土壤微粒連接成大顆粒形成土壤團粒結構。向土壤中施入磷肥時，磷肥中的磷酸根離子與土壤中鈣、鎂等陽離子結合形成難溶性磷酸鹽，即浪費磷肥，又破壞了土壤團粒結構，致使土壤板結。

 

二是過量或濫施其它化肥。有機質含量是土壤肥力和團粒結構的一個重要指標，土壤有機質是土壤團粒結構的重要組成部分。土壤有機質的分解是以微生物的活動來實現的。土壤中過量施入氮肥之后，微生物的氮素供應每增加1份，相應消耗的碳素就增加25份，所消耗的碳素來源于土壤有機質。由于大量秸桿焚燒，有機質補充受阻，加之碳素的消耗致使有機質降低，反過來影響土壤團粒結構的形成，導致土壤板結。

 

三是向土壤中過量施入鉀肥時，鉀肥中的鉀離子置換性特別強，能將形成土壤團粒結構的多價陽離子置換出來，而一價的鉀離子不具有鍵橋作用，土壤團粒結構的鍵橋被破壞了，也就破壞了團粒結構，致使土壤板結。

 

所以化肥的過量或不合理使用，都是造成土壤板結和退化非常重要的原因。

 

如何修復土壤退化

 

土壤退化和修復有三個關鍵問題——肥料、有機質、有益微生物，從這三方面著手，土壤修復應該不是很難的問題。

 

就肥料來說，應該大力應用生物堆肥發酵磷肥，這是解決土壤板結、節約資源的重大舉措。

 

我國磷礦類型主要是沉積磷礦，以中低品位為主，含雜質多，采選難度大，富集成本高，在現有經濟技術條件下，不適于用化學的方法加工生產。目前普遍使用的化學加工法使大量中低品位磷礦成為一種“雞肋”資源。國土資源部已經將磷礦列為2010 年后不能滿足國民經濟發展需求的重要礦種之一，發展低濃度磷肥產業已迫在眉睫。

 

實際上，農作物大部分時間是在利用難溶性磷酸鹽。如何開發出一種新的磷肥生產工藝，以充分利用中低品位磷礦資源，同時改進產品的物理性狀，提高其在土壤中的抗固能力，增強有效性，對于保持磷肥工業的可持續發展有著重要的現實意義和戰略意義。一般磷肥利用率只10～25%，而70%左右的可溶性磷化鹽與土壤中的鈣離子結合，又變成難溶性的磷酸鹽。那么，我們為什么不考慮將大量中低品位“雞肋”磷礦直接作為肥料來用，而是耗費大量資源將難溶磷酸鹽變成所謂可溶性磷肥，同時把有用的巖礦粉扔掉呢？

 

我們現在做的工作是，把中低品位的磷礦原料與農家肥等有機質一起，經多種有益菌包括解磷菌，發酵生產出生物有機肥。該類型高磷生物有機肥施入土壤后，一部分速效磷被植物吸收，而肥料中的解磷菌種繼續釋放磷，經大田試驗效果良好，可以替代50%以上化學磷肥。微生物態高磷生物有機肥的研究開發，能很好地解決目前磷肥生產和田間施肥中存在的尤其是土壤板結和資源利用的各種問題，是我國磷肥生產和利用值得大力推廣的技術。但是，由于現有國家農業部新修改的生物有機肥標準，大幅增加了有機質含量，取消了對氮磷鉀養分的要求，致使我們在2008 年已經研發出來的高磷生物有機肥技術，至今推廣不了。

 

就有機質和有益微生物來說，應該大力推廣以生物技術為基礎的生態農業種植技術。但能不能不計成本地提高質量和產量？我認為很難做到。例如，讓農民施加大量的有機肥或生物有機肥，這樣的高成本投入，農民是沒辦法接受的，也是不能推廣的。

 

就目前農業現狀來說，只有將生物、化學與先進農藝結合起來才是正確方向。在這方面我們有成功的技術，可稱之為“大田糧食作物生物配肥技術”，可簡單概括為“種肥同穴、精準施肥、精量播種、節能種植”，其核心是高磷生物有機肥與種子同穴（溝）播施。該技術將生物有機肥直接作用于植物根際，不僅有利于有益菌在植物根系周圍的快速定殖與繁殖，構建健康和高產土壤微生物區系關鍵結構，而且有利于氮磷鉀的快速轉化與吸收，提高了化肥利用率。這樣一來，土壤中沒有吸收的、難溶解的包括加進去的磷酸鹽，通過菌種轉化，不僅減少板結（沒有鈣、鎂離子爭奪），還節約資源，何樂而不為？同時，我們把微量元素加在生物肥中，可達到四兩撥千斤的效果。例如，硒是植物中的關鍵性的微量元素，還可以抗癌，如果種肥同穴，就能以較低成本種出富硒農產品。

 

當然，“生物配肥技術”離不開現代農業機械完成科技成果應用的最后一公里。采用秸桿還田或不處理秸桿的一次性免耕播種，不破壞土壤結構，實現低碳節約種植，可大大增加土壤有機質；實現種子-生物肥同穴播種和化肥深施、穴施、緩釋，可大幅度提高肥料利用率，減少化肥施用量。例如，我們研制的一種深松免耕種肥同穴玉米-豆類播種機，在山西聞喜縣進行了夏玉米種植示范。在不增加化肥的基礎上，每畝增施“沃豐生物有機肥”20 斤（成本12 元），畝產達1450 斤(此地采用傳統耕作的玉米畝產為1200 斤)，增產幅度達20%。

 

從深層次上講，土壤修復還有政策或體制上的問題。在我國，有效的科技成果往往沒有用武之地，主要原因有三：一是農業科技成果推廣涉及眾多部門,結果是誰都管誰也不管。二是對科技成果推廣缺乏有效支持,例如,政府農業招標項目中,一般是不能將農業科技成果作為招標條件優先考慮的,常被解釋為這樣有悖公平。三是農業科技項目的決策者常常被少數所謂“權威”把待,圈外人難以進入；重研發，輕推廣，科技成果推廣缺少有效支持，項目少之又少。例如，2016 國家重點研發計劃專項“化學肥料和農藥減施增效綜合技術研發”, 要求申報必須覆蓋項目所有內容，其中有一項是能夠通過航測測定土壤肥料含量。且不論該項申報入門門檻之高，僅就其化肥減量、大田作物增產這一項最重要目標來講，我們推廣的“大田糧食作物生物配肥集成技術”已經超額完成了國家科技部2020 年的提質、節本、增效的目標。這還需花大錢研發嗎？為什么就不能多關注一下農業科技成果推廣? 我們認為農業科技包括土地修復技術并不缺乏，缺乏的是農業科技成果推廣的健康環境。