從化學(xué)與生物學(xué)的角度看土壤的退化與修復(fù)

劉滇生

過(guò)量和不合理使用化肥導(dǎo)致我國(guó)土壤嚴(yán)重退化

中國(guó)是一個(gè)地少人多的發(fā)展中國(guó)家，擁有世界7%的土地，養(yǎng)活了世界22%的人口，同時(shí)也消耗了世界35%的化肥，中國(guó)農(nóng)業(yè)對(duì)化肥的依賴已達(dá)到不可取代的地步。

化肥的過(guò)量和不合理使用帶來(lái)了一系列不良后果。首先是土地資源的破壞。長(zhǎng)期過(guò)度依賴化學(xué)肥料，加上不合理的施用N、P肥，有機(jī)肥和中微量元素肥料投入不足，長(zhǎng)期規(guī)?；瘑我环N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(jié)構(gòu)失衡，土壤結(jié)構(gòu)惡化，養(yǎng)分失衡。土壤結(jié)構(gòu)破壞、酸化、鹽化，耕地退化，土傳病害猖獗又使得化學(xué)農(nóng)藥使用量猛增，蟲(chóng)害抗藥性增加，土地資源遂進(jìn)入惡化循環(huán)。土壤板結(jié)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(fèi)。中國(guó)主要存在的問(wèn)題是化肥利用率較低，如氮肥只有35%左右，比發(fā)達(dá)國(guó)家平均低10%以上。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2013年我國(guó)共生產(chǎn)化肥7153.7萬(wàn)噸，能源消費(fèi)總量折標(biāo)準(zhǔn)煤8841萬(wàn)噸。

再次是環(huán)境污染使農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全危機(jī)嚴(yán)重。硝酸鹽、亞硝酸鹽嚴(yán)重累積。在北方某些農(nóng)業(yè)高度集約化的地區(qū)，氮肥的不合理施用導(dǎo)致地下水硝酸鹽超標(biāo)，有些地區(qū)竟達(dá)到100%的嚴(yán)重超標(biāo)程度。陜西某地“肥水井”的出現(xiàn)，也與氮肥大量施用引起的硝酸鹽污染有直接關(guān)系。在我國(guó)南方經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，氮磷肥過(guò)度施用導(dǎo)致地表水富營(yíng)養(yǎng)化、湖泊嚴(yán)重污染。此外，蔬菜中硝酸鹽超標(biāo)，大氣中氧化亞氮排放量增加，沿海城市赤潮現(xiàn)象的發(fā)生以及厄爾尼諾現(xiàn)象在全球范圍內(nèi)肆虐等環(huán)境問(wèn)題，也與肥料不合理施用對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響密切相關(guān)。環(huán)境污染使農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全危機(jī)嚴(yán)重。農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)低下以及有害物質(zhì)超標(biāo)，尤其是蔬菜中的亞硝酸鹽嚴(yán)重超標(biāo)，對(duì)我國(guó)居民的健康構(gòu)成了巨大的潛在威脅。人大代表在人大會(huì)議發(fā)言中說(shuō)“肉不香，魚(yú)不鮮，果不甜，菜無(wú)味，慢性中毒是人民、民族、國(guó)家的潛在殺手”。同時(shí)，由于化肥利用率降低，產(chǎn)量難于增加，而持續(xù)增長(zhǎng)的人口、耕地的減少和自然災(zāi)害的不可預(yù)見(jiàn)性，已嚴(yán)重威脅中國(guó)糧食安全。

土地資源破壞最顯著表現(xiàn)是土壤板結(jié)，造成土壤板結(jié)的主要原因有以下三方面：

一是不正確及過(guò)量施用磷肥。土壤中的陽(yáng)離子以二價(jià)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(tuán)粒結(jié)構(gòu)。向土壤中施入磷肥時(shí)，磷肥中的磷酸根離子與土壤中鈣、鎂等陽(yáng)離子結(jié)合形成難溶性磷酸鹽，即浪費(fèi)磷肥，又破壞了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，致使土壤板結(jié)。

二是過(guò)量或?yàn)E施其它化肥。有機(jī)質(zhì)含量是土壤肥力和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要指標(biāo)，土壤有機(jī)質(zhì)是土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的重要組成部分。土壤有機(jī)質(zhì)的分解是以微生物的活動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。土壤中過(guò)量施入氮肥之后，微生物的氮素供應(yīng)每增加1份，相應(yīng)消耗的碳素就增加25份，所消耗的碳素來(lái)源于土壤有機(jī)質(zhì)。由于大量秸桿焚燒，有機(jī)質(zhì)補(bǔ)充受阻，加之碳素的消耗致使有機(jī)質(zhì)降低，反過(guò)來(lái)影響土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，導(dǎo)致土壤板結(jié)。

三是向土壤中過(guò)量施入鉀肥時(shí)，鉀肥中的鉀離子置換性特別強(qiáng)，能將形成土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的多價(jià)陽(yáng)離子置換出來(lái)，而一價(jià)的鉀離子不具有鍵橋作用，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的鍵橋被破壞了，也就破壞了團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，致使土壤板結(jié)。

所以化肥的過(guò)量或不合理使用，都是造成土壤板結(jié)和退化非常重要的原因。

如何修復(fù)土壤退化

土壤退化和修復(fù)有三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題——肥料、有機(jī)質(zhì)、有益微生物，從這三方面著手，土壤修復(fù)應(yīng)該不是很難的問(wèn)題。

就肥料來(lái)說(shuō)，應(yīng)該大力應(yīng)用生物堆肥發(fā)酵磷肥，這是解決土壤板結(jié)、節(jié)約資源的重大舉措。

我國(guó)磷礦類型主要是沉積磷礦，以中低品位為主，含雜質(zhì)多，采選難度大，富集成本高，在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，不適于用化學(xué)的方法加工生產(chǎn)。目前普遍使用的化學(xué)加工法使大量中低品位磷礦成為一種“雞肋”資源。國(guó)土資源部已經(jīng)將磷礦列為2010年后不能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的重要礦種之一，發(fā)展低濃度磷肥產(chǎn)業(yè)已迫在眉睫。

實(shí)際上，農(nóng)作物大部分時(shí)間是在利用難溶性磷酸鹽。如何開(kāi)發(fā)出一種新的磷肥生產(chǎn)工藝，以充分利用中低品位磷礦資源，同時(shí)改進(jìn)產(chǎn)品的物理性狀，提高其在土壤中的抗固能力，增強(qiáng)有效性，對(duì)于保持磷肥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)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(jié)合，又變成難溶性的磷酸鹽。那么，我們?yōu)槭裁床豢紤]將大量中低品位“雞肋”磷礦直接作為肥料來(lái)用，而是耗費(fèi)大量資源將難溶磷酸鹽變成所謂可溶性磷肥，同時(shí)把有用的巖礦粉扔掉呢？

我們現(xiàn)在做的工作是，把中低品位的磷礦原料與農(nóng)家肥等有機(jī)質(zhì)一起，經(jīng)多種有益菌包括解磷菌，發(fā)酵生產(chǎn)出生物有機(jī)肥。該類型高磷生物有機(jī)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(xù)釋放磷，經(jīng)大田試驗(yàn)效果良好，可以替代50%以上化學(xué)磷肥。微生物態(tài)高磷生物有機(jī)肥的研究開(kāi)發(fā)，能很好地解決目前磷肥生產(chǎn)和田間施肥中存在的尤其是土壤板結(jié)和資源利用的各種問(wèn)題，是我國(guó)磷肥生產(chǎn)和利用值得大力推廣的技術(shù)。但是，由于現(xiàn)有國(guó)家農(nóng)業(yè)部新修改的生物有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)，大幅增加了有機(jī)質(zhì)含量，取消了對(duì)氮磷鉀養(yǎng)分的要求，致使我們?cè)?008年已經(jīng)研發(fā)出來(lái)的高磷生物有機(jī)肥技術(shù)，至今推廣不了。

就有機(jī)質(zhì)和有益微生物來(lái)說(shuō)，應(yīng)該大力推廣以生物技術(shù)為基礎(chǔ)的生態(tài)農(nóng)業(yè)種植技術(shù)。但能不能不計(jì)成本地提高質(zhì)量和產(chǎn)量？我認(rèn)為很難做到。例如，讓農(nóng)民施加大量的有機(jī)肥或生物有機(jī)肥，這樣的高成本投入，農(nóng)民是沒(méi)辦法接受的，也是不能推廣的。就目前農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，只有將生物、化學(xué)與先進(jìn)農(nóng)藝結(jié)合起來(lái)才是正確方向。在這方面我們有成功的技術(shù)，可稱之為“大田糧食作物生物配肥技術(shù)”，可簡(jiǎn)單概括為“種肥同穴、精準(zhǔn)施肥、精量播種、節(jié)能種植”，其核心是高磷生物有機(jī)肥與種子同穴（溝）播施。該技術(shù)將生物有機(jī)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(gòu)建健康和高產(chǎn)土壤微生物區(qū)系關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，而且有利于氮磷鉀的快速轉(zhuǎn)化與吸收，提高了化肥利用率。這樣一來(lái)，土壤中沒(méi)有吸收的、難溶解的包括加進(jìn)去的磷酸鹽，通過(guò)菌種轉(zhuǎn)化，不僅減少板結(jié)（沒(méi)有鈣、鎂離子爭(zhēng)奪），還節(jié)約資源，何樂(lè)而不為？同時(shí)，我們把微量元素加在生物肥中，可達(dá)到四兩撥千斤的效果。例如，硒是植物中的關(guān)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(nóng)產(chǎn)品。

當(dāng)然，“生物配肥技術(shù)”離不開(kāi)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械完成科技成果應(yīng)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(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)低碳節(jié)約種植，可大大增加土壤有機(jī)質(zhì)；實(shí)現(xiàn)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(jī)，在山西聞喜縣進(jìn)行了夏玉米種植示范。在不增加化肥的基礎(chǔ)上，每畝增施“沃豐生物有機(jī)肥”20斤（成本12元），畝產(chǎn)達(dá)1450斤（此地采用傳統(tǒng)耕作的玉米畝產(chǎn)為1200斤），增產(chǎn)幅度達(dá)20%。

從深層次上講，土壤修復(fù)還有政策或體制上的問(wèn)題。在我國(guó)，有效的科技成果往往沒(méi)有用武之地，主要原因有三：一是農(nóng)業(yè)科技成果推廣涉及眾多部門，結(jié)果是誰(shuí)都管誰(shuí)也不管。二是對(duì)科技成果推廣缺乏有效支持，例如，政府農(nóng)業(yè)招標(biāo)項(xiàng)目中，一般是不能將農(nóng)業(yè)科技成果作為招標(biāo)條件優(yōu)先考慮的，常被解釋為這樣有悖公平。三是農(nóng)業(yè)科技項(xiàng)目的決策者常常被少數(shù)所謂“權(quán)威”把待，圈外人難以進(jìn)入；重研發(fā)，輕推廣，科技成果推廣缺少有效支持，項(xiàng)目少之又少。例如，2016國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)“化學(xué)肥料和農(nóng)藥減施增效綜合技術(shù)研發(fā)”， 要求申報(bào)必須覆蓋項(xiàng)目所有內(nèi)容，其中有一項(xiàng)是能夠通過(guò)航測(cè)測(cè)定土壤肥料含量。且不論該項(xiàng)申報(bào)入門門檻之高，僅就其化肥減量、大田作物增產(chǎn)這一項(xiàng)最重要目標(biāo)來(lái)講，我們推廣的“大田糧食作物生物配肥集成技術(shù)”已經(jīng)超額完成了國(guó)家科技部2020年的提質(zhì)、節(jié)本、增效的目標(biāo)。這還需花大錢研發(fā)嗎？為什么就不能多關(guān)注一下農(nóng)業(yè)科技成果推廣？ 我們認(rèn)為農(nóng)業(yè)科技包括土地修復(fù)技術(shù)并不缺乏，缺乏的是農(nóng)業(yè)科技成果推廣的健康環(huán)境。