有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境中的作用演變

郝麗娜+吳海華+劉廷+曾洪壽

摘 要：通過綜述和評(píng)價(jià)有機(jī)肥在我國不同時(shí)期的施用態(tài)勢，討論其在農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境中的作用演變。由分析可知，有機(jī)肥在我國早期主要起為作物供肥，完成養(yǎng)分循環(huán)的作用；在現(xiàn)代，有機(jī)肥和化肥配施不但能提高作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)，同時(shí)有機(jī)肥的施用還可以改善土壤的理化性質(zhì)，培肥地力；有機(jī)肥的新產(chǎn)品，生物有機(jī)肥和生物黑炭將對(duì)可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境起不可估量的作用，將是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的希望之肥。

關(guān)鍵詞：有機(jī)肥 農(nóng)業(yè) 生態(tài)環(huán)境 演變 生物黑炭

中國在歷史上長期處于古老農(nóng)業(yè)大國的地位，先民用自己的智慧與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)獲得了用肥養(yǎng)地的知識(shí)，逐步形成了用地與養(yǎng)地相結(jié)合的耕種傳統(tǒng)，使我國幾千年的土壤肥力與糧食生產(chǎn)得到相對(duì)的穩(wěn)定。因此，中國的傳統(tǒng)用肥過程，就是歷史上施有機(jī)肥過程[1]。在農(nóng)業(yè)發(fā)展中，有機(jī)肥的施用經(jīng)歷了3個(gè)階段，即在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中以施用有機(jī)肥為主的時(shí)期；自化肥問世后，有機(jī)肥悄悄退出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的舞臺(tái)；現(xiàn)階段又重新重視有機(jī)肥的施用。那么，有機(jī)肥在漫長的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中扮演何角色，有何演變。為此，本文對(duì)有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所起的作用進(jìn)行分析，以期詮釋有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用演變。

1 早期的有機(jī)肥

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中種植業(yè)的發(fā)展離不開肥料。我國農(nóng)田施肥始于殷商朝代，至今已有5000多年歷史。在悠久漫長的歷史長河中，古代勞動(dòng)人民為了發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，不斷向大自然索取，想方設(shè)法擴(kuò)大肥源，開拓了種類繁多的有機(jī)肥源，給我們留下了極其豐富珍貴的農(nóng)業(yè)遺產(chǎn)——有機(jī)肥。在20世紀(jì)70年代末以前，我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中還是以施用有機(jī)肥為主[2]。

在單施有機(jī)肥階段，將家庭排泄物作為主要肥料來源，形成了一個(gè)家庭圈的物質(zhì)小循環(huán)，在此過程中既提高了土壤質(zhì)量，又增加了土壤有機(jī)碳的含量[3-6]。因此，農(nóng)家肥的施用是我國土壤肥力持續(xù)保持的重要因素[7]。在有機(jī)肥施用的第一個(gè)階段中，有機(jī)肥主要是為了維持和提高農(nóng)田土壤肥力，促進(jìn)營養(yǎng)元素循環(huán)，并且提高作物的產(chǎn)量。該時(shí)期由于人口少，需求量小，加之交通不發(fā)達(dá)，農(nóng)產(chǎn)品的消耗方式主要以自產(chǎn)自消為主。因此，養(yǎng)分資源主要在局部地域范圍內(nèi)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 現(xiàn)階段的有機(jī)肥

2.1 有機(jī)肥的缺位

近代農(nóng)業(yè)化學(xué)家李比希在1840年出版的《有機(jī)化學(xué)在農(nóng)業(yè)和生理學(xué)中的應(yīng)用》中，科學(xué)、系統(tǒng)地論證了土壤的肥力問題，他認(rèn)為除碳、氫、氧和氮外，植物還需要許多其他的元素，例如硫、鉀、磷、鐵、鈣、錳、硅等營養(yǎng)元素。為了不使因?yàn)橹参锊粩辔丈鲜龈鞣N元素而使土壤逐漸貧瘠，從而最終導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降，就必須對(duì)土壤施用人造肥料。1843年世界上第一個(gè)化學(xué)肥料——過磷酸鈣研制成功，這標(biāo)志著化肥統(tǒng)領(lǐng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的時(shí)代開始了。

世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的實(shí)踐證明，化肥的施用是最快最有效的增產(chǎn)措施[2]。由于有機(jī)肥肥效長，分解釋放養(yǎng)分相對(duì)緩慢，當(dāng)季釋放養(yǎng)分量占總氮的30%～50 %[8-9]。因此，自化肥出現(xiàn)后，人們熱衷于用化肥來代替有機(jī)肥，以謀求更高的糧食產(chǎn)量。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織報(bào)道，從1961年到2001年的40 年間，世界化肥用量從0. 31 × 108 t 增加到1. 38 × 108 t，而糧食的總產(chǎn)量也相應(yīng)的從8. 77 ×108 t 增加到21. 66 × 108 t，單位面積產(chǎn)量從1. 35 t/hm2 增加3. 11 t/hm2，他們同時(shí)指出，發(fā)展中國家施肥平均可以使糧食單產(chǎn)提高51. 4 %[2]。隨著化肥大量的施用，農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境面臨巨大的挑戰(zhàn)。據(jù)吳樂知[10]報(bào)道，單施某種無機(jī)化肥使土壤有機(jī)碳呈負(fù)增長的趨勢，而碳含量的高低直接反應(yīng)了土壤肥力的高低。我國的化肥施用量正在逐年增加，中外專家指出中國農(nóng)民濫用化肥已嚴(yán)重危害到人體健康和環(huán)境質(zhì)量，中國過量使用化肥已到極限[11]。由此可見，我國農(nóng)田的有機(jī)質(zhì)正在被快速消耗[10]，生態(tài)環(huán)境正在向不平衡的方向發(fā)展。

2.2 現(xiàn)階段有機(jī)肥的作用

2.2.1 改善土壤理化性質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)含有常量、微量元素，對(duì)植物生長起著至關(guān)重要的作用，它不僅是土壤微生物生命活動(dòng)的能源，而且反映土壤肥力高低及土壤作物生態(tài)系統(tǒng)的重要指標(biāo)[12]。施用有機(jī)肥可以提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量，且改善土壤的理化性質(zhì)。長期施用有機(jī)肥可以提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量，與單施化肥處理相比，有機(jī)質(zhì)提高了18.8 %[13]。王飛[14]等研究表明，施用有機(jī)肥可以提高土壤酶（脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶）活性。同時(shí)，施用有機(jī)肥還可以降低土壤pH，顯著提高土壤微生物的數(shù)量，改善微生物營養(yǎng)條件，使微生物保持較高活性，提高土壤微生物的多樣性[15-16]。趙紅[17]、王寶檔[18]等研究表明，有機(jī)肥可以增加土壤中的非水穩(wěn)定性團(tuán)聚體、水穩(wěn)定性團(tuán)聚體及耕層下微團(tuán)聚體含量，使土壤疏松，陽離子交換量增大。在改良土壤方面，董印麗[19]、高亮[20]等研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥對(duì)鹽化潮土以及鹽堿地的改良效果明顯。因此，有機(jī)肥是改良土壤經(jīng)濟(jì)有效的措施。

2.2.2 提升農(nóng)作物的產(chǎn)量，改善農(nóng)作物品質(zhì)

正是由于化肥所帶來的負(fù)面影響，讓農(nóng)業(yè)科研工作者開始重新認(rèn)識(shí)有機(jī)肥。2004年至今，中央“1號(hào)文件”連續(xù)提出提高土壤有機(jī)質(zhì)的要求，并制定了發(fā)展“生態(tài)農(nóng)業(yè)”的規(guī)劃，這促使了有機(jī)肥再次從幕后走到臺(tái)前。近幾年，研究人員肯定了有機(jī)肥對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)的重要意義，通過有機(jī)肥來改善低肥力土壤的養(yǎng)分狀況，藏糧于田，已成為農(nóng)業(yè)專家的共識(shí)[21]。但由于有機(jī)肥的養(yǎng)分釋放緩慢，不足于滿足當(dāng)季作物對(duì)養(yǎng)分的需求。因此，實(shí)行有機(jī)肥與化肥配施的施肥方式就成了目前的最佳施肥方式。在糧食作物上，有研究證明[22]，施用有機(jī)肥和化肥可以明顯提高小麥產(chǎn)量和土壤肥力，且有機(jī)肥與化肥配施比單施化肥效果好。羅連光[23]等也證明了有機(jī)肥與化肥配施，能顯著增加水稻的產(chǎn)量。在經(jīng)濟(jì)作物上，有機(jī)肥與化肥配施可以提高烤煙的產(chǎn)量和質(zhì)量[24]。在對(duì)果樹研究方面，高樹青[25]等驗(yàn)證了有機(jī)肥與化肥配施不但能提高果實(shí)產(chǎn)量，還能提高果實(shí)的品質(zhì)。

2.2.3 對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響

有機(jī)肥的施用對(duì)生態(tài)環(huán)境有積極作用。土壤有機(jī)質(zhì)是最重要的自然資源之一，它不僅僅是為了保證糧食安全而在可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起重要作用的關(guān)鍵因素，而且也是影響全球碳循環(huán)的基礎(chǔ)因素；土壤有機(jī)碳庫儲(chǔ)量（1550Pg）是大氣碳庫（760Pg）的2倍，因此土壤碳庫的微小擾動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致大氣CO2濃度發(fā)生很大的變化，進(jìn)而影響全球變化[26]。在全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中，只有農(nóng)業(yè)土壤碳庫是受到強(qiáng)烈的認(rèn)為干擾，且在較短時(shí)間尺度上可以調(diào)節(jié)的碳庫[27]。

目前，生物黑炭引起了世界學(xué)者的關(guān)注。生物黑炭，是生物有機(jī)碳在無氧狀態(tài)高溫裂解下分離可燃?xì)夂笫Ｓ嗟奶炕碑a(chǎn)品[28]。這種技術(shù)在生物能轉(zhuǎn)化的能量利用上優(yōu)于其他生物技術(shù)，不僅是因?yàn)槠洚a(chǎn)物保留了多余50 %能量的生物質(zhì)碳，更重要的是其產(chǎn)品的田間施用可以改善土壤的理化性質(zhì)，從而提高作物產(chǎn)量，增加土壤碳庫并減少其他溫室氣體的排放；多處田間試驗(yàn)表明，農(nóng)田施用20 t/hm2以上的生物黑炭，大約可以減少10 %的肥料投入量，這對(duì)農(nóng)業(yè)減排具有特別的意義；同時(shí)，在退化和酸性土壤上，通過提高土壤肥力，生物黑炭施用能不同程度地穩(wěn)定或者保持作物在極端氣候下的生產(chǎn)力，因而有助于農(nóng)業(yè)適應(yīng)和減緩氣候變化的影響[28-29]。由于生物碳富含有機(jī)碳，因此可以增加土壤有機(jī)碳含量[30]，以及土壤有機(jī)質(zhì)[31]或腐殖酸含量，從而可以提高土壤養(yǎng)分吸持容量及持水容量[32]。張阿鳳[33]、何緒生[34]等的研究表明生物質(zhì)炭可以大幅度提升土壤碳庫，有利于農(nóng)田土壤固持養(yǎng)分，提高養(yǎng)分利用率，改善微生物生境，從而達(dá)到提高土壤質(zhì)量而促進(jìn)作物增產(chǎn)的雙贏效果。這也證實(shí)生物黑炭對(duì)我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展以及農(nóng)田增匯減排有重大意義。

另外，許多研究表明，有機(jī)肥能夠減弱硝酸鹽的積累和淋溶，從而減少氮肥的淋溶損失和硝態(tài)氮對(duì)土壤和地下水的污染[35]。所以，施用有機(jī)肥對(duì)生態(tài)環(huán)境的積極影響是不可估量的，且是最直接、最有效、最經(jīng)濟(jì)的改善生態(tài)環(huán)境的方法之一。

3 結(jié)語

20世紀(jì)80年代我國使用化肥的增長率達(dá)到66 %，90年代達(dá)47 %，21世紀(jì)初達(dá)到12 % 。中國是世界上最大的化肥生產(chǎn)國和消費(fèi)國，2007年化肥產(chǎn)量占世界的33 % ， 消費(fèi)量占世界的32 %[36]。由于化肥施用量的不斷增高，農(nóng)業(yè)土壤面臨諸多問題。如土壤板結(jié)、次生鹽漬化、肥力下降等，而開墾耕地會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳減少[37]，因此，在有限的耕地上保持糧食安全就成了農(nóng)業(yè)工作者的首要任務(wù)。據(jù)潘根興[38]報(bào)道，我國全部農(nóng)業(yè)土壤表層土有機(jī)碳密度為（38.4±31.2）t/hm2，表土平均有機(jī)碳密度略小于全球平均值，是歐盟平均值的70 %～75 %?？梢?，我國土壤的碳儲(chǔ)存是偏低的。面對(duì)這樣一個(gè)局面，我們把目光投給了伴隨我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的有機(jī)肥。

有機(jī)肥一方面在對(duì)作物增產(chǎn)、提高其品質(zhì)方面起作用，另一方面對(duì)改良土壤和改善生態(tài)環(huán)境起關(guān)鍵作用。而且我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正逐步從單方面追求高產(chǎn)向“高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)、安全”綜合方向轉(zhuǎn)變[39]，這使有機(jī)肥有了新的天地。目前，對(duì)商品有機(jī)肥，即生物有機(jī)肥的研究頗多，肯定了生物有機(jī)肥的增產(chǎn)、改善作物品質(zhì)及生態(tài)環(huán)境的作用[40-41]，被譽(yù)為希望之肥[42]。同時(shí)，生物黑炭的發(fā)現(xiàn)給學(xué)者們帶來了有機(jī)肥研究的又一個(gè)高潮。因此，有機(jī)肥的身份有了新的界定，它不僅能為作物提供養(yǎng)分，而且還能改善土壤理化性質(zhì)，甚至能改善我們的生態(tài)環(huán)境。隨著時(shí)代和生活環(huán)境的變化，施用有機(jī)肥對(duì)人類生存具有重大的作用，它能最大限度的實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤的增匯減排作用，可謂是農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)的希望之肥。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁家勉.梁家勉農(nóng)史文集[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2002：237.

[2] 許有尊，黃見良，吳文革，等.有機(jī)肥資源在當(dāng)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的利用[J]. 安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2011，17（3）：16-19.

[3] 梁麗娜，李季，楊合法，等.不同蔬菜生產(chǎn)模式對(duì)日光溫室土壤質(zhì)量的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（8）：186-191.

[4] Levanon D， Pluda D. Chemical， Physical and biological criteria for maturity in composts for organic farming. Compost Science & Utilization， 2002，10（4）：339-346.

[5] Liebig M A， Doran J W. Impact of organic production practices on soil quality indicators.J.Environ.Qual，1999，28：1601-1609.

[6] 袁穎紅，李輝信，黃欠如，等.長期施肥對(duì)紅壤性水稻土有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的影響[J]. 土壤，2008，40（2）：237-242.

[7] 林蒲田.農(nóng)家肥的利于弊[J].當(dāng)代蔬菜，2005（7）：37.

[8] 曹志洪. 優(yōu)質(zhì)煙生產(chǎn)的土壤與施肥[ M] . 南京： 江蘇科學(xué)技術(shù)出版社， 1991.

[9] Paunescu A D. The influence of the mixed and organic fertilization on the soil biology，yield and quality of oriental tobacco. [J] . Coresta， 1997， 2： 86.

[10] 吳樂知，蔡祖聰.基于長期試驗(yàn)資料對(duì)中國農(nóng)田有機(jī)碳含量變化的估算[J]. 生態(tài)環(huán)境，2007，16（6）：1768-1774.

[11] 鮑先琬.化肥、環(huán)境與中國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[J].統(tǒng)計(jì)觀察，2007（1）：73-74.