植物營養(yǎng)中理論問題的追本溯源

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081）

植物的種植是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，是人類文明由狩獵向定居轉(zhuǎn)變的重要標(biāo)志[1]。然而，長期以來，糧食供應(yīng)的不足一直困擾著人類的發(fā)展。自公元前640年的泰勒斯 (Thales，約公元前640—546)開始，人們就不斷地探討植物生長究竟需要什么[2]？經(jīng)過了德國的尼古拉斯-庫薩 (Nicholas of Cusa，1401—1464)、荷蘭科學(xué)家海爾蒙特 (Jan van Helmont，1579—1644)、英國的約翰·伍德沃德 (John Woodward，1665—1728) 等先驅(qū)們漫長的探索，使植物營養(yǎng)的研究看到了現(xiàn)代的曙光[3]。后又經(jīng)過幾代人的努力，特別是在理論方面，先后經(jīng)過了“腐殖質(zhì)營養(yǎng)理論”階段，最后以“礦質(zhì)營養(yǎng)理論”為基石，奠定植物營養(yǎng)學(xué)的現(xiàn)代基礎(chǔ)，并為人類的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)[4]。然而，近年來，隨著化學(xué)肥料負(fù)面效應(yīng)的顯現(xiàn)，人們又開始懷疑植物的“礦物質(zhì)營養(yǎng)理論”。就此，筆者回顧了植物營養(yǎng)200多年來的研究歷史，就植物營養(yǎng)中的幾個(gè)理論問題進(jìn)行深入的剖析與研究，提出了有關(guān)幾個(gè)理論問題的見解，旨在為今后的植物營養(yǎng)研究與實(shí)踐提供借鑒。

1 早期的植物營養(yǎng)研究

從公元前300多年開始，亞里士多德 (Aristotle，公元前384—322) 就認(rèn)為所有物質(zhì)都是由四種元素組成的，即土、氣、火和水，生物體內(nèi)的過程受一種叫生命力的力量所控制[5]。在古羅馬時(shí)代，就有很多關(guān)于農(nóng)業(yè)的書籍，這些書籍一直到羅馬帝國衰亡后的幾個(gè)世紀(jì)都對(duì)作物生長管理起著重要作用[6]。有人認(rèn)為德國的尼古拉斯-庫薩是最早用現(xiàn)代方法觀察植物生長發(fā)育過程的人，并斷言植物是從空氣中吸取養(yǎng)分的[7]，但是目前沒有該研究的具體記載。

然而，通過化學(xué)的方法對(duì)植物營養(yǎng)需求進(jìn)行研究還是17世紀(jì)以后的事情，是海爾蒙特向更準(zhǔn)確的植物營養(yǎng)觀點(diǎn)邁出了第一步。他第一個(gè)令人信服地證明，土壤不是植物養(yǎng)分的唯一來源。他在瓦盆里裝了200磅的烘干土，栽了一棵5磅重的柳樹，并在盆上面蓋了一個(gè)帶孔的蓋子，以防外物進(jìn)去。5年中，他只往盆里加水，從土里取出柳樹再稱重 (沒有加上5年內(nèi)落下的葉子)，同時(shí)將土壤烘干再稱重，他發(fā)現(xiàn)這棵樹長了大約164磅，而土壤只少了2盎司。從這個(gè)結(jié)果，他得出結(jié)論：植物的干物質(zhì)不是來自于土壤，而是全部來自于水 (水是四個(gè)亞里士多德元素之一)。水或者是土 (另一個(gè)亞里士多德元素)變成了植物的干物質(zhì)，對(duì)1648年海爾蒙特試驗(yàn)的簡(jiǎn)要報(bào)道出現(xiàn)在他去世后出版的作品里[8]。這是一個(gè)偉大的試驗(yàn)，盡管他已注意到土壤重量的減少，但是他忽略了土壤的作用。

1661年，羅伯特·波義耳 (Robert Boyle，1627—1691) 用“意大利南瓜”進(jìn)行了重復(fù)實(shí)驗(yàn)，獲得了類似的結(jié)果。波義耳進(jìn)一步蒸餾了這些植物，并根據(jù)他的試驗(yàn)做出結(jié)論：“鹽、元?dú)?、土、甚至油”都可以從水中產(chǎn)生出來[6]。

1699年，約翰·伍德沃德首先質(zhì)疑水在植物生長中的作用，根據(jù)海爾蒙特、波義耳的試驗(yàn)，他用不同來源的水種植荷蘭薄荷，都供應(yīng)充足的水分，如果植物只需要水，而不需要其它東西，則生長量應(yīng)該相同。然而，生長量的增加與水中的雜質(zhì)成正比，他指出，植物不是由水形成的，而是由某種特殊的陸地物質(zhì)形成的。已經(jīng)表明，在雨水、泉水和河水中含有相當(dāng)數(shù)量的這種物質(zhì)，它們是液體質(zhì)量的主要成份，可進(jìn)入植物體內(nèi)而不沉淀，但是可通過植物的毛孔散發(fā)到大氣中。這些陸地物質(zhì)的大部分與水混合，一起進(jìn)入植物體內(nèi)，植物體內(nèi)的這些物質(zhì)與水中物質(zhì)的含量成比例。通過所有這些現(xiàn)象可以合理推斷，土是構(gòu)成植物的物質(zhì)，而不是水[9]。

英國農(nóng)業(yè)作家杰思羅·塔爾 (JethroTull，1674—1741) 認(rèn)為把土壤粉碎成細(xì)顆粒，這種顆粒能很容易地被植物根系吸收。在他看來，這不是土的汁液，而是由濕氣作用所釋放的微小的土壤顆粒，構(gòu)成了植物的適當(dāng)營養(yǎng)。生長根的膨脹所造成的壓力迫使這些顆粒進(jìn)入根部的“乳糜口”，從而進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。所有的植物都生活在這些顆粒上，也就是同一種食物上。他錯(cuò)誤地?cái)嘌?，正如一些人所做的那樣，不同種類的植物需要不同的方式喂養(yǎng)，就像馬和狗一樣。每一種都需要適當(dāng)?shù)氖澄?。植物?huì)接受任何東西，不管是好是壞。作物輪作不是必須的，只是方便。相反，如果溫度和水供應(yīng)適當(dāng)，任何土壤都會(huì)滋養(yǎng)任何植物。鋤地能增加土壤的表面或植物的養(yǎng)料，也使土壤能夠更好地吸收空氣中凝結(jié)的營養(yǎng)蒸汽。糞便的作用也是一樣的，但成本更高，效率也更低[10]。

到1750年時(shí)，杰思羅·塔爾認(rèn)為，所有下列物質(zhì)都以某種方式有助于植物增加產(chǎn)量，但有爭(zhēng)議的是它們中的哪個(gè)最有效[6]。

2 腐殖質(zhì)營養(yǎng)理論

2.1 腐殖質(zhì)的研究起源與名稱

實(shí)際上，有機(jī)糞肥對(duì)作物生長的有益作用很早就被希臘和羅馬的農(nóng)業(yè)學(xué)家注意到了，但是，對(duì)糞肥作用的科學(xué)解釋則是18世紀(jì)以后的事。布朗(Charles A. Browne) 相信德國醫(yī)生和化學(xué)家格奧爾·厄恩斯特·斯塔爾 (Georg Ernst Stahl，1660—1734) 是貝希爾 (Becher)[注1]以后第一次嘗試對(duì)土壤肥力進(jìn)行科學(xué)解釋的，斯塔爾把土壤肥力主要?dú)w因于油和脂肪 (一種“燃素肥沃”)。同樣，1741年庫貝爾(Külbel) 假定腐殖質(zhì)中的脂肪稀糊狀混合物 (稀糊狀混合物的脂肪) 是植物生長必需的物質(zhì)，也是土壤肥力的主要原因[2]。

弗蘭西斯·賀姆 (Francis Home，1719—1813) 在其《農(nóng)業(yè)和植物原理》 (Principle of Agriculture and Vegetable)一書中說，整個(gè)農(nóng)業(yè)行業(yè)集中在一點(diǎn)：植物的營養(yǎng)。關(guān)于肥沃土壤的調(diào)查結(jié)果表明，它們含有油，油是植物的食物。但是當(dāng)土壤被作物耗盡時(shí)，把它暴露于空氣中會(huì)恢復(fù)其肥力，空氣會(huì)提供另一種食物。賀姆進(jìn)行了盆栽實(shí)驗(yàn)，以確定不同物質(zhì)對(duì)植物生長的影響。研究發(fā)現(xiàn)，硝石、瀉鹽 (七水硫酸鎂)、硫酸鉀都能促進(jìn)植物生長，然而它們是三種不同的鹽。橄欖油也很有用。顯然，植物的食物不是一個(gè)東西，而是幾個(gè)，他列舉了六種：空氣、水、土、各種鹽類、油和在固定狀態(tài)下的火[注2]。他還進(jìn)一步證明，所有植物和植物汁都遵循這個(gè)原則，沒有例外，所有的化學(xué)實(shí)驗(yàn)都是在有火或沒有火的情況下進(jìn)行的[3]。持同樣觀點(diǎn)的還有瓦勒留斯(Johan Gottschalk Wallerius，1709—1785)[注3]，1761年，在他的《農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)化學(xué)》一書中也強(qiáng)調(diào)了油和脂肪是土壤肥力的主要要素的觀點(diǎn)。所以，也有人認(rèn)為瓦勒留斯是腐殖質(zhì)理論的重要?jiǎng)?chuàng)始人[9]。

1797年，法國化學(xué)家路易·尼古拉斯·沃克隆(Louis Nicolas Vauquelin，1763—1829) 注意到從受傷的榆樹皮中有一種奇怪的膠狀分泌物。由于這種物質(zhì)的特性與用堿從土壤中提取的黑色物質(zhì)相似，1813年，英國化學(xué)家湯姆森 (Thomas Thomson，1773—1852) 建議將這種物質(zhì)稱為ulmin (拉丁文的意思是榆樹)。由于它是與堿的化合物，所以也把它稱為棕腐酸 (ulmin acid)。

1826年，斯普林格 (Carl S. Sprengel，1787—1859) 建議將土壤中的堿溶有機(jī)物命名為腐殖酸(humic acid)，以便使不同的作者對(duì)含糊的名稱用準(zhǔn)確含義的術(shù)語。斯普林格研究了腐殖酸的不同鹽類，并試圖確定它們的化學(xué)組成，他的這種方法在以后的幾十年中都被廣泛持續(xù)地采用。

同時(shí)，1819年，亨利·布拉科諾 (Henri Braconnot，1780—1855) 通過人工的方法，用鹽酸和硫酸來降解淀粉和糖，也第一次得到了類似土壤有機(jī)質(zhì)的物質(zhì)，他將它命名為“artificial ulmin”。1830年，布萊 (Boullay) 將其術(shù)語化為“artificial ulmic acid”，這明顯是示意植物物質(zhì)轉(zhuǎn)化成的土壤腐殖質(zhì)或ulmin與實(shí)驗(yàn)室獲得的碳水化合物降解產(chǎn)物相似。

伯齊利厄斯 (J?ns Jacob Berzelius，1779—1848)注意到用ulmin這個(gè)詞用于不同性質(zhì)和起源的物質(zhì)太不嚴(yán)謹(jǐn)，1832年，他用“gein (希臘語的意思是‘土’) ”和“geic acid”表示土壤中的堿溶有機(jī)物。盡管伯齊利厄斯以后拋棄了這個(gè)術(shù)語，但在達(dá)納 (Samuel Luther Dana，1795—1868) 的著作中持續(xù)使用“gein”和“geic acid”。

1833年，伯齊利厄斯從波拉 (Porla) 泉水中分離到兩種有機(jī)酸的銅鹽，根據(jù)它的來源，將其命名為“crenic”和“aprocrenic”酸 (希臘語的意思是泉)。他確信這個(gè)復(fù)雜的化合物也有土壤有機(jī)質(zhì)的成份[2]。

2.2 腐殖質(zhì)理論的內(nèi)容

腐殖質(zhì)理論認(rèn)為：植物在自然界中攝取與它們相似的物質(zhì)，土壤有機(jī)質(zhì)或土壤腐殖質(zhì)是植物的主要營養(yǎng)物質(zhì)，是土壤肥力的主要來源。植物的根從土壤中提取腐殖質(zhì)，通過與水結(jié)合將其轉(zhuǎn)化為植物成份。因此，植物營養(yǎng)被認(rèn)為是類似于動(dòng)物營養(yǎng)，植物和動(dòng)物都以復(fù)雜的有機(jī)體為營養(yǎng)。關(guān)于礦物質(zhì)在植物中的作用，一些腐殖質(zhì)理論的主導(dǎo)者認(rèn)為它們對(duì)于植物生長不是必需的；它們被認(rèn)為是刺激劑，而不是營養(yǎng)物質(zhì)。還有一些人認(rèn)為礦物只是偶然進(jìn)入植物體內(nèi)的成分，或者說是與動(dòng)物骨骼相似的植物骨架物質(zhì)。更有一些活力論認(rèn)為，礦物質(zhì)實(shí)際上是由植物的生命力而合成的。在這個(gè)時(shí)期，大部分農(nóng)學(xué)家和植物生理學(xué)家在很大程度上堅(jiān)信腐殖質(zhì)代表植物的碳源[9]。

1804年，德國農(nóng)學(xué)家泰伊爾 (Albrecht Daniel Thaer，1752—1828) 出版了一部詳細(xì)描述各種作物栽培的書，名為《實(shí)用農(nóng)業(yè)原理》，在該書中這樣描述了腐殖質(zhì)的作用：“腐殖質(zhì)或多或少總是土壤的組成部分，土地的肥力完全依賴于它的存在，因?yàn)?，除了水以外，它是土壤中唯一能使植物得到營養(yǎng)的物質(zhì)?！盵11]由于泰伊爾在德國農(nóng)業(yè)中的聲望極高，還有很多人認(rèn)為腐殖質(zhì)理論是由泰伊爾提出的[12-13]。

馬爾德 (Gerardrus Johannes Mulder，1802—1880) 是與法國布森高 (Jean Baptiste Boussingault，1801—1887) 和德國李比希 (Justus von Liebig，1803—1873) 同時(shí)代的荷蘭化學(xué)家，他是伯齊利厄斯的學(xué)生，他繼承了伯齊利厄斯的研究，認(rèn)為已存在的7種有待證實(shí)的化合物 (ulmin、humin、ulmic、humic、geic、apocrenic和crenic acids)，是植物營養(yǎng)的必需和重要成份。1844年至1846年間他出版了兩卷《動(dòng)植物生理化學(xué)》，其中659—660頁有這樣精髓的一段話，代表了他在植物營養(yǎng)上的觀點(diǎn)：

“在這七種物質(zhì)中，五種酸都可以與堿結(jié)合，從而溶解在水中。這些是有機(jī)物質(zhì)（我們至今還不知道其他物質(zhì)）可被植物吸收為食物。它們存在于每種土壤中，顯然它們都通過嫩根進(jìn)入植物體內(nèi)，在那里它們發(fā)揮著重要的作用?！盵2]

至于腐殖質(zhì)理論是由誰首先提出的，現(xiàn)在已無從考證，有人認(rèn)為是瓦勒留斯首先提出的[9]，也有人把它歸結(jié)于馬爾德[2]。馬爾德的一個(gè)學(xué)生達(dá)納 (Dana)，十分堅(jiān)信腐殖質(zhì)營養(yǎng)理論，他于1855年出版了《糞肥手冊(cè)》一書，其中有一章專門介紹腐殖質(zhì)的作用，關(guān)于腐殖質(zhì)的作用，他形象地比喻為“土壤就像一個(gè)盤子，腐殖質(zhì)是營養(yǎng)物，礦物質(zhì)就像佐料?！盵14]這本書在美國影響很大。

3 植物礦質(zhì)營養(yǎng)理論的形成與發(fā)展

可以認(rèn)為，植物的礦質(zhì)營養(yǎng)理論是與腐殖質(zhì)營養(yǎng)理論同時(shí)發(fā)展起來的，也可以認(rèn)為植物的礦物質(zhì)營養(yǎng)理論是在與腐殖質(zhì)營養(yǎng)理論的爭(zhēng)論中完善的。

3.1 礦質(zhì)營養(yǎng)理論的初期研究

這里需要提出的是，腐殖質(zhì)營養(yǎng)理論的核心是腐殖質(zhì)是植物的主要營養(yǎng)物質(zhì)，特別是腐殖質(zhì)是植物碳的主要來源，關(guān)于腐殖質(zhì)在土壤肥力中的非營養(yǎng)作用，從古至今都沒有被懷疑。

18世紀(jì)晚期，隨著化學(xué)科學(xué)的發(fā)展，有了對(duì)了解植物和動(dòng)物的特別重要的化學(xué)發(fā)現(xiàn)，包括：1781年，拉瓦錫 (Antoine-Laurent de Lavoisier，1743—1794) 發(fā)現(xiàn)了“固定空氣”[注4]是由碳和氧組成；水不是一個(gè)元素，是由氫和氧組成；“固定空氣”與“有毒空氣”[注5]是不同的。在生理學(xué)方面，動(dòng)物呼吸被證明是一個(gè)為身體提供熱量的氧化過程。拉瓦錫開發(fā)了用燃燒法分析有機(jī)物質(zhì)的技術(shù)，并應(yīng)用這個(gè)技術(shù)分析葡萄酒的原氣 (乙醇)、活油和蠟 (1784)，他指出：植物“真正”的組成元素是氫、氧和碳。

英格豪斯 (Jan Ingenhousz，1730—1799) 的結(jié)論是，植物是從“碳酸”[注6]的兩種元素中衍生出它們必需的物質(zhì)，如酸、油、粘液。英格豪斯 (1796) 抨擊了腐殖質(zhì)理論，他推測(cè)生長在開放大氣中的植物大部分的碳是獲取于大氣[3]。

1804年，瑞士生理學(xué)家索秀爾 (Nicolas-Théodore de Saussure，1767—1845) 出版了《植物生長的化學(xué)研究》一書，他提供了第一個(gè)有說服力的證據(jù)，表明植物主要從大氣中吸收碳。這是對(duì)腐殖質(zhì)理論的一個(gè)重大打擊。在其第八章“關(guān)于植物根系對(duì)溶液的吸收”一章[15]中，明確指出：“一些作者假定動(dòng)物還有植物的生命力可以通過不同的途徑分解或合成大氣和水，并生產(chǎn)所有物質(zhì)，甚至焚燒后植物中的鹽、土和金屬。這種奇怪的想法就象從不含黃金的物質(zhì)中獲得黃金一樣不需要證明。在我們求助于那些難以理解的、超自然的、違反我們所有已知知識(shí)的轉(zhuǎn)化之前，我們必須確保植物在植物生長的環(huán)境中沒有發(fā)現(xiàn)這些已經(jīng)形成的物質(zhì)，并且它們沒有從該來源中提取這些物質(zhì)?！?/p>

1826年，斯普林格在其《植物腐殖質(zhì)、腐殖酸及其它的鹽》一書中，否定了植物體內(nèi)可以轉(zhuǎn)化成礦質(zhì)元素的能力。斯普林格強(qiáng)調(diào)了植物從空氣和土壤中獲取其生長發(fā)育的必需元素，指出了植物生長所需要15種營養(yǎng)元素，即氧、碳、氫、氮、硫、磷、氯、鉀、鈉、鈣、鎂、鋁、硅、鐵、錳。指出前三種來自于大氣，后12種來自于土壤[16]。

盡管索秀爾和斯普林格在植物礦質(zhì)營養(yǎng)方面做了大量的工作，在當(dāng)時(shí)情況下，索秀爾的工作在其后的近40年中，都沒有引起人們的注意，而斯普林格的工作更是淹沒在了腐殖質(zhì)營養(yǎng)的聲音中，以至于斯普林格的傳記作家在記述斯普林格的生平時(shí)，都忽略了斯普林格關(guān)于植物礦質(zhì)營養(yǎng)的研究，到19世紀(jì)末，當(dāng)時(shí)他的作品幾乎沒有人再參考，他被歷史學(xué)家厄恩斯特·馮·邁耶 (Ernst Von Meyer) 稱為“農(nóng)業(yè)化學(xué)遺忘的人”；他也被認(rèn)為是為李比希鋪路的人[2]。

3.2 李比希與礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說的提出

1837年，已經(jīng)在有機(jī)化學(xué)方面有相當(dāng)建樹的李比希，出席了在英國利物浦召開的英國科學(xué)促進(jìn)會(huì)(British Association for the Advancement Science，BAAS) 年會(huì)，在會(huì)議上，他做了《尿酸的分解產(chǎn)物》的報(bào)告，在報(bào)告的最后他講了這樣一段話，“值得注意的是，在一個(gè)我所認(rèn)識(shí)的國家，我永遠(yuǎn)不會(huì)忘記他們的熱情好客。有機(jī)化學(xué)才剛剛開始生根發(fā)芽。我們生活在一個(gè)稍有努力就會(huì)產(chǎn)生有價(jià)值結(jié)果的年代，而且，如果我們考慮到有機(jī)化學(xué)對(duì)醫(yī)藥、制造和日常生活的巨大影響，我們必須明白，目前對(duì)人類來講，沒有什么問題比貫徹有機(jī)化學(xué)思想更重要，我相信英國科學(xué)工作者參加了這個(gè)運(yùn)動(dòng)，與歐洲大陸化學(xué)家的共同努力，促進(jìn)生理學(xué)包括植物和動(dòng)物生理學(xué)的進(jìn)步，這個(gè)進(jìn)步可聯(lián)系到生理學(xué)，它在這個(gè)國家的成功貫徹，可能會(huì)給我們提供有關(guān)組織功能最重要和最新穎的結(jié)論。”[17]

根據(jù)德國化學(xué)家雅各布·福爾哈德 (Jacob Volhard，1834—1910) 的報(bào)道，李比希的報(bào)告得到好評(píng)，李比希是“今晚的獅子”。很自然，鑒于李比希對(duì)英國人在有機(jī)化學(xué)技術(shù)方面高度的評(píng)價(jià)，愛爾蘭化學(xué)家羅伯特·凱恩 (Robert Kane，1809—1890) 促使英國科學(xué)促進(jìn)會(huì)的總務(wù)委員會(huì)抓住機(jī)會(huì)讓李比希寫兩個(gè)報(bào)告，一個(gè)是關(guān)于同分異構(gòu)體，另一個(gè)是關(guān)于有機(jī)化學(xué)。前一部分未能完成。經(jīng)過李比希近三年的準(zhǔn)備，寫成了《化學(xué)在農(nóng)業(yè)和生理學(xué)上的應(yīng)用》[注7]一書[18]，該書參閱了100多個(gè)作者的200多篇論文。該書分為兩個(gè)部分：第一部分是“關(guān)于植物營養(yǎng)的化學(xué)過程”，第二部分是“關(guān)于發(fā)酵、分解和腐爛的化學(xué)過程”。他從一個(gè)化學(xué)家的視角分析了植物生長、發(fā)育及其代謝中的化學(xué)過程。第一部分共分九章。這本書的第二章和第三章，他駁斥了腐殖質(zhì)學(xué)說，他從四個(gè)方面證明植物的碳不是來自于腐殖質(zhì)：

第一，當(dāng)時(shí)認(rèn)為能進(jìn)入植物體內(nèi)的腐殖質(zhì)需要與堿金屬或堿土金屬結(jié)合。根據(jù)海耶 (Heyer) 的計(jì)算，一黑森英畝[注8]林地每年平均生產(chǎn)2920磅的干杉木，它含有6.17磅的金屬氧化物，而“現(xiàn)在，根據(jù)麥拉古迪 (Malaguti) 和斯普林格的估計(jì)，1磅的石灰[注9]可與12磅的腐殖酸發(fā)生化學(xué)結(jié)合，因此，6.17磅的金屬氧化物將引入74.04磅腐殖酸到樹木中，其中腐殖酸含有58%的碳，對(duì)應(yīng)于100磅的干木材。但是我們已經(jīng)看到，2920磅的杉木木材確實(shí)是生產(chǎn)出來的。同樣，如果以腐殖酸的形式引入小麥中的腐殖酸的量是從已知的麥秸中存在的金屬氧化物的比例計(jì)算出來的 (包含在秸稈灰燼中的硫酸鹽和氯化物沒有包括在內(nèi))，就會(huì)發(fā)現(xiàn)1個(gè)黑森英畝上生長的小麥，可以這樣的方式接收63磅的腐殖酸，相當(dāng)于93.6磅木本纖維。但是，所提到的土地范圍內(nèi)，除了根和谷粒，產(chǎn)生了1961磅的稻草，其組成與木本纖維相同?！?/p>

根據(jù)這樣的計(jì)算，植物從腐殖質(zhì)中獲得的碳遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其實(shí)際產(chǎn)生的碳，所以，植物碳的來源不可能是腐殖質(zhì)，同時(shí)根據(jù)腐殖質(zhì)的水溶性，斯普林格測(cè)定腐殖質(zhì)可溶于2600倍的水中，溶于水中的腐殖質(zhì)可被植物吸收，然而，“舒布勒 (Schubler) 說，德國最肥沃的地區(qū)之一愛爾福特 (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黑森英畝，或26 9 10平方英尺，因此得到519363磅雨水。如果現(xiàn)在我們假設(shè)整個(gè)雨水量被夏季植物的根吸收，而夏季植物在種植四個(gè)月后就成熟，所以除了植物的葉子之外，沒有一磅水蒸發(fā)掉；如果我們進(jìn)一步假定這樣吸收的水是飽和的腐殖酸鹽石灰 (腐殖酸中最可溶的，并且在腐殖酸中含有的比例最大)；那么這樣被營養(yǎng)的植物不會(huì)接收超過330磅的腐殖酸，因?yàn)橐环莞乘猁}石灰需要2500份的水溶解。但是，我們提到的土地面積產(chǎn)生2843磅玉米 (谷物和秸稈，不包括根部)，或22000磅的甜菜根 (沒有葉和小的根生纖維)。很明顯，植物吸收的330磅的腐殖酸，即使假設(shè)是正確的，整個(gè)雨水被植物吸收。也不能獨(dú)立解釋含在根和葉中的碳。但是，眾所周知，只有一小部分落入地表的雨水可通過植物蒸發(fā)，所以通過腐殖酸以任何可想象的方式輸送到植物中碳的數(shù)量與植物實(shí)際生產(chǎn)的相比較，一定是微不足道的。”

所以，這再一次證明從腐殖質(zhì)中獲得的碳不是植物碳的主要來源。

第二，證明腐殖質(zhì)理論是錯(cuò)誤的。即“人們普遍認(rèn)為腐殖質(zhì)是由植物腐爛產(chǎn)生的。因此，原始腐殖質(zhì)是不可能存在，因?yàn)橹参飸?yīng)該出現(xiàn)在腐殖質(zhì)之前。那么第一批植物如何得到碳？”

第三，從大氣碳平衡的角度證明植物的碳來源必須是大氣。認(rèn)為在動(dòng)物的呼吸過程中和燃燒過程中都消耗氧并產(chǎn)生碳酸 (CO2)，但大氣中的氧氣1800年來也沒有發(fā)生變化，碳酸也是如此，所以，植物碳的來源一定是完全來自于大氣。即“動(dòng)物呼出植物所吸收的碳，這樣的介質(zhì)成份保證了兩者的生存，也就是大氣的組成一直保持不變?！?/p>

第四，通過土壤腐殖質(zhì)的變化說明土壤腐殖質(zhì)不是植物碳的來源。即“植物在生長的正常條件下不消耗土壤中的碳，相反，它們?cè)黾油寥乐械奶紨?shù)量。但是，如果植物向土壤中回饋的碳確實(shí)比從土壤中獲取的多，那么很明顯，它們的生長必須依賴于以碳酸的形式從大氣中吸收養(yǎng)分。腐殖質(zhì)對(duì)植物的影響以最清楚和令人滿意的方式解釋了上述事實(shí)。”

至于土壤腐殖質(zhì)所起的作用，李比希認(rèn)為，

“腐殖質(zhì)不是以不變的形態(tài)通過被吸收和同化而營養(yǎng)植物的，而是通過呈現(xiàn)一種緩慢而持久的碳酸來源，這種碳酸被根吸收，并且是幼小植物的主要營養(yǎng)物，那時(shí)它們?nèi)狈θ~子，無法吸收自大氣的養(yǎng)料。 ”[19]

1840年，李比希發(fā)表《化學(xué)在農(nóng)業(yè)和生理學(xué)上的應(yīng)用》一書后，就引起了廣泛的關(guān)注，同時(shí)也引起了極大的爭(zhēng)議，在1840年到1865年的25年間，經(jīng)過不斷的爭(zhēng)議與完善，形成了李比希在植物營養(yǎng)方面成熟的思想體系。這里以其1876年出版的第九版為例[20]，介紹李比希的思想體系。

在1865年李比希生前的最后一版著作中，將《化學(xué)在農(nóng)業(yè)和生理學(xué)上的應(yīng)用》一書的第一部分?jǐn)U展成了兩部分，第一部分為植物營養(yǎng)的化學(xué)過程；第二部分為農(nóng)田耕作的歷史規(guī)律，并加了一個(gè)長長的緒論。在緒論中解釋了別人對(duì)李比希提出的觀點(diǎn)的懷疑，并明確了一些理論。

3.3 “礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說”意涵與內(nèi)容的完善

李比希在其緒論中明確了植物“礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說”的基本內(nèi)容，并明確表達(dá)了礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說與腐殖質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說的不同。如“舊理論認(rèn)為，農(nóng)作物產(chǎn)量的植物營養(yǎng)來源于有機(jī)質(zhì)，即來源于植物或動(dòng)物的有機(jī)體。與這種理論相反，新學(xué)說認(rèn)為，綠色植物的養(yǎng)料來源于非有機(jī)質(zhì)，因?yàn)樵谥参餀C(jī)體里，植物是無機(jī)元素轉(zhuǎn)化為有機(jī)物質(zhì)的體現(xiàn)者。按照這種理論，植物的各部分都是由無機(jī)元素組成的，它是一個(gè)由簡(jiǎn)單化合物變成最復(fù)雜的機(jī)體組成部分，從而形成了活的有機(jī)體。與舊學(xué)說相對(duì)立，這個(gè)新學(xué)說叫做‘無機(jī)營養(yǎng)學(xué)說’，即‘礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說’。”

他進(jìn)一步解釋了“礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說”的內(nèi)容：

“綠色植物的養(yǎng)料是無機(jī)質(zhì)或礦物質(zhì)。”

“植物吸收二氧化碳、銨、硝酸、水、磷酸、硫酸、硅酸、石灰、鉀 (鈉) 和鐵，有些植物還需要一些食鹽?！?/p>

“在土壤各個(gè)組成部分之間，那些參與植物生命活動(dòng)的水和空氣，及其與動(dòng)植物機(jī)體的各個(gè)部分之間存在著一定聯(lián)系。如果在無機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成為有機(jī)體 (活動(dòng)的體現(xiàn)者) 各環(huán)節(jié)中喪失一個(gè)環(huán)節(jié)，動(dòng)植物生命就將停止?！?/p>

“廄肥、人畜糞便對(duì)植物生活的作用，不是其中有機(jī)營養(yǎng)元素所起的直接作用，而是由于間接的作用 (這些東西腐解的直接產(chǎn)物和分解轉(zhuǎn)化的結(jié)果，是碳酸氣和碳素；氮素化合物轉(zhuǎn)化成銨或硝酸)，因此，動(dòng)植物殘?bào)w組成的有機(jī)肥，在土壤中分解成很多無機(jī)化合物?！?/p>

關(guān)于礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說的基本原理，在這版書中，也進(jìn)行了完善，在第三版和第四版中，李比希表述的“礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說”的基本原理是：“作物產(chǎn)量的減少與增加與肥料中輸送到田里的礦物質(zhì)的減少或增加成準(zhǔn)確的比例?！盵21]而在第七版[20]中表述為，“產(chǎn)量的上升和下降，主要看恢復(fù)土壤肥力的因素，是增加了還是減少了。而且因?yàn)檫@些因素都是無機(jī)元素或稱礦質(zhì)元素，那么可以說，產(chǎn)量就決定于無機(jī)營養(yǎng)元素的增加或減少。”

在李比希的著作[19]中，高度評(píng)價(jià)了中國如何重視肥料和農(nóng)業(yè)實(shí)踐，即“中國人是最令人欽佩的園丁和植物培訓(xùn)師，他們了解如何準(zhǔn)備和施用適應(yīng)性最好的肥料。他們國家的農(nóng)業(yè)是世界上最完善的；在那些最肥沃的地區(qū)，氣候和歐洲沒有什么不同，動(dòng)物糞便的價(jià)值也很低。對(duì)于我們來說，厚厚的書本是寫出來的，但沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；這種和那種植物所消耗的糞便數(shù)量用百分?jǐn)?shù)來表示，然而我們不知道什么是糞便?！?/p>

4 李比希的爭(zhēng)議

李比希的《化學(xué)在農(nóng)業(yè)和生理學(xué)上的應(yīng)用》一書出版以后，立即引起了巨大的爭(zhēng)議，加之李比希的風(fēng)格，招致了眾多同行的不滿。

首先，在這本書的前言中講到“自從漢菲·戴維(Humphy Davy) 的《農(nóng)業(yè)化學(xué)》以來，沒有一個(gè)化學(xué)家致力于研究化學(xué)原理在植物生長和有機(jī)過程中的應(yīng)用[19]”。這引起了法國布森高的同事杜馬斯(Dumas) 的不滿，在他的《有機(jī)界的化學(xué)和生理學(xué)平衡》一書第三版 (1844)，列舉了8項(xiàng)化學(xué)在農(nóng)業(yè)和生理學(xué)上的應(yīng)用事例，以證明李比希的話是錯(cuò)誤的。

李比希的礦物質(zhì)理論也引起了腐殖質(zhì)營養(yǎng)理論支持者的反對(duì)，較為典型的是馬爾德，他繼承了伯齊利厄斯關(guān)于土壤腐殖質(zhì)的研究。李比希及其他反對(duì)腐殖質(zhì)營養(yǎng)理論觀點(diǎn)的人認(rèn)為，土壤中有機(jī)質(zhì)的有益作用是在其分解過程中，可持續(xù)供給二氧化碳給正在生長的植物。而馬爾德不否認(rèn)這個(gè)作用，但是堅(jiān)持認(rèn)為可溶性棕腐質(zhì)氨鹽、腐殖酸氨鹽、赤榆酸氨鹽、Procrenic和白腐酸氨鹽可以被植物根系直接收吸并產(chǎn)生蛋白質(zhì)。這個(gè)遭到了李比希的強(qiáng)烈反對(duì)。1846年，馬爾德寫了《對(duì)李比希的動(dòng)物和植物生理化學(xué)的回答》一書與李比希進(jìn)行了公開的論戰(zhàn)，遺憾的是，在馬爾德以后的著作中，他癡迷到全部反對(duì)李比希[2]。

與李比希有很大爭(zhēng)議的是英國洛桑試驗(yàn)站的勞斯 (Lawes，1814—1900) 和吉爾伯特 (Gilbert，1817—1901)。總體上，勞斯不反對(duì)礦物質(zhì)營養(yǎng)是植物必需的，但是，在植物氮的供應(yīng)上存在嚴(yán)重的分歧。1855年，兩人在《英國皇家農(nóng)學(xué)會(huì)雜志》第16卷，發(fā)表了一篇91頁的文章，題目為“關(guān)于農(nóng)業(yè)化學(xué)的一些觀點(diǎn)”，集中體現(xiàn)了勞斯觀點(diǎn)與李比希觀點(diǎn)的分歧，分歧主要表現(xiàn)在作物對(duì)氮素的需求和施用方法上[21]。

至1848年，李比希的《化學(xué)在農(nóng)業(yè)和生理學(xué)上的應(yīng)用》一書已有17個(gè)版本，其中德國4個(gè)，英國2個(gè)，美國2個(gè)，法國2個(gè)，丹麥、荷蘭、意大利、波蘭、俄羅斯各1個(gè)。隨著時(shí)間的流逝，李比希在其不同的版本間都有修改，有時(shí)還完全相反，這引起了勞斯的反對(duì)，他舉了一個(gè)第一版與第三版之間的完全相反的論述。同時(shí)，兩人的分歧還在于，勞斯是以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)的，主要指的是栽培的農(nóng)作物，而李比希是基于理論分析，可能是栽培的農(nóng)作物，有時(shí)也指一般的植物。這個(gè)在理解上也存在一定的差距[21]。

這里指出，李比希是化學(xué)家，是以有機(jī)化學(xué)分析而著稱的，他沒有進(jìn)行過農(nóng)業(yè)實(shí)踐，特別是針對(duì)英國的具體實(shí)際，勞斯對(duì)李比希的表述則不完全同意。

對(duì)于嚴(yán)重的爭(zhēng)議，李比希也進(jìn)行很多的分析和田間試驗(yàn)，但由于經(jīng)費(fèi)的問題都沒有象勞斯一樣堅(jiān)持下來[18]，以后也有很多人認(rèn)為植物礦物質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說的原始提出不應(yīng)該屬于李比希，李比希自己在評(píng)價(jià)礦物質(zhì)營養(yǎng)的作用時(shí)，說道：“他不是那條路的制造者，也不是那條路的發(fā)現(xiàn)者，更不是那條路的第一測(cè)繪者，但是，他是第一個(gè)喚起了大家對(duì)忽視的且容易獲得的無限財(cái)富注意的人，他造就了過去只有貧窮的農(nóng)民和小販走而現(xiàn)在常有高級(jí)人士走的路。”[18]

李比希本人一直認(rèn)為大家的爭(zhēng)議是理論與實(shí)踐的爭(zhēng)議，這在其第七版的前言中表現(xiàn)得十分充分，由于他年事已高，不可能再進(jìn)行長期的實(shí)驗(yàn)研究，他寫到：“因?yàn)樵谵r(nóng)業(yè)上的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都要繼續(xù)一年或幾年才能得到正確的結(jié)論，那么，我?guī)缀鯖]有希望見到我的學(xué)說的最后結(jié)果了，最好的情況是我能夠把我的學(xué)說闡述清楚，以便有誰詳細(xì)讀我著作的時(shí)候，不致引起許多誤會(huì)?！盵20]

5 礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說對(duì)農(nóng)業(yè)的貢獻(xiàn)

1942年，美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)以布朗 (Charles A.Browne) 為編輯委員會(huì)主席出版了一部紀(jì)念李比希礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說100周年的專輯，題為《Liebig and after Liebig—A century of progress in agricultural chemistry》，即《李比希及李比希以后—一個(gè)世紀(jì)農(nóng)業(yè)化學(xué)的進(jìn)展》，書中高度評(píng)價(jià)了李比希對(duì)農(nóng)業(yè)的貢獻(xiàn)，“李比希和李比希學(xué)說對(duì)于農(nóng)業(yè)的影響是完全著重于化學(xué)，以至于在《化學(xué)在農(nóng)業(yè)和生理學(xué)上的應(yīng)用》一書出版以后的50年中，人們把化學(xué)看作是全部的農(nóng)業(yè)科學(xué)”，邁耶 (Mayer) 在19世紀(jì)末說：“即使刻薄的批評(píng)家可以把李比希在農(nóng)業(yè)化學(xué)上的具體成就說成一錢不值，但是他的影響在精神上的意義是任何人也否定不了的”[22]。

綜合起來，可以把李比希在植物營養(yǎng)方面的貢獻(xiàn)綜合為以下幾方面。

5.1 解決了作物的連作問題

李比希礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說的提出，并由此帶動(dòng)含礦物質(zhì)肥料的應(yīng)用，可滿足植物對(duì)礦質(zhì)營養(yǎng)元素的需求，這樣極大地減少了由于長期連作帶來的某些礦質(zhì)營養(yǎng)元素的缺乏，使作物產(chǎn)量逐漸降低，以至于很多作物都不能進(jìn)行連作。為了解決這個(gè)問題，以前的做法是通過休閑，使土壤中的養(yǎng)分釋放積累到一定量再種植作物，或通過輪作的方法，減少某種養(yǎng)分的過度消耗，如果通過與豆科作物輪作時(shí)，實(shí)際上是利用豆科作物的固氮作用 (當(dāng)時(shí)并不清楚) 提高了土壤中的氮素含量。

這樣通過休閑或輪作的方法，實(shí)際上是利用了土壤微生物對(duì)土壤中遲效養(yǎng)分的釋放，以利于作物的生長，礦物營養(yǎng)元素的直接施用，同樣減少了作物對(duì)土壤微生物的依賴性。

5.2 極大地提高了土地的生產(chǎn)力

李比希礦質(zhì)營養(yǎng)理論的提出，特別是歸還學(xué)說，可以明確地表明土壤生產(chǎn)力的下降是由于生長在其上的作物吸收了土壤中的礦質(zhì)成分，如果將作物吸收走了的礦質(zhì)成分歸還給土壤，也就是我們現(xiàn)在所說的定向培肥。李比希明確指出，“我們進(jìn)一步知道，通過從土壤中去除這些物質(zhì)，就會(huì)引起生產(chǎn)的不平衡，最終甚至缺乏肥力；但是通過恢復(fù)這些物質(zhì)，肥力可以維持，甚至可以增加[19]”。通過土壤肥力的維持和提高，當(dāng)時(shí)歐洲人不必再開墾原始肥力較高的土地進(jìn)行種植，不僅節(jié)約了土地，而且也保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。中國幾千年來，通過施用農(nóng)家肥，一直維持著中國幾千年的文明發(fā)展。對(duì)此，李比希也給予了很高的評(píng)價(jià)，但是，這種經(jīng)驗(yàn)式的培肥最終落后于了西方國家理論指導(dǎo)下的科學(xué)種植。

5.3 使工廠化農(nóng)業(yè)成為可能

李比希礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說的提出，使人們完全認(rèn)識(shí)了植物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)吸收的本質(zhì)是礦物質(zhì)元素，只要通過給植物提供必要的營養(yǎng)元素，植物就可以健康生長，理論上可使植物的栽培離開土壤，將土壤對(duì)植物生長的物理支撐作用和化學(xué)營養(yǎng)作用完全分離，使得可以進(jìn)行水培、砂培和基質(zhì)栽培。物理基質(zhì)的支撐作用替代了土壤的支撐作用，營養(yǎng)液替代了土壤的養(yǎng)分供應(yīng)，使農(nóng)業(yè)可以離開土壤進(jìn)行工廠化栽培[23]。

6 對(duì)礦物質(zhì)營養(yǎng)理論爭(zhēng)議的思考

6.1 科學(xué)問題爭(zhēng)議的解釋

從1840年李比希的《化學(xué)在農(nóng)業(yè)和生理學(xué)上的應(yīng)用》一書的出版到現(xiàn)在已經(jīng)有近200年了，在近200年中，過去爭(zhēng)議的問題似乎已經(jīng)被科學(xué)徹底解釋了，這主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

一是，腐殖質(zhì)營養(yǎng)的問題。目前利用水培等一系列現(xiàn)代化的手段證明植物在僅供應(yīng)無機(jī)元素而沒有腐殖質(zhì)的情況下能順利完成其生命周期，說明植物礦物質(zhì)營養(yǎng)理論的正確性，同時(shí)土壤微生物的發(fā)現(xiàn)與研究證明了土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)植物營養(yǎng)的作用在于土壤有機(jī)質(zhì)分解后所提供的礦質(zhì)元素。

二是，作物的氮素需求問題。1888年，德國農(nóng)學(xué)家對(duì)豆科植物固氮能力的發(fā)現(xiàn)，證明在豆科作物中，李比希所提出的不施氮肥或少施氮肥是正確的[24]。同樣，1909年哈伯工業(yè)固氮及100多年來氮肥施用的實(shí)際證明勞斯的觀點(diǎn)也是正確的，只是由于當(dāng)時(shí)整個(gè)科學(xué)技術(shù)的水平限制才產(chǎn)生一系列的分歧[25]。所以，解決分歧問題需要長期的科學(xué)研究與探索，有些問題不可能在短時(shí)間內(nèi)加以解決。

6.2 科學(xué)發(fā)現(xiàn)的歸屬問題

植物的礦質(zhì)營養(yǎng)理論的發(fā)現(xiàn)是目前現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的三大理論基礎(chǔ)之一[25]。但是，對(duì)礦質(zhì)營養(yǎng)理論發(fā)現(xiàn)的歸屬一直存在較大的爭(zhēng)議。但是，李比希在近20年的工作中，力排眾議，維護(hù)和完善了植物的礦質(zhì)營養(yǎng)理論。索秀爾和斯普林格僅僅通過一本著作或幾篇文章發(fā)聲，很快就淹沒在了腐殖質(zhì)營養(yǎng)理論的聲濤之中，以至于幾十年不為人知。這也表明歷史選定了李比希為植物礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說的代表人物是合情合理的[18]。

7 現(xiàn)代對(duì)植物營養(yǎng)理論的質(zhì)疑

李比希提出的礦物質(zhì)營養(yǎng)理論經(jīng)過近200年的實(shí)踐證明，它在農(nóng)業(yè)上發(fā)揮著巨大作用，同時(shí)，也為整個(gè)人類的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。隨著植物營養(yǎng)先驅(qū)們的遠(yuǎn)去，歷史逐漸淡忘了他們研究中的不足，他們的真理就像航標(biāo)燈指引著后繼者的研究航向。然而，近年來，隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，又出現(xiàn)了很多對(duì)“植物礦質(zhì)營養(yǎng)理論”的質(zhì)疑，原本是科學(xué)的發(fā)展對(duì)前者的質(zhì)疑無可厚非，但是對(duì)植物礦質(zhì)營養(yǎng)理論的質(zhì)疑卻顯得十分離奇，對(duì)該理論的內(nèi)涵缺乏全面了解。筆者以自己對(duì)植物營養(yǎng)理論的理解作一闡述。

7.1 理論與實(shí)踐的問題

在19世紀(jì)的100年中，在植物營養(yǎng)物質(zhì)的確定方面的爭(zhēng)論，實(shí)際上是理論與實(shí)踐的紛爭(zhēng)，對(duì)于有機(jī)肥料，對(duì)其在作物栽培中的作用沒有人懷疑[19]，所爭(zhēng)論的是有機(jī)肥料中哪一部分對(duì)植物營養(yǎng)起決定作用的問題。經(jīng)過100多年的研究，人們用現(xiàn)代科技手段也證明植物是以礦物質(zhì)為主要營養(yǎng)物質(zhì)的，而有機(jī)肥料中的腐殖質(zhì)部分不是植物營養(yǎng)所必需成份，但從來沒有人否定有機(jī)肥料在培肥地力中的作用。即使認(rèn)為植物需要礦質(zhì)營養(yǎng)的李比希，在其作物栽培過程中也采用的是有機(jī)肥料。但是，不同的人對(duì)有機(jī)肥料的認(rèn)識(shí)存在著巨大的差異，有人認(rèn)為有機(jī)肥料的作用是其中含有的腐殖質(zhì)[14]，而有人則看重的是有機(jī)肥料可轉(zhuǎn)化為礦物質(zhì)[19]。離開這些理論之爭(zhēng)，幾千年來都認(rèn)為有機(jī)肥料在提高作物產(chǎn)量方面的作用是巨大的。這種認(rèn)識(shí)是從幾千年的實(shí)踐中得到的，正如英國植物學(xué)家和有機(jī)農(nóng)業(yè)的奠基人艾伯特·霍華德 (Albert Howard，1873—1947) 表述的“腐殖質(zhì)營養(yǎng)理論的表述可能是錯(cuò)誤的，但腐殖質(zhì)本身沒有錯(cuò)”[9]。但是，認(rèn)為有機(jī)肥料起作用的成份是礦物質(zhì)，或有機(jī)物料轉(zhuǎn)化為礦物質(zhì)再起作用，則是理論問題。

7.2 關(guān)于植物的有機(jī)營養(yǎng)

植物營養(yǎng)的腐殖質(zhì)理論可能是最早的植物有機(jī)營養(yǎng)理論。目前很多人提植物的有機(jī)營養(yǎng)[26]，甚至是植物的碳營養(yǎng)[27]，網(wǎng)絡(luò)上也有重大爭(zhēng)論[28]，有人認(rèn)為“化學(xué)植物營養(yǎng)學(xué)最重大的失誤是對(duì)植物碳營養(yǎng)吸收途徑的看法。認(rèn)為植物是通過葉片吸收二氧化碳，經(jīng)葉綠素的光合作用轉(zhuǎn)化為碳水化合物 (營養(yǎng)積累)，不認(rèn)為植物根部也能直接吸收水溶性有機(jī)碳，進(jìn)行營養(yǎng)積累”[29]。筆者仿佛回到18世紀(jì)末，從1797年的英格豪斯開始[3]，就認(rèn)為植物碳的主要來源是大氣中的CO2，直到現(xiàn)在也沒有人否定植物根系可吸收少量含碳有機(jī)物[30]。但是，這些少量的有機(jī)質(zhì)是否是植物碳的主要來源？是否用于了植物碳同化？至少現(xiàn)在的科學(xué)證據(jù)還沒有達(dá)到令人信服的程度。目前化肥施用不當(dāng)，造成了很多不利的影響，這只能歸結(jié)于實(shí)踐層面，多施用有機(jī)肥料，形成生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，也是實(shí)踐層面的內(nèi)容，不能認(rèn)為化肥造成了負(fù)面影響就認(rèn)為植物礦物質(zhì)理論有問題，更不能因?yàn)槎嗍┯袡C(jī)肥就認(rèn)為植物以吸收有機(jī)物質(zhì)為主要營養(yǎng)。如果把理論與實(shí)踐問題混為一談，則不利于科學(xué)的發(fā)展。也不能認(rèn)為化肥造成了負(fù)作用，就認(rèn)為植物礦物質(zhì)營養(yǎng)不是真理而“貽害無窮了”[29]。

李比希提出的“植物礦質(zhì)營養(yǎng)理論”的核心是“田里的作物產(chǎn)量的減少與增加與肥料中輸送到田里的礦物質(zhì)的減少或增加成準(zhǔn)確的比例”。至于是什么礦物質(zhì)，由于當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)水平的限制，并沒有確定，實(shí)際上，斯普林格在1826年就提出15種元素或20種元素是植物的必需營養(yǎng)元素，目前植物必需營養(yǎng)元素的標(biāo)準(zhǔn)是1931年阿爾農(nóng) (Daniel Israel Arnon，1910—1994) 等確定的[31]，經(jīng)過60多年的研究，才確定了目前植物所需的17種營養(yǎng)元素，這是植物礦物質(zhì)營養(yǎng)理論的延伸，這種研究還在繼續(xù)，如果說其機(jī)械性，實(shí)際上1961年，英國布里斯托爾大學(xué) (University of Bristol) 的朗阿什頓 (Ashton) 試驗(yàn)站的尼古拉斯 (Nicholas) 就提出過，把只要有營養(yǎng)功能的元素都作為植物必需營養(yǎng)元素。按他的標(biāo)準(zhǔn)，目前有21種植物必需元素[32]，這是具有標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)問題，如果這些元素能充分供應(yīng)，植物就不會(huì)在營養(yǎng)方面表現(xiàn)出癥狀，至于限制植物生長的因子還有很多，所以，后又將最小養(yǎng)分律改為限制因子律就是這個(gè)道理。

現(xiàn)代研究證明，植物可以吸收很多種類的有機(jī)分子。但是，這些有機(jī)分子在植物體內(nèi)能否直接參與植物代謝尚待研究，目前所能證明的是這些有機(jī)分子大部分參與了植物生長的刺激和調(diào)節(jié)作用[33-34]，這就是施用少量的有機(jī)化合物，可以得到幾倍乃至幾十倍于施碳量的生物量。如果認(rèn)為是碳的直接營養(yǎng)作用，即使不考慮其利用率，也僅能生產(chǎn)施碳量的1.724倍。所以，植物吸收的有機(jī)碳不是直接參與了植物的碳代謝，而是產(chǎn)生的生長刺激作用。從整個(gè)自然界考慮，植物的功能是將無機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳，從而將太陽能存貯在含碳有機(jī)化合物中，為動(dòng)物提供營養(yǎng)和能量。如果直接施用有機(jī)化合物如糖、氨基酸等作為植物營養(yǎng)物，植物的功能將不再能發(fā)揮，植物在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中的功能就失去了意義。所以，植物有機(jī)碳營養(yǎng)的提法尚需謹(jǐn)慎。

目前，我國肥料總體處于供大于銷的產(chǎn)能過剩的狀態(tài)，各生產(chǎn)廠家都在積極創(chuàng)新，為保證我國糧食安全和生態(tài)安全做出新的貢獻(xiàn)。但是，也有一些廠家為了找“賣點(diǎn)”，不惜在植物營養(yǎng)理論方面動(dòng)腦筋，找出一些違背科學(xué)，甚至是偽科學(xué)的賣點(diǎn)，需要廣大消費(fèi)者擦亮眼睛，以防受騙上當(dāng)。

植物營養(yǎng)與肥料科學(xué)是不斷發(fā)展的，即使今天，關(guān)于腐殖質(zhì)的研究還在努力進(jìn)行，只是，人們關(guān)注的焦點(diǎn)已不在于它是否是植物的唯一營養(yǎng)，而是它對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)及腐殖質(zhì)的結(jié)構(gòu)[35]，對(duì)植物生長的刺激作用[36]等方面。所以，從19世紀(jì)到現(xiàn)在，都沒有否定植物對(duì)有機(jī)物質(zhì)，特別是水溶性小分子有機(jī)物質(zhì)的吸收，但是目前較一致的觀點(diǎn)還是它對(duì)植物生長的刺激作用，而不是營養(yǎng)作用[37]。

注 釋：

[注1] 約?·喬基姆·貝希爾 (Johann Joachim Becher，1635—1682)，是一名德國醫(yī)生、煉金術(shù)士、化學(xué)先驅(qū)、學(xué)者和冒險(xiǎn)家，以發(fā)展燃素燃燒理論和促進(jìn)奧地利官房主義而聞名[38]。

[注2] 這里所說的火是指二氧化碳，這是“燃素理論”的術(shù)語。

[注3] 也有人將其翻譯為“華萊士”，他是瑞典的化學(xué)家和礦物學(xué)家，是農(nóng)業(yè)化學(xué)的奠基人之一[2]。也有人認(rèn)為他是第一個(gè)提出“腐殖質(zhì)”這一名稱的[37]。

[注4] 固定空氣 (fixed air) 是18世紀(jì)的化學(xué)用語，即現(xiàn)在的二氧化碳。

[注5] 當(dāng)時(shí)把氮?dú)?(N2) 稱為有毒空氣 (mephitic)。

[注6] 碳酸是19世紀(jì)化學(xué)家對(duì)二氧化碳的叫法，在李比希的著作中，全部將二氧化碳稱為“碳酸”。

[注7] 該書在第一個(gè)英文版和第一個(gè)美國版出版時(shí)的名稱為《Organic Chemistry in Its Applications to Agriculture and Physiology》，所以，在很多文章中稱為《有機(jī)化學(xué)在農(nóng)業(yè)和生理學(xué)上的應(yīng)用》，在其第二版以后均采用了《Chemistry in Its Applications to Agriculture and Physiology》；還由于當(dāng)時(shí)它幾乎包含有農(nóng)業(yè)化學(xué)的全部，所以也有人稱李比希的著作為《農(nóng)業(yè)化學(xué)》。

[注8] 黑森英畝 (Hessian acre)，一黑森英畝等于40000平方英尺，相當(dāng)于0.9183英畝。以英國的測(cè)量單位，1黑森英畝等于26910平方英尺，即0.6178英畝。根據(jù)李比希的著作中上下文的意思，應(yīng)該為26910平方英尺。

[注9] 這里實(shí)際上是指鈣的氧化物，也可以認(rèn)為是鈣元素。