蒋高明：化肥起源、化肥利用效率与化肥污染
一、化肥的诞生
化肥是化学肥料的简称，特指化学方法制成的能满足农作物生长需要营养元素的肥料。只含有一种营养元素的化肥称为单元肥料，如氮肥、磷肥、钾肥等;含有氮、磷、钾三种营养元素中的两种或三种且可标明其含量的化肥，称为复合肥料或混合肥料。化肥的主要指标是品位，是化肥产品中有效营养元素或其氧化物的含量百分率，如氮、磷、钾、钙、钠、锰、硫、硼、铜、铁、钼、锌的百分含量。由于被籽粒带走的营养成分不能归还土壤，土壤中一些营养元素尤其是氮元素通常不能满足下茬作物生长的需求，人类就用含氮、磷、钾的化学物质来补足。一般地，化肥大多为无机化合物，但尿素[CO(NH2)2]却为有机化合物。
以中国为主的农业传统大国，农民都是将粪肥当作主要肥料的，这类肥料虽收集和使用困难，但对土壤具有重要的呵护作用。中国历史上虽有利用矿物肥的记录，但并没有发明出化肥来。进入18世纪以后，欧洲爆发了工业革命，大量人口涌入城市，大部分人口脱离了耕地，加剧了粮食供应紧张，并成为社会动荡的一个起因。提高粮食产量，满足不断增长的人口尤其城市人口需求，就变成了人类社会第一要务。化肥应运而生，其简要历史如下：
1828年，德国化学家维勒(Wöhler，1800-1882)首次用人工方法合成了尿素。按当时化学界流行的“活力论”观点，尿素等有机物中含有某种生命力，是不可能人工合成的，维勒的研究打破了无机物与有机物之间的界限。但当时人们尚未认识到尿素的肥料用途。直到50多年后，合成尿素才作为化肥应用到农业生产上来。
1838年，英国乡绅劳斯(Ross)用硫酸处理磷矿石制成磷肥，成为世界上首例化肥(尿素虽发明在前，但应用较晚)。
1840年，德国著名化学家李比希出版了《化学在农业及生理学上的应用》一书，创立了植物矿物质营养学说。李比希认为只有矿物质才是绿色植物唯一养料，有机质只有当其分解释放出矿物质时才对植物有营养作用。作物从土壤中吸走的矿物质养分必须以肥料形式归还到土壤，否则土壤将日益贫瘠。这个理论引发了农业理论的一场革命，为化肥的诞生提供了理论基础。在生态学上，还有一种最小因子定律也是以李比希的理论为基础的，即当某种营养元素的含量低到一定程度时，就会限制植物生产。当今流行的水培法栽植，也是基于该理论。当然，从人类150年的实践来看，李比希的理论正受到长期使用化肥造成土壤退化的挑战——作物需要的不仅仅是矿物质，还有有机质、土壤微生物、土壤动物、土壤的各种物理性质等等。
1850年前后，劳斯发明了最早的氮肥。约20年之后(1909)，德国化学家哈伯(Haber，1868-1934)与博施(Bosch，1874-1940)合作创立了“哈伯-博施”氨合成法，解决了氮肥大规模生产的技术问题。
19世纪中叶，磷肥首先在英国出现;1870年，德国生产出钾肥;20世纪初，人类合成氨研制成功。
20世纪50年代以来，施用化肥得到了大规模应用，并由此引发了第一次绿色革命。在全球范围内，农业生产几乎离不开化肥。据统计，在各种农业增产措施中，化肥的作用占大约30%。亚洲是世界上最大的化肥使用地区，其中氮肥需求占全球的90%，磷肥70%，钾肥10%。
当前，氮肥富裕的地区是前苏联、东欧和中东等地区，缺口地区是亚洲和西欧;磷肥生产集中在资源丰富的北美、前苏联、中国和非洲;缺口地区是亚洲、西欧和拉美等地区;钾肥集中在加拿大和前苏联等少数有资源的国家。
二、化肥在中国
在中国，化肥虽起步较晚，但今天全球最大的生产国与应用国却是中国。
我国自古以农立国，天然有机肥利用历史悠久，多粪肥田思想根深蒂固。上世纪20 世纪初，西方化肥在中国沿海经济发达地区推销, 开始对传统有机肥收集造成冲击。化肥增产效果明显、施用方便，深受农家喜爱，一些专家学者也大力推广化肥使用。
自化肥进入中国之初，英、德、荷、加四国厂家代理组成的“铔联冶几乎垄断了中国市场。他们按比例分销，其中英国卜内门和德国爱礼司洋行势力最为庞大，市场份额分别占59% 和31%。当进口化肥所带来的巨额外汇支出和土壤变坏等问题相继出现以后，上世纪30 年代初国内尤其是江浙等经济发达省份，出现了一股抵制舶来化肥的浪潮。随后，中国人开始自制化肥。
1937 年2 月，在经历了技术、资金等多重障碍之后,由范旭东等一批民族工业先驱为主的企业家，创建了中国第一座化学肥料企业：永利硫酸铔厂。该厂在南京长江北岸建成投产,中国人自造化肥的梦想变成现实。永利生产的“红三角”冶牌硫酸铔质量高、售价低。进口硫酸铔氮0. 75 元/斤，永利公司0. 5 元/斤。，当时，永利铔厂具有日产合成氮39 吨、硫酸120 吨、硫酸铵150 吨和硝酸10 吨的能力，因其设备精良、规模宏大，被誉为“远东第一大厂冶”。
然而，上述工厂的化肥产量毕竟有限，依然难以与洋化肥竞争。1946 年，中美农业技术合作团向国民政府提交报告，认为改进中国农业首要问题就是建设化肥厂，大量供应农民急需的化肥。然而，近代中国的工业基础薄弱，加上战乱，要自产化肥并与舶来品展开竞争，并非易事。
解放以来，中国农田以氮肥施用为主，品种是硫酸铵和尿素等。因国产能力低，大量化肥从日本和欧洲进口，该局面一致延续了十几年，直到文革初期。以氮肥为例，1963年进口30万吨; 1964年40万吨; 1965年60万吨;1966年80万吨;1967年进口94万吨;1968年216万吨。为摆脱化肥对外依赖被动局面，振兴民族化肥产业，中国开始尝试生产硫酸铵、碳酸铵、尿素等。
20世纪70年代前半期，在毛主席指示下，由周恩来总理亲自领导，国务院业务组直接筹划和组织，中国掀起了自50年代从苏联、东欧国家大规模引进技术装备之后，第二次大规模成套技术设备引进高潮。
新中国第二次大规模成套技术设备引进大大带动了化肥产业的发展。对外实际签订项目共26个，其中与化肥有关的产业包括：大化肥13套，具有年产30万吨合成氨、48万吨或52万吨尿素的生产能力，化肥厂分别建在河北沧州、辽宁辽河、黑龙江大庆、江苏南京、安徽安庆、山东淄博、湖北宜昌、湖南洞庭、广东广州、四川成都等。
其实，在大量进口外国设备之前，新中国也有自己组建的化肥厂，吉林化肥厂就是新中国第一座大型化肥厂。吉化是国家“一五”时期，由苏联援建中国基础工业建设156个核心项目中的吉林“三大化”之一(染料厂、化肥厂、电石厂)。吉林化肥厂于1951年开始筹建，1954年一期工程全面展开，1957年10月第一期工程建成投产，总投资2.56亿元，可年产合成氨5万吨、硝酸铵9万吨、甲醇4000吨，产品品种11个。1957~1962年，化肥厂完成了二期扩建工作;1963~1966年，完成了三期扩建，期间主要产品年生产能力已实现合成氨30万吨，硝酸铵53万吨，甲醇2万吨。
2006年以来，中国化肥行业工业总产值总体上呈增长趋势，已跃居全球第一。2009年受金融危机影响，化肥市场需求下降，化肥行业产能缩减。2010年以来，化肥市场明显回暖，行业开工率明显上升，一直持续至今。中国化肥产业到“十二五”末，氮肥企业数量减少到200家以下，磷肥企业数量减少到150家以下。中国1998年化肥产量已达2956万吨(纯养分，下同)，占世界总产量的19%，居世界第一位;中国1998年化肥纯养分使用量达3816万吨，也居世界第一位。而到2015年低，全国化肥产量高达7627万吨，稳居世界第一化肥大国地位。
三、化肥利用效率
虽然中国的化肥总产量和总用量方面居世界第一位，但并不意味着中国在化肥合理使用技术上也处于第一的位置。相反，中国部分农村在施用化肥方面存在着严重不合理、不科学的问题，造成了化肥资源的浪费，增加了农业成本，使农民的收益下降。
中国化肥的利用率不高，当季氮肥利用率仅为35%，而温室大棚内更低至10%。据联合国粮食及农业组织的资料显示，1980年至2002年中国的化肥用量增长了61%，而粮食产量只增加了31%。肥料利用率偏低一直是中国农业施肥中存在的问题。鲁如坤等研究发现，中国农田磷肥的利用率仅为10%～25%。
中国科学院土壤研究所朱兆良院士分析指出，我国化肥用量是40年前的55倍。笔者的估计是，我们每生产9斤粮食就需要消耗1斤化肥。如果每个人粮食定量按照30斤/月计算，那么每个人每年因为生产粮食就消耗化肥40斤。因此，我们不得不“吃”化肥，我们尤其是我们的后代几乎都是“吃”化肥长大的。
2010年1月，中国人民大学农村与发展学院温铁军教授研究团队和国际环保组织绿色和平，联合发布了《氮肥的真实成本》报告。该报告分析了氮肥生产、运输、使用环节所产生的和所造成的食品安全问题等负外部性，分析了氮肥行业的补贴政策所带来的社会经济成本。过量氮肥使用使得农业现在已经变成立体交叉的污染。
根据中科院南京土壤研究所朱兆良院士的研究，1949年至1998年每年的粮食和氮肥年用量的线性相关系数达到0.977。我国粮食取得高产的同时，氮肥的消耗量也逐年增加。1997年我国氮肥自给自足，到了2005年氮肥施用量已达到近3000万吨，约为1960年的55倍;2007年氮肥过剩近1000万吨。
1979年，家庭联产承包制实施后，农民的种粮积极性得到空前提高，当年国家产粮33212万吨，使用化肥仅1086万吨，每斤化肥可以换回30.5斤粮。而2005年，化肥利用效率已降到10.1斤粮/斤化肥，当年使用化肥4766万吨。2014年，全国化肥使用量并没有出现预期中的下降，而是增加到5900万吨，增加了1134多万吨。
中国氮肥单位土地施用量是美国的3倍，法国的1.5倍，德国的1.6倍。过剩的氮释放到环境中去，造成了严重的环境污染。中国农业大学张福锁教授对中国北方两个精细化农业区进行的研究说，这两个地区属于化肥使用量过剩的地区。北方地区每公顷地每年所使用的氮肥约为588公斤，每公顷约有277公斤过剩的氮释放到环境中。氮肥过剩使用也没有提高氮肥吸收利用率。在温铁军及其团队的实地调查中，江苏省水稻的氮肥吸收利用率仅19.9%，山东省小麦氮肥利用率仅为10%左右。中国每年因不合理施肥造成1000多万吨的氮素流失到农田之外，直接经济损失约300亿元。
氮肥工业是以煤、石油和天然气等不可再生资源为生产原料的，生产过程需要消耗大量水和电，属于高耗能和高污染行业。氮肥行业年耗天然气、无烟煤、电分别占全国总量的18.7%，22.1%和2.28%。中国70%的氮肥生产以消耗煤炭为主，年均消耗能源约为1亿吨标准煤，而且正以每年接近1000万吨标准煤的速度增长。而这70%的氮肥生产依靠山西晋城的优质无烟煤，而利用低质煤炭生产氮肥的技术仍未达到大范围推广;剩余30%的氮肥生产依靠天然气，年消耗全国的近三分之一。
四、化肥引起的环境污染
化肥利用效率下降，造成的直接后果是农田环境污染。自1994年以来，中国农业大学的专家在北京、山东、陕西等地的20个县600多个点位的抽样调查显示，在北方集约化的高肥用量地区，20%的地下水硝酸盐含量超过国家饮用水硝酸盐含量限量标准(每升硝酸盐含量89毫克)，45%地下水硝酸盐含量超过主要发达国家饮用水相关限量指标。除此之外，因化肥中含有重金属、酸根等物质，其对环境的影响是多方面的。重要的环境影响如下：
1）重金属和有毒元素有所增加从化肥的原料开采到加工生产，总是给化肥带进一些重金属元素或有毒物质。其中以磷肥为主。中国施用的化肥中，磷肥约占20%，磷肥的生产原料为磷矿石，它含有大量有害元素F和As，同时磷矿石的加工过程还会带进其它重金属Cd、Cr、Hg、As、F，特别是Cd。另外，利用废酸生产的磷肥中还会带有三氯乙醛，对作物造成毒害。研究表明，无论是酸性土壤、微酸性土壤还是石灰性土壤，长期施用化肥还会造成土壤中重金属元素的富集。比如，长期施用硝酸铵、磷酸铵、复合肥，可使土壤中As的含量达50~60 mg/kg。同时，随着进入土壤Cd的增加，土壤中有效Cd含量也会增加，作物吸收的Cd量也增加。
2微生物活性降低土壤微生物是个体小而能量大的活体，它们既是土壤有机质转化的执行者，又是植物营养元素的活性库，具有转化有机质、分解矿物和降解有毒物质的作用。中科院南京土壤研究所的试验表明，施用不同的肥料对微生物的活性有很大的影响，土壤微生物数量、活性大小的顺序为：有机肥配施无机肥>单施有机肥>单施无机肥。中国施用的化肥中以氮肥为主，而磷肥、钾肥和有机肥的施用量低，这会降低土壤微生物的数量和活性。
3）养分失调与硝酸盐累积中国施用的化肥以氮肥为主，而磷肥、钾肥和复合肥较少，长期施用造成土壤营养失调，加剧土壤P、K的耗竭，导致NO3-N累积。NO3-N本身无毒，但若未被作物充分同化可使其含量迅速增加，摄入人体后被微生物还原为NO2-，使血液的载氧能力下降，诱发高铁血红蛋白血症，严重时可使人窒息死亡。同时，NO3-N还可以在体内转变成强致癌物质亚硝胺，诱发各种消化系统癌变，危害人体健康。在保护地栽培条件下，即使是以施用有机肥为主的100 cm土层中NO3-N累积量也在240~740 kg/hm2。
湖泊、河流和浅海水域生态系统的富营养化，也因氮磷等营养物质的增加有关，其直接的生态灾害是水藻疯长，鱼类等水生动物因缺氧数量减少甚至死亡，并引发近海的赤潮。氮肥气态损失也造成温室气体排放。氮主要在土壤微生物的硝化和反硝化作用下，使部分氮肥变成氧化亚氮这样的温室气体，从而对大气臭氧层产生破坏。
氮肥过量使用将对长期粮食安全和食品安全造成威胁。氮肥过量使用排放的温室气体加剧了气候变化，气候变化又对长期粮食安全造成负面影响;氮肥的过量使用会导致土质下降和土壤环境恶化，进而影响到作物的生长;过量使用还在一定程度上导致农药施用量的增加，这是因为化肥过量使用，造成了土地微生物和动物多样性降低，土壤板结，植物病害增加，需要用更多的农药控制病害。在退化的农田生态系统中，当初级生产力下降时，以植物为食的植食性害虫数量也将增加，更加剧农药的使用。
4）土壤酸化长期施用化肥加速土壤酸化，中国农业大学张福锁教授团队对此进行了深入的分析，文章发表在国际著名的《科学》刊物上。这是因为，一方面与氮肥在土壤中的硝化作用产生硝酸盐的过程相关。首先是铵转变成亚硝酸盐，然后亚硝酸盐再转变成硝酸盐，形成H+，导致土壤酸化。另一方面，一些生理酸性肥料，比如磷酸钙、硫酸铵、氯化铵在植物吸收肥料中的养分离子后，土壤中H+增多，许多耕地土壤的酸化和生理性肥料长期施用有关。此外，氮肥在通气不良的条件下，可进行反硝化作用，以NH3、N2的形式进入大气，大气中的NH3、N2可经过氧化与水解作用转化成HNO3，降落到土壤中引起土壤酸化。化肥施用促进土壤酸化现象在酸性土壤中最为严重。土壤酸化后可加速Ca、Mg从耕作层淋溶，从而降低盐基饱和度和土壤肥力。
针对上述现象，有学者认为化肥对耕地肥力有短期提高的功效，但长期不合理使用，则对土地健康造成不利影响。有人据此将化肥成为“土地鸦片”，农民用之成瘾，耕地也会成瘾，但耕地退化后，其高生产力就难以维持了。这正如，人从血管里能够获得营养，但不能长期那样做，大量营养还必须以肠胃吸收为主。对于耕地，丰富的有机肥才是关键，植物必须借助土壤微生物和土壤动物的作用，吸收其需要的矿质元素，而不能经常“走血管”。
五、化肥与营养
化肥解决了粮食高产的问题，同时又带来了一个新的问题：营养成分的流失。
人类需要的营养分两类：一类是大量营养，即蛋白质、脂肪、碳水化合物等，还要摄取一定量人体不吸收但有用的纤维素;另一类是微量营养，即维生素、矿物质、酵素菌类等。这些营养成分是确保身体机能正常的必须原料。
来自德国黑森林地区的膳食专家的研究结论显示：蔬果中的大部分微量营养素平均含量在10年降幅几乎都超过50%。在1985年我们通过吃一份苹果补充维生素C，到1996年就要吃够5份才达到一样的摄入量。
我们对不同栽培方式下的食物营养成分，结合查阅大量文献，分析发现了上述食物营养的变化。如果不使用化肥，而采用有机肥，农药残留量是普通食品的0-1/3;果蔬硝酸盐含量比普通果蔬减少50%-80%;干物质含量比普通食品高出约7%-20%。用有机肥彻底更换化肥后，花青素、异黄酮、类胡萝卜素等具有抗癌、抗氧化的酚类化合物含量明显提高，维生素C含量提高30%-68%。在元素含量方面，采取有机栽培方式，农产品中大量元素P、Fe、Mg以及微量元素Zn、Cu含量更高，矿质营养趋于平衡。
当代人看似日益光鲜和日益丰富的饮食结构中，却面临营养缺乏的困境。在美国，由于食物单一，营养元素缺乏，造成了高达三分之一以上的肥胖人群，该国的心脏病、高血压、癌症患者也呈现增长趋势，国家不得不投入大量的资金用于治疗。由于食物便宜，美国人用于购买食物的开支占据日常开支的7%，但其医疗开支高达17%。
化肥滥用客观造成各类慢性疾病的泛滥，仅中国就有3亿人有“三高”中的至少“一高”;癌症病患也越来越多。当代人一方面巨量营养摄取过量而导致肥胖普遍，另一方面，巨量营养中个别成分和几乎大部分微量营养又摄取不足。越来越多的营养学家认为，化肥过量使用导致食物营养成分减少纳入慢性病的原因之一。
当代人这样的饮食结构而导致的身体素质的下降，是否会逐渐具有遗传性，并导致未来人类素质的先天性低下，将是一个早晚都要面对的残酷课题。越来越多人有糖尿病，而且有低龄化的趋势，这些人未来生育后代会否有遗传的可能?如果人类以这样的饮食方式传承几百年，未来人类社会格局是否会发生变化?这些因农业生产方式改变发生的疾病，非常值得医学家认真研究。
六、“测土配方”良方否？
面对上述严酷现实，有关部委提出了化肥零增长方案，采取的一种主要做法就是测土配方施肥，即根据作物的实际需要使用化肥，但这种做法在现实生产中效果难以保障。其实，关于测土配方施肥的问题，笔者早在7年前，就撰文指出过这种作法的实际效益。现在重发这篇文章，希望能引起更多的农业工作者思考。
为减少化肥污染，提高耕地产量，农业部接受有关专家建议，从2005年开始，推行一项全国性的耕地施肥新措施，即根据土壤的实际需求确定施肥量。科学家们称其做法为“测土配方”施肥。其依据是，目前农民施加的肥料中，60%～70%并没有被庄稼利用，而是贡献给了地下水，或残留在土壤中。项目实施3年后，全国已累计推广测土配方施肥面积达9亿亩次。
然而，从全国化肥实际用量看，配方施肥并没有使化肥用量减少下来，反而持续增加。2005年全国化肥用量为4766万吨、2006年为4927万吨，2007年全国消耗化肥5108万吨，是年粮食总产量为5.15亿吨，2015年，全国化肥用量5900万吨，是年粮食产量6.3亿吨。当然，有专家指出，增加的化肥可能进入了温室大棚，而不是进入农田，测土配方施肥依然发挥了作用。这个问题是客观存在的，但具体多少进入了大棚，多少进入了农田，还需要进一步研究。
2015年8月，笔者应国内某大型肥料集团邀请，为该集团管理人员介绍生态农业有关进展。会上我向一位业内同行了解化肥使用情况，尤其是测土配方施肥实施10年后的效果，答案令人吃惊——当前的化肥用量已达到5900万吨了。我国的化肥使用效率是在上世纪50年代最高，那时农民种粮积极性高，社会组织分工好，也没有太多的化肥可以浪费。如1952年我国生产了16392万吨粮食，仅动用化肥7.8万吨，化肥利用效益高达2230斤粮食/斤化肥，地力不足的部分依靠积累农家肥和绿肥。
或许有人认为投入力度不够，才影响了测土配方施肥效果。实际上，几年来，中国已经安排专项资金20多亿元用于配方施肥补贴，仅2008年农业部就安排了11.5亿元补贴资金;2009年中国还将继续增大投入。其实笔者认为，补贴资金不是限制因素，而配方施肥本身的合理性才是最关键的。
测土配方施肥的目标是减少化肥用量，并提高粮食产量，实现资源高效、环境保护和提高耕地质量等综合目标，这个出发点无疑是正确的。但是，配方施肥依然施的是化肥，化肥如同土壤的药物，“是药三分毒”，在提高产量的同时，其副作用也逐渐显露出来。另外中国化肥生产一直在增加，仅全年上半年全国就生产化肥3000万吨。各种销售网络也在向农民兜售化肥，农民在实际操作中对化肥产生了强烈的依赖。在这样复杂的形势下，仅靠专家们开出的“施肥配方”是难以奏效的。
其实测土配方施肥是治标不治本的做法。在试图解决耕地污染和提高产量的宏伟工程中，科学家、政府官员、农民三方面的利益分配问题才是最主要的。目前的资金去向是，主管项目的科学家获得了大量研究经费，各级农业政府官员，土壤肥料站得到了大量补贴、农民却没有得到实际好处，反而增添了麻烦。农民不会为种地去取土样找土肥站去化验，即使不要他们花钱。测土配方施肥理论上可行，但具体操作困难。农民嫌麻烦，没有积极性;但科学家和各级农业官员有好处，积极推进。这就出现了测土配方施肥工程中“一头凉、一头热”的局面。
在配方施肥中农业部门一包到底：从土壤测试、配方设计、田间试验、效果评价、组织管理、监督检查等所有环节，几乎都由农业部门包揽，甚至连配方肥的生产也由农业部门承担，导致测土配方施肥补贴由农业系统独享。这样，配方施肥不是肥了耕地，也不是农民，化肥用量怎能够减得下来?另外，测土配方项目补贴金额发放与验收都由内部人员说了算，“农业三站”形成特殊利益共同体，不愿奔赴田间地头开展扎实的农技服务。一些基层农技部门玩数字游戏，以骗取国家补贴。
在实际操作中，一个“药方”难以解决耕地的营养问题。耕地是个非均质体，农民常说“一步三换土”，就是这个道理。有人曾从半公顷耕地中，随机获取50个土样送检，其化验结果最大值和最小值相差几倍，用来配方的有效养分怎能做到科学合理?
其实即使不搞配方施肥，将秸秆中含有的“肥料”通过一定的措施“过腹还田”，增加有机肥，地会越种越肥，化肥用量必然下降。我们的试验数据显示，在有机肥施用量75吨/公顷前提下，在目前基础上减少一半化肥用量，玉米籽粒仍高于施常规化肥的产量。中国如将一半的秸秆 “过腹还田”，可增加牛粪32.8亿～38.3亿吨，折合2835万～3310万吨硫酸铵。遗憾的是，这些“肥料”被农民在田间地头烧掉了，每年再向耕地中增加化肥。
因此,解决耕地污染和提高耕地质量的合理途径，是大力发展生态农业，循环利用农业废弃物，恢复受损的耕地。中国人口多、耕地少，且农民勤劳，有着几千年农耕历史，这样的国情适宜发展精耕细作的农业。如果中国能够对养殖积肥的农民或对有机肥耕种者实施直接补贴，则可避免配方施肥缺陷，有效利用国家资金。这才是将复杂问题简单化做法。
