从化学与生物学的角度看土壤的退化与修复

刘滇生

过量和不合理使用化肥导致我国土壤严重退化

中国是一个地少人多的发展中国家，拥有世界7%的土地，养活了世界22%的人口，同时也消耗了世界35%的化肥，中国农业对化肥的依赖已达到不可取代的地步。

化肥的过量和不合理使用带来了一系列不良后果。首先是土地资源的破坏。长期过度依赖化学肥料，加上不合理的施用N、P肥，有机肥和中微量元素肥料投入不足，长期规模化单一种植模式致使土壤中某些中微量元素有效性下降，微生物多样性减少，种群结构失衡，土壤结构恶化，养分失衡。土壤结构破坏、酸化、盐化，耕地退化，土传病害猖獗又使得化学农药使用量猛增，虫害抗药性增加，土地资源遂进入恶化循环。土壤板结就是土壤退化最表观、最显著的特征，

其次是能源和资源的巨大浪费。中国主要存在的问题是化肥利用率较低，如氮肥只有35%左右，比发达国家平均低10%以上。根据国家统计局数据，2013年我国共生产化肥7153.7万吨，能源消费总量折标准煤8841万吨。

再次是环境污染使农产品质量安全危机严重。硝酸盐、亚硝酸盐严重累积。在北方某些农业高度集约化的地区，氮肥的不合理施用导致地下水硝酸盐超标，有些地区竟达到100%的严重超标程度。陕西某地“肥水井”的出现，也与氮肥大量施用引起的硝酸盐污染有直接关系。在我国南方经济发达地区，氮磷肥过度施用导致地表水富营养化、湖泊严重污染。此外，蔬菜中硝酸盐超标，大气中氧化亚氮排放量增加，沿海城市赤潮现象的发生以及厄尔尼诺现象在全球范围内肆虐等环境问题，也与肥料不合理施用对环境产生的负面影响密切相关。环境污染使农产品质量安全危机严重。农产品品质低下以及有害物质超标，尤其是蔬菜中的亚硝酸盐严重超标，对我国居民的健康构成了巨大的潜在威胁。人大代表在人大会议发言中说“肉不香，鱼不鲜，果不甜，菜无味，慢性中毒是人民、民族、国家的潜在杀手”。同时，由于化肥利用率降低，产量难于增加，而持续增长的人口、耕地的减少和自然灾害的不可预见性，已严重威胁中国粮食安全。

土地资源破坏最显著表现是土壤板结，造成土壤板结的主要原因有以下三方面：

一是不正确及过量施用磷肥。土壤中的阳离子以二价的钙、镁离子为主，以键桥形式将土壤微粒连接成大颗粒形成土壤团粒结构。向土壤中施入磷肥时，磷肥中的磷酸根离子与土壤中钙、镁等阳离子结合形成难溶性磷酸盐，即浪费磷肥，又破坏了土壤团粒结构，致使土壤板结。

二是过量或滥施其它化肥。有机质含量是土壤肥力和团粒结构的一个重要指标，土壤有机质是土壤团粒结构的重要组成部分。土壤有机质的分解是以微生物的活动来实现的。土壤中过量施入氮肥之后，微生物的氮素供应每增加1份，相应消耗的碳素就增加25份，所消耗的碳素来源于土壤有机质。由于大量秸杆焚烧，有机质补充受阻，加之碳素的消耗致使有机质降低，反过来影响土壤团粒结构的形成，导致土壤板结。

三是向土壤中过量施入钾肥时，钾肥中的钾离子置换性特别强，能将形成土壤团粒结构的多价阳离子置换出来，而一价的钾离子不具有键桥作用，土壤团粒结构的键桥被破坏了，也就破坏了团粒结构，致使土壤板结。

所以化肥的过量或不合理使用，都是造成土壤板结和退化非常重要的原因。

如何修复土壤退化

土壤退化和修复有三个关键问题——肥料、有机质、有益微生物，从这三方面着手，土壤修复应该不是很难的问题。

就肥料来说，应该大力应用生物堆肥发酵磷肥，这是解决土壤板结、节约资源的重大举措。

我国磷矿类型主要是沉积磷矿，以中低品位为主，含杂质多，采选难度大，富集成本高，在现有经济技术条件下，不适于用化学的方法加工生产。目前普遍使用的化学加工法使大量中低品位磷矿成为一种“鸡肋”资源。国土资源部已经将磷矿列为2010年后不能满足国民经济发展需求的重要矿种之一，发展低浓度磷肥产业已迫在眉睫。

实际上，农作物大部分时间是在利用难溶性磷酸盐。如何开发出一种新的磷肥生产工艺，以充分利用中低品位磷矿资源，同时改进产品的物理性状，提高其在土壤中的抗固能力，增强有效性，对于保持磷肥工业的可持续发展有着重要的现实意义和战略意义。一般磷肥利用率只10～25%，而70%左右的可溶性磷化盐与土壤中的钙离子结合，又变成难溶性的磷酸盐。那么，我们为什么不考虑将大量中低品位“鸡肋”磷矿直接作为肥料来用，而是耗费大量资源将难溶磷酸盐变成所谓可溶性磷肥，同时把有用的岩矿粉扔掉呢？

我们现在做的工作是，把中低品位的磷矿原料与农家肥等有机质一起，经多种有益菌包括解磷菌，发酵生产出生物有机肥。该类型高磷生物有机肥施入土壤后，一部分速效磷被植物吸收，而肥料中的解磷菌种继续释放磷，经大田试验效果良好，可以替代50%以上化学磷肥。微生物态高磷生物有机肥的研究开发，能很好地解决目前磷肥生产和田间施肥中存在的尤其是土壤板结和资源利用的各种问题，是我国磷肥生产和利用值得大力推广的技术。但是，由于现有国家农业部新修改的生物有机肥标准，大幅增加了有机质含量，取消了对氮磷钾养分的要求，致使我们在2008年已经研发出来的高磷生物有机肥技术，至今推广不了。

就有机质和有益微生物来说，应该大力推广以生物技术为基础的生态农业种植技术。但能不能不计成本地提高质量和产量？我认为很难做到。例如，让农民施加大量的有机肥或生物有机肥，这样的高成本投入，农民是没办法接受的，也是不能推广的。就目前农业现状来说，只有将生物、化学与先进农艺结合起来才是正确方向。在这方面我们有成功的技术，可称之为“大田粮食作物生物配肥技术”，可简单概括为“种肥同穴、精准施肥、精量播种、节能种植”，其核心是高磷生物有机肥与种子同穴（沟）播施。该技术将生物有机肥直接作用于植物根际，不仅有利于有益菌在植物根系周围的快速定殖与繁殖，构建健康和高产土壤微生物区系关键结构，而且有利于氮磷钾的快速转化与吸收，提高了化肥利用率。这样一来，土壤中没有吸收的、难溶解的包括加进去的磷酸盐，通过菌种转化，不仅减少板结（没有钙、镁离子争夺），还节约资源，何乐而不为？同时，我们把微量元素加在生物肥中，可达到四两拨千斤的效果。例如，硒是植物中的关键性的微量元素，还可以抗癌，如果种肥同穴，就能以较低成本种出富硒农产品。

当然，“生物配肥技术”离不开现代农业机械完成科技成果应用的最后一公里。采用秸杆还田或不处理秸杆的一次性免耕播种，不破坏土壤结构，实现低碳节约种植，可大大增加土壤有机质；实现种子-生物肥同穴播种和化肥深施、穴施、缓释，可大幅度提高肥料利用率，减少化肥施用量。例如，我们研制的一种深松免耕种肥同穴玉米-豆类播种机，在山西闻喜县进行了夏玉米种植示范。在不增加化肥的基础上，每亩增施“沃丰生物有机肥”20斤（成本12元），亩产达1450斤（此地采用传统耕作的玉米亩产为1200斤），增产幅度达20%。

从深层次上讲，土壤修复还有政策或体制上的问题。在我国，有效的科技成果往往没有用武之地，主要原因有三：一是农业科技成果推广涉及众多部门，结果是谁都管谁也不管。二是对科技成果推广缺乏有效支持，例如，政府农业招标项目中，一般是不能将农业科技成果作为招标条件优先考虑的，常被解释为这样有悖公平。三是农业科技项目的决策者常常被少数所谓“权威”把待，圈外人难以进入；重研发，轻推广，科技成果推广缺少有效支持，项目少之又少。例如，2016国家重点研发计划专项“化学肥料和农药减施增效综合技术研发”， 要求申报必须覆盖项目所有内容，其中有一项是能够通过航测测定土壤肥料含量。且不论该项申报入门门槛之高，仅就其化肥减量、大田作物增产这一项最重要目标来讲，我们推广的“大田粮食作物生物配肥集成技术”已经超额完成了国家科技部2020年的提质、节本、增效的目标。这还需花大钱研发吗？为什么就不能多关注一下农业科技成果推广？ 我們认为农业科技包括土地修复技术并不缺乏，缺乏的是农业科技成果推广的健康环境。