编译/陈能场（广东省生态环境技术研究所研究员、中国科协环境生态领域首席传播专家） 原题：Managing Fertilizers to Enhance Soil Health 作者：Bijay Singh and John Ryan First edition， IFA， Paris， France， May 2015 Part 1 刊载的部分目录 执行摘要 前言 土壤 - 地球上生命的基石 土壤，肥料和与作物相关的共识 执行摘要 人类对土壤的需求依赖于人类对粮食和纤维的需求，对牲畜的饲料的需求，以及最近种植生物燃料的作物，对能源供应也有所贡献。土壤是一个动态的、多功能的生命系统，在地壳上作为一层相对较薄的层存在。土壤形成因子的各种组合在世界范围内导致了土壤类型的非常多样性。土壤的性质和相关的环境条件支配着土壤的各种生态系统功能，如有机废物的分解和转化、介导养分循环、以及影响土壤生物如细菌和真菌的种群。虽然很难描述任何土壤如何发挥其相互关联的功能，但早期的定义包括“肥力”，后来的定义包括“质量”，而最近的“土壤健康”则是一个更具包容性的术语。 从历史上看，土壤肥沃，能够产出足够的作物产量，而且如果有足够的水，无论是降雨还是灌溉，文明都会蓬勃发展。在过去的一个世纪中，由于广泛采用机械化、新的高产和抗病作物品种、灌溉，特别是使用矿物肥料的使用等技术，提高了作物产量，世界粮食产量大幅增加。虽然作物产量是过去的主要重点，但对人口增长和将更多土地投入生产的潜力有限的认识导致作物可持续或可持续集约化的概念，即持续实现高作物产量，而不损害土壤生产这种产量的能力。因此，目前对土壤和作物管理的关注是维持土壤质量或土壤健康。这就提出了肥料使用如何影响土壤的问题，而不是对作物产量的影响。 虽然从肥料中有限的养分输入可能影响土壤健康，但施肥量高于作物对最佳生长的需求可能对土壤产生同样的不利影响并降低经济效益。低施肥或不平衡施肥导致土壤养分的耗竭和由于作物产量下降造成根生物量低而导致土壤有机质（土壤有机质）含量降低，间接减少土壤结构，从而促进土壤侵蚀。相反，尽管人们普遍认为氮使用会导致土壤有机质减少，但定期充足的肥料的使用会使根系生物量增加而带来土壤有机质的小幅但持续增加。虽然肥料的使用与一些土壤生物的减少有关，但这些影响相对较短，仅在肥料带的位置。通过在非酸性土壤中长期施用肥料，已经显示出微生物量的显着增加。铵态氮肥在土壤中的转化会会增加土壤酸度，从而对土壤健康产生不利影响。 这种自然微生物介导的过程可以影响土壤，从而影响作物生长的程度，这取决于施用的氮的形式和数量以及土壤的缓冲能力。当农民使用农场可获得的有机营养源（如粪肥和作物残茬），并补充矿物肥料以达到产量目标，就有可能维持和/或改善土壤中SOM的含量和各种微量营养素的供应。 总之，矿物肥料的使用对于现代农业和确保人类粮食安全至关重要。除了提高作物产量，肥料还间接地影响土壤性质或土壤健康，或积极或消极。确保对土壤产生积极影响的关键在于良好的科学养分管理做法；采用这种做法可确保经济作物生产与尽量减少环境影响相适应。在可能的情况下，应将现有的有机肥和其他有机材料与矿物肥料相结合，以确保高效有效的养分使用，并改善土壤健康。 前言 作为考虑与肥料有关的土壤健康的前奏，有必要提出一些可靠的事实，为讨论提供一个整体的背景。本文的主体部分考虑了土壤的重要性，土壤健康的概念，以及肥料对土壤健康的积极和消极影响。重点关注了对土壤酸度、土壤侵蚀、土壤微生物种群、与SOM保持相关的肥料和综合养分利用的间接影响，以及与土壤健康相关的研究需求。 土壤 - 地球上生命的基石 近年来，关于土壤质量与粮食安全的关系有很多文章（Lal和Stewart，2010），因为人们重新认识到人口与地球生产足够粮食以维持世界迅速增长人口的能力之间的关系。在对肥料和土壤健康进行简短讨论的背景下，有必要从全面的角度来看待粮食的全球形势。联合国粮食及农业组织（粮农组织）编制的食物平衡表显示，超过99.7％的人类食物（卡路里）来自陆地环境，即农业用地（Pimentel和Wilson，2004年）。在地球上130亿公顷的土地面积中，农田仅占11％。全球平均每人78%的热量消耗或能源需求来自于直接在土壤中种植的作物，另有20%以上来自于间接依赖土壤的其他陆地食物来源，如肉类、蛋类和牛奶(brek 2013)。土壤是作物生产的基础，因此构成了为人类提供大部分食物和营养的自然资源。 土壤，肥料和与作物相关的共识 √ 世界各地的土壤类型差异很大，取决于地理位置（地质、气候、植被），以及支持农作物的物理，化学和生物特性的相应变化。 √土壤肥力或土壤作物养分储备大致等同于土壤质量和土壤健康。如果生长条件有利，肥沃的土壤是富有成效的土壤，例如适当的土壤水分和通风，既不太热也不太冷，有利于作物生长。 √由于土壤肥力不同，很少有人可以在不施用营养的情况下无限期地维持高产量。对于当今农业所需的经济产量，必须将矿物肥料和/或有机肥作为营养元素添加到土壤中。在商业农业的现代时代之前，通过添加有机肥料，采用豆类作物轮作或休耕土地，即休耕，可以实现适度的产量。 √在过去的半个世纪里，全球作物产量和粮食安全的扩大主要是通过使用矿物肥料，以及改良的作物品种、机械化、病虫害防治和灌溉来实现。在全球范围内，谷物产量与肥料使用量相当。今天，世界上大约一半的作物产量归功于化肥。 √所有作物都会从土壤中吸收养分。如果移出量超过投入量，则会发生养分枯竭或营养“采矿”，这种情况是不可持续的。很多非洲国家都有这种不平衡的例子。土壤退化与低产量和人类贫困有关。 √施肥实践需要“平衡”。肥料中添加的主要营养素的含量必须基于土壤中已有的成分和作物中移除的成分。 √肥料利用效率意味着目标作物吸收的营养物质的增加程度。在氮的情况下，效率很少超过50％，导致现场损失和对环境的潜在负面影响；目前的研究旨在提高效率。采用肥料最佳管理方法可提高肥料利用效率。 √与流行的观念相反，使用矿物肥料可以通过增加土壤有机质来增强土壤健康，因为与作物产量提高相关的根系生长更大；这通常伴随着增强的微生物活动。这种情况发生的程度取决于环境和相关的耕作方法。 √肥料的使用会导致一些土壤生物减少，但这些影响相对较短，仅发生在肥料施肥带的位置。通过在碱性或中性土壤中长期施用肥料，观察到微生物生物量的显着增加。 √铵基氮肥的施用会通过诱导土壤酸度对土壤健康产生不利影响。然而，效果取决于施用的肥料氮的形式和数量，土壤的缓冲能力以及土壤pH管理实践，例如石灰施用。 √在对土壤健康，作物生产或环境的影响方面，矿物肥料和有机营养源之间没有冲突；恰恰相反，他们的使用是互补的。 √ 就对土壤健康、作物生产或环境的影响而言，矿物肥料与有机养分来源之间没有冲突；恰恰相反，他们的使用是免费的。 √当农场可用的不同有机材料（粪肥，作物残茬等）中所含的营养素被施用并补充矿物肥料以满足作物的营养需求时，通过土壤有机质来达到改善土壤健康是可以做到的。 √矿物肥料对于确保世界70多亿人口的粮食安全是必不可少的。随着人口的增加和一些国家富裕程度的提高，未来的依赖性将更大。 √由于对土地使用的竞争需求以及气候变化的负面影响，随着农业面积扩大到较不肥沃地区，肥料的使用量也可能增加。 √人类可持续使用化肥必须以健全的科学原理和实践为基础。 √使用化肥的好处必须更好地传达给广大公众。 由于土壤是有限的和脆弱的，它是一种宝贵的资源，需要特别的养护和保护，以便它能够无限期地供后代使用。土壤在支持人类在地球上生存方面的关键作用可以从以下事实来判断：根据风化环境，2.5厘米的表土需要大约500年或更长时间才能在农业条件下使用；总之，土壤形成是一个非常缓慢的过程。随着世界人口的增长，耕地面积扩大的可能性有限，过去几十年人均卡路里产量一直在下降。例如，自1984年以来人均粮食产量一直在下降。这一总趋势的程度因各国的发展状况、相对人口增长和粮食多样化而异。此外，在数十年显着的生产力提高之后，相对产量增长正在下降。人类面临的最大挑战之一是提高生产力，摆脱产量瓶颈。 这就需要考虑土壤及其性质。关于土壤的众所周知和确定的事实可以在许多标准教科书中找到，例如Brady和Weil（2010）【注： 该书有中文版《土壤学与生活》，李保国等译】以及其他广泛使用的资料。对于非专业人士来说，土壤主要是种植作物的媒介；很多人只是认为它是'污垢'。对于土壤科学家或农业家来说，它是一种复杂得多的材料。土壤是地球表面相对较薄的地壳，在极端情况下深度从几厘米到几米不等；正常土壤深度可达一米。土壤与其下面的风化岩石的区别主要在于其生物功能，其通过与非生物、物理和化学环境的复杂相互作用而起作用。换句话说，土壤是生物转化的产物。土壤是一个生命系统，是许多不同生物的栖息地，这些生物共同促成土壤的不同功能。土壤微生物学的领域尚未得到很好的探索，居住在土壤中的大多数物种尚未被确定。 土壤为人类提供营养的主要有益功能是由土壤生物过程驱动的，这些过程可以汇集成四种生态系统功能（Kibblewhite等，2008）： ( i）碳（C）是所有土壤生物的核心，因为它是其能量来源，反过来又转化成不同的形式。土壤生物的碳转化包括植物残留物的分解、土壤中存在的各种形式的有机物质以及其他有机物质。这些过程调节养分循环和废物处理，以及土壤有机质的合成，包括土壤生物群的活动，以维持土壤结构以及排放温室气体。 （ii）涉及地下和地上不同复杂途径或转化的营养循环定义了各种营养素对植物的可利用性。 （iii）通过团聚作用和颗粒运输维持土壤的结构和构造( structure and fabric)，以及在许多空间尺度上形成生物结构和孔隙网络，这对于土壤生境以及土壤 - 水循环的调节和维持植物的有利生根介质至关重要。 （iv）土壤种群的生物调节是生物多样性保护的基础，并控制农业重要植物和动物以及人类的病虫害。 土壤是一个非常复杂的多组分多功能系统，具有可确定的操作限制和特有的空间配置。土壤的主要物理和化学特性与可识别的土壤类型相关，这些土壤类型取决于因素的变化，例如母质、气候、植被、地形和时间，这反映了风化的程度和强度。影响土壤性质的一个主要因素是人为因素，尤其是自定居农业和土壤耕种以来。土壤的性质，尤其是表层（约30-50厘米）总是通过农业干预措施而改变，例如排水，灌溉，使用石灰和通过矿物肥料和有机肥添加植物养分，特别是通过耕作方式；在20世纪的美国，传统的以柴油为燃料的耕作和耙地被认为是土壤有机质急剧减少的原因，但现在这种情况随着保护性耕作的实践而发生变化。除了在世界偏远和无人居住的地区外，很少发现任何不受人类影响但仍处于原始状态的土壤。 过去一个世纪里，人类干预的主要驱动力是世界人口翻了两番，这要求土壤和作物管理发生根本改变，以便生产更多的粮食（Lal和Stewart，2010年）。为了给世界上迅速增长的人口提供食物和衣服，必须将更多的土地用于种植，并且需要从已经耕种的土地中获得更高的生产力。迄今为止，商业矿物肥料的广泛使用是确保全球粮食安全的主要因素。在这方面，研究一些全球肥料使用趋势和预测是恰当的。 2012年世界肥料消费总量达到1.789亿公吨（Mt），其中氮（N）、磷（P为P2O5），钾（K为K2O）分别为109.1、41.1和28.7百万吨（图1） ）。其中，略过半数（50.8％）已应用于谷物（Heffer，2013）。氮肥的供应和应用是所有主要作物产量最重要的决定因素。联合国的中期预测是，到2050年，目前的72亿人口将增长到96亿（Glenn 等，2014）。根据世界资源研究所的预测，在2006年的世界作物热量与2050年最有可能摄入的作物热量之间存在69％的差距。根据粮农组织对世界农业的修订预测，2050年的全球农业产量应比2005/2007年高出60％（Alexandratos和Bruinsma，2012年）。仅仅通过农业产量增加来弥补这一差距，从2006年至2050年，作物总产量需要比1962年至2006年同年增加更多——增幅要高出11%（Searchinger等，2013） 。由于可耕地数量有限，粮食产量增加将需要加强生产。 在今天活着的70多亿人口中，有超过48％的人的生活得益于20世纪早期开发的Haber-Bosch工艺的化学工程壮举生产的氮肥料来增加作物产量（Erisman 等，2008）；这是人类历史上的里程碑之一。如果没有肥料投入，就无法满足世界不断增长的粮食需求并避免普遍的饥饿。根据美国、英国和热带地区的几项长期研究得出的数据，至少50％的作物产量可归因于商业肥料养分投入（Stewart等，2005）。未来， 世界粮食生产对化肥使用的依赖程度将不可避免地增加。如果没有肥料，世界只生产大约一半的主食，更多的林地将不得不投入生产（Roberts，2009）。如果我们考虑印度和中国等国家的富裕程度增加，以及相关的肉类需求增加，目前对未来粮食需求的估计和对化肥的依赖可能会被低估。由于矿物肥料提供的营养物质在世界粮食安全中起着至关重要的作用，从产量和食品质量的角度来看都很重要，未来的挑战是使农业摆脱目前不可持续的做法，并以可持续的方式管理肥料和土壤。这样不仅粮食需求不断得到满足,而且土壤保持健康以支持充足的粮食生产，并在未来对环境的影响最小。 |
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