酸化的大地

2012年，我国粮食生产实现“九连增”，堪称奇迹；然而，伴随粮食大丰收而来的是土壤的严重酸化：由于过量施用化肥——特别是氮肥，导致高达90%的农田土壤发生不同程度的显著酸化现象。

　　氮肥对农作物增产起到了什么作用？所谓“土壤酸化”是怎么回事？是由于氮肥使用过量造成的吗？如何能够做到，既让粮食增长，又不造成土壤酸化呢？带着这些疑问，本刊记者对中国农业大学资源与环境学院教授刘学军博士进行了专访。

　　成也氮肥 败也氮肥

　　《百科知识》：氮对植物生长发育有哪些重要作用？

　　答：氮对植物生长发育的作用主要有三个方面：

　　一是生命结构物质如蛋白质、核酸、叶绿素等的重要成分。在植物必需的十几种营养元素中，氮的作用居首位。蛋白质是生命的基础，而氮在蛋白质中的含量占16%～18%，核酸是合成蛋白质和决定生物遗传性的基础，叶绿体（内含叶绿素）则是光合作用的场所。

　　二是生物催化剂的酶的主要成分。植物的生长代谢都需要酶的催化作用来帮助完成，酶是一种特殊的蛋白质。

　　三是多种维生素、植物激素以及生物碱等生命活性物质的组分。此外，含氮的离子，如硝酸盐，是植物的渗透调节物质。

　　《百科知识》：农业生产中施用氮肥的原因是什么？

　　答：施用氮肥的根本原因还是在于人口增加而对粮食的需求增大了。解决这一矛盾的办法只能是增加单位面积上的粮食产量，因为耕地面积归根结底是有限的，所以氮肥对粮食增产的贡献是我们必须首先肯定的，其正面作用也是任何时候不能抹杀的。

　　1908年，德国的哈珀教授发明了合成氨工艺，1913年，氮肥投入工业化生产……统计表明，目前，由于氮肥的广泛应用而养活了全球约48%的人口。也就是说，全球有一半的人口受益于氮肥的施用。我国的统计数字和这个数值差不多，为40%～50%。

　　施用氮肥可以增加土壤养分供应，提高作物产量。由于土壤缺氮，但有机肥的释放非常缓慢，往往跟不上作物生长发育关键时期的氮素需要。氮肥（如尿素）在施入土壤后可以很快转化成对作物有效的氮素形态（如铵态氮、硝态氮），从而被作物吸收利用。这就是人们施用氮肥最主要的原因。

　　《百科知识》：我国每年农业生产消耗的化肥数量有多大？这一数值在全球化肥消耗量中占多大比例？其中哪种化肥施用数量最多？

　　答：以2010年统计，我国化肥消费量为5200万吨左右（按氮磷钾养分计算，即N+P2O5+K2O），折合实物超过1亿吨。这两年的数量也差不多在这个水平。

　　从20世纪90年代以后，不管是从生产还是消费看，我国都排全球首位，占全球化肥用量的25%～30%。其中，最重要的氮肥消费量在我国为3200万吨左右，约占化肥总用量的60%。

　　《百科知识》：化肥施用量和作物增产比率相符吗？

　　答：通过比较国家粮食产量和氮肥的有关统计资料，我们发现二者并非呈线性关系。1981～2008年，中国粮食年产量从3.25亿吨增长至5.29亿吨，增长约6成。与此同时，氮肥消费量却从1118万吨增加到3292万吨，增长了近两倍。由此可见，作物产量增幅要远远小于化肥用量的增幅，即：化肥的农业增产效应随着化肥用量的增加呈下降趋势。

　　分阶段看，自改革开放以来，也就是20世纪的70年代末到20世纪80年代，乃至1998年前后，这20年中，粮食增产比率和化肥使用量增加比率两条线基本是吻合的。1998年之后，化肥使用量增长率比粮食增产的速率要快。尽管局部地区也有一些差别。

　　此外，大棚蔬菜每年投入的化肥和有机肥纯养分是粮田投入量的10倍以上，远远超过蔬菜自身需要。这也导致全国化肥肥料效率不断下降。

　　《百科知识》：我国化肥特别是氮肥的利用率有多高？国外的数值是多少？

　　答：我国科学家掌握的数字，我国大田中氮肥利用率在30%～40%，菜地、果园或者是种植经济作物的田地，氮肥利用率低一些。曾有科研人员调查发现，在某些地区的设施蔬菜种植中，每公顷施氮量高达2000千克纯氮（相当于300～400千克/亩），氮肥利用率不到10%。

　　至于发达国家，这个数值是50%左右。总体上，国外没有像中国这样不合理施用的情况。在整体施肥量较少的情况下，一般在50%～60%，很少超过70%～80%。因为氮肥的施用中，肯定会有一部分损失掉，不可能全部被利用。

　　《百科知识》：根据课题组刊发在《科学》杂志上的论文，我国存在化肥滥用现象，并且造成了很多负面效应，比如土壤酸化。什么是土壤酸化？土壤酸化会对作物等产生什么样的影响？

　　答：我国确实存在化肥施用过多的情况，从而造成了土壤酸化。

　　简单地说，土壤酸化是指土壤pH值（表示酸碱度的一个指标）出现下降的现象。各种导致土壤溶液中氢离子（H+）浓度升高的物理、化学或生物学过程都是引起土壤酸化的原因。农田土壤酸化主要是指过量氮肥尤其铵态氮肥在被作物吸收、土壤转化、迁移过程中不平衡造成土壤中氢离子累积和盐基离子损失从而使土壤酸度增加，使得土壤的“新陈代谢”变坏，或者说，对环境变化更敏感。

　　作为土壤最基本的性质，酸碱度是判断土壤系统是否健康的标志之一，也是对作物生长情况影响较大的一个重要因素。不同作物适合不同的酸碱度，大多数作物在中性或微酸性土壤，即pH值在6至7的条件下长势较好。酸碱度过高或过低都会对作物的生长有影响，所带来的病虫害将阻碍作物的生长，强酸环境还会加速铝和锰等有毒重金属滤出，造成土壤生态平衡遭到破坏，土壤中微生物区系和结构也发生变化，作物根系受到抑制，整个生长环境变恶劣。最典型的就是线虫数量和危害的大幅增加，线虫会破坏作物根系，导致植株无法正常吸收养分，而且扎根不牢，容易倒伏，地上部分也无法正常生长。这是最大危害。

　　《百科知识》：我国土壤酸化的具体情况如何？有这方面的具体数值或研究结论吗？答：研究显示，我国的土壤pH值平均下降了约0.5个单位，也就是说，比原来下降1.5倍。在没有人为干扰的自然条件下，土壤pH值下降0.5个单位，至少需要成百上千年，而我们仅仅用了20～30年的时间。

　　另外，不仅是南方地区本身偏酸性的土壤发生了酸化现象，即使是过去被认为对酸化不敏感的华北石灰性土壤，也出现了同样问题。

　　其中，对粮食作物体系来说，氮肥过量施用对土壤酸化的潜在贡献率达到6成；对以大棚蔬菜和果园为主的经济作物体系而言，氮肥过量施用的贡献率则高达9成。

　　虽然目前这种下降程度还看不出直接的明显危害，但施氮量比较高的菜地或是果园，危害已经非常明显了，我们的研究也表明，酸化的土壤中铝或锰多了，还有线虫的危害，包括一些连作障碍。尽管对于病虫害的发生情况和程度没有具体统计结果，只是看到一些局部现象，总的来说是加剧了，因为平衡失调，土壤-作物系统的缓冲能力下降，对不良环境的抵御力减弱，一有风吹草动就受影响。这种情况当然很不好，我们还是希望能回到一个正常的状态，以避免不利的影响。

　　《百科知识》：土壤酸化实际程度如何？

　　答：举一个例子。根据山东某县土肥站提供的数据，从20世纪80年代至今，当地土壤酸化情况非常典型，基本就是我国整体土壤酸化的一个缩影。那里的土壤酸化程度是全国平均值的一倍以上，这可不是个小数字，也不是小问题，它与施肥量增长呈显著相关：施肥量越高的土壤，酸化越明显，而且造成果树粗皮病的发生率明显增加。所谓粗皮病，即苹果树的树干上长出一个个疙瘩，这是锰中毒的表现。锰是重金属元素，土壤酸化后，pH值下降，土壤中的锰从矿物中释放出来，这种微量元素就会经根系吸收，进而在苹果树内大量累积。植物对锰的需求是有限的，过多的锰使得植物通过本能反应将其固定在体表长出的瘤体内，表现出来的就是在果树树干上出现一个个疙瘩。如果情况进一步恶化，锰元素含量继续增加，最终将导致果树死亡。此外，生产出的苹果品质下降。

　　在我国南方某地的红壤上长期单独施用氮肥，不仅施肥种类不合理，而且氮肥施用量过大，最终导致小麦几近绝收，亩产不超过100斤，有的就几十斤，甚至是零，最后农民只是捡回一把草而已。当然，这是比较极端的情况。其实，南方的红壤本来就呈酸性，过量施肥使得作物防虫能力更弱，原来pH值是5.5左右，作物还能正常生长，当pH值下降到4.5以下时，已经属于强酸性土壤了，如果不施用有机肥缓冲，小麦根本无法生长。这是两个非常典型的例子。

　　我们的研究还发现，氮肥施用量越高，病虫害发生的频率越高，农药的用量也会增加。这些都属于施肥过多造成的负面影响。

　　高昂的代价

　　《百科知识》：过量施用氮肥除导致土壤酸化外，是否还会造成其他不良环境影响？

　　答：氮肥施用过多造成土壤酸化的背后，隐藏着巨大的环境污染和人体健康风险。

　　氮肥的过量使用会造成氮素连锁效应。氮素连锁效应是引起水体氮素污染、大气中氮素痕量气体及颗粒物浓度升高、氮素沉降和酸雨加剧等的主要原因。

　　2011年结束的欧洲氮项目（NitroEurope）的结果表明，欧盟主要成员国由于氮素损失导致的生态环境代价高达700亿～3200亿欧元。我国的氮评估工作尚未结束，初步估计，这方面的代价不会低于欧盟。

　　再有，土壤酸化后，释放的重金属可能会溶解到水体中，对水生生物和地下水水质都可能产生一定影响。

　　《百科知识》：酸化后为何重金属会溶解到地下水中？

　　答：铝、锰等重金属以矿物形式存在于土壤中，在正常酸碱环境中，比如pH值为7时，这些矿物质的溶解度是很低的，pH值越高，它们的溶解性越差，会沉淀下来。随着pH值的降低，酸化程度增高，矿物质的溶解性将呈几何级数增加。溶解度急剧增加后，土壤中这些离子就会随水发生迁移，可能进入地下水体中。特别是地下水水位较高时，影响更大。

　　《百科知识》：有研究表明，用肥量高的地区，地下水硝酸盐含量超标。实际情况如何？

　　答：过量施用氮肥或者偏施氮肥，会导致土壤中硝酸盐大量累积和向下淋溶，成为水体尤其是浅层地下水的重要污染源。我国污染源普查发现，农业是总氮、总磷排放的主要来源，其排放量分别占全国排放总量的57.2%和67.4%。富含硝酸盐和亚硝酸盐的水及食品被人类饮用或食用后，能够诱发疾病。

　　根据研究，硝酸盐对环境的污染程度与氮肥施用量呈正相关。一些地区由于不合理施用氮肥，土层中的硝酸盐累计量相当高。我们把这种硝酸盐或硝态氮的累计称为“化学定时炸弹”。如果不清除掉，危害随时可能爆发，一场暴雨下来，它们就可能会被淋溶到很深的土壤中甚至地下水中。或者在合适的环境中，通过反硝化作用变成氧化亚氮或氮气。变成氮气还好，而氧化亚氮就是一种很强的温室气体，它同时能破坏臭氧层，对整个生态系统都有不良影响。

　　换句话说，硝酸盐污染是个很令人头疼的环境问题，但微生物很难把硝态氮转化为有机形态的氮，最终回到土壤有机质中去。我们也有同事做过这方面研究，尽最大可能提供各种碳源和秸秆，顶多有15%～20%硝态氮可以回到土壤有机氮库中，剩下的70%～80%通过反硝化损失跑掉。可见，只要转化成硝态氮，我们唯一能做的就是促进植物的吸收利用，而且要避免硝态氮进入根系以下的深层土壤。研究表明，1～2米土层的硝态氮，植物吸收利用率不到10%，剩下的将通过各种途径进入环境之中。所以这也是最大的环境问题。

　　《百科知识》：饮用水中硝酸盐的允许标准值是多少？目前的超标情况如何？它对健康会有哪些不利影响？

　　答：我国的标准是20毫克氮/升，比国际标准高了一倍，国际标准是10毫克氮/升。我国和国际标准的差别意味着，在我国没有超过国家标准的地区，实际上硝酸盐浓度可能已经危害到了人体健康。曾有中国农业科学院的专家对我国华北地区在1995年前后做过一个调研，华北地区大概有1/3的地下水硝酸盐浓度超标。通过调查，专家发现，地下水硝酸盐浓度与当地施肥量呈正相关关系：施肥量越高的地区，超标情况越严重。根据我们的研究，情况也是这样，地下水中硝酸盐浓度整体呈增加趋势，尤其是在氮肥施用量高的地区，污染比较严重。过量的硝酸盐可能导致高铁血蛋白症，同时具有致癌危险。硝酸盐和亚硝酸盐通常是共存的，很难区分。硝酸盐含量增高意味着亚硝酸盐累计的可能性也存在，亚硝酸盐在人体中会转化为亚硝胺，亚硝胺是一种强致癌物。地下水硝酸盐的这种危害是长远的，而且在短期内我们可能难以发现。

　　《百科知识》：除了导致土壤酸化，根据课题组的研究，还有哪些负面效应属于氮肥施用过量造成的？

　　答：过量施用氮肥会引起其他环境方面的问题，比如引起水体富营养化，特别在磷不是限制因子的情况下，流失的氮进入水体后，会进一步加剧水体富营养化。所以整个沿海地区或江河湖泊的赤潮发生频率和严重程度是急剧增加的。

　　根据我国第一次污染源普查的结果，农业污染源是主要水污染物化学需氧量（COD）的最大“贡献”者，排放量占4成以上。总氮的排放量为270.46万吨，占排放总量的近6成。

　　不仅如此，氮肥过量使用与气候变暖也有着千丝万缕的关系。它是氧化亚氮的重要来源之一，氧化亚氮既是温室气体也是平流层臭氧的破坏者，一个氧化亚氮分子对环境的增温贡献率差不多是一个二氧化碳分子的300倍，所以尽管其数量不多，但对环境的增温贡献率很高，在全球增温潜势中有5%的贡献率。

　　此外，氮肥对温度变化十分敏感，气候变暖又会加速氮肥释放氧化亚氮。

　　《百科知识》：国内外是否有类似研究和数据，农业中使用的肥料中有多少跑到了大气中引起温室气体增加？

　　答：全球来讲，氧化亚氮的排放量每年大概为300万～500万吨，我国是60万～100万吨，氧化亚氮的排放主要来自于农田土壤，尤其是施用了肥料的农田土壤，自然土壤排放量比较低，少了一个数量级，基本可以忽略。

　　《百科知识》：为什么施肥后，土壤氧化亚氮的排放会增加？

　　答：氧化亚氮是一个副产品，大部分氧化亚氮来自于不完全的反硝化过程，正常的反硝化过程生成氮气，合成氨是把氮气变成铵，反硝化作用是把这些物质变成氮气，返回到大气中，这就是一个完整的氮循环。但在转化过程中，受到很多因素的影响，还原或氧化不完全，生成了很多副产物，这些副产物包括氨气、硝酸盐、亚硝酸盐，还有氧化亚氮、一氧化氮及其他含氮化合物。这些物质可能会对环境造成一定危害。

　　《百科知识》：过多施用化肥，除了影响土壤，对农产品品质是否也有一些不良影响？

　　答：对农产品品质肯定会产生一定影响。分品种来看，对粮食作物的影响相对小一些，比如酸化造成重金属溶解增加，籽粒中可能会累计一部分重金属，使得籽粒中重金属含量增加。如果是污水灌溉，危害更大。对于蔬菜，过量施用氮肥，叶菜类硝酸盐含量会增大，可以达到6000毫克/千克以上，甚至是8000毫克/千克，一般应该是3000毫克/千克左右，硝酸盐含量增加，可能对人体消化道系统产生各种直接和间接的不利影响。也有人说，硝酸盐多了没问题，但如果还原反应不完全，产生了亚硝酸盐，甚至转化为亚硝胺，对身体健康肯定不是好事。

　　治疗“生病”的土地

　　《百科知识》：如果要改变上述不利局面，必然要减少化肥的使用。一旦减少氮肥的使用，是否会影响产量？

　　答：其实，维持乃至增加粮食产量，并不总是需要增加化肥的施用量。目前，我国农田氮肥养分利用率平均仅为30%～40%，表明我国氮肥施用的优化空间很大。

　　我国科学家提出，要搞“两型”农业——资源节约型和环境友好型农业。资源节约型里很重要的一点是要减少化肥、农药的使用，优化灌溉水以及地膜和其他化学物质的使用。应该说，我们有办法实现优化，也开展了很多相关研究。

　　课题组所做的试验发现，在目前情况下，减少30%～60%用肥量，每公顷施用120～180千克氮，维持现有作物产量没有任何问题，甚至还略有增加。

　　也就是说，在控制好施肥量，掌握正确的施用方法，并且进行合理管理的情况下，作物产量不会降低；前提是，要摸清土壤中养分含量状况。

　　在东北等地区，施肥量还是相对合理的；但对于华北地区和太湖地区，减少1/3的施肥量，不会出现减产问题，至少3年内不会有什么问题。如果减产，那可能是气候因素或是别的问题。

　　课题组的研究表明，在水稻、小麦、玉米等大田作物以及其他经济作物上，合理施肥，可以在大范围内实现减肥10%条件下增产10%～15%的目标。

　　当然，如果人口进一步增加，肥料利用量还需要保持一个适当的水平，比如维持每年2000万吨左右的氮肥用量还是需要的。

　　《百科知识》：国外也经历过滥用的阶段吗？他们是怎么解决的？

　　答：国外也同样经历过化肥滥用的情况。像荷兰，当年施肥量很高，在20世纪80年代初时的施肥量达到400千克/公顷，水体严重富营养化，土壤污染非常严重，农业生产无法持续发展。正好在当时兴起环保运动，政府通过制定政策控制污染，保证农民高效合理施肥，一旦超过规定化肥施用数值就要受到重罚。到20世纪90年代，荷兰顺利度过化肥施用高峰期，土壤得到恢复。

　　【责任编辑】赵 菲

　　专家简介

　　刘学军博士，中国农业大学资源与环境学院教授，主要从事农田氮素循环与养分管理、温室气体排放与大气沉降等方面的研究；目前立足于大气氮素沉降与环境效应这一国际热点问题，重点探讨人类活动导致的大气活性氮（氨）排放与氮素沉降之间关系及其生态效应；负责建立中国大气氮沉降监测网与中国农田土壤酸化文献数据库；2006年入选教育部新世纪优秀人才支持计划，2008年入选中国科学院“百人计划”。