间接供养全球48%的人口,如果没有化肥世界会怎样?
发布时间:2020-09-18
出品:科普中国
制作:武志杰,魏占波,宗文君
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  从1843年第一种化学肥料过磷酸钙在英国诞生后,化肥这种被称为“粮食的粮食”的人工合成品,在人类社会的发展进程中发挥着重要的作用。二战后,全球粮食产量能够从6.3亿吨增长至201825.9亿吨,人口数量从1950年的25.2亿增长至今天已经75.8亿,化肥的普及和应用是重要的推动力之一。

  

  图源:Veer图库

  化肥在农业生产中起到不可替代的作用。但是最近几年出现了一些声音,认为化肥无用、化肥有害,未来应该淘汰化肥,让有机农业替代无机农业等等。事实真的是如此吗?

化肥——粮食的粮食

  化肥是化学肥料的简称,是用化学和()物理方法制成的含有一种或几种农作物生长所需营养元素的肥料。化肥属于人造产物,也不是自古就有的。1840年,德国科学家李比希创立的矿质营养学说为化肥工业的兴起奠定了理论基础。李比希的三大营养学说中的养分归还学说认为,“植物从土壤中吸收养分,每次收获必从土壤中带走某些养分,使土壤中养分减少,土壤贫化。要维持地力和作物产量,就要归还植物带走的养分”。植物吸收的氮磷钾钙镁硫锌铁等营养元素必须人为补充回去,否则这些各自不可替代的营养元素亏缺后,会直接造成产量降低,直至养分耗尽后导致绝产。施用化肥是全球范围性价比最高、最简易的补充途径过去的一百多年里,全球的科学家为找到能耗更低、更清洁的生产技术和更科学的施用方法而不停地探索。

  根据李比希的理论,科学家们开始进行化肥的研制,1843年,第一种化学肥料——过磷酸钙在英国诞生;1861年,德国首次开采钾盐矿。但是这些的应用量都非常小,没有对全球粮食和人口起到大的革命性促进作用。而来自于哈勃-博世的合成氨技术,才是真正提升全球粮食产量、改变了农业格局的起点动力。

  

  弗里茨·哈伯(Fritz Haber,1868-1934)(图源:维基百科)

  1909年德国化学家哈勃和博世在研究炸药过程中,发明了利用空气氮合成氨的方法,这项技术的发明和应用标志着农业生产向摆脱完全依赖大自然迈出了巨大的一步并开始向工业化转变。1913年哈勃与BASF合作建立了第一条年产3万吨的合成氨生产线。

  

  德国路德维希的巴斯夫公司第一座合成氨反应塔遗址(图源:维基百科)

  既然1913年就已经开始批量生产氮肥了,为什么1950年后全球人口才开始飞速增长?这是因为一方面技术的普及应用需要时间,另一方面,一战和二战也打乱了合成氨技术在全球的推广,待二战结束后,合成氨技术才开始在全球快速普及,我国也是这时才开始了合成氨厂的建设,实现了氮肥的飞跃发展。

  如果没有化肥会怎么样?我们把时钟拨回化肥用量忽略不计的1900年,全球人口仅有16.3亿,而今天仅仅氮肥就间接供养了全球48%的人口。所以我们要感谢氮肥,感谢化肥。

化肥有问题,但这不是化肥的错

  随着环境污染问题日渐受到人们的重视,出现了化肥会加剧环境污染、还对人体有害、有机肥优于化肥等观点,也让化肥在人们心中的印象分不断降低。虽然化肥确实会影响环境,但这并不完全是化肥的错。

  长久以来,我国农业生产中化肥的施用存在一些严重的问题据研究表明,我国北方冬季的雾霾、地下水硝酸盐超标、表面水体富营养化,甚至土壤的板结、酸化、次生盐化等都与化肥,特别是氮肥相关。我国三大粮食作物,氮肥的当季利用率仅有37.8%2018年农业部统计),浪费掉的氮肥进入水体或大气中,增加了氮含量,超出本体容量后就产生了系列问题。

  但我们要认识到,这是不合理施用化肥引起的问题,却不是化肥自身的问题就如我们日常生活中的油盐糖等调味料,这些材料本身是无害、有用、有益的,但是如果长时间摄入量超标,就会引起对应的病症。这是不合理摄食油盐糖引起的问题,却不是油盐糖自身的问题,问题的根源在于人没有科学地使用和调配油盐糖。同样,相对于有机肥,化肥是更纯净、单一、知根知底的材料,只是人类没有科学地使用这些材料。

  此外,完全抛弃化肥也是不可能的。如果只施用有机肥进行有机农业生产,人类的粮食产量就可能回到19世纪,想养活全世界这么多的人口,就会成为痴人说梦。

  

  分解动物粪便是有机肥料来源(图源:维基百科)

  那么要想既保障粮食安全,又降低环境影响,就要想办法更高效地用好化肥,这也一直是全球科学家的研究重点。目前提高化肥利用率主要有两个途径:

  第一种是对常规化肥产品进行改造升级,主要通过生物法(稳定性肥料)、化学法(脲醛类肥料)、物理法(包膜肥料)等,旨在延缓外界环境对敏感活泼的化学养分的冲击,减少向外界环境的外溢。特别是稳定性肥料技术,由于具有降低氨挥发和氧化亚氮农田排放等环境污染可能性的天然技术优势,正成为世界新型肥料的主流。

  

  氮肥的转化过程和稳定性肥料技术机理(图源:自制)

  第二种是寻找更科学的配套施肥方法,根据作物的养分需求量、需求种类、需求规律、区域环境等因素,探索作物生长每个时间点需求养分与供应吻合的规律,最终的理想状态是在作物生长的任何时间点,需求的养分种类和量与供应的种类和量,不多不少,完全一致。

  化肥对人类社会的贡献不言而喻,而我们要知道化肥之罪并非来源于化肥,而是人们的使用方式出现了问题。学会更科学地使用化肥,发挥化肥最大效用,才是实现农业绿色发展,保障粮食安全的关键之举。

本文作者来自于中国科学院沈阳应用生态研究所/中国科学院绿色肥料工程实验室。

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