導(dǎo)  讀

如何管理肥料，提高土壤健康？Bijay Singh博士和 John Ryan博士撰寫(xiě)的《Managing Fertilizers to Enhance Soil Health》可謂一本佳作。特翻譯出來(lái)供大家參考。全文目錄如下，土壤家將分四次推送，今天推送第一部分。翻譯水平有限，敬請(qǐng)指正。

編譯/陳能場(chǎng)（廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所研究員、中國(guó)科協(xié)環(huán)境生態(tài)領(lǐng)域首席傳播專家）

原題：Managing Fertilizers to Enhance Soil Health

作者：Bijay Singh and John Ryan

First edition， IFA， Paris， France， May 2015

Part 1 刊載的部分目錄

執(zhí)行摘要

前言

土壤 - 地球上生命的基石

土壤，肥料和與作物相關(guān)的共識(shí)

執(zhí)行摘要

人類對(duì)土壤的需求依賴于人類對(duì)糧食和纖維的需求，對(duì)牲畜的飼料的需求，以及最近種植生物燃料的作物，對(duì)能源供應(yīng)也有所貢獻(xiàn)。土壤是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、多功能的生命系統(tǒng)，在地殼上作為一層相對(duì)較薄的層存在。土壤形成因子的各種組合在世界范圍內(nèi)導(dǎo)致了土壤類型的非常多樣性。土壤的性質(zhì)和相關(guān)的環(huán)境條件支配著土壤的各種生態(tài)系統(tǒng)功能，如有機(jī)廢物的分解和轉(zhuǎn)化、介導(dǎo)養(yǎng)分循環(huán)、以及影響土壤生物如細(xì)菌和真菌的種群。雖然很難描述任何土壤如何發(fā)揮其相互關(guān)聯(lián)的功能，但早期的定義包括“肥力”，后來(lái)的定義包括“質(zhì)量”，而最近的“土壤健康”則是一個(gè)更具包容性的術(shù)語(yǔ)。 

從歷史上看，土壤肥沃，能夠產(chǎn)出足夠的作物產(chǎn)量，而且如果有足夠的水，無(wú)論是降雨還是灌溉，文明都會(huì)蓬勃發(fā)展。在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)中，由于廣泛采用機(jī)械化、新的高產(chǎn)和抗病作物品種、灌溉，特別是使用礦物肥料的使用等技術(shù)，提高了作物產(chǎn)量，世界糧食產(chǎn)量大幅增加。雖然作物產(chǎn)量是過(guò)去的主要重點(diǎn)，但對(duì)人口增長(zhǎng)和將更多土地投入生產(chǎn)的潛力有限的認(rèn)識(shí)導(dǎo)致作物可持續(xù)或可持續(xù)集約化的概念，即持續(xù)實(shí)現(xiàn)高作物產(chǎn)量，而不損害土壤生產(chǎn)這種產(chǎn)量的能力。因此，目前對(duì)土壤和作物管理的關(guān)注是維持土壤質(zhì)量或土壤健康。這就提出了肥料使用如何影響土壤的問(wèn)題，而不是對(duì)作物產(chǎn)量的影響。   

雖然從肥料中有限的養(yǎng)分輸入可能影響土壤健康，但施肥量高于作物對(duì)最佳生長(zhǎng)的需求可能對(duì)土壤產(chǎn)生同樣的不利影響并降低經(jīng)濟(jì)效益。低施肥或不平衡施肥導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的耗竭和由于作物產(chǎn)量下降造成根生物量低而導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)（土壤有機(jī)質(zhì)）含量降低，間接減少土壤結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)土壤侵蝕。相反，盡管人們普遍認(rèn)為氮使用會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)減少，但定期充足的肥料的使用會(huì)使根系生物量增加而帶來(lái)土壤有機(jī)質(zhì)的小幅但持續(xù)增加。雖然肥料的使用與一些土壤生物的減少有關(guān)，但這些影響相對(duì)較短，僅在肥料帶的位置。通過(guò)在非酸性土壤中長(zhǎng)期施用肥料，已經(jīng)顯示出微生物量的顯著增加。銨態(tài)氮肥在土壤中的轉(zhuǎn)化會(huì)會(huì)增加土壤酸度，從而對(duì)土壤健康產(chǎn)生不利影響。 這種自然微生物介導(dǎo)的過(guò)程可以影響土壤，從而影響作物生長(zhǎng)的程度，這取決于施用的氮的形式和數(shù)量以及土壤的緩沖能力。當(dāng)農(nóng)民使用農(nóng)場(chǎng)可獲得的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)源（如糞肥和作物殘茬），并補(bǔ)充礦物肥料以達(dá)到產(chǎn)量目標(biāo)，就有可能維持和/或改善土壤中SOM的含量和各種微量營(yíng)養(yǎng)素的供應(yīng)。

總之，礦物肥料的使用對(duì)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和確保人類糧食安全至關(guān)重要。除了提高作物產(chǎn)量，肥料還間接地影響土壤性質(zhì)或土壤健康，或積極或消極。確保對(duì)土壤產(chǎn)生積極影響的關(guān)鍵在于良好的科學(xué)養(yǎng)分管理做法；采用這種做法可確保經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)與盡量減少環(huán)境影響相適應(yīng)。在可能的情況下，應(yīng)將現(xiàn)有的有機(jī)肥和其他有機(jī)材料與礦物肥料相結(jié)合，以確保高效有效的養(yǎng)分使用，并改善土壤健康。

前言

作為考慮與肥料有關(guān)的土壤健康的前奏，有必要提出一些可靠的事實(shí)，為討論提供一個(gè)整體的背景。本文的主體部分考慮了土壤的重要性，土壤健康的概念，以及肥料對(duì)土壤健康的積極和消極影響。重點(diǎn)關(guān)注了對(duì)土壤酸度、土壤侵蝕、土壤微生物種群、與SOM保持相關(guān)的肥料和綜合養(yǎng)分利用的間接影響，以及與土壤健康相關(guān)的研究需求。

土壤 - 地球上生命的基石

近年來(lái)，關(guān)于土壤質(zhì)量與糧食安全的關(guān)系有很多文章（Lal和Stewart，2010），因?yàn)槿藗冎匦抡J(rèn)識(shí)到人口與地球生產(chǎn)足夠糧食以維持世界迅速增長(zhǎng)人口的能力之間的關(guān)系。在對(duì)肥料和土壤健康進(jìn)行簡(jiǎn)短討論的背景下，有必要從全面的角度來(lái)看待糧食的全球形勢(shì)。聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（糧農(nóng)組織）編制的食物平衡表顯示，超過(guò)99.7％的人類食物（卡路里）來(lái)自陸地環(huán)境，即農(nóng)業(yè)用地（Pimentel和Wilson，2004年）。在地球上130億公頃的土地面積中，農(nóng)田僅占11％。全球平均每人78%的熱量消耗或能源需求來(lái)自于直接在土壤中種植的作物，另有20%以上來(lái)自于間接依賴土壤的其他陸地食物來(lái)源，如肉類、蛋類和牛奶(brek 2013)。土壤是作物生產(chǎn)的基礎(chǔ)，因此構(gòu)成了為人類提供大部分食物和營(yíng)養(yǎng)的自然資源。

土壤，肥料和與作物相關(guān)的共識(shí)

√ 世界各地的土壤類型差異很大，取決于地理位置（地質(zhì)、氣候、植被），以及支持農(nóng)作物的物理，化學(xué)和生物特性的相應(yīng)變化。

√土壤肥力或土壤作物養(yǎng)分儲(chǔ)備大致等同于土壤質(zhì)量和土壤健康。如果生長(zhǎng)條件有利，肥沃的土壤是富有成效的土壤，例如適當(dāng)?shù)耐寥浪趾屯L(fēng)，既不太熱也不太冷，有利于作物生長(zhǎng)。

√由于土壤肥力不同，很少有人可以在不施用營(yíng)養(yǎng)的情況下無(wú)限期地維持高產(chǎn)量。對(duì)于當(dāng)今農(nóng)業(yè)所需的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，必須將礦物肥料和/或有機(jī)肥作為營(yíng)養(yǎng)元素添加到土壤中。在商業(yè)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代時(shí)代之前，通過(guò)添加有機(jī)肥料，采用豆類作物輪作或休耕土地，即休耕，可以實(shí)現(xiàn)適度的產(chǎn)量。

√在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里，全球作物產(chǎn)量和糧食安全的擴(kuò)大主要是通過(guò)使用礦物肥料，以及改良的作物品種、機(jī)械化、病蟲(chóng)害防治和灌溉來(lái)實(shí)現(xiàn)。在全球范圍內(nèi)，谷物產(chǎn)量與肥料使用量相當(dāng)。今天，世界上大約一半的作物產(chǎn)量歸功于化肥。

√所有作物都會(huì)從土壤中吸收養(yǎng)分。如果移出量超過(guò)投入量，則會(huì)發(fā)生養(yǎng)分枯竭或營(yíng)養(yǎng)“采礦”，這種情況是不可持續(xù)的。很多非洲國(guó)家都有這種不平衡的例子。土壤退化與低產(chǎn)量和人類貧困有關(guān)。

√施肥實(shí)踐需要“平衡”。肥料中添加的主要營(yíng)養(yǎng)素的含量必須基于土壤中已有的成分和作物中移除的成分。

√肥料利用效率意味著目標(biāo)作物吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的增加程度。在氮的情況下，效率很少超過(guò)50％，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)損失和對(duì)環(huán)境的潛在負(fù)面影響；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。

√與流行的觀念相反，使用礦物肥料可以通過(guò)增加土壤有機(jī)質(zhì)來(lái)增強(qiáng)土壤健康，因?yàn)榕c作物產(chǎn)量提高相關(guān)的根系生長(zhǎng)更大；這通常伴隨著增強(qiáng)的微生物活動(dòng)。這種情況發(fā)生的程度取決于環(huán)境和相關(guān)的耕作方法。

√肥料的使用會(huì)導(dǎo)致一些土壤生物減少，但這些影響相對(duì)較短，僅發(fā)生在肥料施肥帶的位置。通過(guò)在堿性或中性土壤中長(zhǎng)期施用肥料，觀察到微生物生物量的顯著增加。

√銨基氮肥的施用會(huì)通過(guò)誘導(dǎo)土壤酸度對(duì)土壤健康產(chǎn)生不利影響。然而，效果取決于施用的肥料氮的形式和數(shù)量，土壤的緩沖能力以及土壤pH管理實(shí)踐，例如石灰施用。

√在對(duì)土壤健康，作物生產(chǎn)或環(huán)境的影響方面，礦物肥料和有機(jī)營(yíng)養(yǎng)源之間沒(méi)有沖突；恰恰相反，他們的使用是互補(bǔ)的。

√ 就對(duì)土壤健康、作物生產(chǎn)或環(huán)境的影響而言，礦物肥料與有機(jī)養(yǎng)分來(lái)源之間沒(méi)有沖突；恰恰相反，他們的使用是免費(fèi)的。

√當(dāng)農(nóng)場(chǎng)可用的不同有機(jī)材料（糞肥，作物殘茬等）中所含的營(yíng)養(yǎng)素被施用并補(bǔ)充礦物肥料以滿足作物的營(yíng)養(yǎng)需求時(shí)，通過(guò)土壤有機(jī)質(zhì)來(lái)達(dá)到改善土壤健康是可以做到的。

√礦物肥料對(duì)于確保世界70多億人口的糧食安全是必不可少的。隨著人口的增加和一些國(guó)家富裕程度的提高，未來(lái)的依賴性將更大。

√由于對(duì)土地使用的競(jìng)爭(zhēng)需求以及氣候變化的負(fù)面影響，隨著農(nóng)業(yè)面積擴(kuò)大到較不肥沃地區(qū)，肥料的使用量也可能增加。

√人類可持續(xù)使用化肥必須以健全的科學(xué)原理和實(shí)踐為基礎(chǔ)。

√使用化肥的好處必須更好地傳達(dá)給廣大公眾。

由于土壤是有限的和脆弱的，它是一種寶貴的資源，需要特別的養(yǎng)護(hù)和保護(hù)，以便它能夠無(wú)限期地供后代使用。土壤在支持人類在地球上生存方面的關(guān)鍵作用可以從以下事實(shí)來(lái)判斷：根據(jù)風(fēng)化環(huán)境，2.5厘米的表土需要大約500年或更長(zhǎng)時(shí)間才能在農(nóng)業(yè)條件下使用；總之，土壤形成是一個(gè)非常緩慢的過(guò)程。隨著世界人口的增長(zhǎng)，耕地面積擴(kuò)大的可能性有限，過(guò)去幾十年人均卡路里產(chǎn)量一直在下降。例如，自1984年以來(lái)人均糧食產(chǎn)量一直在下降。這一總趨勢(shì)的程度因各國(guó)的發(fā)展?fàn)顩r、相對(duì)人口增長(zhǎng)和糧食多樣化而異。此外，在數(shù)十年顯著的生產(chǎn)力提高之后，相對(duì)產(chǎn)量增長(zhǎng)正在下降。人類面臨的最大挑戰(zhàn)之一是提高生產(chǎn)力，擺脫產(chǎn)量瓶頸。

這就需要考慮土壤及其性質(zhì)。關(guān)于土壤的眾所周知和確定的事實(shí)可以在許多標(biāo)準(zhǔn)教科書(shū)中找到，例如Brady和Weil（2010）【注： 該書(shū)有中文版《土壤學(xué)與生活》，李保國(guó)等譯】以及其他廣泛使用的資料。對(duì)于非專業(yè)人士來(lái)說(shuō)，土壤主要是種植作物的媒介；很多人只是認(rèn)為它是'污垢'。對(duì)于土壤科學(xué)家或農(nóng)業(yè)家來(lái)說(shuō)，它是一種復(fù)雜得多的材料。土壤是地球表面相對(duì)較薄的地殼，在極端情況下深度從幾厘米到幾米不等；正常土壤深度可達(dá)一米。土壤與其下面的風(fēng)化巖石的區(qū)別主要在于其生物功能，其通過(guò)與非生物、物理和化學(xué)環(huán)境的復(fù)雜相互作用而起作用。換句話說(shuō)，土壤是生物轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物。土壤是一個(gè)生命系統(tǒng)，是許多不同生物的棲息地，這些生物共同促成土壤的不同功能。土壤微生物學(xué)的領(lǐng)域尚未得到很好的探索，居住在土壤中的大多數(shù)物種尚未被確定。

土壤為人類提供營(yíng)養(yǎng)的主要有益功能是由土壤生物過(guò)程驅(qū)動(dòng)的，這些過(guò)程可以匯集成四種生態(tài)系統(tǒng)功能（Kibblewhite等，2008）：

 ( i）碳（C）是所有土壤生物的核心，因?yàn)樗瞧淠芰縼?lái)源，反過(guò)來(lái)又轉(zhuǎn)化成不同的形式。土壤生物的碳轉(zhuǎn)化包括植物殘留物的分解、土壤中存在的各種形式的有機(jī)物質(zhì)以及其他有機(jī)物質(zhì)。這些過(guò)程調(diào)節(jié)養(yǎng)分循環(huán)和廢物處理，以及土壤有機(jī)質(zhì)的合成，包括土壤生物群的活動(dòng)，以維持土壤結(jié)構(gòu)以及排放溫室氣體。

（ii）涉及地下和地上不同復(fù)雜途徑或轉(zhuǎn)化的營(yíng)養(yǎng)循環(huán)定義了各種營(yíng)養(yǎng)素對(duì)植物的可利用性。

（iii）通過(guò)團(tuán)聚作用和顆粒運(yùn)輸維持土壤的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造( structure and fabric)，以及在許多空間尺度上形成生物結(jié)構(gòu)和孔隙網(wǎng)絡(luò)，這對(duì)于土壤生境以及土壤 - 水循環(huán)的調(diào)節(jié)和維持植物的有利生根介質(zhì)至關(guān)重要。

（iv）土壤種群的生物調(diào)節(jié)是生物多樣性保護(hù)的基礎(chǔ)，并控制農(nóng)業(yè)重要植物和動(dòng)物以及人類的病蟲(chóng)害。

土壤是一個(gè)非常復(fù)雜的多組分多功能系統(tǒng)，具有可確定的操作限制和特有的空間配置。土壤的主要物理和化學(xué)特性與可識(shí)別的土壤類型相關(guān)，這些土壤類型取決于因素的變化，例如母質(zhì)、氣候、植被、地形和時(shí)間，這反映了風(fēng)化的程度和強(qiáng)度。影響土壤性質(zhì)的一個(gè)主要因素是人為因素，尤其是自定居農(nóng)業(yè)和土壤耕種以來(lái)。土壤的性質(zhì)，尤其是表層（約30-50厘米）總是通過(guò)農(nóng)業(yè)干預(yù)措施而改變，例如排水，灌溉，使用石灰和通過(guò)礦物肥料和有機(jī)肥添加植物養(yǎng)分，特別是通過(guò)耕作方式；在20世紀(jì)的美國(guó)，傳統(tǒng)的以柴油為燃料的耕作和耙地被認(rèn)為是土壤有機(jī)質(zhì)急劇減少的原因，但現(xiàn)在這種情況隨著保護(hù)性耕作的實(shí)踐而發(fā)生變化。除了在世界偏遠(yuǎn)和無(wú)人居住的地區(qū)外，很少發(fā)現(xiàn)任何不受人類影響但仍處于原始狀態(tài)的土壤。

過(guò)去一個(gè)世紀(jì)里，人類干預(yù)的主要驅(qū)動(dòng)力是世界人口翻了兩番，這要求土壤和作物管理發(fā)生根本改變，以便生產(chǎn)更多的糧食（Lal和Stewart，2010年）。為了給世界上迅速增長(zhǎng)的人口提供食物和衣服，必須將更多的土地用于種植，并且需要從已經(jīng)耕種的土地中獲得更高的生產(chǎn)力。迄今為止，商業(yè)礦物肥料的廣泛使用是確保全球糧食安全的主要因素。在這方面，研究一些全球肥料使用趨勢(shì)和預(yù)測(cè)是恰當(dāng)?shù)摹?2012年世界肥料消費(fèi)總量達(dá)到1.789億公噸（Mt），其中氮（N）、磷（P為P2O5），鉀（K為K2O）分別為109.1、41.1和28.7百萬(wàn)噸（圖1） ）。其中，略過(guò)半數(shù)（50.8％）已應(yīng)用于谷物（Heffer，2013）。氮肥的供應(yīng)和應(yīng)用是所有主要作物產(chǎn)量最重要的決定因素。聯(lián)合國(guó)的中期預(yù)測(cè)是，到2050年，目前的72億人口將增長(zhǎng)到96億（Glenn 等，2014）。根據(jù)世界資源研究所的預(yù)測(cè)，在2006年的世界作物熱量與2050年最有可能攝入的作物熱量之間存在69％的差距。根據(jù)糧農(nóng)組織對(duì)世界農(nóng)業(yè)的修訂預(yù)測(cè)，2050年的全球農(nóng)業(yè)產(chǎn)量應(yīng)比2005/2007年高出60％（Alexandratos和Bruinsma，2012年）。僅僅通過(guò)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量增加來(lái)彌補(bǔ)這一差距，從2006年至2050年，作物總產(chǎn)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?cái)?shù)量有限，糧食產(chǎn)量增加將需要加強(qiáng)生產(chǎn)。

在今天活著的70多億人口中，有超過(guò)48％的人的生活得益于20世紀(jì)早期開(kāi)發(fā)的Haber-Bosch工藝的化學(xué)工程壯舉生產(chǎn)的氮肥料來(lái)增加作物產(chǎn)量（Erisman 等，2008）；這是人類歷史上的里程碑之一。如果沒(méi)有肥料投入，就無(wú)法滿足世界不斷增長(zhǎng)的糧食需求并避免普遍的饑餓。根據(jù)美國(guó)、英國(guó)和熱帶地區(qū)的幾項(xiàng)長(zhǎng)期研究得出的數(shù)據(jù)，至少50％的作物產(chǎn)量可歸因于商業(yè)肥料養(yǎng)分投入（Stewart等，2005）。未來(lái)， 世界糧食生產(chǎn)對(duì)化肥使用的依賴程度將不可避免地增加。如果沒(méi)有肥料，世界只生產(chǎn)大約一半的主食，更多的林地將不得不投入生產(chǎn)（Roberts，2009）。如果我們考慮印度和中國(guó)等國(guó)家的富裕程度增加，以及相關(guān)的肉類需求增加，目前對(duì)未來(lái)糧食需求的估計(jì)和對(duì)化肥的依賴可能會(huì)被低估。由于礦物肥料提供的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在世界糧食安全中起著至關(guān)重要的作用，從產(chǎn)量和食品質(zhì)量的角度來(lái)看都很重要，未來(lái)的挑戰(zhàn)是使農(nóng)業(yè)擺脫目前不可持續(xù)的做法，并以可持續(xù)的方式管理肥料和土壤。這樣不僅糧食需求不斷得到滿足,而且土壤保持健康以支持充足的糧食生產(chǎn)，并在未來(lái)對(duì)環(huán)境的影響最小。

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