3 关于有机肥和碳投入
按照李书田和金继运根据我国 2008 年畜牧业和作物生产的估算，有机肥资源量约为 49. 5 ×108t，其中人畜禽粪尿 40. 2 × 108t，占 81. 2% ; 秸秆8. 1 × 108t，占 16. 4% ; 饼肥 26. 3 × 106t，占 0. 5% ;绿肥 93. 4 × 106t，占 1. 9%。有机肥资源每年可提供 N 30. 5 × 106t，比每年氮肥总使用量还高。但是，我国有机肥还田率只有 39% ，不到资源量的一半。值得注意的是，上述全国粮食、蔬菜、水果的总产出中，包括了这部分有机肥提供的氮量。众所周知，有机肥施用对土壤培肥至关重要，有机无机配合是获得持续高产和稳产的重要农艺措施。在当今我国以化肥当家的现实状况下，有些田块长期得不到有机肥施用，对土壤的碳源补充不足，土壤碳氮比下降，土壤有机碳氮库变小; 土壤物理、化学和生物性状变差，土壤水、肥、气、热四大肥力因子失调;土壤对短期干旱或养分缺乏的缓冲能力变弱，迫使农户不得不频繁地大量灌水和多次施肥以维持产量，使水分和养分的利用率降低，农田管理成本增大。过去我们只注意了有机肥提供的养分，而对有机肥或秸秆提供的碳源重视不够，事实上，这些碳源在调节土壤肥力因子中起着重要作用。
Drinkwater 和 Snapp认为，现在养分管理策略只注重向作物提供可溶性的无机养分，而忽略了碳氮磷循环在时间和空间上的匹配，使农田生态系统处于一个渗漏的无机营养饱和状态。改进的管理措施应注重无机库和有机库的协调，使无机养分能够较长时间地持留在有机库中，作物通过微生物或植物介导的过程获取养分，而不是仅注意可溶性无机养分库。发挥生物学过程使碳氮配合，将养分持留在土壤中，将会极大地降低对高无机养分投入的需求。可见，培育土壤有机碳氮库对改善土壤肥力、增产 和 降 低 环 境 污 染 的 重 要 作 用。我 们 的 研究表明，单纯施用无机氮肥，土壤会有一个相对大的无机氮库，而相对小的有机碳氮库，减小了土壤的缓冲能力，增加了环境污染风险( 图5) 。
有机无机配合，为微生物提供了碳源，既可以维持土壤相对较大的有机碳氮库，增加土壤的缓冲性能，又可以维持土壤较好的无机氮供应能力，提高土壤保水保肥性能。
当土壤维持一个较大的有机氮库时，在水热条件较好的作物快速生长期，土壤有机氮可以通过矿化作用持续不断地供应作物对氮素的需求，只需要在关键生育期施用氮肥。这些氮肥除了被作物吸收外，还可转化成微生物氮和土壤有机氮暂时保存，降低了损失风险。当土壤有机氮库较小时，土壤失去了这种保持和供应养分的缓冲性能，即使多次施肥，也很难保证对作物养分的持续供应，因为根系接触的土壤氮比肥料氮的几率大得多，作物对土壤氮的吸收始终是主要的。如果施入的肥料氮不能及时被土壤有机碳固定，就容易流失。在生产实践中农户经常抱怨“化肥越施地越馋”，就是有机肥和碳投入量不足，土壤有机碳氮库变小的原因。
我国在有机肥利用方面存在很多问题，大量有机肥资源没有充分利用，而是变成了环境污染物的来源。对人畜禽粪尿的堆放和处理不当是我国有机肥管理中的突出问题，有机肥不能耕翻进土壤或施肥时期不当导致氨挥发、淋洗损失和 N2O 排放增加。农户和集约化养殖场对畜禽粪便的不当处理是这些问题的开始，尤其是有大约 600 百万吨( 鲜重) 露天堆积在土地或水道上，成为重要的点源污染，占排放到地表水中的 90% 的 COD，38% 的氮和 56% 的磷，是湖泊、河流和入海口水体富营养化化的主要来源。
我们认为，这不是一个简单的技术问题，而主要原因还是社会经济问题。例如，在上世纪八十年代化肥没有普遍大量使用以前，我国农户非常重视农家肥的收集和利用。但到了近十几年，由于化肥很容易购买和相对较低的价格，运输施用方便; 劳动力价格上升使农户认为收集和施用有机肥费时费工不卫生等，导致有机肥的回田率下降，占养分的比例下降，直接影响到全国土壤肥力演变和农产品生产能力与稳定性。如果能将有机肥的回田率从现在的大约 40% 提高到国外的大约 80% ，还可以向农田再增加约 N 12 × 106t 有机氮投入，就可以替代相当的化肥氮投入量，而且对提升土壤肥力具有极其重要的作用。
如何培育土壤有机碳氮库是我国提升土壤肥力的关键问题。对于 Kong 等提出“高氮才能固碳”的观点，笔者和国外的研究都证实，长期合理氮肥投入加上秸秆还田能够显著增加土壤有机碳氮含量，氮肥与有机肥和秸秆配合效果更好，单纯大量施用氮肥不仅没有好处，有时还加速了土壤原有有机碳氮的分解，还会引起严重的氮素损失。事实上，对于冬小麦和夏玉米一年两季作物来说，黄淮海平原年平均施氮量 N 430 kg /( hm2·a)基本相当于本文论述的合理施氮量上限，加之该地区普遍采用的撒施肥料，氮肥的损失在 30% 以上，实际上发挥作用的氮肥投入量在本文的合理施氮量范围，而不是 Kong 等论述的“投入无机肥越高、产量越高、有机质就会越高”。另外，文章最后提出的该地区提高肥料利用率和降低损失的措施，如精准农业、土壤测试、微量元素和叶面施肥更不是解决问题的关键。
在上世纪八十年代以前，我国化肥使用量不高，科技工作者提出以“无机促有机“的观点，即通过增施无机肥，获得较高的籽粒产量和秸秆产量，秸秆可以作为牲畜饲料生产更多有机肥，再回到农田供应作物养分。过去三十年大量的化肥投入，人粪尿、牲畜粪便和秸秆等有机肥资源迅速增加，但还田率在下降，因有机肥造成的水体和大气污染在加重，但通过有机肥回到农田的总养分量还是增加的。读者会担心，在某些过量施氮地区如果减少了化肥氮的施用，会不会降低有机肥的产出量。我们认为，通过合理施氮减少氮肥施用量，并不会引起作物籽粒和秸秆产量的降低，甚至会增加产量，有机肥的产出量也不会减少。如果能提高有机肥的回田率，通过有机肥供应的作物养分量还会增加。我们的研究还表明，过量施氮会引起作物秸秆碳氮比下降，还田后不利于增加土壤有机质，而合理施氮可以提高作物秸秆的碳氮比，回田后有利于土壤有机质的累积。
4 值得商榷的几个问题
4. 1 氮肥是否过量
蔡祖聪等提出了“我国只有实施以高垦殖率、高复种指数和大量施用化肥为特征的高强度农业，才有可能保证粮食安全”，但没有界定这种大量施用化肥到什么程度。如果在设定了目标产量后，在施肥方法和时期都合理的情况下，这种“高投入”是最高产量施氮量或经济最佳施氮量，这不算是“高投入”，应该是合理投入。如果是粗放施肥的大量损失条件下，要获得同样的目标产量，为了满足给作物的供氮，需要在合理施氮量再加上氮肥的损失量，就如同现在大多数农户的习惯施肥那样，这样的“高投入”并不会增加产量，而只是“保证了高量的氮素损失”，很难降低氮素污染。正如本文的研究结果，如果仍然依照现在的粗放施肥习惯，我国现在的实际氮肥使用量应该没有过量，但氮肥损失是严重的，损失率应该在 40% ～ 50% 之间; 如果能够通过改进施肥技术将过量地区的氮肥用量和损失降下来，对氮肥在地区间进行合理调配，则可以降低30% 的氮肥使用量。
4. 2 未来氮肥需求量
蔡祖聪等根据他们提出的判断氮肥“过量施用”的三个指标，认为“在全国尺度上，随着人口的增加以及经济发展水平的提高，对粮食的需求量将继续增加，因而必须施用更多的氮肥”。根据本文的预测结果，如果改进施肥技术，未来氮肥需求尽管有增加的趋势，但总量比现在还可以降低; 如果依然粗放施肥，则需要在现在实际氮肥使用量上继续增加，但增加的幅度并不大。从 1961 ～ 2010 年间我国氮肥使用量与粮食总产量的关系( 图6)
来看，和田块尺度上单位面积施氮量与产量的效应曲线相似，也呈抛物线增长关系，也呈报酬递减规律，而非直线关系。尽管现阶段没有达到粮食总产的最高点，但总产的增幅随氮肥使用量的增加在下降。通过解方程求得，当全国氮肥总使用量达到 N 33 × 106t的时候，粮食总产达到最高，理论值为 634 × 106t。可以看出，通过增加氮肥总使用量来增加粮食总产量的潜力是有限的。
在国家尺度上，当氮肥使用量低时，氮素成为产量限制因子; 但在施氮量达到一定程度后，其他生产因素成为限制因子，再施氮不会再增产。另一方面，“要增加粮食，就要增加氮肥投入”，这种情况也只发生在氮肥利用率和损失率不变的条件下，如果提高了氮肥利用率，降低了氮肥损失率，则可以在获得同样产量的条件下，降低氮肥用量。还有，在氮肥使用量达到较高水平后，氮肥究竟在粮食增产中起了多大作用? 如果仔细分析我国历年来粮食总产量与氮肥总使用量在不同阶段的变化( 数据略) ，就可以看出，在 1998 ～ 2003 年，尽管氮肥投入在增加，但粮食产量在下降，主要是政策忽视粮食生产; 2004 ～2013 的粮食十连增，并不只是取决于氮肥的增加，而取决于政策重新注重粮食生产，实行种粮补贴和粮食价格调整等因素。所以这样的分析把决定粮食增产的因素混到了一起。
我国未来需要多少氮肥，首先取决于中国未来需要生产多少粮食、蔬菜、水果和肉奶蛋。其次决定于将施氮过程和施氮后的氮素损失程度降低到什么程度，我们需要逐步从粗放的施肥方式中走出来。尽管未来的农产品需求会增长，但如果将现在的粗放施氮损失降低 30% ，中国将来的氮肥需求增长量并不大，这是值得进一步研究的重要问题。
4. 3 降低氮污染
蔡祖聪等进一步提出了“必须加强高投入条件下解决氮污染问题的研究，建立相应的理论体系，政策措施和技术方法”。根据本文的分析，如果这种高投入是建立在高损失的条件下，其造成的氮污染是难以解决的。我们知道，氮肥的损失途径包括氨挥发、淋洗和径流以及反硝化损失，损失的这些活性氮都有强烈的生态环境效应，即使反硝化损失以氮气为主，也会引起很高的经济和能量损失。我们认为，氮污染的控制应该遵循“源头控制的原则”，“末端治理”会付出更大的环境和经济代价。问题的焦点还是如何界定这种“高投入”，如果这种高氮投入是在合理施氮量范围内，这种“理论体系和技术措施”业已存在，只是在具体生产实践中落实不到位的问题; 如果这种“高投入”是为了维持那种不高的产量，而放任施氮过程和施氮后的大量损失，那么这种“解决氮污染”的方法很难找到，也许根本就不存在。从本文的分析看，未来降低氮污染的关键是通过施肥技术和政策法规实质性地从源头降低氮肥大量损失。要进一步提高我国的农产品产出量，主要依赖于将氮肥在区域间的合理调配。在过量施氮地区，通过增加氮肥投入不仅不会增产，还会加重污染，进一步增产依赖于对整个作物生产过程优化农艺措施的落实; 在投入不足地区，依赖于进一步改善生产条件和土壤肥力，发挥增施氮肥的增产作用。
