化学农业

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化学农业(Chemical agriculture)

　　化学农业是指在农业生产过程中使用化学肥料、化工产品（各种杀虫剂、除草剂等）、激素类、调节类催长剂等来催产、催效，它的实质是化学合成手段在农业上的综合应用。

　　1.地表水及地下水污染

　　长期以来 ，化肥、农药、除草剂等农业化学品的大量施用导致的地表水及地下水的污染一直是农业及环境科学家高度关注的一个问题。早在1971年，Commoner就指出，化学肥料，尤其是水溶性极强的氮素化肥，不仅可以通过地表径流冲刷到江河、湖泊等地表水中，而且可以通过降雨及灌水等淋洗到泉水及深井水中。如果饮用水中硝酸盐的含量过高，不仅会引起婴儿的死亡，甚至对成年人的健康也会产生危害。为保证人类的健康，世界卫生组织规定饮用水中硝酸盐的含量不能超过1Om g/L，但最近的几十年间硝酸根离子对地下水的污染已经司空见惯。例如，根据美国维斯康星州的调查统计，22%的民用井的井水中硝酸盐的含量超过了美国政府规定的饮用水的标准(1Omg/L)；23%的民用井井水中可检测到阿特拉津(一种常用除草剂)；在该州的集中灌区，有60%的民用井井水硝酸盐含量超标。即使在全球人口密度最小的加拿大，硝酸盐对地表水和地下水的污染也已经成为农业生态系统中一个严重的问题。

　　黄河是中华民族的母亲河，她流经严重缺水的我国北方地区的9个省，黄河流域的面积为75243km²，耕地面积，其中40%要靠黄河水灌溉。流域内人口有。随着工农业生产的发展和人民生活水平的不断提高，社会用水量迅速增加，黄河流域的工农业用水及生活用水对这条母亲河的依赖程度越来越高。但据xinghui xia等的研究，由于农业生产活动的加剧，严重的水土流失不仅给黄河带来了大量的泥沙，而且还带来了硝酸盐污染，直接威胁着人们的健康。据测定，黄河中上游地区支流水域无机态氮的含量为0.876-10.511mg/L。研究证明，支流水域氮化物的含量与各地的工、农业产值、人口密度及化肥施用量成正相关，而且有自上游地区向下游地区逐渐增加的趋势。在干流水域也表现出同样的趋势。其中，山东利津水文站测定的无机氮化物含量已达5.27mg/L。另据报道(Xinhuanet，2003年2月19日)，法国国家环境研究所根据分布在全国的3000个水文检测站提供的数据得出的调查报告表明，由于大量使用农药，全国90%的河流及58%的地下水中含有杀茵剂、除草刑、杀虫剂等农药。其中40%的水源需进行特殊处理后才能饮用，而水质依然保持良好的水源仅占调查样本的5%。

　　随着中国农业产业结构调整的不断深入，在粮田面积减少的同时，蔬菜、水果等经济作物的面积迅速扩大。由于农民在经济作物上农业化学品的投入远大于粮食作物，由此带来的农业化学污染也更为严重。Xiaoju wang的研究表明，在氮肥(纯氯)施用量为800Kg/hm²的茶园，土壤严重酸化，77%的地块土壤的pH值低于4.0，60%的地块土壤的pH值低于3.5，最低的地块仅为2.7。地表水和地下水被严重污染，硝酸盐含量达10-60mg/L，从而引起鱼类的大量死亡。不仅如此，当氮肥的施用量超过800Kg/hm²时，茶树根系的生长受到明显的抑制。

　　氮肥的超量施用除造成地表水和地下水的严重污染外，通过反硝化作用引起的二氧化氮的排放对臭氧层的破坏以及磷肥的污染等也越来越引起人们的重视。

　　2.地下水位下降，土地资源受损

　　为保证灌溉用水的需要，地下水的超量开采导致了地下水位的持续下降。Charles A等(2002)报道，由于灌溉面积的扩大和灌溉强度的增加，美国的得克萨斯、奥可拉河马、新墨西哥及堪萨斯州等玉米产区的地下水位自1940年以来持续下降，到目前已经下降了30m。地下水位的下降导致提水成本与30年前相比增加了3倍。中国华北地区的情况更为严重，与加世纪70年代相比，农灌区的地下水位下降了40-60m，形成了包括河北、山东、河南在内的世界上最大的地下水漏斗区，并由此引发了地面沉降、海水倒灌等地质灾害。据报道，山东省的莱州湾地区海水倒灌己达几十公里，使原来大片肥沃的农田如今成为不毛之地。而要改造这片土地，则需投入大量的人力物力。

　　3.作物的抗逆性能下降，农产品品质降低

　　研究表明，化肥、农药等农业化学品的大量施用可以显著提高植物组织中硝酸盐和氨基酸的含量，并使植物的细胞壁机械强度减弱，从而诱发植物病虫害的发生；Huilian Xu的研究表明，氮素化肥的超量施用容易引起植物组织，特别是叶片中硝酸盐、氨基酸等氮化物的积累，这是导致病虫害爆发的主要诱因之一。不仅如此，农业化学品的超量施用还导致植物收获物中维生素C、有机酸及可溶性糖等营养成分的降低，从而导致农产品品质下降(Huilian Xu，2001)。更为严重的是，植物吸收了杀虫剂、除草剂等农业化学品后，会对人类的健康构成威胁。

　　针对现代农业带来的负面影响，世界各地的农学家一直致力于其适宜对策的研究，并提出了一系列解决措施。

　　1.积极推广保护性耕作栽培技术

　　保护性耕作栽培技术的核心是少、兔耕技术及作物残茬覆盖技术。保护性耕作栽培技术不仅可以降低生产成本30%，而且可以提高土壤有机质含量、增加土壤水稳性团粒结构的数量、提高土壤的渗水性，减少雨季的地表径流、提高土壤抗水蚀及风蚀的能力、增加土壤的蓄水量、提高水分利用效率，全方位培肥地力，提高土壤的生产能力。兔耕技术是一项高效低耗的先进农业生产技术，它不仅适合于水浇地，更适合于早地。该技术的推广有利于农业的节本增效和可持续发展。保护性耕作技术在美国、巴西、阿根廷等国家的大面积推广，不仅有效地解决了长期以来困扰上述地区的水土流失问题，而且使土壤不断培肥，土地的生产能力不断提高，为农业的可持续发展打下了良好的基础。

　　2.合理施肥

　　合理 施 肥 至少包含施肥量及施肥时期两方面的内容。Jaynes等(1999)对一个面积为5200hm²的集约化农场进行研究后认为，该农场通过地表径流进入地表水的氮素为每年66kg/hm²，如此大的损失主要是由于氮肥的超量施用造成的。Baker等发现，在玉米和不施肥的燕麦或大豆轮作时，若玉米的施氯量为112kg/hm²纯氮，则由玉米田排出的水中硝酸盐含量可达21mg/L，每年由此损失的氮素约为30kg/hm²。若玉米的氮肥施用量从100kg/hm²纯氮增加到250kg/hm²纯氮，则从该玉米田排出的水中硝酸盐的含量就会从20mg/L增加到40mg/L，因施肥量增加而造成的氮损失翻了一翻。Gast等对连作玉米进行的氮肥试验也得出了相似的结论。据联合国粮农组织统计，1999年全世界谷类作物生产中氮索化肥的用量为51317730吨(FA0，2001)，而利用率仅为33%。

　　在经济作物产区，由于超量施氮的现象更为普遍，因而，由此造成的氮素损失更为严重。对日本茶叶集中产区的研究表明阎，由水分淋洗而造成的氮素损失与施氯量呈正相关。watanabe连续3年在5种茶园土壤上的研究证明，在每年施纯氮量为1000kg/hm²的条件下，氮素的损失为421kg/hm²。Tokunaga等(1996)估计，如果氮素化肥每年的施用量为1080kg/hm²，则氮素的损失可达450kg/hm²， kikou和Yuita报道，一般而言，茶园土壤水分中硝酸盐的含量是临近农田的6200倍。据研究，由于降水和灌水的影响，氮素化肥的下渗深度在沙壤土为20-23m，在壤土为10-12m，在粘土为6-8m(1997，个人通讯)，而一般作物根系的下扎深度仅为2m左右。可见不合理施肥所造成的环境污染和肥料浪费同时并存。

　　肥料的利用效率还受作物的生长状况和施肥时期的影响。仍以小麦为例，中国的冬小麦全生育期近250d，其中自播种到返青(约150d)的需肥量仅为全生育期的17%-20%，而自返青至成熟的天数(100d)仅占全生育期的2/5，但需肥量却占全生育期的80%以上。许多农民为方便起见，将全部或大部分氮肥在播种前或播种时作基肥一次施入，造成肥料的浪费和地下水的污染。国际玉米小麦改良中心Ken Sayre博士的研究证明，在氮素化肥的施用量一定(225kg/hm²的情况下，如果将全部氮肥在播种时作基肥一次施入，小麦的籽粒产量为6.497t/hm²，籽粒蛋白质含量为12.9%；如果将1/3的氮肥在播种时施入，2/3的氮肥在拔节期追施，小麦的籽粒产量为7.272t/hm²，籽粒蛋白质含量为13.1：如果将2/3的氮肥在拔节期追施，1/3的氮肥在抽穗时追施，则小麦的籽粒产量为6.655t/hm²，籽粒蛋白质含量为13.5%。其它作物也有类似的规律。

　　以上研究表明，根据不同作物、不同土壤肥力基础确定适宜的产量指标，根据产量指标及作物需肥规律进行合理施肥不仅可以大幅度降低生产成本，而且是环境保护和农业可持续发展的迫切要求。

　　3.大力推广节水灌溉技术

　　①革新地面灌水技术，改大水漫灌为沟内渗灌

　　传统的大田作物灌溉技术多为大水漫灌。这种潜溉方式1次灌水需水150mm左右，而小水沟内渗灌1次灌水需水100mm左右；故改大水漫灌为小水沟内渗灌不仅可节水30%以上，而且可以降低田间湿度，提高作物的抗倒伏及抗病能力，从而减少杀茵剂及杀虫剂的用量，有利于环境保护。此外，改大水漫灌为小水沟内渗灌，不仅便于浇水管理，而且使灌溉水与土壤的接触面积减少60%，从而减少了水蚀，保护了土壤。

　　②推广非充分灌溉技术

　　面对灌溉水资源日益缺乏的现状，美国科学家Charles.A等在美国大平原玉米带进行了连续两年的非充分灌溉试验四，设不浇水、浇1水(灌水量150mm)和浇2水(灌水量300mm)3个处理。结果表明，浇1次水比浇2次水虽然减产6%-7%，但若考虑到玉米的价格及提水的成本，则浇1次水处理的经济效益显著高于浇2次水的处理。于振文等对高产小麦高效灌溉技术及其生理基础进行研究后认为，在底墒充足的情况下，小麦生育前、中期适度灌溉，在保证适宜单位面积穗数和幼穗正常发育的前提下适当抑制营养生长，后期补充灌溉，延缓根系及功能叶片的衰老，保证穗粒数和粒重，就可以将传统的3-5水减少为1-2水，从而使灌水效益显著提高。

　　植物的根系在受到水分胁迫时会产生化学信号并输送到叶片，叶片在感知根系受到水分胁迫的信号后会降低气孔开度或关闭气孔，从而减少水分消耗。根据这一原理建立起来的非充分灌溉技术是农业节水领域的一项新兴技术。如控制性分根交替灌溉技术就是一例，该技术在严重缺水的地区完全适用于花生、垄作小麦等沟灌体系。

　　4.积极推广有机农业生产技术

　　为了克服现代化学农业带来的环境污染、土壤酸化、农产品的品质下降甚至威胁人们的健康等负面效应，自20世纪70年代，在英、美等国出现了以拒绝施用人工合成的化学肥科、化学农药等为基本特征的有机农业(Organic farming)。有机农业与现代化学农业的本质区别在于，现代化学农业栽培管理的直接目标是作物，如施用化学肥料的直接目的是为了满足作物生长发育的需要，而有机农业栽培管理的直接目标是土壤，栽培管理的直接目的是为了满足土壤生物(土壤动物及土壤微生物等)的需要，通过土壤生物的活动达到创造健康土壤环境的目的，如使用有机肥的直接目的是为土壤生物提供营养，通过土壤生物的活动达到培肥地力的目的。

　　由于 有 机 农业不施用化肥、农药、杀虫剂等人工合成的化学物质，不仅大大减少了农业生产活动对地表水及地下水的污染，而且消除了这些农业化学品工业生产过程中的能源消耗及其引发的大气污。农产品的农业化学残留明显减少，农产品的品质显著改善，口味更佳。据不完全统计，1972年英国的有机农业面积为6075hm²，法国为20250hm²，美国、日本等国的有机农业面积也在不断扩大。为了推动有机农业的发展，美国、英国、日本等许多国家都先后成立了有机农产品的认证机构及有机农产品市场准入制度。

　　中国是农产品生产大国，发展有机农业，促进农产品出口不仅是农业增收、农民致富的战略性对策，也是保护资源、保护环境，并增进人民身体健康的战略性举措。

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