民以食为天。土壤乃万物生命之源,是关系到国计民生的关键因素,需要科研工作者不断地加以关注和守护。中国农业大学资源与环境学院教授刘学军就是一名在土壤环境科学领域默默奉献的科学工作者,数十年来,他不求名利,甘于寂寞,几十年如一日地奋战在土壤环境科学领域,始终坚守在土壤环境研究领域,以田地为伴,以土壤为友,为捍卫土壤健康和环境安全做出了卓越贡献,也为国民经济建设做出了巨大贡献。
迎难而上,不断解难题
1987年的夏天,刘学军进入了湖南农业大学农学系土壤与植物营养专业,早早地找到了毕生为之努力的方向。入学后不久,刘学军就对土壤研究产生了很大的兴趣,下定决心要考研究生继续深造。在湖南农大的7年里,他收获了很多,不仅综合知识和专业水平得到了显著提高,为以后的科研工作打下了良好的基础,还学到了很多为人处事的道理——对学术的严谨,对科研的执著以及为人的低调。1997年博士毕业后,由于各方面表现优秀,他选择留校任教,从此开始了至今数十年如一日的教学和科研工作。
随着大气活性氮污染和氮沉降问题的全球化,深入理解大气氮沉降通量及其生态环境效应已经成为全球变化背景下氮循环研究的前沿。刘学军教授针对我国氮沉降研究相对零散、缺乏系统数据的这一状况,创建了一个覆盖全国(约60个监测点) 的氮沉降监测网,明确提出土壤环境养分的学术观点,建立了专门的环境养分实验室,开展氮沉降通量及其农学与环境效应的综合研究,使氮沉降这个以环境监测为主的工作逐步成为环境科学、土壤学、农学和生态学交叉研究热点。
刘学军等通过分析表明,过去三十年间氮肥、畜牧业和化石能源消耗等人为活性氮排放急剧增长是氮沉降升高的主要原因。该研究首次从国家和区域尺度拿出氮沉降升高以及这种升高改变农田和非农田土壤氮循环的直接证据,研究成果以“Letter”形式发表于国际顶尖期刊Nature杂志,该文的学术贡献在于作者首次将中国活性氮理论上的变化(基于统计数据获得) 与实际测定到的变化,如大气氮沉降和自然与农田植物的氮响应等有机联系起来,在国内外引起重要反响,并入选2013年中国最具国际影响的百篇优秀论文。”为此,Nature杂志邀请国际氮倡议(International Nitrogen Initiative)主席Mark Sutton教授等专门为此写评述文章,强调采取全球行动提高农业和能源生产中的氮素效率、降低活性氮排放的重要性。
随后,刘学军教授的研究转向更为复杂的农业氨排放及其大气环境效应。他迎难而上,在国内率先利用DELTA系统、被动采样器和条件时均梯度法等研究了华北农田区域氨气的浓度与净通量动态变化,研究发现,农业源(如农田氮肥和养殖业)氨挥发对大气活性氮污染贡献很大,是我国华北“2+26”城市地区PM2.5中铵盐的重要来源。他在最近主持的国家大气重污染成因与攻关治理项目(总理基金,DQGG0208)“农业排放状况及强化治理方案”课题中对该问题有了进一步的认识,通过与北大宋宇老师等合作,发现秋冬季大气重污染期间农业尤其是畜牧业的氨减排措施可以有效降低PM2.5中铵盐的峰值,有助于减轻华北2+26城市秋冬季大气PM2.5污染程度,并且针对农田和养殖业氨排放提出系列减排技术清单及其减排的费效分析,在河北邯郸市曲周县等地开展大面积的应用示范,为国家大气重污染治理从农业氨减排角度做出了积极贡献。
化肥与农业:利害之间找平衡
化肥是现代农业的物质基础、是粮食的“粮食”。建国以来,我国粮食生产取得了巨大成就,创造了世界的奇迹——以世界7%的耕地养活全世界22%的人口,其主要贡献来自化肥。我国作物单产增加主要依靠农业化学品投入尤其是化肥投入的增加,化肥已经普及到全国所有农业区,保障了全国农业大面积增产。假设不使用化肥(考虑其他条件改善),全国粮食产量可能只能维持在年均2.5亿吨,而施用化肥的粮食产量在5亿吨左右,那么化肥增产的粮食能养活全国约一半的人口,化肥的增产贡献甚至高于世界平均水平40%。由此可见,没有化肥的投入就不可能有我国的粮食安全。
研究发现化肥的投入与作物增产之间并非呈线性关系。国家统计局数据表明,2009年我国化肥用量达到5404.4万吨,单位播种面积的化肥用量为341kg/ha,比1961年的0.5kg/ha增加670倍。由此可见,作物产量增幅要远远小于化肥用量的增幅,化肥的农业增产效应随着化肥用量的增加呈下降趋势,例如:每千克氮肥投入增产的粮食从1961年的300kg以上降低到20世纪90年代初的30kg,近些年更下降到20kg以下。研究表明,目前每千克氮肥(纯养分,以下同)投入当年净增产的水稻、小麦、玉米已经分别从上世纪80年代的20kg左右下降到21世纪初的10.4kg、8.0kg和9.8kg;磷肥、钾肥的增产效率也呈现类似的下降趋势。
据统计,目前我国农田氮、磷、钾化肥养分利用率平均仅为27.5%、11.3%和31.3%,表明我国化肥使用的优化空间很大。刘学军指出,要实现化肥增产增效,在战略上应从以下几个方面入手:
一是发展和应用总量控制、分期调控的氮肥管理技术。我国农户经营规模小、土地分散的特点决定了过于复杂和精确的施肥技术的可操作性差,经济上也不划算。中国农业大学在氮素实时监控技术基础上发展的总量控制、分期调控的氮肥综合管理技术,把作物全生育期氮素总量与关键生育期氮素调控结合起来,有效地解决了科学性与实用性的矛盾。
二是以“大配方,小调整”策略调整肥料产品结构,实现贴近农业需求的化肥技术改造与升级。具体的说,就是利用全国测土配方施肥技术成果,采用“大配方,小调整”策略大幅度调整肥料产品结构,使先进的施肥技术物化,并通过产、学、研与推广的结合,使技术人员、肥料经销商和广大农民实实在在用上这些技术。
三是加大测土配方施肥技术推广力度,彻底改变传统施肥观念。全国测土配方施肥项目开展5年来,通过大量的土壤测试,对我国农田养分状况有了新的认识。大量的田间试验和示范已基本明确了我国土壤肥力和主要作物的肥料效应,创新了一大批施肥技术和推广模式。从2009年农业部提供的3000多个田间试验结果看,小麦、玉米和水稻等粮食作物测土配方施肥比农民常规施肥增产450kg/ha以上,每千克养分增产量1.5kg以上,比常规施氮量减少30kg/ha左右,氮肥利用率提高10个百分点以上。2009年3月农业部测土配方施肥技术专家组对6个省1152个农户的随机抽样调研结果表明,项目区农户明显增产,粮食作物平均增产5.5%。
刘学军强调说,化肥施用不当也将不可避免地带来一系列的生态环境问题。化肥在我国农业增产中的作用很大,其功劳是第一位的,完全可以说没有化肥的投入就没有现代农业生产、也不可能解决我国目前的粮食安全问题。化肥的环境代价主要体现在不合理地过量施肥,尤其是氮肥的过量使用造成氮素连锁效应(Nitrogen cascade)。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。对于中国一些地区存在的大量施用化肥、片面追求粮食高产以及化肥不合理使用导致生态环境代价增加等问题应该引起我们的高度重视。新近欧洲氮项目(NitroEurope)的结果表明,在欧盟主要成员国由于氮素损失导致的生态环境代价高达700～1400亿欧元。我国的氮评估工作仍在进行中,初步估计这方面的代价不会低于欧盟国家。
目前,农业已成为温室气体的重要排放源,过量使用氮磷肥所导致的土壤剖面中硝酸盐累积、耕层土壤有效磷富集以及与此相关的土壤酸化、水体污染和富营养化等报道日益增多,氮肥不合理使用导致氨挥发、氧化亚氮和氮氧化物等痕量气体排放引起的氮素沉降增加与酸雨危害等问题也已经成为影响我国农业和环境可持续发展的制约因素。
既要保证农业的增产,又要兼顾生态环境效益,刘学军说:“今后我们应该在农业高产高效减排的目标下通过多学科合作优化肥料的管理、进一步提高化肥的增产贡献,而通过养分资源综合管理技术结合测土配方施肥的国家行动是提高我国肥料利用率、降低生态风险和环境代价的根本途径。”
从更长远的未来分析,化肥的高浓化、复合化、液体化和多功能化是国际上的发展大趋势,我国在发展高浓度单质肥料和复混肥的同时,也应针对国情适当保留一些相对廉价、养分浓度相对较低的肥料产品比如碳酸氢铵、过磷酸钙等,以适用一些地区农民的经济状况和特定作物的养分需要。
展望未来,刘学军教授表示,做科研最大的魅力就是不断地未知领域,而人生本身也是一种未知和挑战,只有不逃避,把困难和压力当成一种动力,才能最终到达理想的国度。在科研发展的大好时机,我们坚信,刘学军教授一定能带领团队时刻捍卫着土壤环境的健康,并开拓出更多未知的领域。