肥料在世界粮食增长中的作用

肥料在世界粮食增长中的作用T.L.Roberts著，原文译看BETTERCROPSWITHPLANTFOOD2009年第二期P12-15，谢玲译*，涂仕华校*国际植物营养研究所成都代表处*根据联合国（UN）的数据，预计到2050年全球人口数量将从目前的67亿增长到92亿。千年项目及未来展望报告（2008）指出，到2013年全球粮食生产必须增加50%并在30年内翻番，才能解决目前所面临的粮食危机。这些增加的粮食生产必须从日趋减少的耕地上获得，唯一的途径只能是集约化生产。然而，集约化生产必须通过生态集约化，采用环境安全的方式。生态集约化的目标是在对环境影响最小或无负面影响的情况下，增加单位土地面积的产量，达到该农业系统“可获得的最高产量”。如果没有生物技术和遗传学的不断发展，也没有肥料，世界将不会实现其粮食生产目标。化肥对世界粮食生产的贡献达40%-60%。我们的责任就是开发和利用肥料高效施用的管理措施。这篇文章阐述了化肥在全球粮食生产中的作用，以及保证达到农业生产和环境目标的相关肥料最佳管理措施（BMPs）。2008年初，全世界把焦点都放在粮食危机上。当时水稻、小麦和玉米的价格翻倍引起了贫穷国家的粮食骚乱，并使一些国家限制粮食出口。粮食危机导致了联合国粮农组织（FAO）在罗马召开了“世界粮食安全高层会议”，185个国家的政府和组织一起讨论了因气候变化、生物能源和粮食价格引起的世界粮食安全所带来的挑战。到了夏天，随着粮价降低以及金融危机的来临，全球关注的焦点也从粮食安全转移到信贷方面。然而，粮食危机从未平息，只是由它引起的紧迫感已被全球经济衰退所取代。2007年全球营养不良的人口数量预估达到了9.23亿，大大高于世界粮食峰会1990-1992年和2003-2005年制定的基数，即8.42亿和8.48亿（FA0，2008a）。大约98%的长期饥饿人口在发展中国家。整个世界都在努力实现跨千年发展目标-即到2015年使饥饿人口减少一半。营养不良人口比例呈持续稳定的下降趋势，分别为1990~1992年的20%和2003~2005年的16%，但是到2007年末这种趋势发生了逆转，我们改善饥饿的工作未能持续进展。世界粮农组织预计有37个国家正面临粮食危机。2008跨千年项目及未来展望报告将粮食危机归咎于发展中国家对粮食增长的需求、高油价、生物燃料、高化肥价、全球谷物储备量低以及市场的投机买卖（Glennetal.2008）。粮食安全是人类所面临的一项巨大挑战之一。在人口数量会从目前的67亿增长到2050年92亿的情况下，2008未来展望报告建议到2013年粮食生产必须增长50%并在30年内翻番。尽管报告的作者们认识到满足全世界人口的粮食需求的关键长期战略是改善雨养农业和灌溉管理、高产作物的基因工程、精准农业、抗干旱作物和新农业方式所需的一些其他因素，但是他们几乎忽略了化肥的作用。许多人认为植物生物技术是生产更多粮食的关键。基因和生物技术产业向我们保证他们可以增加粮食产量，承诺每年可提高作物遗传产量潜力3%~4%（Fixen，2007；Jepsm，2008）。世界最大的种子公司孟山都（Monsanto）承诺将在2030年以前开发出玉米、大豆和棉花的新品种，这些品种可使每英亩谷物和纤维产量翻倍，同时仅需使用2/3的灌溉水（Monsanto，2008）。我们要满足全球的粮食需求，的确需要这类技术的进步。然而，历史告诉我们仅凭基因技术的提高不可能解决全世界的粮食短缺。比如，Cassman和Liska（2007）指出美国40年来玉米的产量一直呈直线上升，与目前9.2t/ha产量相比，平均每年递增112kg/ha或1.2%。这个1.2%的年增长率来源于杂交品种的采用，灌溉面积的扩大，保护性耕作，土壤测试和平衡施肥，还有使用转基因抗虫“Bt”玉米品种。如果基因产业可以实现他们提高产量的承诺，如果基因潜力可转化成更多的产量，养分消费也会明显增加。展望未来2020年，Fixen（2007）估计要使美国玉米产量每年增长3%，与2004~2006年化肥平均施用量相比，氮、磷、钾肥料将需要分别增加18%、21%和13%。未来粮食生产的增加必须从日趋减少的耕地上获得，唯一的途径只能是集约化生产。并且必须通过生态集约化，采用环境安全的方式。生态集约化的目标是增加单位面积土地上的产量，即要集约化生产又要符合环境质量标准（Cassman，1999）。全球化肥状况粮食供应、通货膨胀和化肥价格成为2008年初的头条新闻。媒体的如此关注使得政治家们和普通大众比以往任何时候更关心化肥产业。20世纪60年代至80年代中期全球化肥消费持续稳定增加，然后下降，直到90年代中期开始重新回升（图1）。自2001年以来，N、P2O5和K2O的用量分别增加了13%，10%和13%。全球谷物生产和化肥消费密切相关（图2）。(图：图1全球N、P2O5和K2O消费量（IFA统计2007年）)(图：图21961~2007年全球谷类粮食生产和化肥生产情况（IFA统计2007年；FAOSTAT2008年）)化肥是受全球市场供需和波动影响的商品。去年我们见证了前所未有的肥料需求和创纪录的价格（图3）。从2000年至2006年世界化肥价格一直保持相对稳定，但是从2007年起开始逐渐上涨，在2008年的9月和10月到达顶峰，11月开始下降。化肥价格戏剧性的上涨源自多方面的原因（TFI，2008；IFA，2008），其中全球对化肥的需求增加和供应不足是驱使价格升高的主要原因。其他原因还包括：乙醇生产增加、运输费用提高、美元贬值、作物商品价格高和一些国家限制肥料出口。(图：图32000年1月至2008年11月全球化肥的月均价格（Pike&Fischer，GreenMarkets）)尽管近来化肥市场变化无常，未来对肥料的需求仍很旺盛。许多发展中国家稳定的经济增长使他们有更多的钱来改变营养状况，人们的饮食正从低蛋白、淀粉为主的食品转向更多动物蛋白食品。发展中国家在肉类消费方面仍落后于发达国家，但是人们正朝消费更多肉品食物方向努力。1995年以来，发展中国家肉品消费以每年16%的速度递增，中国几乎达到了年增长率40%。对肉类蛋白日益增长的需求意味着对饲料粮的需求会大大增加。从1995年至2020年对饲料粮的需求预计会翻倍至4.45亿吨，谷物粮食消费预计会增加40%达到10.13亿吨（Pinstrup-Andersenetal.，1999）。下个世纪全球乙醇和生物柴油的生产将持续增长（FAPRI，2008）。尽管2008年全球谷物大丰收，但其储备一直呈下降趋势并将继续减少。中国、印度和巴西的水稻、玉米和大豆的产量继续低于美国，但增产潜力巨大，可通过改良基因、提高养分管理、提高水利用效率和其它最佳管理措施来实现。2008年5月，国际化肥工业协会（IFA）预报了在未来5年内化肥的总需求量会以每年平均3.1%的增长率递增（表1）。但是，化肥工业未能从2008年后期的全球金融危机中幸免于难，其结果是2008年下半年化肥消费下降了。(表：表12012~2013年全球化肥消费量中期预报)消费量（万吨）NP2O5K2O总量2005~2006至2007~2008年平均估算958038602760162102012-2013年预计115604570330019430Heffer,2008a年末，国际化肥工业协会（IFA）下调了2008/09季短期化肥需求预报（表2）。与2007~2008年相比，N肥使用会稍稍增加0.5%，而P和K肥的使用预计会分别降低4.6%和8.3%。但全球化肥消费量预计会在2009/10年度复苏，与2007/08年相比每种养分至少会增加3%。(表：表22009-2010年全球化肥消费量短期预报)消费量（万吨）NP2O5K2O总量2007-2008估算1005039302890168702008-2009预计1011037502650165002009-2010预计104503880275017090Heffer,2008b化肥对谷物生产的贡献化肥对维持全球作物的现有生产水平必不可少，而且对今后产量的持续高产则更为重要。在许多国家，施肥量偏低和施用不平衡既限制了产量潜能也对作物品质产生负面影响。即使生物技术产业能实现他们的承诺，通过基因改良提高产量和养分吸收效率，施肥在避免土壤养分耗竭和维持土壤肥力方面仍至关重要。我们很难准确界定有多少作物产量取决于化肥，因为土壤本身的肥力、气候、轮作制度、管理和作物本身都会影响作物产量。一些作物（如大豆）对施氮反应不明显，对养分需求反应也不同。尽管这样，已有一些有意义的研究评价了化肥对作物产量的贡献。人们应用缺素处理试验和长期试验，与无肥对照相比较得到施肥对产量的贡献。Stewartetal.（2005）查阅了362季作物生产数据，指出至少30%~50%的作物产量归功于化肥的使用。在这里可以引用一些例子。表3例举的是美国几种谷类作物对缺N处理的反应。在缺N情况下，作物平均产量降低，玉米降41%、水稻37%、大麦19%和小麦16%。缺N对大豆和碗豆（都为豆科作物）的产量无任何影响（数据未列出）。如果作者们做了缺P和缺K的试验，减产情况会更明显。(表：表3无氮处理对美国谷物产量影响的估算)作物估算的作物产量吨/公顷无氮处理产量减少%基础产量无氮肥玉米7.654.5241水稻6.164.4827大麦2.532.0419小麦2.151.8116Stewartetal.，2005位于美国俄克拉何马州立大学的Magruder定位试验，建于1892年，是美国大平原地区最古老的长期土壤肥力研究点。自从这个点对立以来，肥料处理一直在变化，从1930年起，年施N量为37~67公斤/公顷，年施P量为15公斤/公顷。在七十一年里这些试验表明N和P肥地小麦产量的贡献率平均为40%（图4）(图：图41930-2000年美国俄克拉何马州大学Magruder试验田NP肥对小麦产量的贡献率)1888年建于密苏里州立大学的Sanborn试验田是用于研究作物轮作度和农家肥对小麦产量的影响，于1914年开始施用化肥。尽管这些年的施肥量不断变化，但在100年间相比于无肥对照，施N、P和K肥对作物产量的平均贡献率为62%（图5）。(图：图51898~1998年密苏里州大学的Sanborn试验田化肥对小麦产量的贡献率（Stewartetal.，2005）)英国洛桑实验站（Rothamsted）的Broadbalk试验，是世界上最早的长期试验。从1843年起一直种植冬小麦。一个世纪以来，与单施PK相比，NPK配合施用对小麦产量的贡献率为62~66%（图木舒克市）。从1970年至1995年，给试验的高产冬小麦品种持续施用96kgN/ha，结果使缺P处理减产了44%，缺K处理减产了36%。(图：图61952-1995年英国洛桑实验站（Rothamsted）的Broadbald试验在PK基础上N对小麦产量贡献率（Stewartetal.，2005）)这三个温带气候下的长期试验清楚地表明化肥在谷类作物生产中的重要性，它们对作物产量的贡献至少达到一半。化肥对热带作物更为重要，那里的刀耕火种农业破坏了土壤本身的肥力。Stewartetal.（2005）以巴西和秘鲁亚马逊（Amazon）盆地的连续粮食生产为例，在经过刀耕火种的第二年施用化肥，作物产量增加80%~90%。化肥最佳管理措施粮食危机使近来媒体的关注转向化肥工业，大家也意识到化肥是解决全球粮食安全问题手段之一，因此化肥行业应当义不容辞地尽一切努力来保证化肥的施用效果和效率。化肥最佳管理措施的目的正是如此-即根据作物需要提供养分，减少养分从田间损失。方法很简单：根据作物需求，在正确时间、位置、选择正确的肥料品种和施用正确的用量。实施四个“正确”（4Rs）-即正确的肥料品种、正确的施肥量、正确的施肥时间和正确的施肥位置是肥料最佳管理措施的根本（Roberts2007）。国际植物营养研究所（IPNI）已经建立起了一个普遍适用的框架来说明如何在肥料管理过程中实施四个“正确”（B