作为“人类最伟大的发明”“工业革命最伟大的成果之一”，化肥让全球78亿人口过得更好，但也常常成为国际博弈的筹码。当年，我国进行了怎样的技术探索？当前，如何解决化肥翻倍涨价危及农民增收与粮食安全的顽疾？未来，我国化肥产业如何创新，进而引领世界？近日，就相关话题，我们专访了张福锁院士。
本文来自微信公众号：瞭望智库（ID：zhczyj），受访：张福锁（中国工程院院士），采访：
李亚飞、李琳静，原文标题：《还在谈“肥”色变？这项人类最伟大发明，中国整整摸索了半个世纪》，题图来自：视觉中国
粮食的“粮食”
化肥应用的200多年来，人类文明进步呈现指数级增长，彻底打破了传统农业依赖地力缓慢恢复的瓶颈。
目前，化肥已成为现代农业的基本物资保障，广泛应用农业生产。
化肥让我们吃饱吃好。
过去很长一段时间，我国一直采用传统农业生产方式，即利用作物秸秆、人畜粪尿、绿肥等方式培肥地力，粮食产量增长极其缓慢而且长期处于较低水平。
如秦汉至清朝2000余年间，我国小麦产量仅从50公斤/亩增长到100公斤/亩左右。而建国后至今仅70余年，小麦平均产量达到350-400公斤/亩，高产地区达到650公斤/亩以上；水稻产量从1949年的126公斤/亩提高到了2021年的474公斤/亩。
举个国内案例。包产到户政策实施后农业增产的效果很好，北京的农民总结的时候就说：一靠政策，二靠肥料，三靠勤奋。
我们分析得出改革开放至今粮食产量增加的原因，种子贡献30%左右，化肥约40%，农民的田间管理技术占30%左右。
化肥养活全球一半人口。
举个国际案例。目前非洲农业土地化肥施用量不足3公斤/亩，平均粮食产量不足150公斤/亩，水果和蔬菜不足700公斤/亩，每亩土地仅能养活不到半个人。目前非洲每年人均只有100公斤口粮、20公斤水果、100公斤蔬菜和20公斤肉，远远低于世界卫生组织制定的健康饮食标准，饥饿和营养不良人口普遍存在。
研究表明，1908-2008年的100年间，全球每公顷耕地可养活的人数从1.9人增加到了4.3人，这一增长主要是哈伯-博施合成氨的贡献。
什么是合成氨，后面我会详细阐释。
有人会问，如果不用化肥会怎么样？不用化肥，粮食产量今年开始可能下降幅度小一点，但是经过两三年，产量就会大幅度下降，最后能打出现在一半的产量就不错了。
化肥不仅保证了粮食的数量，还提高了农产品品质。
如果不用化肥，我国农产品的品质要差很多。今天小麦以及其他农产品中的蛋白质含量，因为氮肥的使用达到了13%以上，而解放初只有9%。如果不施化肥，水果长得大大小小都不一样，外观品质很差，风味也不地道。
化肥让土地更肥。
“耕地是粮食的命根子”。借助化肥，全国土壤养分整体提升。化肥未大面积普及之前，我国土壤经过上千年的农业生产，由于投入少，绝大部分出现了不同程度的养分缺乏。
近30年来，通过施用磷肥，我国土壤有效磷含量上升到23毫克/公斤。另外，随着化肥施用，作物产量增加，作物根系也增加，为土壤输入的碳增加了，从而提高了土壤有机质，30年来，全国土壤有机质增加了25%，土壤速效钾增加了60%以上。
化肥让地球更绿。
美国国家航空航天局2019年公布的一份研究报告显示，2000-2017年中国的绿叶净增长面积全球最高，对全球的贡献达25%，其中42%的贡献来自植树造林工程，32%来自农业集约化生产，相当于农业集约化生产为全球绿叶净增长面积贡献了8%，这是相当了不起的贡献。
填饱肚子骂厨子？
近年来，人们谈“肥”色变，对化肥有妖魔化倾向。
化肥少的时候，大家觉得它比金子还金贵；化肥多的时候，大家反倒视其为污染源，开始质疑化肥是化学品，不健康有污染，有机的就健康无污染。
这是误区！把化肥比作食品就直白明了了。和饮食一样，现在施用化肥所产生的一些问题都与不合理施用有关，化肥施用过量、养分搭配不合理、施用方式粗放等产生的负面影响，需要科学分析、正确认识、理性对待。
化肥利用率是指作物当季所吸收的化肥养分占化肥总投入养分的百分率。一般而言，化肥利用率越高，其经济效益也就越大，环境污染也就越少。
但化肥利用率不是固定不变的，它与化肥的种类和性质、土壤类型、气候条件、作物种类及田间管理等因素密切相关。
化肥利用率能达到100%吗？理论上说是不可能的，因为要让作物吸收所有的化肥养分，不让一点养分散到环境中是不可能的，就像人吃的饭也不可能百分之百被吸收利用一样。
由于作物吸收养分的主要器官是根系，很难保证将每一粒化肥都能喂到每一棵作物的根系周围，也就很难让根系把所有的化肥养分吸收了。加上土壤对肥料养分的转化和吸附固定等反应，化肥养分的利用率达不到100%。
近年来，我国三大粮食作物氮肥利用率从2013年的33%提高到了2020年的40%，这是很大的进步。
自我国施用化肥以来，因为农户技术水平不高，也没有机械，更没有滴灌设备，肥料大部分撒施在地表，再加上其他田间管理操作不到位，用量把握不准，所以利用率很低，最低时仅达到27%，目前提高到了40%（磷肥的利用率仍然只有20%左右），这是不小的成就，但是仍然较低。
未能被作物利用的养分中的很大一部分存在于土壤中，下一季作物还可以利用。氮肥施用后能存留在土壤中的比例大概有20%（对磷肥来说，存于土壤中的比例会高达80%），剩下的才是真正损失到环境中的（氮肥损失大约20%，磷肥损失大约1%）。
如果过量施肥，用得不合理，就会浪费损失到环境里面，造成了环境污染。
化肥是一种营养物质，它不仅为作物提供营养，也为土壤和水体中的生物提供营养。如果化肥过量作物吸收不了，进入水体就会引起水体富营养化，造成藻类大量繁殖，也就是常见的水体绿藻、蓝藻暴发现象。当然过量的养分也会进入地下水，降低饮用水质量。
目前，我国水体污染问题比较突出，水体污染物有三大来源：农业源排放、工业企业及农村和城镇居民污水排放，以及与化石能源排放有关的大气干湿沉降。
《第二次全国污染源普查公报》显示，2017年全国废水中氨氮排放总量为96.34万吨。其中生活源排放69.91万吨，农业源排放21.62万吨，工业源4.45万吨，集中式排放源为0.36万吨。可见农业源低于生活源排放。
农业源污染又包括化肥流失、畜禽养殖业和水产养殖引起的氮、磷养分流失。据研究，化肥对农业源氮、磷排放的贡献分别为51%和36%左右。
综上所述，化肥对水体污染的贡献约24%，并不是最大的污染源。
我们可以通过科学施肥，避免或者减少化肥对水体污染，比如：
在农田控制好化肥用量，避免给作物过量施肥；加强施肥的精准性，如通过机械深施到作物根系周围，提高化肥利用率；灌溉水的配合，不能大水大肥，防止养分随水流失，等等。
很多人盲目崇拜有机食品的“高品质”，但并没有充分的科学依据支撑。
有机农业因其在生产中采用有机肥满足作物营养需求，完全或基本不用人工合成的肥料、农药、生长调节剂等物质而被广泛推崇。但实际上，有机肥施入土壤后，有机物质也需要被分解成为无机元素之后才能够被植物根系吸收利用。
此外，由于有机肥中的养分分解和释放无法人为控制，不能按照作物生长需要的时间和需求量释放，所以有机肥使用不当同样会对农作物产量与品质产生不良影响。
例如，单一施用有机肥易使水稻、小麦和大麦等谷类作物在生育前期发生氮素营养缺乏，而在生育后期发生氮素营养过剩，最终导致产量显著下降。即使当含氮量较小的有机肥改善作物的其他养分供应状况而显著增产时，也可能会产生对氮素的“稀释”效应，降低植株内的氮素含量，使农产品的蛋白质含量降低。
有机方式生产的农作物产品，其风味与非有机方式生产的产品无明显差异，有时甚至风味不如后者。研究表明，采用有机和非有机方式分别生产的五种蔬菜和四种水果，其收获后经品尝员鉴别并未发现口味存在明显差别。并且，相对于化肥农业，由于有机肥中养分含量较低，其施用总量通常是化肥的十倍甚至数十倍，额外成本投入较多。
因此，唯有通过化肥与有机肥协同作用，方能同步提升当季作物产量以及农产品品质。
2019年我给青海省做报告，当时省领导说，青海为保护生态环境，原来计划不用化肥只用有机肥。我讲完课后，他们就变成了用30%的化肥，70%的有机肥。今年我去，他们都高兴地说，有机无机结合效果就是好。
由于有机农业的产量要低于传统农业30%以上，不是所有人都能吃得上、吃得起的，只是满足部分高档消费人群的需要，这一农业模式难以保障14亿人口的粮食安全。
“工业建设要看你们的了”
化肥的原理，其实不复杂：通过空气得到氮气，水裂解得到氢气，氮气和氢气在高温高压和催化剂作用下得到合成氨，以合成氨作为核心原料，人类生产出含氮化肥，比如尿素。
合成氨技术是20世纪最伟大的发明之一，技术发明者哈伯是第一个从空气中制造出氨的科学家，他使人类从此摆脱了依靠天然氮肥的被动局面，有力地推动了世界农业发展，因此于1918年被授予了诺贝尔化学奖。
他的合作者博施，改进了高压合成氨的催化方法，并实现了工业化生产，于1931年荣获诺贝尔化学奖。
在2007年，德国化学家埃特尔由于发现了合成氨的作用机理，并推动了表面化学动力学的发展，获得了诺贝尔化学奖。
因为合成氨的研究与应用，三位科学家先后获得诺贝尔化学奖，这在诺贝尔奖历史上是绝无仅有的，也说明了这一技术的极其重要性。
我国于1937年建成了第一个硫酸铵厂，1942年建成了第一个磷肥厂，但受抗日战争影响一直没有正常生产。后来，我国只有2个濒临倒闭的硫酸铵厂，年产量只有6000吨氮肥，还不能满足60万亩高产田的施肥需求。
建国后，著名科学家侯德榜先生真正开启了我国化肥工业建设，他是我国重化学工业的开拓者，也是近代化学工业的奠基人之一，是世界制碱业的权威。侯德榜先生过去还曾帮助印度建立碱厂，受国家领导人的邀请，他历时50天绕道中国香港和朝鲜于1949年7月回到祖国。
此后，侯德榜先生正式投入中国化工事业，1958年他开始在上海规划建设合成氨厂，和全体组员同吃同住、同班倒，历时8年，终于在1965年成功创建了“碳化法”制取碳酸氢铵新工艺，形成了我国独有的小氮肥工艺，获得了国家重大发明。
在20世纪80年代小氮肥产量占到了全国总产量的一半，为我国农业生产提供了基本的物质保障。
磷肥从过磷酸钙—钙镁磷肥—硝酸磷肥—磷酸铵—复合肥，整整摸索了半个世纪。
钾肥工业从1956年在青海察尔汗干盐湖找矿开始，直到本世纪初研发成功“反浮选冷结晶”工艺后，钾肥才开始大规模生产。
在技术创新突破的同时，国家给予化肥工业全面的保障措施。1959年，国家将化肥工业提升到优先发展的战略高度，给予了最大的资源和政策保障。
20世纪70年代开始，在人均年收入才213美元，许多人都无法解决温饱问题的艰难时刻，国家先后花费数十亿美元引进了国外31套大型氮肥生产装置，当年美国总统尼克松访华签署的第一份商业协议便是为中国引进世界最大规模的大型氮肥生产装置，这为上世纪80年代中国农业丰产提供了基础。
在20世纪80年代以前，我国化学工业投资的40%、优质无烟块煤的50%、进口硫资源的60%、进口天然气的30%以上都用于化肥生产。为提高化肥储运能力，国家还为大中型化肥厂修建了专用铁路线、输电线、码头仓库等。针对化肥的特殊政策持续时间之长、范围之广、力度之大是其他任何商品或者工业都没有的。
即使在困难时期，我国化肥用量的增长也没有停止过，国家领导人对化肥发展非常重视，有力地推动了我国农业生产发展。
咱们可以思考，为什么同时期的印度没能快速建设大量化肥厂？
上世纪90年代，克林顿到中国访问的时候，我们和他签署的三个协议里有两个都与化肥有关，一个是磷矿，一个是磷二铵。那时候我国的化肥还不够满足需求，到2003年，一跃成了全球最大的化肥生产国。
目前我国是全球最大的化肥生产国和消费国，化肥年产量占世界总量的30%以上。作为一个发展中国家，在满足自己化肥供应的同时，还可以向国外出口，这是非常了不起的事情。
具体来看：到1991年，我国的氮肥产量跃居世界第一位。2005年起我国磷肥产量位居世界第一。20世纪80年代我国开始建设氮磷钾复合肥料厂，到90年代，复合肥料得到了快速发展，目前我国已成为世界上最大的复合肥料生产国。
现在我国化肥能满足自身需要，但是对于没有能力的国家来说，化肥绝对是战略物资。我一直建议中央把化肥作为战略物资，现在淡季化肥战略储备仍然在做。
去年，疫情造成全球化肥市场紧张，中国不出口化肥了，韩国出现“车用尿素荒”。为什么？
车用尿素是中和柴油车尾气中的氮氧化物，使车辆达到欧六环保标准的强制车用催化剂。重型卡车、公交车等大型柴油车，未添加车用尿素将无法正常启动。中国产尿素占到韩国进口尿素总量的三分之二，其中车用尿素生产原料的工业尿素占到韩国进口量的97.6%。
俄罗斯是全球最大的化肥出口国之一，也是我国钾肥的主要供应国，最近宣布不出口化肥了。
目前国产钾肥还不能完全满足农业生产需求，年需求约1000万吨，约一半需要进口。今年2月，钾肥价格一路上升至4300元/吨，突破近十年历史高点。
何解？
讲一则我经历的故事：
2008年全球金融危机的时候，全球钾肥价格从200多美元涨到约700美元。原农业部领导让我在全国做个调查。我们对全国各个区域、各个作物体系做了调查，发现有很多地方浪费钾肥，比如华北、西北等地区的粮食作物不需要使用那么多钾肥，蔬菜果树用的钾肥太多，完全可以少用一些化肥，降低进口量，从而平抑价格。
调查报告发布后，稳定了全球钾肥价格。因为中国是最大的客户，如果我们不买那么多钾肥，价格涨那么高就没有人买了。今年也是这种情况，我们也做了调查，将发布报告，全国现在可以减少使用300万吨钾肥且对粮食安全没有影响，而我们用了将近一千万吨。
破除化肥伤农顽疾
近期我国化肥价格暴涨的问题警示化肥供应不稳。
近10年来，化肥价格一直高幅波动，2020年10月以来化肥价格更是迅速上涨，到去年10月底，尿素价格同比上涨近1倍，每吨由1660元，最高增至3200元；磷酸一铵价格增长84%，从1860元/吨增至3420元/吨；
氯化钾价格增长近1倍，从1860元/吨增至3670元/吨，最近更是涨到了4000元/吨以上。加之受能源供应、“双碳”约束及国际市场影响，化肥生产企业开工率低，流通企业不愿储备，势必严重影响化肥供应。为应对化肥价格高涨，2021年国家下达专项补贴资金200亿元、出台7项针对性举措，但仍未形成平稳有序的化肥供应格局。
化肥价格波动，危及粮食安全。化肥涨价已成为影响粮食安全的关键因素。近年来粮食生产净利润明显下降，小麦、水稻每亩净利润仅为15-20元，而本轮肥料涨价导致每亩化肥成本增幅达60-100元，远高于粮食涨价带来的收益（2019年以来小麦和水稻最低保护价上涨约每斤0.01元，按亩产1200斤计算，每亩仅能增收12元）。
化肥涨价进一步挤压了种粮利润，削弱了农户种粮积极性，导致粮田粗放管理、非粮化经营、撂荒现象频发，严重威胁我国粮食安全及农业高质量发展。以黑龙江建三江水稻为例，2021年初肥料成本每亩提高10-15元，稻谷收购价每斤反而降低0.1-0.4元，亩均收益减少150-200元，全垦区1000万亩水稻减收15亿-20亿元。
去年超过三分之一的稻农和种粮大户希望流出土地或改水田为旱地，今年粮食生产压力与安全形势将更趋严峻。
化肥是关乎数亿农民生计和国家粮食安全的战略资源，是一个万亿产值、涉及200多万人就业的大产业，也是碳中和、绿色发展的焦点行业。
其价格暴涨，除国际市场因素外，也是我国化肥产业相关问题累积所致，建议从管理体制改革、产业链重构、创新体系建设、服务体系激活四个方面对化肥产业加以革新。
我国绿色智能肥料引领世界
全球层面上，当下化肥行业发展最大的挑战是肥料创新，这也是推进农业绿色发展的核心，2060年前实现碳中和的关键。国家提出要全面贯彻“一控两减三基本”要求，其中减少化肥、基本实现秸秆还田、基本实现动物养殖粪污还田都与肥料相关。
目前我国化肥施用量已经实现“四连降”，到2020年肥料利用率达到了40.2%，这是一个中等水平，距离全球发达国家60%的水平还有非常大的差距。我国化肥利用率每提高1个百分点，相当于诺贝尔奖级别的成就。
如果我们能提高到60%，就意味着我国的粮食产量可以翻一番，要么就是粮食产量不变，肥料施用减半。这从根本上关乎粮食安全，是非常重要的。
当前我国秸秆还田率达到了57%，但在东北地区、华南稻区仍有较大改进空间。我国有机废弃物处理率达到了70%，但其中的有机养分还田率仅40%，仍有大量有机养分未被还田利用。
绿色发展是新时代五大发展理念之一。绿色肥料是工农融合和全产业链绿色发展的纽带。化肥产业涉及资源、工业、农业、贸易、生态环境等多方面，是对国民经济影响非常大的综合产业，必须全产业链考虑绿色发展。
我们团队与企业合作研发了国内首款绿色智能肥料，并投产，实现了五大目标：
一、低耗低排，全量利用；二、精准配伍，工业实现；三、生物感知，根肥互馈；四、环境应答，精准释放；五、动态匹配，供需协同。
绿色智能肥料应具备以下特点：
首先，要绿色低碳。我国肥料行业相关的碳排放11.2亿吨/年，远高于土壤碳固定的2.3亿吨/年。绿色智能肥料可实现代碳减排，综合减排潜力5亿吨/年，综合固碳潜力2亿吨/年。
其次，要智能高效。利用养分发出的信号调控地上地下生长，促进根系生长、强化根际过程，利用激发碳，增强生物互作，创新智能磷肥。
除此之外，还应注意把握四个匹配。一是满足工业生产过程与作物生产过程匹配；二是肥料特征与作物根系响应匹配；三是肥料产品与生物共同体系提升匹配；四是工农融合与全链条绿色发展匹配，实现农业全产业链的绿色发展。
今后，我们要面向农业需求，通过工农融合，全产业链提升，革新肥料产业，开启绿色智能肥料新时代。创新绿色智能肥料，推动肥料产业转型升级和农业绿色发展。
肥料产业创新是未来中国非常重要的一个方面。
通过全产业链高质量融合发展创新来支撑社会经济发展，支撑人民生活改善，支撑美丽中国建设，支撑建设我们现代化强国的“中国梦”的实现。所以，化肥产业创新是农业现代化与第二个百年奋斗目标实现的重要支撑。
中国肥料产业的任何进步对全球来说都有非常重要的影响，我们要坚定信心。
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