化学与农业 侯靖威

化学与社会课程报告——化学与农业
姓名侯靖威
学号20111000967
专业应用化学
指导老师王群英
摘要
化学在现代的生活和生产中发挥的作用越来越大，本文就是仅截取化学在农业生产中的作用，系统的说明化学在整个农业中从植物培育、施肥、施药中起的重要作用，以及化学在现代农业中的最新应用。

同时向读者警示使用化学不当所造成的危害。

Abstract
Chemistry is more and more important in our daily life now. The essay is mainly illustrating the importance of chemistry in agriculture, systematically explaining chemistry play a key role in plant breeding, fertilization, application. What’s more, we will talk about the application of the chemistry in modern agriculture,. In addition, I will alert the reader the harm casued by Improperly use the chemistry.
关键词化学农业化肥农药污染
1 化学与农业
化学是自然科学中的一门基础学科,而化学技术,就是利用化学的理论与试验研究手段,实现在社会各个方面进行处理的一类技术。

化学技术研究的内容主要包括:物质在自然界中的存在、人工合成和应用等。

化学技术可以帮助我们更好地利用自然资源,提炼物质并合成新物质,进一步加工还可以制得医药、炸药、农药、化肥、染料等多种化工产品。

随着科学的飞速发展,学科间的相互渗透,自然科学与社会科学的相互交叉,化学技术在农业中的应用越来越普遍和重要。

农业是个系统工程,必须从微观到宏观进行多层次、多方面、多学科的研究.化学与农业关系十分密切,,它能在许多方面与土壤学、生物学等知识结合,掌握农业发展规律,找出低耗高效的生产途径和措施.这里仅以氮素为例,说明土壤、肥料、植物三者间的相互关系,从而认识化学在夺取农业丰收,提高产品质量上的重要作用.
2 化学与肥料
土壤中的常量营养元素氮、磷、钾通常不能满足作物生长的需求，千百年来，不论是欧洲还是亚洲，都把粪肥当作主要肥料。

进入18世纪以后，世界人口迅速增长，同时在欧洲爆发的工业革命，使大量人口涌入城市，加剧了粮食供应紧张，并成为社会动荡的一个起因。

化学家们从18世纪中叶开始对作物的营养学进行科学研究。

19世纪初流行的两大植物营养学说是“腐殖质”说和“生活力”说。

前者认为植物所需的碳元素不是来自空气中的二氧化碳，而是来自腐殖质；后者认为植物可借自身特有的生活力制造植物灰分的成分。

1840年，德国著名化学家李比希出版了《化学在农业及生理学上的应用》一书，创立了植物矿物质营养学说和归还学说，认为只有矿物质才是绿色植物唯一的养料，有机质只有当其分解释放出矿物质时才对植物有营养作用。

李比希还指出，作物从土壤中吸走的矿物质养分必须以肥料形式如数归还土壤，否则土壤将日益贫瘠。

从而否定了“腐殖质”和“生活力”学说，引起了农业理论的一场革命，为化肥的诞生提供了理论基础。

1828年，德国化学家维勒（F.Wöhler，1800-1882）在世界上首次用人工方法合成了尿素。

按当时化学界流行的“活力论”观点，尿素等有机物中含有某种生命力，是不可能人工合成的。

维勒的研究打破了无机物与有机物之间的绝对界限。

但当时人们尚未认识到尿素的肥料用途。

直到50多年后，合成尿素才作为化肥投放市场。

1838年，英国乡绅劳斯（L.B.Ross）用硫酸处理磷矿石制成磷肥，成为世界上第一种化学肥料。

化肥一般多是无机化合物，仅尿素[CO(NH2）2]是有机化合物。

凡只含一种可标明含量的营养元素的化肥称为单元肥料，如氮肥、磷肥、钾肥等。

凡含有氮、磷、钾三种营养元素中的两种或两种以上且可标明其含量的化肥称为复合肥料或混合肥料。

品位是化肥质量的主要指标。

它是指化肥产品中有效营养元素或其氧化物的含量百分率。

近20年来,世界粮食增长一倍,主要是通过提高单产而获得的。

其中施肥用化肥的效果占30%～40%。

近年,化肥的新品种主要有复合肥料、高浓度肥料、液体肥料、长效肥料及增效剂等。

复合肥料一般指含有氮、磷、钾三种或其中两种要素而由化学方法加工制成的化学肥料。

复合肥料不仅可以增进吸收效果,而且可以减少施肥次数。

不少国家使用复合肥料的比重不断增加。

高浓度肥料取代低浓度肥料。

由于肥料的浓度大,有效成分高,体积相对减小,节省了包装及运输和施肥的费用和劳力。

最近在某些国家生产一些超高浓度的肥料含有效成分达94%
以上。

液体肥料和长效肥料产量逐年增加。

液体肥料施用方便,作物易吸收,并可根据需要,调节氮、磷、钾比例,以及加入微量元素和农药等。

特别是喷灌、滴灌时,可同时施肥,节省劳力。

长效肥料又称缓效肥料,这类肥料既具有普通化学肥料的速效性,同时又具有缓慢释放(或缓慢溶解)养分的特点,可以在较长的时间内不断地给作物提供养分,从而使其逐步地被利用。

研制的长效肥料有颗料尿素、缓效包膜尿素、尿素磷胺复合肥料、尿素缩合的缓效肥料、尿素与乙醛缩合的缓效肥料、长效碳铵、腐植酸类肥料等等。

氮肥增效剂。

土壤里的硝化和反硝化作用使氮肥损失达20%～80%。

为抑制硝化作用,防止氮肥的损失,可施用氮肥增效剂。

氮肥增效剂能发挥肥效和延长肥效期。

有的国家试验表明,在施氮量相同的田间,加施氮肥增效剂可使小麦增产40%,水稻增产10%,棉花19%,甜菜10%。

当增效剂用量为氮肥含量的1%时,可使各种氮肥有效利用率提高一倍,并减少施肥次数。

此外,还有施用二氧化碳肥料的,二氧化碳直接关系到植物的光合作用和有机物的合成,是光合作用产物不可缺少的来源。

近年来,有的国家覆盖园艺中的黄瓜、西红柿、卷心菜等使用二氧化碳的面积已占70%,增产效果为30%左右。

正在研究向作物撒施可缓慢释放二氧化碳的微粒胶囊,或在灌溉的水流中加入二氧化碳等气肥输用方法。

3 化学与农药
3.1我国化学农药生产和使用现状
1761年时期，人们首次应用硫酸铜处理种子防治小麦腥黑穗病。

1800年PM．A．Millardet 发明了波尔多液(硫酸铜+石灰)。

1807年B．Prevost发现硫酸铜有杀真菌活性。

1895年开始用于霜霉病、化学农药广泛的运用在农业生产之中。

它有调控农业生产的虫害，调节动植物生长等作用。

并于1761年首次运用于农业生产。

枯萎病和叶斑病防治。

我国化学农药的生产和使用经历了从20 世纪50 年代以有机氯、有机磷为代表的第一代农药→20世纪60 年代以除虫菊脂、氨基甲酸酯类为代表的第二代农药→20 世纪80 年代后以超高效现代农药为代表的第三代农药的半个多世纪的发展历程。

尤其是改革开放以来，全国农药产业迅速发展，包括原料和中间体配套、原药合成、制剂加工三大部分的较完整的工业体系已初步建成。

从1990 年开始，我国农药总产量已跃居世界第2 位，仅次于美国，并一直保持至今。

2004 年，全国农药原药总产量达87 万t，原药生产企业发展到634 家，其中化学原药549 家，生物农药85 家，完成工业总产值（现价）473.2 亿元。

截至2002 年，我国生产的农药品种已达771 种，产品16 000 种，农药产业开始从过去以杀虫剂为主的单一结构逐渐向杀虫剂、杀菌剂和除草剂比例较协调、合理的方向发展。

目前，我国农药除基本满足国内农业生产需求外，还有相当的份额用于出口创汇。

2004 年全国出口农药共39.1 万（t实物量），进口2.8 万t，贸易顺差10.4 亿美元。

农药产业的迅猛发展，为保障我国食物数量安全提供了强有力的技术支撑。

随着农药产业的快速壮大和发展，化学农药的应用面积不断扩大，使用量持续攀升。

据统计，我国农作物主要病虫害有1 500 多种，特别严重的有几十种，常年发生面积2.3 亿～2.67 亿hm2，迄今为止，化学防治仍然是我国有害生物治理中最主要的手段和措施。

目前，我国农药使用量已位居全球榜首，2004年，全国农药施用量达138.6 万t，较1991 年增加近1倍（见表1）；单位播种面积使用量近15 kg/hm2，是发达国家和世界平均水平的2 倍；全国每年防治病虫草害面积约 3.8 亿hm2·次，其中95% 以上使用的是化学农药，生物农药所占比例仅为2% ～3% 。

从全国化学农药使用量的地区分布来看，东部＞中部＞
西部，发达地区高于欠发达地区，坝区高于山区，农业集约化、规模化、专业化生产区域，尤其是蔬菜、瓜果等生产基地显著高于分散的农户小规模土地经营区域。

据统计，2004 年，我国东、中、西部地区的农药使用量分别为65.1 万t、57.9 万t和15.6 万t；“九五”期间，上海市郊单位播种面积农药使用量高达42.3 kg/hm2，是全国平均水平13 kg/hm2（1998 年）的 3.25 倍，位居全国第一。

化学农药长期、大量、超常的不合理使用，严重污染和破坏农业生态环境，同时，致使农产品中有害物质含量超标问题凸显，进一步引发生态安全危机和农产品质量安全危机，严重威胁大众的身心健康，并阻碍农产品的对外贸易和
农民增收，使我国农业可持续发展面临更加严峻的挑战。

3.2 化学农药的地位和作用
3.2.1 有效保障食物数量安全
目前，全球农作物每年因病虫草鼠的危害损失产量约占总产量的1/3，如不采取以化学防治为主的植保措施，产量损失将成倍增加。

据FAO 估计，世界粮食生产因病虫草害常年损失高达35% ，棉花损失高达33.8% 。

如不使用农药，世界粮食产量将大幅下降，稻谷将减产47.1% ，小麦减产24.4% ，玉米减产35.7% ，人均占有粮食将减少1/3，全球粮食安全更显危机。

美国农业部资料显示，美国一旦停止使用农药，农作物产量将降低30% ，相应农产品价格提高50% ～70% ；而日本的秧苗稻如不使用农药，产量将减少40% ；播种水稻减产90%。

另据我国湖北省植保总站2005年的大型对比试验表明，如不使用农药，水稻产量损失高达80% 以上，棉花产量损失达50% 以上。

据估算，近年我国使用农药平均每年挽回粮食损失约5 845万t，棉花101万t，蔬菜4500万t，挽回直接经济损失约800亿元，农药的投入产出比可达1：（6～10）。

由此可见，化学农药在提高农产品单位面积产量，保障食物数量安全方面起着至关重要的作用。

因此，在现有植保水平下，预计至2050年前，使用化学农药仍然是有害生物治理和提高作物单产水平的最主要措施和手段。

3.2.2 有效提高农产品的外观品质
由于化学农药能迅速、有效地预防和控制有害生物对农作物的侵染和危害，如果正确、合理地使用，它将在保障农产品产量的同时，还能够有效避免或减轻病虫草鼠的危害症状，大幅度提高作物各项经济性状指标，进而改善其外观品质，提高农产品产值。

3.2.3 在产后环节的作用
在农产品收获后的储存、运输、保鲜、销售和加工等各产后环节，化学农药仍能发挥防虫、防腐、防霉变和消毒杀菌等重要作用，进一步降低农产品的损耗。

3.2.4 保护人类健康
化学农药还能有效防除害虫和疾病传播，预防和控制人类传染性疾病的发生和流行，从另一个侧面维
护公共卫生、保护人畜安全。

4植物化学
我国近代植物化学研究始于本世纪20年代末,由赵承嘏开创,先后参加的老一代化学家有黄鸣龙、朱任宏、高怡生、曾广方、朱自清等。

他们对麻黄、延胡索、防己、贝母、常山等中药进行了大量研究。

由于当时的条件限制,化学上深入研究不够,在活性研究上除麻黄碱等外由于同样原因也不够深入。

但他们为建国后的植物化学发展作出了承前启后的卓越贡献,这将永远值得我们铭记。

建国初朱自清等用化学降解研究了贝母碱。

60年代梁晓天用近代技术如核磁共振谱研究了秦艽碱的结构,是一个良好的开端。

应该指出的是在60年代黄鸣龙、梁晓天等编写、翻译和介绍了大量的波谱书籍,这为我国用近代波谱技术研究植物化学成分结构起了推动作用。

在植物成分的分离技术上60年代蔡宪元应用自制层析硅胶开展了国际上才开始的玻璃板层析(现名薄层层析)研究樟科精油,是后来广泛应用薄层层析的良好开端。

林启寿、周维善等在我国早期应用柱层析上也作出了大量有益的工作。

1966年方起程改进了离子交换树脂技术提取分离生物碱,现仍广泛应用。

这些早期工作,在我国植物化学各个领域开展了广泛的研究。

由于建国30年时已有诸多的评述[1～4],本文择要介绍近20年的主要成绩,适当介绍前30年据我们看来若干有代表性的工作。

过去50年特别是近20年我国植物化学有了快速发展。

从传统植物化学研究看,已和国际差距较小。

现在的问题是如何创新并做出有我国特色的现代植物化学研究。

我国植物种类丰富,世界上名列第三;应用历史悠久,且多有文字记载。

由此出发,再协作分工,又充分利用现代科技成就,就可能做出有特色的植物化学创新研究。

青蒿素是一个成功的例子,但是不多。

一个令人担忧的现状是跟踪国外某些植物化学成就,投入的人力和物力过多,在同一水平上重复甚至竞争,这就妨碍了创新和形成特色。

传统植物化学是提取、分离、结构和发现新植物化学成分,看来这一“关”我们虽未完全度过,但已基本解决。

我们认为现代植物化学应该是研究植物有用成分特别是生物活性成分的科学。

这样和我国植物资源特点相结合,又和多种学科如生命科学和有机化学等渗透交叉相结合,这是创新的必要条件。

应该说我国植物化学界已开始了这种转变,但并不普遍。

发现天然药物特别是传统中药的生物活性成分仍是我们当前的一个使命。

但从国际上发现的几个“热点”植物成分看,大都是从民间药民族药中发现的,而这方面我国是大有可为的。

从一种植物中分离近百种化学成分已无困难,而从三至四种中药组成的有用复方中发现能够阐明其物质基础的生物活性成分研究,在下一个世纪初可能取得突破性进展,而此点我国最有特色。

发展我国现代植物化学要不断引进国际新技术、新仪器如色谱-质谱-核磁联用等,要用活性追踪分离,要进行先导化合物的结构修饰、合成和仿生合成,研究领域不应局限于药物,而应进行新天然农药、特殊油脂、特殊精油、功能食品等,要与植物相关学科如分类学、系统学等交叉,这无疑是重要的。

5化学在农业上的负面效应
5.1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1m0g/L,但最近的几十年间硝酸根离子对地下水的污染己经司空见惯。

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(10mg/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己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75243km2。

流域内人口有1.07x108。

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。

但据研究人员等的研究网,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0.876一10.511mg/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。

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 的研究表明阎,在氮肥(纯氯)施用量为80oKg/hm2的茶园,土壤严重酸化,77%的地块土壤的pH值低于.40,60%的地块土壤的pH值低于3.5,最低的地块仅为.27。

地表水和地下水被严重污染,硝酸盐含量达10—60%mg/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8ooKg月11112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
.5.2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20世纪70年代相比,农灌区的地下水位下降了40一60m,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已达几十公里,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。

5.3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;Huiilna 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。

6. 化学技术在农业现代化应用中的发展新方向
鉴于化学品在农业中产生的不可避免的负面效应,想要改善化学技术在农业中的应用,就应该结合更加广阔的自然科学知识,以物理农业来结合与改善化学农业,以使化学技术发挥更加合理和高效的作用。

,并确保农业的可持续发展。

所谓物理农业,就是以物理的方法来提高农作物产量与品质的一种技术手段。

其涉及的技术包括:纳米技术、电磁干扰技术、材料与土壤学技术等多个方面。

面对我国的人口、资源、环境现状,在21世纪,我们的农业要想有更大的发展,就必须大力推动物理农业与化学农
业的相互融合发展,使其相得益彰。

发展物理农业以适度改善化学农业,将更合理,更自然、更健康、更综合的方向来发展农业和种植业,永葆我们地球家园的青春。

7 化学技术与农业现代化的发展前景
化学农业(以化肥和农药的应用为主要特征)极大地提高了农作物的产量,在解决粮食和饥饿问题上对人类社会做出了巨大的贡献。

但随着化肥和农药的长期过量使用,造成地力衰退、农作物品质下降、环境污染,甚至严重危害人体健康,严重影响到农业的可持续发展。

当前,农业正处于由化学农业向生态农业过渡时期,而现代物理农业则是实现生态农业的主要途径之一。

相信,随着化学、物理的不断发展,科技的不断进步,农业必将在新的技术支持下,朝着更加合理和高效,更加完善的方向发展。

而化学技术在这个过程中所起到的重要作用,也将永远记入农业发展的史册之中。

参考文献
【1】刘晓艳，化学技术在农业现代化中的应用分析[A] ,农业与技术, 2008, 72-74 【2】邓肇清, 化学与农业[J], 知识介绍,1996,23-26
【3】杨曙辉宋天庆, 关于我国化学农药使用相关问题的理性思考[A] , 农业科技管理,2006,42-45
【3】周俊谭宁华, 中国植物化学的回顾与展望[J] , 中国科学院昆明植物研究所植物化学开放研究实验室!，1996，21-24
【4】王法宏司继升李升东，化学农业的负面效应及技术对策[C] , 山东省农业科学院作物研究所,。