化學與社會課程報告——化學與農業姓姓名侯靖威學號20111000967專業應用化學指導老師王群英摘要化學在現代的生活和生產中發揮的作用越來越大，本文就是僅截取化學在農業生產中的作用，系統的說明化學在整個農業中從植物培育、施肥、施藥中 起的重要作用，以及化學在現代農業中的最新應用。同時向讀者警示使用化學不當所造成的危害。AbstractChemistryismoreandmoreimportantinourdailylifenow.Theessayismainlyillustratingtheimportanceofchemistryinagriculture,systematicallyexplainingchemistryplayakeyroleinplantbreeding,fertilization,application.What’smore,wewilltalkabouttheapplicationofthechemistryinmodernagriculture,.Inaddition,IwillalertthereadertheharmcasuedbyImproperlyusethechemistry.關鍵詞化學農業化肥農藥污染1化學與農業化學是自然科學中的一門基礎學科,而化學技術,就是利用化學的理論與試驗研究手段,實現在社會各個方面進行處理的一類技術。化學技術研究的內容主要包括:物質在自然界中的存在、人工合成和應用等。化學技術可以幫助我們更好地利用自然資源,提煉物質并合成新物質,進一步加工還可以制得醫藥、炸藥、農藥、化肥、染料等多種化工產品。隨著科學的飛速發展,學科間的相互滲透,自然科學與社會科學的相互交叉,化學技術在農業中的應用越來越普遍和重要。農業是個系統工程,必須從微觀到宏觀進行多層次、多方面、多學科的研究.化學與農業關系十分密切,,它能在許多方面與土壤學、生物學等知識結合,掌握農業發展規律,找出低耗高效的生產途徑和措施.這里僅以氮素為例,說明土壤、肥料、植物三者間的相互關系,從而認識化學在奪取農業豐收,提高產品質量上的重要作用.2化學與肥料土壤中的常量營養元素氮、磷、鉀通常不能滿足作物生長的需求，千百年來，不論是歐洲還是亞洲，都把糞肥當作主要肥料。進入18世紀以后，世界人口迅速增長，同時在歐洲爆發的工業革命，使大量人口涌入城市，加劇了糧食供應緊張，并成為社會動蕩的一個起因。化學家們從18世紀中葉開始對作物的營養學進行科學研究。19世紀初流行的兩大植物營養學說是“腐殖質”說和“生活力”說。前者認為植物所需的碳元素不是來自空氣中的二氧化碳，而是來自腐殖質；后者認為植物可借自身特有的生活力制造植物灰分的成分。1840年，德國著名化學家李比希出版了《化學在農業及生理學上的應用》一書，創立了植物礦物質營養學說和歸還學說，認為只有礦物質才是綠色植物唯一的養料，有機質只有當其分解釋放出礦物質時才對植物有營養作用。李比希還指出，作物從土壤中吸走的礦物質養分必須以肥料形式如數歸還土壤，否則土壤將日益貧瘠。從而否定了“腐殖質”和“生活力”學說，引起了農業理論的一場革命，為化肥的誕生提供了理論基礎。1828年，德國化學家維勒（F.W?hler，1800-1882）在世界上首次用人工方法合成了尿素。按當時化學界流行的“活力論”觀點，尿素等有機物中含有某種生命力，是不可能人工合成的。維勒的研究打破了無機物與有機物之間的絕對界限。但當時人們尚未認識到尿素的肥料用途。直到50多年后，合成尿素才作為化肥投放市場。1838年，英國鄉紳勞斯（L.B.Ross）用硫酸處理磷礦石制成磷肥，成為世界上第一種化學肥料。化肥一般多是無機化合物，僅尿素[CO(NH2）2]是有機化合物。凡只含一種可標明含量的營養元素的化肥稱為單元肥料，如氮肥、磷肥、鉀肥等。凡含有氮、磷、鉀三種營養元素中的兩種或兩種以上且可標明其含量的化肥稱為復合肥料或混合肥料。品位是化肥質量的主要指標。它是指化肥產品中有效營養元素或其氧化物的含量百分率。近20年來,世界糧食增長一倍,主要是通過提高單產而獲得的。其中施肥用化肥的效果占30%～40%。近年,化肥的新品種主要有復合肥料、高濃度肥料、液體肥料、長效肥料及增效劑等。復合肥料一般指含有氮、磷、鉀三種或其中兩種要素而由化學方法加工制成的化學肥料。復合肥料不僅可以增進吸收效果,而且可以減少施肥次數。不少國家使用復合肥料的比重不斷增加。高濃度肥料取代低濃度肥料。由于肥料的濃度大,有效成分高,體積相對減小,節省了包裝及運輸和施肥的費用和勞力。最近在某些國家生產一些超高濃度的肥料含有效成分達94%以上。液體肥料和長效肥料產量逐年增加。液體肥料施用方便,作物易吸收,并可根據需要,調節氮、磷、鉀比例,以及加入微量元素和農藥等。特別是噴灌、滴灌時,可同時施肥,節省勞力。長效肥料又稱緩效肥料,這類肥料既具有普通化學肥料的速效性,同時又具有緩慢釋放(或緩慢溶解)養分的特點,可以在較長的時間內不斷地給作物提供養分,從而使其逐步地被利用。研制的長效肥料有顆料尿素、緩效包膜尿素、尿素磷胺復合肥料、尿素縮合的緩效肥料、尿素與乙醛縮合的緩效肥料、長效碳銨、腐植酸類肥料等等。氮肥增效劑。土壤里的硝化和反硝化作用使氮肥損失達20%～80%。為抑制硝化作用,防止氮肥的損失,可施用氮肥增效劑。氮肥增效劑能發揮肥效和延長肥效期。有的國家試驗表明,在施氮量相同的田間,加施氮肥增效劑可使小麥增產40%,水稻增產10%,棉花19%,甜菜10%。當增效劑用量為氮肥含量的1%時,可使各種氮肥有效利用率提高一倍,并減少施肥次數。此外,還有施用二氧化碳肥料的,二氧化碳直接關系到植物的光合作用和有機物的合成,是光合作用產物不可缺少的來源。近年來,有的國家覆蓋園藝中的黃瓜、西紅柿、卷心菜等使用二氧化碳的面積已占70%,增產效果為30%左右。正在研究向作物撒施可緩慢釋放二氧化碳的微粒膠囊,或在灌溉的水流中加入二氧化碳等氣肥輸用方法。3化學與農藥3.1我國化學農藥生產和使用現狀1761年時期，人們首次應用硫酸銅處理種子防治小麥腥黑穗病。1800年PM．A．Millardet發明了波爾多液(硫酸銅+石灰)。1807年B．Prevost發現硫酸銅有殺真菌活性。1895年開始用于霜霉病、化學農藥廣泛的運用在農業生產之中。它有調控農業生產的蟲害，調節動植物生長等作用。并于1761年首次運用于農業生產。枯萎病和葉斑病防治。我國化學農藥的生產和使用經歷了從20世紀50年代以有機氯、有機磷為代表的第一代農藥→20世紀60年代以除蟲菊脂、氨基甲酸酯類為代表的第二代農藥→20世紀80年代后以超高效現代農藥為代表的第三代農藥的半個多世紀的發展歷程。尤其是改革開放以來，全國農藥產業迅速發展，包括原料和中間體配套、原藥合成、制劑加工三大部分的較完整的工業體系已初步建成。從1990年開始，我國農藥總產量已躍居世界第2位，僅次于美國，并一直保持至今。2004年，全國農藥原藥總產量達87萬t，原藥生產企業發展到634家，其中化學原藥549家，生物農藥85家，完成工業總產值（現價）473.2億元。截至2002年，我國生產的農藥品種已達771種，產品16000種，農藥產業開始從過去以殺蟲劑為主的單一結構逐漸向殺蟲劑、殺菌劑和除草劑比例較協調、合理的方向發展。目前，我國農藥除基本滿足國內農業生產需求外，還有相當的份額用于出口創匯。2004年全國出口農藥共39.1萬（t實物量），進口2.8萬t，貿易順差10.4億美元。農藥產業的迅猛發展，為保障我國食物數量安全提供了強有力的技術支撐。隨著農藥產業的快速壯大和發展，化學農藥的應用面積不斷擴大，使用量持續攀升。據統計，我國農作物主要病蟲害有1500多種，特別嚴重的有幾十種，常年發生面積2.3億～2.67億hm2，迄今為止，化學防治仍然是我國有害生物治理中最主要的手段和措施。目前，我國農藥使用量已位居全球榜首，2004年，全國農藥施用量達138.6萬t，較1991年增加近1倍（見表1）；單位播種面積使用量近15kg/hm2，是發達國家和世界平均水平的2倍；全國每年防治病蟲草害面積約3.8億hm2·次，其中95%以上使用的是化學農藥，生物農藥所占比例僅為2%～3%。從全國化學農藥使用量的地區分布來看，東部＞中部＞西部，發達地區高于欠發達地區，壩區高于山區，農業集約化、規模化、專業化生產區域，尤其是蔬菜、瓜果等生產基地顯著高于分散的農戶小規模土地經營區域。據統計，2004年，我國東、中、西部地區的農藥使用量分別為65.1萬t、57.9萬t和15.6萬t；“九五”期間，上海市郊單位播種面積農藥使用量高達42.3kg/hm2，是全國平均水平13kg/hm2（1998年）的3.25倍，位居全國第一。化學農藥長期、大量、超常的不合理使用，嚴重污染和破壞農業生態環境，同時，致使農產品中有害物質含量超標問題凸顯，進一步引發生態安全危機和農產品質量安全危機，嚴重威脅大眾的身心健康，并阻礙農產品的對外貿易和農民增收，使我國農業可持續發展面臨更加嚴峻的挑戰。3.2化學農藥的地位和作用3.2.1有效保障食物數量安全目前，全球農作物每年因病蟲草鼠的危害損失產量約占總產量的1/3，如不采取以化學防治為主的植保措施，產量損失將成倍增加。據FAO估計，世界糧食生產因病蟲草害常年損失高達35%，棉花損失高達33.8%。如不使用農藥，世界糧食產量將大幅下降，稻谷將減產47.1%，小麥減產24.4%，玉米減產35.7%，人均占有糧食將減少1/3，全球糧食安全更顯危機。美國農業部資料顯示，美國一旦停止使用農藥，農作物產量將降低30%，相應農產品價格提高50%～70%；而日本的秧苗稻如不使用農藥，產量將減少40%；播種水稻減產90%。另據我國湖北省植保總站2005年的大型對比試驗表明，如不使用農藥，水稻產量損失高達80%以上，棉花產量損失達50%以上。據估算，近年我國使用農藥平均每年挽回糧食損失約5845萬t，棉花101萬t，蔬菜4500萬t，挽回直接經濟損失約800億元，農藥的投入產出比可達1：（6～10）。由此可見，化學農藥在提高農產品單位面積產量，保障食物數量安全方面起著至關重要的作用。因此，在現有植保水平下，預計至2050年前，使用化學農藥仍然是有害生物治理和提高作物單產水平的最主要措施和手段。3.2.2有效提高農產品的外觀品質由于化學農藥能迅速、有效地預防和控制有害生物對農作物的侵染和危害，如果正確、合理地使用，它將在保障農產品產量的同時，還能夠有效避免或減輕病蟲草鼠的危害癥狀，大幅度提高作物各項經濟性狀指標，進而改善其外觀品質，提高農產品產值。3.2.3在產后環節的作用在農產品收獲后的儲存、運輸、保鮮、銷售和加工等各產后環節，化學農藥仍能發揮防蟲、防腐、防霉變和消毒殺菌等重要作用，進一步降低農產品的損耗。3.2.4保護人類健康化學農藥還能有效防除害蟲和疾病傳播，預防和控制人類傳染性疾病的發生和流行，從另一個側面維護公共衛生、保護人畜安全。4植物化學我國近代植物化學研究始于本世紀20年代末,由趙承嘏開創,先后參加的老一代化學家有黃鳴龍、朱任宏、高怡生、曾廣方、朱自清等。他們對麻黃、延胡索、防己、貝母、常山等中藥進行了大量研究。由于當時的條件限制,化學上深入研究不夠,在活性研究上除麻黃堿等外由于同樣原因也不夠深入。但他們為建國后的植物化學發展作出了承前啟后的卓越貢獻,這將永遠值得我們銘記。建國初朱自清等用化學降解研究了貝母堿。60年代梁曉天用近代技術如核磁共振譜研究了秦艽堿的結構,是一個良好的開端。應該指出的是在60年代黃鳴龍、梁曉天等編寫、翻譯和介紹了大量的波譜書籍,這為我國用近代波譜技術研究植物化學成分結構起了推動作用。在植物成分的分離技術上60年代蔡憲元應用自制層析硅膠開展了國際上才開始的玻璃板層析(現名薄層層析)研究樟科精油,是后來廣泛應用薄層層析的良好開端。林啟壽、周維善等在我國早期應用柱層析上也作出了大量有益的工作。1966年方起程改進了離子交換樹脂技術提取分離生物堿,現仍廣泛應用。這些早期工作,在我國植物化學各個領域開展了廣泛的研究。由于建國30年時已有諸多的評述[1～4],本文擇要介紹近20年的主要成績,適當介紹前30年據我們看來若干有代表性的工作。過去50年特別是近20年我國植物化學有了快速發展。從傳統植物化學研究看,已和國際差距較小。現在的問題是如何創新并做出有我國特色的現代植物化學研究。我國植物種類豐富,世界上名列第三;應用歷史悠久,且多有文字記載。由此出發,再協作分工,又充分利用現代科技成就,就可能做出有特色的植物化學創新研究。青蒿素是一個成功的例子,但是不多。一個令人擔憂的現狀是跟蹤國外某些植物化學成就,投入的人力和物力過多,在同一水平上重復甚至競爭,這就妨礙了創新和形成特色。傳統植物化學是提取、分離、結構和發現新植物化學成分,看來這一“關”我們雖未完全度過,但已基本解決。我們認為現代植物化學應該是研究植物有用成分特別是生物活性成分的科學。這樣和我國植物資源特點相結合,又和多種學科如生命科學和有機化學等滲透交叉相結合,這是創新的必要條件。應該說我國植物化學界已開始了這種轉變,但并不普遍。發現天然藥物特別是傳統中藥的生物活性成分仍是我們當前的一個使命。但從國際上發現的幾個“熱點”植物成分看,大都是從民間藥民族藥中發現的,而這方面我國是大有可為的。從一種植物中分離近百種化學成分已無困難,而從三至四種中藥組成的有用復方中發現能夠闡明其物質基礎的生物活性成分研究,在下一個世紀初可能取得突破性進展,而此點我國最有特色。發展我國現代植物化學要不斷引進國際新技術、新儀器如色譜-質譜-核磁聯用等,要用活性追蹤分離,要進行先導化合物的結構修飾、合成和仿生合成,研究領域不應局限于藥物,而應進行新天然農藥、特殊油脂、特殊精油、功能食品等,要與植物相關學科如分類學、系統學等交叉,這無疑是重要的。5化學在農業上的負面效應5.1地表水及地下水污染長期以來,化肥、農藥、除草劑等農業化學品的大量施用導致的地表水及地下水的污染一直是農業及環境科學家高度關注的一個問題。早在1971年,Commoner就指出,化學肥料,尤其是水溶性極強的氮素化肥,不僅可以通過地表徑流沖刷到江河、湖泊等地表水中,而且可以通過降雨及灌水等淋洗到泉水及深井水中。如果飲用水中硝酸鹽的含量過高,不僅會引起嬰兒的死亡,甚至對成年人的健康也會產生危害。為保證人類的健康,世界衛生組織規定飲用水中硝酸鹽的含量不能超過1m0g/L,但最近的幾十年間硝酸根離子對地下水的污染己經司空見慣。例如,根據美國維斯康星州的調查統計,22%的民用井的井水中硝酸鹽的含量超過了美國政府規定的飲用水的標準(10mg/L);23%的民用井井水中可檢測到阿特拉津(一種常用除草劑);在該州的集中灌區,有60%的民用井井水硝酸鹽含量超標。即使在全球人口密度最小的加拿大,硝酸鹽對地表水和地下水的污染也己經成為農業生態系統中一個嚴重的問題。黃河是中華民族的母親河,她流經嚴重缺水的我國北方地區的9個省,黃河流域的面積75243km2。流域內人口有1.07x108。隨著工農業生產的發展和人民生活水平的不斷提高,社會用水量迅速增加,黃河流域的工農業用水及生活用水對這條母親河的依賴程度越來越高。但據研究人員等的研究網,由于農業生產活動的加劇,嚴重的水土流失不僅給黃河帶來了大量的泥沙,而且還帶來了硝酸鹽污染,直接威脅著人們的健康。據測定,黃河中上游地區支流水域無機態氮的含量為0.876一10.511mg/L。研究證明,支流水域氮化物的含量與各地的工、農業產值、人口密度及化肥施用量成正相關,而且有自上游地區向下游地區逐漸增加的趨勢。在干流水域也表現出同樣的趨勢。其中,山東利津水文站測定的無機氮化物含量已達.5.27mg/L。隨著中國農業產業結構調整的不斷深入,在糧田面積減少的同時,蔬菜、水果等經濟作物的面積迅速擴大。由于農民在經濟作物上農業化學品的投入遠于糧食作物,由此帶來的農業化學污染也更為嚴重。XiaojuWang的研究表明閻,在氮肥(純氯)施用量為80oKg/hm2的茶園,土壤嚴重酸化,77%的地塊土壤的pH值低于.40,60%的地塊土壤的pH值低于3.5,最低的地塊僅為.27。地表水和地下水被嚴重污染,硝酸鹽含量達10—60%mg/L,從而引起魚類的大量死亡。不僅如此,當氮肥的施用量超過8ooKg月11112時,茶樹根系的生長受到明顯的抑制。氮肥的超量施用除造成地表水和地下水的嚴重污染外,通過反硝化作用引起的二氧化氮的排放對臭氧層的破壞以及磷肥的污染等也越來越引起人們的重視.5.2地下水位下降,土地資源受損為保證灌溉用水的需要,地下水的超量開采導致了地下水位的持續下降。CharlesA等(2002)報道,由于灌溉面積的擴大和灌溉強度的增加,美國的得克薩斯、奧可拉河馬、新墨西哥及堪薩斯州等玉米產區的地下水位自1940年以來持續下降,到目前已經下降了30m。地下水位的下降導致提水成本與30年前相比增加了3倍。中國華北地區的情況更為嚴重,與20世紀70年代相比,農灌區的地下水位下降了40一60m,形成了包括河北、山東、河南在內的世界上最大的地下水漏斗區,并由此引發了地面沉降、海水倒灌等地質災害。據報道,山東省的萊州灣地區海水倒灌已達幾十公里,使原來大片肥沃的農田如今成為不毛之地。而要改造這片土地,則需投入大量的人力物力。5.3作物的抗逆性能下降,農產品品質降低研究表明,化肥、農藥等農業化學品的大量施用可以顯著提高植物組織中硝酸鹽和氨基酸的含量,并使植物的細胞壁機械強度減弱,從而誘發植物病蟲害的發生;HuiilnaXu的研究表明,氮素化肥的超量施用容易引起植物組織,特別是葉片中硝酸鹽、氨基酸等氮化物的積累,這是導致病蟲害爆發的主要誘因之一。不僅如此,農業化學品的超量施用