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農業世紀大變革三篇:01-石化農業的落日余暉

關注:989 發表時間:2018-12-20 19:00:53

人類文明的歷史也是人類農業的歷史,從原始狩獵、到刀耕火種、再到不斷的改良作物馴化家畜。從傳統農耕到現代的機械化大農業,每一次農業技術的進步也伴隨著人類文明的發展。20世紀以來,人類的農業模式從傳統農業步入石化農業(現代農業)。百年期間,石化農業高歌猛進,產量節節攀升,地球可以養活更多的人口;農業更加省時省力,也讓人類擺脫土地的束縛,讓更多的產業蓬勃發展。然而現代農業模式百年之后,遇到了環境、資源、安全等方面諸多挑戰,已經到了不得不變的時候,各種替代模式以及不同的農業科技不斷涌現。如今,我們站在了有一個農業世紀大變革的路口。特石學院將通過《農業世紀大變革三篇》為您展現世紀之交農業大變革的背景,社會各界為尋求出路的不同嘗試,各類技術的風云際會,以及對下一世紀農業的展望。



第一篇:石化農業的落日余暉



在我們衣食富足的今天,是很難想象200年前人們曾就人類社會的悲觀未來而焦慮。1798年,英國人口學家、經濟學家托馬斯·馬爾薩斯在其著名著作《人口論》中提出:


“人類注定要遭遇饑荒,地球已經達到了承載力極限。隨著地球人口繼續擴張,我們將面臨無力生產充足糧食的局面。”


他的結論所依據的是毫無爭議的歷史數據,得到了全球資料的證實。 這猶如一朵巨大的烏云籠罩在人類發展前進的道路上。


然而這股悲觀的陰云在隨后的100年內被兩位德國人打散。一位是著名的化學家,被譽為“化學農業之父”的李比希(下圖左),另一位是化肥的發明者,化學家弗里茨·哈勃(下圖右)。



化學家李比希在目睹了化學對當時的工業革命產生的巨大影響后,發現沒有人去研究化學在農業中的應用。于是經過幾年的“種地”實踐,1840年,李比希寫成了農業科學史上最重要的著作之一---《有機化學在農業和生理學中的應用》。書中提出了“植物礦物營養學說”,即“歸還定律”或“最小養分定律”。由此揭開了土壤肥力的奧秘,指出除了碳、氫、氮、氧外,植物生長還需要硫、鉀、磷、鐵、鈣、錳和硅等元素。這些礦物營養由于植物生長的消耗需要進行人工補充。


在此之前,人類的農耕只知通過草木灰和糞便堆肥可以增加收成,但是不知其所以然。李比希揭示了這背后的奧秘,一個新的行業“化肥產業”由此誕生。由于技術和資源問題,李比希時代只是解決了無機磷肥和鉀肥的工業化生產,化學合成氮肥的事情交給了德國另外一個化學家-弗里茨·哈勃。


1909年,弗里茨·哈勃實驗室傳出了一聲巨響,哈勃成功的從空氣中制作出氨(哈勃法合成氨)。這意味著農業中最重要的氮肥可以通過化學合成了,人類從此擺脫了依靠天然氮肥的被動局面。至此,人類的農業模式也從傳統農耕模式逐漸轉變成工業石化農業模式(Industrial Agriculture)。 


在隨后的100年,是化肥行業高速發展的一百年,是工業化石化農業高歌猛進的一百年,也是地球人口爆發式增長的一百年。


(圖示:歷年世界人口統計圖,可以明顯的看出世界人口在1850開始的高速增長以及1900年后開始的爆發式增長)


不可否認,石化農業相比傳統農耕大大提高了農業的產量,解決了人口極速增長所需要的糧食問題。


化肥產業帶動傳統農業跨入現代農業之后,其特征并不只是單單大量使用化肥,大規模單一品種機械化種植取代了小農模式,這種模式下病蟲害問題逐漸突出,化學合成農藥也開始在農業中大規模使用。


現代農業,即石化農業(Industrial Agriculture)是繼傳統農業之后,世界農業發展的一個重要階段。石化農業耗用大量以石油為主的能源和原料,大量使用化肥和農藥,大規模單一種植,高度機械化、自動化。


這種現代農業模式在高歌猛進百年后逐漸暴露出諸多問題,如環境污染問題、食品安全問題、可持續性問題等等。這些問題從一點點的暴露,到如今已經越來越嚴重。


首先是環境污染問題


環境污染和破壞涉及土壤、水、空氣和生態


首先是化肥的過度使用對土壤結構造成的破壞。


聯合國糧農組織對土壤健康的定義為:“土壤作為一個生命系統具有的維持其功能的能力。健康的土壤能維持多樣化的土壤生物群落,這些生物群落有助于控制植物病害、害蟲以及雜草蟲害;有助于與植物的根形成有益的共生關系;促進循環基本植物養分;通過對土壤持水能力和養分承載容量產生的積極影響,從而改善土壤結構,并最終提高作物產量。”


數千萬年來,土壤與其承載的各種動植物形成了一個穩定的生態。植物是生產者,動物消耗植物吸收轉化的能量并最終被各種微生物分解回歸土壤。而在現代農業中,土壤的給予和化肥的輸入并不是一個穩定的平衡。土壤中的有機質無法得到適當的補充。


(圖示:好的土壤VS壞的土壤)


而隨著土壤有機質的降低,一方面土壤結構被破壞,土壤容易板結,土壤理化性質變差;同時,這也導致了土壤中微生物結構被破壞和活性的大幅降低。土壤微生物是個體小而能量大的活體,它們既是土壤有機質轉化的執行者,又是植物營養元素的活性庫,具有轉化有機質、分解礦物和降解有毒物質的作用。由于時代的局限性,李比希提出礦物營養理論時,人類對微生物的認識幾乎為零。當土壤中的微生物失去活性后,再多的化肥補充,能被作物吸收的反而越來越少。


除此之外,過多的、單一的、不科學的使用化肥還會導致土壤酸化、重金屬含量超標等問題。而除了化肥之外,農藥和抗生素的殘留也嚴重污染和破壞著土壤。


《2016年全國耕地質量等別更新評價主要數據成果的公告》顯示,我國13462.4萬公頃的耕地中70%以上的是中等和低等耕地。


除了土壤,農業污染也是水體富營養化的罪魁禍首。


(水系的富營養化)


化肥農藥的過度使用,在土壤中有吸收率逐年降低,這就導致過多的N、P等經土壤流入地表水或河水湖泊,造成水體中N、P超標,進而引起藻類大量繁殖,單一物種瘋長,破壞了系統的物質與能量的流動,使整個水生態系統逐漸走向滅亡。


或許你還不知道,化肥還是霧霾的元兇之一。


霧霾的成分,以及它們在大氣中的相互作用,一直是個謎。美國的一項研究發現,霧霾成分中大約3/4是硝酸銨,其中的氨通常來自使用氨基液體肥料的農場或產生大量動物糞便的農場,該文章發表在Science上。國內的研究也同樣支持這個觀點。南方科大清潔能源研究院院長劉科指出化肥是霧霾的三個主要元兇之一(另外兩個是散煤和柴油),“化肥部分被農田吸收,部分到了空中,形成氨氣污染,再與酸類物質結合,形成硫酸銨、硝酸銨兩種銨鹽,成為PM2.5的占比在一半左右的物質。” 中國環境科學研究院的副院長也在一份研究報告中把化肥列為霧霾的元兇之一。


還有生態污染


蜜蜂、瓢蟲、蚯蚓、青蛙、烏鴉等等這些我們熟知的動物在城市中已然難尋或許可以怪罪于鋼筋水泥,但是你有沒有發現,在很多鄉村你也很難尋到他們的蹤跡。這就是農藥、化肥的過度使用加上大規模單一作物的種植,破壞了生態環境,造成大量物種消失。



農藥在殺死害蟲的同時也殺死了害蟲的天敵,而生態鏈中一個環節的破壞就是整個生態鏈的破壞。化肥的過度使用也會破壞土壤中的生態平衡,土壤中的微生物、土壤小動物、動物都變得的單一、變少或者消失。大面積單一作物的種植也加速了對生態多樣性的破壞。


其次是食品安全問題



石化農業模式下農產品的食品安全問題是多方面的。一方面是有毒有害物質的超標;一方面是營養物質含量的下降。


在食品安全方面,除了大家熟知的農產品中的農藥殘留危害外,還有過量化肥造成的硝酸鹽超標。氮肥過量所生產的“氮肥蔬菜”,其莖葉等可食部分,均被硝酸鹽嚴重污染,會使蔬菜中的硝酸鹽含量成倍增加。我國蔬菜中硝酸鹽含量普遍偏高,人體攝入的硝酸鹽80%的來自蔬菜。硝酸鹽經空腔中的細菌或體內的酶轉化為亞硝酸鹽,過量的亞硝酸鹽進入人體后,在胃酸的環境下,與蛋白質的中間代謝產物仲胺類化合物反應生成亞硝胺。亞硝胺是致癌物。


另一方面是營養物質含量的下降。


石化農業模式下農產品的產量是提升了,但是品質卻降低了,營養成分下降了,這是公認的事實。比如,我們吃的胡蘿卜里面,維生素A的含量已經是50年前的十分之一不到了。我們各種蔬菜、水果、糧食等的氨基酸、維生素、微量元素等的含量都大不如前了。


食品品質的下降、養分含量的下降就造成了我們經常看到的已經吃了很多食物,但出現營養不良或營養不均衡的情況。這也就是所謂的隱性饑餓(Hidden Hunger)。


(Hidden Hunger,隱性饑餓也是世界性問題,如圖是國外隱性饑餓的公益海報)


另外,食物中的風味物質不如以前,加上養分含量的降低,這樣助推了食品加工行業在食品加工過程中大量使用添加劑、然后生成出重口味、重油、重鹽、高糖的“垃圾食品”


最后是石化農業的可持續性問題



石化農業之所以被稱為石化農業,是因為石化農業直接跟石油等石化能源掛鉤,不僅生產化肥農業需要石化能源,各種機械化操作也離不開石化能源。


以氮肥為例,其主要化學成分是氮、氫、碳、氧,與煤炭、天然氣、石油是一樣的,氮肥的生產成本中90%是能源成本(磷肥和鉀肥在45%左右)。一般來說,每消耗1.5噸煤,可以制成1噸氮肥;每消耗615立方米天然氣,可以制成1噸氮肥。我國2013年化肥生產所消耗的能源折標準煤為8841.83萬噸,是當年我國能源消耗量的2.4%。


隨著人類社會的發展,自然環境惡化、全球變難、極端氣候災害頻發,加上人類各方面的認知提升,我們意思到石化能源使用是造成溫室氣體增加、全球變暖和氣候極端化的主要原因。在全球限制碳排放的大環境、大趨勢下,各行各業都在積極需求石化能源之外的解決方案。


同時,即便是在石化能源的使用上,石化農業模式的能量轉換率也被學界所詬病。農業的核心功能是為人類提供生活所需的物質和能量,那么石化農業模式在能量轉換率(Energy Conversion Efficiency)上的表現如何呢?美國加州大學伯克利分校的米格爾.阿爾提里(MiguelA. Altieri)教授提出通常情況下單一農作物的工業大農場的能量轉化率是3-4,即沒投入1000卡的能量,可以獲得3000-4000卡能量的食物,而生態農業的能量轉化率一般在10以上。


之所以有如此大的差距,其一是因為單一作物對于太陽能的直接轉換效率低,其二就是在石化能源的利用率上低。

 

在過去的一個世紀中,石化農業曾經幫助人類打破發展魔咒,讓糧食產量成倍增長,解決數十億的人口的溫飽問題,他一路高歌猛進。然而高速增長的背后固然有科技的進步,但是也有透支環境資源的因素:微觀層面的有土壤地力的下降和有機質含量的降低,宏觀層面有全球氣候的變化。如今這些問題已愈加嚴重。


(圖:麥田收割者,作者梵高)


當夕陽再度照耀在現代化的麥田時,我們應該深思,未來我們到底需要怎樣的農業才能在環境優化、可持續的前提下滿足全球人口的增長和世界經濟的發展呢?


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