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农业世纪大变革三篇:01-石化农业的落日余晖

关注:808 发表时间:2018-12-20 19:00:53

人类文明的历史也是人类农业的历史,从原始狩猎、到刀耕火种、再到不断的改良作物驯化家畜。从传统农耕到现代的机械化大农业,每一次农业技术的进步也伴随着人类文明的发展。20世纪以来,人类的农业模式从传统农业步入石化农业(现代农业)。百年期间,石化农业高歌猛进,产量节节攀升,地球可以养活更多的人口;农业更加省时省力,也让人类摆脱土地的束缚,让更多的产业蓬勃发展。然而现代农业模式百年之后,遇到了环境、资源、安全等方面诸多挑战,已经到了不得不变的时候,各种替代模式以及不同的农业科技不断涌现。如今,我们站在了有一个农业世纪大变革的路口。特石学院将通过《农业世纪大变革三篇》为您展现世纪之交农业大变革的背景,社会各界为寻求出路的不同尝试,各类技术的风云际会,以及对下一世纪农业的展望。



第一篇:石化农业的落日余晖



在我们衣食富足的今天,是很难想象200年前人们曾就人类社会的悲观未来而焦虑。1798年,英国人口学家、经济学家托马斯·马尔萨斯在其著名著作《人口论》中提出:


“人类注定要遭遇饥荒,地球已经达到了承载力极限。随着地球人口继续扩张,我们将面临无力生产充足粮食的局面。”


他的结论所依据的是毫无争议的历史数据,得到了全球资料的证实。 这犹如一朵巨大的乌云笼罩在人类发展前进的道路上。


然而这股悲观的阴云在随后的100年内被两位德国人打散。一位是著名的化学家,被誉为“化学农业之父”的李比希(下图左),另一位是化肥的发明者,化学家弗里茨·哈勃(下图右)。



化学家李比希在目睹了化学对当时的工业革命产生的巨大影响后,发现没有人去研究化学在农业中的应用。于是经过几年的“种地”实践,1840年,李比希写成了农业科学史上最重要的著作之一---《有机化学在农业和生理学中的应用》。书中提出了“植物矿物营养学说”,即“归还定律”或“最小养分定律”。由此揭开了土壤肥力的奥秘,指出除了碳、氢、氮、氧外,植物生长还需要硫、钾、磷、铁、钙、锰和硅等元素。这些矿物营养由于植物生长的消耗需要进行人工补充。


在此之前,人类的农耕只知通过草木灰和粪便堆肥可以增加收成,但是不知其所以然。李比希揭示了这背后的奥秘,一个新的行业“化肥产业”由此诞生。由于技术和资源问题,李比希时代只是解决了无机磷肥和钾肥的工业化生产,化学合成氮肥的事情交给了德国另外一个化学家-弗里茨·哈勃。


1909年,弗里茨·哈勃实验室传出了一声巨响,哈勃成功的从空气中制作出氨(哈勃法合成氨)。这意味着农业中最重要的氮肥可以通过化学合成了,人类从此摆脱了依靠天然氮肥的被动局面。至此,人类的农业模式也从传统农耕模式逐渐转变成工业石化农业模式(Industrial Agriculture)。 


在随后的100年,是化肥行业高速发展的一百年,是工业化石化农业高歌猛进的一百年,也是地球人口爆发式增长的一百年。


(图示:历年世界人口统计图,可以明显的看出世界人口在1850开始的高速增长以及1900年后开始的爆发式增长)


不可否认,石化农业相比传统农耕大大提高了农业的产量,解决了人口极速增长所需要的粮食问题。


化肥产业带动传统农业跨入现代农业之后,其特征并不只是单单大量使用化肥,大规模单一品种机械化种植取代了小农模式,这种模式下病虫害问题逐渐突出,化学合成农药也开始在农业中大规模使用。


现代农业,即石化农业(Industrial Agriculture)是继传统农业之后,世界农业发展的一个重要阶段。石化农业耗用大量以石油为主的能源和原料,大量使用化肥和农药,大规模单一种植,高度机械化、自动化。


这种现代农业模式在高歌猛进百年后逐渐暴露出诸多问题,如环境污染问题、食品安全问题、可持续性问题等等。这些问题从一点点的暴露,到如今已经越来越严重。


首先是环境污染问题


环境污染和破坏涉及土壤、水、空气和生态


首先是化肥的过度使用对土壤结构造成的破坏。


联合国粮农组织对土壤健康的定义为:“土壤作为一个生命系统具有的维持其功能的能力。健康的土壤能维持多样化的土壤生物群落,这些生物群落有助于控制植物病害、害虫以及杂草虫害;有助于与植物的根形成有益的共生关系;促进循环基本植物养分;通过对土壤持水能力和养分承载容量产生的积极影响,从而改善土壤结构,并最终提高作物产量。”


数千万年来,土壤与其承载的各种动植物形成了一个稳定的生态。植物是生产者,动物消耗植物吸收转化的能量并最终被各种微生物分解回归土壤。而在现代农业中,土壤的给予和化肥的输入并不是一个稳定的平衡。土壤中的有机质无法得到适当的补充。


(图示:好的土壤VS坏的土壤)


而随着土壤有机质的降低,一方面土壤结构被破坏,土壤容易板结,土壤理化性质变差;同时,这也导致了土壤中微生物结构被破坏和活性的大幅降低。土壤微生物是个体小而能量大的活体,它们既是土壤有机质转化的执行者,又是植物营养元素的活性库,具有转化有机质、分解矿物和降解有毒物质的作用。由于时代的局限性,李比希提出矿物营养理论时,人类对微生物的认识几乎为零。当土壤中的微生物失去活性后,再多的化肥补充,能被作物吸收的反而越来越少。


除此之外,过多的、单一的、不科学的使用化肥还会导致土壤酸化、重金属含量超标等问题。而除了化肥之外,农药和抗生素的残留也严重污染和破坏着土壤。


《2016年全国耕地质量等别更新评价主要数据成果的公告》显示,我国13462.4万公顷的耕地中70%以上的是中等和低等耕地。


除了土壤,农业污染也是水体富营养化的罪魁祸首。


(水系的富营养化)


化肥农药的过度使用,在土壤中有吸收率逐年降低,这就导致过多的N、P等经土壤流入地表水或河水湖泊,造成水体中N、P超标,进而引起藻类大量繁殖,单一物种疯长,破坏了系统的物质与能量的流动,使整个水生态系统逐渐走向灭亡。


或许你还不知道,化肥还是雾霾的元凶之一。


雾霾的成分,以及它们在大气中的相互作用,一直是个谜。美国的一项研究发现,雾霾成分中大约3/4是硝酸铵,其中的氨通常来自使用氨基液体肥料的农场或产生大量动物粪便的农场,该文章发表在Science上。国内的研究也同样支持这个观点。南方科大清洁能源研究院院长刘科指出化肥是雾霾的三个主要元凶之一(另外两个是散煤和柴油),“化肥部分被农田吸收,部分到了空中,形成氨气污染,再与酸类物质结合,形成硫酸铵、硝酸铵两种铵盐,成为PM2.5的占比在一半左右的物质。” 中国环境科学研究院的副院长也在一份研究报告中把化肥列为雾霾的元凶之一。


还有生态污染


蜜蜂、瓢虫、蚯蚓、青蛙、乌鸦等等这些我们熟知的动物在城市中已然难寻或许可以怪罪于钢筋水泥,但是你有没有发现,在很多乡村你也很难寻到他们的踪迹。这就是农药、化肥的过度使用加上大规模单一作物的种植,破坏了生态环境,造成大量物种消失。



农药在杀死害虫的同时也杀死了害虫的天敌,而生态链中一个环节的破坏就是整个生态链的破坏。化肥的过度使用也会破坏土壤中的生态平衡,土壤中的微生物、土壤小动物、动物都变得的单一、变少或者消失。大面积单一作物的种植也加速了对生态多样性的破坏。


其次是食品安全问题



石化农业模式下农产品的食品安全问题是多方面的。一方面是有毒有害物质的超标;一方面是营养物质含量的下降。


在食品安全方面,除了大家熟知的农产品中的农药残留危害外,还有过量化肥造成的硝酸盐超标。氮肥过量所生产的“氮肥蔬菜”,其茎叶等可食部分,均被硝酸盐严重污染,会使蔬菜中的硝酸盐含量成倍增加。我国蔬菜中硝酸盐含量普遍偏高,人体摄入的硝酸盐80%的来自蔬菜。硝酸盐经空腔中的细菌或体内的酶转化为亚硝酸盐,过量的亚硝酸盐进入人体后,在胃酸的环境下,与蛋白质的中间代谢产物仲胺类化合物反应生成亚硝胺。亚硝胺是致癌物。


另一方面是营养物质含量的下降。


石化农业模式下农产品的产量是提升了,但是品质却降低了,营养成分下降了,这是公认的事实。比如,我们吃的胡萝卜里面,维生素A的含量已经是50年前的十分之一不到了。我们各种蔬菜、水果、粮食等的氨基酸、维生素、微量元素等的含量都大不如前了。


食品品质的下降、养分含量的下降就造成了我们经常看到的已经吃了很多食物,但出现营养不良或营养不均衡的情况。这也就是所谓的隐性饥饿(Hidden Hunger)。


(Hidden Hunger,隐性饥饿也是世界性问题,如图是国外隐性饥饿的公益海报)


另外,食物中的风味物质不如以前,加上养分含量的降低,这样助推了食品加工行业在食品加工过程中大量使用添加剂、然后生成出重口味、重油、重盐、高糖的“垃圾食品”


最后是石化农业的可持续性问题



石化农业之所以被称为石化农业,是因为石化农业直接跟石油等石化能源挂钩,不仅生产化肥农业需要石化能源,各种机械化操作也离不开石化能源。


以氮肥为例,其主要化学成分是氮、氢、碳、氧,与煤炭、天然气、石油是一样的,氮肥的生产成本中90%是能源成本(磷肥和钾肥在45%左右)。一般来说,每消耗1.5吨煤,可以制成1吨氮肥;每消耗615立方米天然气,可以制成1吨氮肥。我国2013年化肥生产所消耗的能源折标准煤为8841.83万吨,是当年我国能源消耗量的2.4%。


随着人类社会的发展,自然环境恶化、全球变难、极端气候灾害频发,加上人类各方面的认知提升,我们意思到石化能源使用是造成温室气体增加、全球变暖和气候极端化的主要原因。在全球限制碳排放的大环境、大趋势下,各行各业都在积极需求石化能源之外的解决方案。


同时,即便是在石化能源的使用上,石化农业模式的能量转换率也被学界所诟病。农业的核心功能是为人类提供生活所需的物质和能量,那么石化农业模式在能量转换率(Energy Conversion Efficiency)上的表现如何呢?美国加州大学伯克利分校的米格尔.阿尔提里(MiguelA. Altieri)教授提出通常情况下单一农作物的工业大农场的能量转化率是3-4,即没投入1000卡的能量,可以获得3000-4000卡能量的食物,而生态农业的能量转化率一般在10以上。


之所以有如此大的差距,其一是因为单一作物对于太阳能的直接转换效率低,其二就是在石化能源的利用率上低。

 

在过去的一个世纪中,石化农业曾经帮助人类打破发展魔咒,让粮食产量成倍增长,解决数十亿的人口的温饱问题,他一路高歌猛进。然而高速增长的背后固然有科技的进步,但是也有透支环境资源的因素:微观层面的有土壤地力的下降和有机质含量的降低,宏观层面有全球气候的变化。如今这些问题已愈加严重。


(图:麦田收割者,作者梵高)


当夕阳再度照耀在现代化的麦田时,我们应该深思,未来我们到底需要怎样的农业才能在环境优化、可持续的前提下满足全球人口的增长和世界经济的发展呢?


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