2021, Vol. 29
2. 桓台县农业农村局 桓台 256400
,
ZHANG Ke1,
WANG Fang1,
WANG Kun1,
WU Wenliang1,
WANG Kaiyong2,
HU Zhengjiang2,
ZHANG Haixia2
2. Huantai Bureau of Rural Affairs and Agriculture, Huantai 256400, China
20世纪50年代以后, 作为对常规农业和社会、经济发展模式的反思与改革, “有机农业”(organic agriculture/farming)首先被发达国家农民实施[1]。70多年来, 有机农业发展规模不断扩大, 从业者不断增加。到2018年底, 全球有机农业耕地面积为7.15×107 hm2 (不包括3.57×107 hm2的野生采集和其他非农业土地), 占全球农业用地面积的1.5%, 其中中国为3.1×106 hm2[2], 有机产品销售额为6.1× 1010 ￥, 出口8.9×108 $[3]。有机农业发展对于中国生态文明建设、供给侧结构性改革、乡村振兴和扶贫减贫具有重要意义[3]。
根据有机农业定义, 在生产过程中不允许使用化学合成的肥料、农药、生长调节剂、饲料添加剂等物质[1, 4]。肥料是植物生长养分供应的重要来源, 其中氮肥又是限制作物产量的主要元素之一。20世纪初, 德国人Fritz Haber发明合成氨工艺以前, 地球上植物生长所需的氮素, 除了闪电合成以外, 绝大多数来自于生物固氮[5-6]。氮肥的发明和生产, 对解决世界粮食安全做出了重大贡献, 目前全球约48%人口所需粮食来自于肥料, 化肥氮贡献了全球粮食增产的30%~50%[7]。1980年以来, 中国粮食生产增长近85%, 其中氮肥发挥了重大作用[5-6]。政府和学界关于有机农业争论的一个焦点问题是: 有机农业能否养活全人类？[8]。最新研究表明, 全世界耕地面积1.4×109 hm2[9], 每年化肥氮投入量为1.13×108 t, 如果不施用化肥氮, 通过豆科作物等为粮食生产提供氮素(平均每年固氮100 kg∙hm-2), 用于生产非豆科粮食的耕地面积只剩下不到30%, 很难养活当前以及2050年全球人口。对于中国这样一个人口众多、资源相对匮乏的国家, 粮食安全始终是社会稳定和经济发展的前提, 是我国农业决策无法回避的首要议题。
近年来, 随着有机农业在我国的快速发展, 对于有机农业的定位和作用存在着不同甚至相反的认识。本文从氮素供应的角度, 分析我国完全禁止使用化学合成氮肥情形下, 我国粮食生产受到的影响, 进而从改变食物消费模式和优化氮肥管理的维度, 在客观、全面分析有机农业优、劣势基础上, 评估有机农业对中国农业发展的影响和带来的启示。
1 研究材料与方法 1.1 研究假设农业生产中, 养分特别是氮素, 是全球粮食生产的主要限制性因素。氮在地球大气、生物、土壤和水圈之间迁移转化和周转循环, 大气中氮素主要以惰性氮气(N2)形式存在, 很难被植物、动物和人类直接利用。因此, 在农业生态系统中, 氮输入主要通过生物固氮(共生固氮和非共生固氮)、闪电固氮以及人工合成固氮3个过程[5-6]。
本研究以中国农业生产为对象, 针对1979年和2018年两个时间节点的中国陆地(不包括香港、台湾和澳门地区)生态系统的农业生产, 分析常规和有机农业生产方式下的氮素投入和粮食生产。研究基于以下假设:
1) 1979年和2018年两个时间节点的土壤和岩石中氮含量相近, 变化量忽略不计, 即土壤和岩石与农业生产之间氮的净迁移量为0。
2) 闪电固定的氮投入(主要以大气干湿沉降形式)在常规和有机农业生产方式下数量相等, 本研究中不予考虑。
3) 中国农业用地全部按照有机方式进行管理, 完全禁止使用化学合成的氮肥情形下, 粮食生产所需要的氮主要来自于生物固氮中的共生固氮, 秸秆和有机肥等作为系统内含氮物质, 在有机农业情形下其循环利用效率视为与当年常规农业情形相同。非共生固氮(异氧、根际联合和光合固氮等)在常规和有机农业生产方式中都会发生, 本研究不予考虑。
4) 除了进入农田生态系统的氮量有差异外, 其他生产要素(如磷钾肥和农药、秸秆和有机肥循环、灌溉、机械投入以及种植结构等)在有机农业和常规农业两种生产情形下完全一致。
5) 人工合成氮肥和共生固定氮素的利用率相同, 即中国粮食产量仅和氮供应数量呈正比。
本研究选择1979年和2018年两个时间节点进行定量预测, 主要是由于: 1)1979年正值中国改革开放初期, 氮肥投入量很低, 这个阶段粮食生产的氮素大部分来自于生物固氮。此外, 该时期中国人食物消费结构中, 动物性食品比例较低, 可以作为“植物性产品主导”的食物消费模式。2)2018年, 中国农业生产集约化程度水平较高, 化肥、农药和灌溉投入量较多, 机械化比较普及。食物消费结构中, 动物性食品比例基本接近发达国家, 可以作为发展中国家集约农业生产和食物消费的代表性模式。
1.2 耕地面积根据中国气候和其他自然条件, 本研究将中国种植区域划分为一年1作的长城以北地区、一年2作的长城以南及秦岭淮河地区、一年2作华中地区以及一年3作的热带地区(主要是广东、广西、云南、海南等省区)等4个区域(表 1)[10]。这4个区域2018年的耕地面积分别为5.002×107 hm2、4.135×107 hm2、2.961×107 hm2和1.392×107 hm2, 总面积为1.349× 108 hm2, 台湾、香港和澳门地区没有包括在此次研究中。1979年, 全国农作物总播种面积为1.485× 108 hm2[11], 按照150%的复种指数, 换算成耕地面积为9.899×107 hm2, 与王先进[12]提出的1949年(9.787×107 hm2)以及1985年(9.575×107 hm2)[11]很接近。考虑到1979年改革开放刚刚开始, 相当一部分土地为低产农田(盐碱土、风沙土和水土流失区), 本文为口径统一, 计算过程中对于1979年和2018年的耕地面积统一为1.349×108 hm2。
1.3 豆科作物固氮量测算我国种植的主要固氮作物包括大豆[Glycine max (L.) Merr.]、紫云英(Astragalus sinicus L.)、苜蓿(Medicago sativa L.)、花生(Arachis hypogaea L.)和三叶草(Trifolium repens L.)等, 各种植物的固氮如表 2所示。
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表 2 中国主要豆科作物不施氮肥情况下的固氮水平 Table 2 N fixation of main leguminous crops in China under non-N fertilizer application |
从自然条件、种植适应性等因素综合分析, 本研究对长江以北、长城以南和秦岭淮河以北地区的固氮作物选取大豆, 对华中和华南地区选择紫云英, 对相应的各地区和全国每年用于粮食生产的共生固氮量进行计算(表 3)。再根据种植制度, 将实际固氮量折算为满足该地区有机农业粮食生产的固氮量, 计算依据为: 1)一年1熟地区, 有一半耕地用于固氮, 另一半耕地进行粮食生产; 2)一年两熟地区, 一个季节种植固氮作物, 另一个季节进行粮食生产; 3)一年3熟地区, 有一个季节耕地种植固氮作物, 支持另外两个季节的粮食生产。
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表 3 中国主要作物种植区每年共生固氮量 Table 3 Annual N fixation of leguminous crops in major cropping regions of China |
1979年和2018年, 中国化肥氮投入(折纯N)分别为8.26×106 t和20.65×106 t[11]。2018年全国大豆产量为15.97×106 t, 出口量为0.13×106 t, 进口量为88.04×106 t, 即在中国境内消费的大豆总量为103.88×106 t, 按照大豆出渣率70%、大豆渣含氮量42%计算[18-19], 这部分大豆消费后, 所有氮素(30.54×106 t)都以肥料形式进入农业生态系统。花生含氮量较低[19-20], 对于全国氮投入贡献较少, 本研究忽略不计。1979年, 全国大豆产量为7.46×106 t, 进口和出口数量较少, 本研究认为出口和进口数量平衡。大豆消费后, 以肥料形式进入农业生态系统的氮为2.19×106 t。即1979年和2018年, 实际进入中国农业生态系统的氮素数量分别为10.45×106 t和51.19×106 t(表 4)。
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表 4 1979年和2018年实际进入中国农业生态系统的氮素数量 Table 4 N input into agricultural ecosystem of China in 1979 and 2018 |
从表 3可知, 如果全国所有耕地用于豆科作物固氮, 满足该地区粮食生产折合的固氮量为11.69×106 t, 比1979年实际进入农田生态系统的氮素数量(10.45×106 t)多11.9%, 仅为2018年实际进入农业生态系统氮素总量(51.19×106 t)的22.8% (表 4)。
基于研究材料和方法中的假设, 即有机和常规农业生产方式下, 氮素效率和其他生产管理方式完全一致, 作物产量仅和氮素投入数量有关, 我们对1979年和2018年中国施用和不施用化肥氮情形下的粮食产量进行了估算(表 5)[21]。需要说明的是, 在绝大多数研究中, 蔬菜和水果折合成粮食的折算系数都为0, 本研究中的粮食产量没有将蔬菜和水果产量列入。
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表 5 1979年和2018年中国施用和不施用化学合成氮肥情形下的粮食产量比较 Table 5 Foodstuff outputs in China in 1979 and 2018 with and without chemical synthetic N fertilizer |
表 5表明, 在施用化学合成氮肥和各类生产措施配合下, 2018年中国实际粮食总产达1842.48× 106 t, 其中谷类食物为610.04×106 t, 其次是畜禽肉、鱼虾、奶和蛋等。同样是在施用化肥条件下, 1979年中国粮食总产为334.51×106 t, 其中谷类食物为280.27×106 t, 相当于2018年的45.9%, 而营养价值更高的畜禽肉、鱼虾、奶和蛋仅为2018年的12.3%、6.7%、3.6%和8.7%, 说明1979年中国人食物构成以谷物为主, 动物性食品在食物中的比例远低于2018年。
不施用化学合成氮肥情况下, 2018年中国粮食产量估值为420.72×106 t, 不包括蔬菜和水果情况下折纯量为195.01×106 t。按照同样的思路估算, 1979年不施用化学合成氮肥情形下的粮食总产为381.96×106 t, 不包括蔬菜和水果情况下折纯量为312.09×106 t。需要说明的是, 1979年中国农业系统氮投入只有10.45×106 t, 低于1979年全部耕地用于种植固氮作物情形下获得的氮量(15.41×106 t)。这是由于1979年我国刚进行改革开放, 化肥氮投入量较低(8.26×106 t); 且1979年生物固氮量估算中, 采用了2018年的耕地面积(134.9×106 hm2), 相当于1979年实际耕地面积(98.99×106 hm2)的136.2%。另外, 同样是15.41×106 t的生物固氮量, 1979年的粮食产量折纯量(不包括蔬菜和水果, 312.09×106 t)却比2018年(195.01×106 t)高60.0%(表 5), 这是由于常规农业生产情形下, 2018年的氮肥投入量(51.19×106 t)是1979年(10.45×106 t)的4.9倍, 但氮肥效率远远低于1979年。
2.2 中国施用和完全不施用化学合成氮肥情形下农业生产养活的人口数量表 6表明, 在常规农业生产情形下, 考虑粮食进出口情形下, 2018年中国粮食实际总供给量(折纯)为961.90×106 t, 按照当年人口总数1.395×109计算, 则2018年实际人均粮食消费量(折纯)为689.35 kg∙a-1。而如果按照表 7的低、中、高粮食消费水平计算, 2018年粮食实际总供给量(包括进出口)分别能养活3.80×109、2.99×109和2.49×109人。一方面, 说明当前进口粮食在我国总粮食供给中占相当份量(6.2%), 其中谷物和大豆进口量是我国粮食自产的3.4%和551.3%; 另一方面, 当前中国粮食实际总供给量远远超过平衡膳食模式下的粮食消费量(表 7), 根本原因在于当前食物过程中浪费严重, 另外食物消费结构也需要重大调整。
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表 6 2018年中国实际粮食生产、进出口和总供给量 Table 6 China's foodstuff actual output, import, export and total supply in 2018 |
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表 7 1979年和2018年中国不同农业生产与贸易情景下养活人口数量 Table 7 Population fed in China under different agricultural production and trade scenarios in 1979 and 2018 |
不施用化学合成氮肥、不考虑进出口情形下, 在3个粮食消费水平下, 2018年中国生产的粮食(不包括蔬菜和水果, 195.01×106 t)能养活的人口数量分别为0.77×109、0.61×109和0.5×109(表 7), 相当于2018年实际人口数量的55.1%、43.7%和35.8%。如果要养活2018年的实际人口数量, 要么大幅度增加粮食进口, 要么调整食物消费结构, 即大幅度减少肉和蛋在食物中的比例, 但即便如此也会有相当一部分人没有足够粮食供应。
采用同样的思路进行计算, 1979年中国生产的粮食在3个粮食消费水平下分别能养活的人口数量分别为1.24×109、0.97×109和0.81×109(表 7)。需要指出的是, 与2018年相比, 1979年粮食产出中谷物比例远大于蔬菜和水果, 且在计算养活人口数量时没有考虑蔬菜和水果[21], 造成有机农业条件下1979年养活人口数量大于2018年。说明即使按照最低消费水平(每人年均粮食折纯量252.64 kg), 不施用化学合成氮肥、粮食不进口情形下, 中国也会有相当一部分人口无法被养活。
3 讨论 3.1 研究的不确定性分析国内外众多学者对中国粮食生产和消费进行了大量研究, 但由于自然条件、经济和社会因素的高度复杂性, 粮食生产、消费的定量和预测始终是一个挑战, 不同研究获得的结果差异很大。从氮素供应角度对粮食生产和消费进行分析, 可以为明确农业与人口之间关系提供新的认识, 也是一个大胆的尝试, 研究中诸多假设导致了很多不确定性。
第一, 豆科作物的固氮数量, 该指标受植物特性、气候条件、土地质量等综合影响。本研究对有机农业进行了较乐观估算, 即选取共生固氮量较高的作物和生产条件[13, 15], 对全国各地固氮量进行了定量(表 2)。研究中, 没有精准考虑和分析很多生产力较低的耕地以及不同气候条件造成的差异, 因此表 3中估计的共生固氮数量存在一定误差。
第二, 氮素利用效率和其他生产管理措施对于作物产量的影响。在有机农业条件下对粮食生产进行估算时, 我们假设化肥氮与共生固定氮的生物有效性相同, 而实际生产中, 不同类型和数量氮肥的作物有效性(利用率)差别较大[22]。本研究中以2018年粮食生产为基数, 这是造成1979年不施用化学合成氮肥的粮食总产甚至高于施用化学合成氮肥的原因之一。此外, 有机农业中不允许使用化学农药, 在实际生产中也会对粮食生产造成影响, 这是本研究的另外一个误差。
第三, 研究中蔬菜和水果没有计入粮食产量。蔬菜和水果生物量较大, 但对于人类蛋白质和热量的贡献较低, 唐华俊等[21]的研究中将这两类农产品的折算系数(折算为标准粮食)都设定为0。考虑到中国食物构成中蔬菜和水果能够替代一部分谷物和动物性食品[23], 没有将蔬菜和水果列入会低估粮食产量养活的人口数量, 但本研究在施用和不施用化学合成氮肥情形下, 都没有考虑蔬菜和水果的贡献, 研究结果具备可比性。
第四, 粮食消费数量的确定。多年来, 该指标的确定主要从生产和经济学角度预测, 考虑到粮食最终目的是满足人类营养需求, 因此从营养学角度出发, 以居民营养健康为目标确定人均粮食需求量, 技术上更为合理, 因此本研究对于不同级别的食物消费数量指标, 主要依据唐华俊等[21]的研究成果。
第五, 秸秆和有机肥等的循环利用。本研究计算过程中, 虽然有机农业情形下秸秆和有机肥的数量无法确定, 但其总量不会比常规农业更高, 循环利用率视同于当年常规农业情形, 秸秆和有机肥循环利用(而不是丢弃浪费)对粮食产量的贡献并没有忽视, 虽然该假设有一定误差, 但总体上对粮食产量的预测不会产生显著影响。
尽管本研究存在诸多不确定性和误差, 但本研究基于氮素供应对粮食产量进行预测的结论不会发生根本改变。研究中对有机农业生产进行了乐观估计, 比较了与常规农业在食物供应上的数量差异, 分析了对于我国氮肥管理和未来农业发展政策的启示。
3.2 对于中国氮肥管理和农业生产的启示本研究围绕农业生产中的主要限制因子——氮素供应进行分析, 获得了非常有价值的信息: 一方面, 1979年以来, 中国氮肥用量增加、氮肥效率下降引起了国内外普遍关注, 其中蔬菜和水果生产中肥料氮投入量更高, 其氮肥利用率更低[22], 该结论也在其他研究中得到证实[24-26]。当前乃至今后相当长的一段时间内, 我国农业肥料管理的重点是提高氮素利用效率, 降低氮损失和对于环境的污染。
本研究还表明, 过去认为的有机农业产量比常规农业低的幅度较小, 甚至与常规农业持平, 该观点没有考虑有机农业氮素的最终来源, 技术上是欠妥的。考虑到有机农业需要安排一部分耕地进行生物固氮, 一个地区或者国家粮食比常规农业减产将远高于20%~30%, 将对全球食物供应造成巨大挑战[9]。从该角度进一步分析, 增加人口数量虽然会增加内需和经济总量, 但长期会造成巨大的土地资源和环境压力。中国作为人类命运共同体的一部分, 必须走生产发展、生活富裕、生态良好的发展道路, 其中包括对人口增长进行适度控制。
尽管氮是影响粮食产量的重要因素, 需要特别指出的是, 在人类科学技术没有根本突破情况下, 粮食总量的主要制约因素仍然是耕地面积。中国利用全球8%的耕地面积, 养活了全球近20%的人口[26], 即土地生产力和效率已经远远高于大多数国家。今后相当长的一段时间内, 如果粮食进口不能得到有效保障, 中国仍然需要进一步通过技术提高粮食单产。
通过对当前中国粮食生产和贸易分析也发现, 当前中国粮食进口(主要是大豆)更多的是进口了“肥料”(特别是氮)、“水”和“耕地”, 保护了森林和草原。假如不进口这些大豆, 要满足当前水平的中国经济发展和人口消费, 只能通过开垦森林和草原以满足大豆供应。巨大数量的粮食特别是大豆进口, 相当于输入了巨大数量的氮素(2018年进口大豆88.04×106 t, 折合纯氮为25.88×106 t, 大于2018年施用的化肥氮20.65×106 t), 这也是近几年来我国氮肥总量开始下降的重要原因之一。没有进口这些大豆, 中国要维持全部农业系统的氮素供应, 必须增加化学合成氮肥施用量。因此, 农产品进口不单纯是粮食数量安全的问题, 还牵扯到中国氮肥供应乃至环境安全等事宜, 应在国家战略层面综合考虑。
总之, 对于中国乃至全球人口, 改变食物构成特别是降低动物性食物比例, 进而降低谷物消耗总量, 似乎是今后人类的重要甚至是唯一选择[27]。2018年中国人均年粮食(折纯)消耗量为689.35 kg, 已经远远超过了众多研究设定的标准[28-30], 减少粮食浪费应该作为重要举措列入国家战略。
3.3 有机农业在我国农业中的战略定位和发展对策完全按照有机农业要求, 中国粮食产量远低于常规农业, 但并不意味着当前世界和中国不应该发展有机农业。从全球范围内对有机农业定义和基本原则的界定, 到我国多年来对生态农业和有机农业的理解和实施, 有机农业在我国现代农业发展中都应发挥重要作用。
现代农业不是简单的光合作用和动物养殖, 而是人类利用生态学原理对自然生态系统进行适度干预和改变, 在促进生态循环的前提下, 为人类提供食物、纤维和各类服务。千百年来, 全球各地的经验和教训表明, 按照生态学规律进行农业生产, 就会保护资源和生态环境, 实现人和自然的协调共生和发展, 否则就会受到大自然的惩罚。即按照生态工程的原理发展农业, 遵循“整体、协调、循环和再生”的原则[31], 尽可能通过农业生态系统内的物质循环满足养分供应, 提高能源利用效率。以养分投入为例, 有人认为只要养分来自于有机肥, 就符合有机农业的要求, 这种认识是片面甚至是错误的。不论是IFOAM[32]还是欧盟有机农业标准[33], 对于有机农业的养分投入顺序都界定为: 农场首先应该采用轮作、套种和生物固氮以及其他提高养分利用效率的方式, 满足有机农场作物生产的需求, 在以上措施不奏效情况下可以使用符合有机农业规定的外部有机肥。一个有机农场没有种植豆科等固氮作物, 只是简单从外部购买商品有机肥进行作物生产, 这个农场的作物生产是违背有机生产原则的[1]。
有机农业强调的种植业和养殖业循环(或种养结合), 符合生态学的基本规律, 是当前我国现代农业急需全面实施的措施。世界各国有机农业标准中, 对于动物生产数量有严格限定, 其理论依据就是要求动物粪便数量不能超过作物和土壤的消纳量。在农业生态系统中, 没有废物或者垃圾的概念, 不论是作物秸秆, 还是动物粪便, 都含有大量的碳、氮、磷、钾等植物养分和其他有机物质, 以肥料形式归还到农田, 是最佳的处理方式之一。我们对吨粮县——山东桓台过去30多年的长期观测和试验表明, 作物秸秆还田显著提高了农田土壤有机质和碳氮库, 直接抵消了全县每年由于氮肥施用直接排放N2O的温室效应[34]。
政策层面, 发展有机农业应该采取生态补偿等措施, 充分激励有机生产者对于环境的保护。环境质量属于公共物品, 简单的政府干预和市场手段很难有效解决环境污染问题。政府应该制定政策和法规, 对于有机生产者保护环境的措施通过经济手段进行补贴、补偿或者激励。对2013年中国有机农业的总体分析表明, 尽管有机农业减产造成了5280 ￥∙hm-2的损失, 但有机农业的生态环境效益(包括降低硝酸盐淋溶、增加农田生物多样性、固碳减排等)达1659 ￥∙hm-2[35-36], 对于这些生态环境效益进行生态补偿, 将极大程度保护有机生产者利益, 促进我国农业的可持续发展。
4 结论研究表明, 如果中国全部耕地按照有机方式进行农业生产, 每年豆科生物固氮达15.41×106 t。在不施用化学合成氮肥情形下, 1979年和2018年粮食总产量分别为381.96×106 t和420.72×106 t。不考虑蔬菜和水果, 分别能养活0.81×109~1.24×109人和0.50×109~ 0.77×109人。即中国完全转化为有机农业方式, 在当前耕地面积和科学技术条件下, 难以养活当前数量的人口。由于大量进口大豆等农产品, 2018年实际人均粮食(折纯, 不包括蔬菜和水果)消费量达689.35 kg∙a-1, 减少食物浪费、调整食物结构、增加粮食进口, 是解决中国粮食问题的重要举措。整体上, 进口大豆等农产品对中国化肥减量起到了重要作用。化学合成氮肥对中国粮食生产做出了巨大贡献, 但氮素利用率仍有较大提升空间。
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