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糧食安全和環(huán)境保護(hù)如何雙贏？“農(nóng)業(yè)減氮”成本誰來擔(dān) 世界微動態(tài)
去年6月的一天，來自荷蘭全國各地的農(nóng)民、甚至拖拉機(jī)聚集起來，示威抗議關(guān)閉農(nóng)場，導(dǎo)火索是荷蘭政府此前一周發(fā)布的“減氮計劃”。對農(nóng)產(chǎn)品出口量位居世界第二的荷蘭來說，農(nóng)業(yè)占了該國近半的氮排放來源。
荷蘭政府的做法也被相關(guān)專家批判“一刀切”。然而，更合理的減氮出路在哪里？“農(nóng)業(yè)污染治理實際上是很困難的一件事情?！闭憬髮W(xué)環(huán)境與資源學(xué)院長聘教授谷保靜在接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者采訪時如是表示，其主要研究方向包括氮循環(huán)及其調(diào)控、土壤與全球變化、環(huán)境經(jīng)濟(jì)與生態(tài)管理、農(nóng)業(yè)與可持續(xù)發(fā)展等。
(資料圖片)
以太湖水環(huán)境治理為例，作為中國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)，太湖流域的污染物排放量從上世紀(jì)90年代開始就超過了水域納污能力。最終在2007年發(fā)生藍(lán)藻大規(guī)模暴發(fā)，并引發(fā)了區(qū)域供水危機(jī)，這也直接催生了對太湖生態(tài)環(huán)境的綜合整治。當(dāng)年發(fā)布的《江蘇省太湖水污染治理工作方案》中即提到，要加大農(nóng)業(yè)面源污染防治力度。農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生的氮磷，加重了對太湖水體的污染，必須加大治理力度。
治理任重而道遠(yuǎn)。國家發(fā)改委、自然資源部、生態(tài)環(huán)境部等六部門在2022年印發(fā)的《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》顯示，綜合治理實施14年來，太湖流域水環(huán)境質(zhì)量明顯改善，但水環(huán)境狀況及太湖治理仍面臨一些問題。
太湖流域水環(huán)境綜合治理專家咨詢委員會專家、水利部太湖流域管理局局長朱威曾指出，“經(jīng)過多年治理，太湖水環(huán)境水生態(tài)穩(wěn)步向好，但目前入太湖污染物總量仍遠(yuǎn)超湖體水環(huán)境容量，藍(lán)藻水華多發(fā)頻發(fā)，稍有松懈就有可能出現(xiàn)反復(fù)，太湖水生態(tài)環(huán)境問題尚未得到根本性解決?！?/p>
在谷保靜等專業(yè)人士看來，相較于工業(yè)等點(diǎn)源污染，農(nóng)村環(huán)境及農(nóng)業(yè)面源污染的治理更為不易。“尤其中國的國情是‘大國小農(nóng)’，小農(nóng)戶占到農(nóng)業(yè)從業(yè)人員的九成以上，農(nóng)地規(guī)模太小，工業(yè)污染中的處罰措施在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也難以實施。此外，還需要考慮到事關(guān)民生大計的糧食安全問題?！?/p>
“農(nóng)業(yè)污染治理問題，它應(yīng)該需要一個激勵機(jī)制?！边@是谷保靜在三四年前去墨爾本大學(xué)訪問時和其他學(xué)者探討時提出的思路，最終他們在經(jīng)過系統(tǒng)的研究之后將之命名為“農(nóng)業(yè)氮素信用系統(tǒng)”，簡稱“NCS”。今年1月初，這項系統(tǒng)的研究刊發(fā)于頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature），谷保靜系第一作者和通訊作者。
行駛緩慢的“抗議”拖拉機(jī)一度造成了荷蘭高速公路上的擁堵。
化肥的“功與過”
毫無疑問，化肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，被稱為是糧食的“糧食”。每到春耕時節(jié)，化肥保供也是一件頭等大事。
自農(nóng)業(yè)誕生以來，馬爾薩斯陷阱的陰影就緊緊籠罩在人類的身后。換句話說，人口增長的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過糧食的增長速度。而20世紀(jì)最偉大的發(fā)明——合成氨技術(shù)，使得人類能夠在數(shù)量和時間上掌握肥料，突破了自然界的限制。20世紀(jì)60年代前后，化肥開始在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域廣泛使用，提高了作物產(chǎn)量，為全球糧食安全作出了重要貢獻(xiàn)。
中國的挑戰(zhàn)更是擺在面前，要用全球9%的耕地養(yǎng)活占全球18%的人口。
以中國最重要的口糧作物水稻為例，1989 年，國際水稻研究所提出了“超級稻”(SuperRice) 的概念并啟動了“超級稻育種計劃”。在隨后的30多年中，中國育種家通過創(chuàng)新育種技術(shù)、拓寬遺傳基礎(chǔ)，配制強(qiáng)優(yōu)勢雜交組合,育成一批超級稻新品種, 使水稻單產(chǎn)水平不斷獲得突破。
這樣的突破也隨之帶來很多問題，其中一點(diǎn)稻生產(chǎn)面臨資源環(huán)境的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，嚴(yán)重影響我國生態(tài)安全。中國農(nóng)科院作科所徐建龍研究員此前曾表示，“以前人口多要吃飽，越來越強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)，大量使用化肥造成土壤退化、江河湖海富營養(yǎng)化，同時大量使用氮肥也導(dǎo)致米質(zhì)下降。病蟲害加重，通過大量噴藥防治，破壞生態(tài)環(huán)境，危害人體健康?！?/p>
中國科學(xué)院遺傳發(fā)育所研究員、分子農(nóng)業(yè)生物學(xué)中心主任傅向東帶領(lǐng)其團(tuán)隊長期研究如何獲得高產(chǎn)而少肥的農(nóng)作物。他此前在接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者采訪時表示，“上世紀(jì)90年代之后出現(xiàn)了一個拐點(diǎn)，化肥使用量一直在上升，但產(chǎn)量并沒有提高?！备迪驏|表示，農(nóng)民都希望施更大量的肥從而獲得更高的產(chǎn)量，但事與愿違。
傅向東同樣談道，與此同時，氮肥大量使用帶來的環(huán)境問題與日俱增?！皣鴥?nèi)肥料的使用量是全世界平均的3倍，這個壓力是很大的，所以尤其在中國，提高氮肥利用效率是非常重要的。”目前，中國水稻種植面積占世界水稻種植面積的20％，但中國水稻氮肥用量卻占全球水稻氮肥總用量的37％。
持續(xù)大量的氮肥投入，不僅浪費(fèi)了資源和能源，而且加劇了土壤酸化、水體富營養(yǎng)化和農(nóng)業(yè)溫室氣體排放等一系列生態(tài)環(huán)境污染問題。“為了增加一點(diǎn)點(diǎn)的產(chǎn)量，需要多施很多的肥。現(xiàn)在，我們碰到了新的困擾。”傅向東表示。
谷保靜團(tuán)隊援引數(shù)據(jù)表示，全球農(nóng)田每年施用的氮肥量高達(dá)1.2億噸，再加上有機(jī)肥和生物固氮等，農(nóng)田氮輸入總量約2億噸。而值得重視的一點(diǎn)是，農(nóng)作物對氮肥的利用效率之低讓氮素利用效率不足50%。
此外，受經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展水平的影響，各國的化肥施用量不一?！跋裰袊⒂《鹊葨|亞、南亞和東南亞地區(qū)，普遍過量施肥，我們國家可達(dá)到過量30%-50%；而像非洲、拉丁美洲等地區(qū)，還存在施肥不足的問題?！惫缺ｌo表示，相比之下，歐盟、澳大利亞、北美洲等地區(qū)的施肥優(yōu)化水平比其他地區(qū)都要高，“但這些國家還要持續(xù)去優(yōu)化，尚沒有達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)?！?/p>
谷保靜分析稱，過量施肥和施肥不足均非正解。他表示，從過量的角度來看，水污染、空氣污染、溫室效應(yīng)、生態(tài)系統(tǒng)多樣性下降、土壤酸化等均為嚴(yán)重的后果。而一旦不足，土地會日漸貧瘠，糧食產(chǎn)量受到影響，從而威脅糧食安全。
農(nóng)民拋灑施肥。
“減氮”有哪些招？
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對資源的“高需求”和對環(huán)境的“高破壞”在國內(nèi)也早就引起了重視。
仍然以水稻為例，中科院院士、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點(diǎn)實驗室主任張啟發(fā)教授于2005年即提出了綠色超級稻的構(gòu)想。即要求培育的品種不僅高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，而且具備抗病蟲、高效的養(yǎng)分吸收利用、節(jié)水抗旱等綠色性狀，達(dá)到生產(chǎn)上“少打農(nóng)藥、少施化肥、節(jié)水抗旱、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)”的目標(biāo)。而傅向東等科學(xué)家和育種家也在朝著“高產(chǎn)而少肥的農(nóng)作物”的育種目標(biāo)邁進(jìn)。
中國政府部門眼下的策略是力壓化肥使用量，使其增長率降低，直至零增長、甚至進(jìn)一步減量，相關(guān)行動方案自2015年起出臺至今。
2015年，農(nóng)業(yè)部印發(fā)《到2020年化肥使用量零增長行動方案》。彼時，我國化肥生產(chǎn)量超過7000萬噸（折純），同時農(nóng)用化肥施用量近6000萬噸。農(nóng)作物畝均化肥用量21.9公斤，遠(yuǎn)高于世界平均水平（每畝8公斤），是美國的2.6倍，歐盟的2.5倍。這份行動方案的目標(biāo)是：到2020年，初步建立科學(xué)施肥管理和技術(shù)體系，科學(xué)施肥水平明顯提升。2015年到2019年，逐步將化肥使用量年增長率控制在1%以內(nèi)；力爭到2020年，主要農(nóng)作物化肥使用量實現(xiàn)零增長。
2022年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部再度印發(fā)《到2025年化肥減量化行動方案》，提出進(jìn)一步減少化肥施用總量，重點(diǎn)減少化肥用量，提高有機(jī)肥資源還田量、測土配方施肥覆蓋率以及化肥利用率，即“一減三提”。數(shù)據(jù)顯示，2021年全國農(nóng)用化肥施用量5191萬噸（折純）、比2015年減少13.8%。
谷保靜談道，歐美等發(fā)達(dá)國家對農(nóng)田氮污染治理的治理起步較早，“上世紀(jì)七八十年代就開始，花了將近20年時間?！笨傮w而言，行之有效的方法，一是先進(jìn)技術(shù)的開發(fā)，二是農(nóng)地規(guī)?；耐菩?。
而在過去的近四年時間里，谷保靜團(tuán)隊和澳大利亞墨爾本大學(xué)、江蘇農(nóng)科院、荷蘭環(huán)境評估署、北京航空航天大學(xué)、國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所(IIASA)、德國波茨坦氣候研究所、荷蘭瓦赫寧根大學(xué)、英國生態(tài)水文中心等國內(nèi)外高校院所合作，他們試圖給出一套更系統(tǒng)的“減氮”方案，并配上或能幫助方案落地的推行策略。
研究團(tuán)隊首先篩選了全球現(xiàn)有可行的減排措施庫，并量化了它們在2015年的全球農(nóng)田中實施而減少氮素污染的潛力。通過對過去20年的1521個田間觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，研究確定了11項氮素管理的關(guān)鍵措施。
這些措施又被劃分為三個層級：第一層級主要是肥料改良(增效肥料、有機(jī)肥、作物秸稈等)、豆類作物輪作和建立農(nóng)田緩沖帶；第二層級是4R養(yǎng)分管理，即正確的施肥率、施肥類型、施肥時間和方式；第三層級是作物新品種的引進(jìn)、最佳灌溉和優(yōu)化耕作方式。
“這三個層級的劃分主要基于實施的難易程度和它的成本收益情況?！惫缺ｌo表示，“通常來說，措施層級越低就越容易執(zhí)行和推廣，而層級越高，它所需要的知識和額外投入也越多，實施成本因此也高，農(nóng)民就越難采取該項措施?！?/p>
谷保靜以增效肥料舉例，“例如采用添加脲酶抑制劑的新型肥料，緩控釋肥的效果馬上就會顯現(xiàn)，對農(nóng)民而言，除了購買的肥料不同，其他沒有任何區(qū)別，這就意味著比較容易執(zhí)行。”
脲酶抑制劑的作用即提高氮肥利用率，其原理是，土壤中存在著的脲酶能夠催化尿素水解成銨態(tài)氮，抑制脲酶的活性后則能夠減慢尿素分解，讓養(yǎng)分緩慢釋放出來，提高尿素的利用率。谷保靜強(qiáng)調(diào)，該策略目前的執(zhí)行難點(diǎn)并不在于農(nóng)民端，而是受制于價格更為昂貴，“這也是為什么我們要去提農(nóng)業(yè)氮素信用系統(tǒng)，如果通過這一方案使得新型肥料在補(bǔ)貼后價格同樣具有競爭力，那農(nóng)民自然會選擇它。”
而談到第二層級的措施，即讓農(nóng)民掌握正確的施肥率、施肥類型、施肥時間和方式，“這就要求農(nóng)民首先要懂得這些知識，那就必須對農(nóng)民進(jìn)行培訓(xùn)，中國目前小規(guī)模經(jīng)營農(nóng)戶為2.3億，光培訓(xùn)成本可能就高到無法去真正落地操作?！边@一點(diǎn)對已整體實現(xiàn)規(guī)?；?jīng)營的國家而言，推廣起來則更為容易。
根據(jù)谷保靜等人的測算，總體而言，上述三個層級的措施能有效減少總氮損失30-70%，同時分別提高作物產(chǎn)量10-30%和氮素利用效率10-80%。
農(nóng)戶是“減氮”買單方嗎？
谷保靜等人數(shù)年前的“靈感”是設(shè)計一個激勵機(jī)制去解決農(nóng)業(yè)污染問題。他們首先需要對其中的成本和收益摸清底細(xì)。
“所有先進(jìn)的管理措施或者優(yōu)化的管理措施，實施過程中都是有成本的，以前很多人一直忽略這個問題?！惫缺ｌo談到非常容易理解的一個現(xiàn)象，“比如研發(fā)出新的技術(shù)，化肥不是用撒的方式，而是先挖坑再施深一點(diǎn)，那么它的流失和污染就小一點(diǎn)，這看上去非常簡單。”
而在現(xiàn)實中，這樣的操作意味著農(nóng)民需要耗費(fèi)數(shù)倍的時間完成同樣的工作，這對原本就“不賺錢”的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來說是雪上加霜。小農(nóng)戶們投入更多時間精力，從產(chǎn)量和收益上來說卻無增加，“有點(diǎn)像‘吃力不討好’，這也是農(nóng)業(yè)污染，尤其是在小農(nóng)經(jīng)營下很難控制的最主要的原因之一?！?/p>
經(jīng)過模擬計算，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，以2015年為基準(zhǔn)，如果在全球農(nóng)田實施這些措施，每年可以多收獲1700萬噸作物氮，增長20%左右，同時，減少2200萬噸氮肥使用量，即減少21%左右，減少2600萬噸氮素污染，降幅達(dá)32%。
這些變化可以帶來的總社會收益高達(dá)4760±1230億美元。
在成本方面，研究顯示，這些減排措施的實施需要額外的設(shè)備、人工、材料和服務(wù)投入，總實施成本約為340±90億美元。不過，由于氮素管理措施可以節(jié)約農(nóng)田氮肥的施用而減少150±40億美元的化肥成本，抵消了44%的總減排成本。
因此，最終的凈實施成本約為190±50億美元，僅約占上述總社會收益的4%。
從地區(qū)來看，根據(jù)他們的估算，僅中國就需要大約50±10億美元實施成本，其次是印度，需要30±10億美元。目前這兩個國家是氮肥的最大消費(fèi)國，也是氮素的最大排放國。而其他國家的凈實施成本普遍低于10億美元。
為了給未來的政策制定提供信息，研究團(tuán)隊還利用三個層級的措施，探討了在不同情景下到2050年的農(nóng)田氮素投入、利用和流失情況。
根據(jù)團(tuán)隊估計，第一層級措施為農(nóng)民提供了凈經(jīng)濟(jì)效益，在全球范圍內(nèi)具有最大的應(yīng)用潛力，可以貢獻(xiàn)一半的農(nóng)田氮素減排潛力。而實施第二層級和第三層級的措施對整個社會具有巨大的收益，但對農(nóng)民而言，則要付出高額的實施成本，這會嚴(yán)重阻礙減排措施的落地。
2050年不同層級措施組合下的成本收益情況。(a)全球尺度的減排成本和收益；(b)分區(qū)域的化肥節(jié)約量；(c)分區(qū)域的NUE變化。摘自谷保靜等人研究論文
賬本有了、前景也不錯，但其可行性最終取決于誰來買單？
研究團(tuán)隊指出現(xiàn)實困境，由于多種社會經(jīng)濟(jì)障礙，例如缺乏激勵、財政資產(chǎn)不足、政策限制，甚至社會關(guān)注等，許多國家尚未廣泛采取面源污染的緩解措施。農(nóng)民必須投入資金、勞動力、知識和其他基本投入來實現(xiàn)這些改變，而改變農(nóng)民的做法又并不容易，特別是對大量小農(nóng)來說，即使有強(qiáng)有力的證據(jù)表明改變做法會帶來經(jīng)濟(jì)收益。
和前述提到類似，原因主要是當(dāng)今社會小農(nóng)的農(nóng)業(yè)收入比低，也就是農(nóng)業(yè)收入占其總收入的比重較低。
谷保靜等人的對策是將減排成本社會化，并提供農(nóng)民獲得資金支持的途徑，即農(nóng)業(yè)氮素信用系統(tǒng)。他們的設(shè)想是，從氮素優(yōu)化管理中受益的全社會各方來籌集財政預(yù)算，用來激勵和補(bǔ)貼那些實行最佳管理措施以減少污染和提高產(chǎn)量的農(nóng)民，從而減少氮素污染。
谷保靜解釋說，許多國家都普遍使用農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼來維持間接有利于糧食安全和環(huán)境的農(nóng)業(yè)實踐，而農(nóng)業(yè)氮素信用系統(tǒng)可以被視為更好地將整個社會的成本和效益聯(lián)系起來的強(qiáng)化方法，如果能夠明確界定實施成本和效益，就可以在國家、省或地方范圍內(nèi)實施這種制度。
例如在澳大利亞的大堡礁保護(hù)行動中，當(dāng)?shù)卣呀?jīng)開始采用氮素信用系統(tǒng)。當(dāng)?shù)剞r(nóng)民種植甘蔗過程中大量施用化肥，導(dǎo)致大堡礁海域受到污染，政府和環(huán)保組織對減氮的農(nóng)民進(jìn)行氮素信用補(bǔ)貼。每減少一噸的氮素污染都會獲得相應(yīng)的信用分，這個可以拿到專門的機(jī)構(gòu)去交易，最終降低大堡礁海域的氮污染總負(fù)荷量。
目前，在高收入國家，由于農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體一般是大型企業(yè)，經(jīng)濟(jì)實力雄厚，再加上現(xiàn)有資本資產(chǎn)和運(yùn)作良好的金融市場，更容易獲得金融資源，環(huán)境污染也可以通過對氮盈余征稅實現(xiàn)內(nèi)部化。這種方法符合污染者自付原則，可以避免反彈效應(yīng)，并為創(chuàng)新提供激勵。另一種推進(jìn)氮素管理的方法則是引入多參與者政策方案，將成本和收益的相關(guān)方聚集在一起共同解決。
不過這些方式一般到農(nóng)業(yè)發(fā)展到高級階段才能實施，并不適用于小農(nóng)經(jīng)營的情況。
農(nóng)業(yè)氮素信用系統(tǒng)。
谷保靜等人認(rèn)為，無論如何，他們的研究表明，社會從改進(jìn)的農(nóng)業(yè)氮素管理政策解決方案中獲益的潛力很大，但至今尚未系統(tǒng)開發(fā)?！拔覀円呀?jīng)證明改善農(nóng)業(yè)氮素管理的氮素信用系統(tǒng)具有很大的潛力，但政策落地依然道阻且長，希望能夠通過耦合更多的環(huán)境目標(biāo)和政策工具，來實現(xiàn)農(nóng)田管理措施的落實?！?/p>
谷保靜對澎湃新聞記者反復(fù)強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，對中國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全而言，未來主要的挑戰(zhàn)在于“規(guī)?；屠淆g化”?！拔艺J(rèn)為應(yīng)將眼光放到更遠(yuǎn)，隨著農(nóng)村嚴(yán)重的老齡化，中國農(nóng)業(yè)的規(guī)模化和現(xiàn)代化應(yīng)該會到來。我們不要指望今天分析的問題今天就解決了，重點(diǎn)是要分析未來的目的和愿望是什么?！?/p>
“關(guān)鍵的問題在于我們要朝著那個方向去走，而不是南轅北轍?！逼淙缡潜硎尽?/p>
