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绿色革命与氮磷污染

在《人口原理》这本书里,马尔萨斯对于人口增长有两个基本假设,一个是人类生存靠食物,另一个则是人类的情欲不可消除。而食物的增长是算术级数,但人口的增长是指数级数。因此,人口的增长早早晚晚都会被食物的增长限制住。应该说这是一个非常社会物理学的推论,但当时也确实很有说服力,因为实证数据确实展示出了当人口增长超过农产品增长时,就会出现饥荒来降低人口;反之当农产品过剩后,人口会迅速增长且发展出繁荣的文明。前者几乎贯穿了整个人类农业社会,后者则几乎贯穿了现代社会。也就是说,现代社会开启了某种机制,这种机制保证了农产品可以不断满足需求。

要知道,世界人口在出现农业之前没有超过1500万,农业社会出现后到第一次工业革命中的1804年,世界人口才到达10亿。之后的两百多年里,这个数字变成了70亿。但并不是说1900年到40亿,事实上这个时间是1974年,甚至到达30亿都是1959年的事。数字归数字,10亿人口需要的食物可都得地里长出来,从1959到2018这60年里,地球上多了40亿人口,配合现代医学对平均寿命的延长,每年张嘴吃饭的人可以说是几何级数在涨了。传统农业的生产率肯定赶不上,甚至都赶不上为人类提供肉食的畜牧业所需的饲料供应,这中间的绿色革命默默承担了所有的问题。

绿色革命就发生在世界人口快达到30亿的时间点上,最著名的案例就是墨西哥,墨西哥在1910年结束独裁统治后打了近二十年的内战,到了1956年,因为接受了发达国家推广的杂交小麦,农业上终于实现了自给自足。时至1964年,墨西哥甚至开始出口农产品了。也就是说,绿色革命实际上是农业工业化进程的一部分,农业机械、农药、灌溉系统甚至新育种技术都从底层推动了产量的提高。绿色革命的革的是是农作物,但动力其实是技术、煤炭、石油与钢铁而不是辛勤劳作,后果就是发展中国家普遍在这个时期迎来了人口高峰,毕竟是养得起的。中国也不例外,不过那年代政治运动也产生了很深远影响,这个就不细讲了。

但环境研究是什么时候开启的呢?大概是上世纪70年代左右起,不论发达国家还是发展中国家都迅速出台了环境保护的法规,学术界也开始认真研究环境问题。这里面《寂静的春天》与《增长的极限》对舆论氛围的形成起了关键作用,有意思的是,这两本书里提到的很多案例都有绿色革命的影子。《寂静的春天》大量使用关于农药滥用的案例而罗马俱乐部的《增长的极限》则回归马尔萨斯,认为地球资源会最终限制经济增长而引发了关于可持续性的讨论。农药是绿色革命的燃料之一而绿色革命对化石燃料这一自然资源的需求自然也会被经济增长限制。换句话说,绿色革命在解决口粮问题的同时也开启了环境科学相关研究的讨论。

绿色革命与环境保护背后的讨论实质上是关于工业而不是农业的讨论。农药生产的本源就是石油煤炭化工业提供的原材料,化肥的生产则牵扯到工业固氮与大量元素矿石的开采,农业机械则需要强有力的制造业支撑,这些过程对环境造成的影响不次于消费工业品与服务业产生的影响。而且很多影响就是灰犀牛式的,从我们开启这种发展模式就注定要应对相应的问题。这里我们讨论两个方面:氮循环与磷循环。

自然界里可以说从来都不缺氮元素,空气里比重最大的就是氮气。但对于生物体中所需的氮,氮气实在是活性太低,要想创造更多的生物,活性氮就不可或缺。放到农业里,农作物要想长起来,碳氢氧氮磷一个都不能缺,碳氢氧通过自然界里到处可见的空气与水就可以得到,氮却需要别的物种,那就是固氮菌。固氮菌固然是种天然方法,问题是效率比较低,要求比较高,然后化学家就闪亮登场了,最著名的就是哈柏法,反应及其简单,用氮气和氢气在铁催化剂高温高压下就可以得到氨气,这就是活性氮了。氮气直接空气里就有,而氢气则可以通过水煤气或甲烷与水反应制备,就是这么几个简单的化学发应使得工业固氮进行了100年后,产量就超过了自然固氮。同样的,我们现在体内蛋白质里氮元素有一半也是这个反应制造的,某种意义上我们自己就是工业制成品。

且不论工业固氮的能耗,在化肥的使用里,氮肥的效率差距比较大。碳酸氢铵属于比较容易吸收的,但问题也容易分解成氨气跑了,江湖人称“气儿肥”。相比之下,尿素含氮量更高,但问题不是铵态氮,吸收效率不高且比较贵。硝态氮倒是不会变成气跑了,但硝酸根决定了含氮量比较低。这个低效率其实也没什么,如果用精耕细作的方式打理田地,化肥就会合理施用。然而,农业在发展中国家一般拿不到补助,经济上不如工业来钱快,这样现在很多人务农其实很豪放,也就造成了氮肥的滥用。中国用全世界7%的耕地养活约世界五分之一的人口是大家都知道的,但问题我们用了全世界化肥产量的35%。虽说平均主义害死人,但质量平衡上看,多用出的那部分就都成了污染源。

前面说了,工业固氮产品是氨气,但化肥里一般是硝酸根或铵根,铵根可以变成气态跑了,硝酸根可是强酸根,土壤中碱性离子很多是弱碱性,强酸弱碱盐的过量存留必然让土壤酸化。其实我国土壤酸化问题是很严重的,跟发达国家的工业硫酸型酸化不同,我国的土壤酸化大部分是化肥滥用导致的。这个影响其实非常恶劣,因为不同于工业三废,这个污染源的化肥还属于花钱买来的,长远造成的经济影响比短期利益大很多。但是你又不能强制农民合理施肥,这提高了劳动力成本,属于发展中必然出现的问题,本质上需要更健康的财富分配体系,公平合理的分配有利于共同福祉的实现。

然而除土壤酸化外,过量的活性氮释放到水环境里还会导致水体富营养化。富营养化并不是人造的,实际上,富营养化是生物对地球改造工程的一部分,在地质运动过后会形成天然的静态水体,此时水体中营养元素比较少,生态系统单薄。伴随风化与冲刷,地壳中氮磷可能被释放,这样水体就会适宜浮游生物生长,然后在水中形成健全稳定的生态系统,一般来说,淡水湖缺磷而海洋缺氮,生态系统规模被营养元素所限制。不过假如这个水体只进不出,生物质就会沉积,时间长了水体就会沼泽化,如果水分进一步流失甚至可以形成新的陆地。很多小区里建的人工湖或水库,时间长了几乎都会富营养化,不过还有更快的方法,就是前面说的滥用化肥。

当农田施用的化肥不能被有效利用时,这些营养元素很容易随雨水冲刷进入自然水体。对自然水体而言相当于补足了营养短板,同前面所说的人口一样,马上指数扩增。白天指数扩增,相当于无机营养有机化,充足有机质又推动了水体细菌生长,到了晚上没了光合作用,大量浮游生物会消耗水中溶解氧。这样就促进厌氧菌的生长,而水中原有生物也会因缺氧死亡腐烂,整个水体会发臭,最终变成死水。富营养化一个直观体现就是水华,当水面布满一层藻类时,这潭水基本就没救了。这种化肥滥用并不是发展中国家的专利,实际上发达国家的水体富营养化状况也并不好。用质量平衡的观点去看,我们工业固氮生产的活性氮必然要最终矿化或惰性化才能维持生态系统平衡,不过固氮是个生意但矿化氮没有经济利益,因此这部分只能靠天吃饭,如果超过自然承载力,对地球而言当然不会有什么影响,但人类水资源的处理成本就会上升,毕竟地表水是人类很重要的淡水来源。

那么所谓有机农业是不是个好的解决方案呢?比如我们不用化肥,只用农家肥。好,我来问你,农家肥哪里来?自产自销理论可行但现实肯定不够用,最直接的来源是养殖场的动物粪便。养殖场动物粪便的源头是饲料,但其实要命的不是饲料,而是养殖时为了防疫加的兽药或抗生素,这其实是抗生素滥用的重灾区。同时动物粪便大都重金属超标(也是超量补充这种偷懒养殖策略导致的),这样的农家肥用出去且不论超低的肥效,光是附赠的抗生素跟重金属就够受的。你可以去搜一下新闻与论文,有机食品的重金属超标情况是很常见的,也不缺乏抗生素对农作物的生态毒理学研究。反正我个人对有机食品一贯不感冒,价格死贵不说,食用风险还挺高,北美这边很多超市专卖有机食品,在我看来只是营销手段与中产阶级的刻奇,只是所谓优质生活的象征与自我感觉良好,甚至起作用的就是自我感觉这部分。

氮是可以固定的,那么磷呢?磷主要来自于磷矿石。不过这个说法也不准,大洋洲的瑙鲁出口的磷酸盐其实就是鸟粪,这个国家在澳大利亚买了一栋楼,准备鸟粪挖完了就举国搬迁,不过后来又给抵押出去了,现在矿开的差不多了只能靠给澳大利亚修建监狱过活,而且海平面如果上升,这个国家还有灭国可能,可以说是个现代版的复活节岛。磷元素的地球化学循环因为速度太慢事实上是不完全的,当我们不断开采磷矿石时,事实上是把陆地上磷给搬到海底沉积物里去了,一时半会是搞不回来了,这事倒也是绿色革命搞出来的。磷矿也用来做化肥,同样存在严重浪费,不过化肥不是主要污染源,动物粪便才是磷污染的大头。这跟氮污染并不一致,氮污染里化肥的比重是很高的,仅次于生物污染。磷污染里的关键问题在于磷元素利用率,而这个利用率是可以通过转基因或补充植酸酶来调节的,只要让猪鸡等生物的磷利用率提高,那么也就相当于可以减少用量。

磷元素排放的一个大头还在于人,现代社会给人提供了更多的衣着选择,要知道这多出来的几十亿人除了天天要吃饭还得穿衣服。而且现在一个人几十件衣服都很正常,同样也就造成了洗衣服的需求,而洗衣服是需要洗衣粉帮忙的,好巧不巧三聚磷酸钠作为一种助剂被用到了洗衣粉里来络合水中钙镁离子,辅助表面活性剂去污。人们在用洗衣粉时其实也没比用化肥强多少,都是过量用的,后果就是全随着生活污水排到自然水体促进富营养化了。不过也可以用酶来替代表面活性剂来去污,但酶本质上多半是蛋白,需要温度合适,洗衣粉不靠谱但洗衣液更适合含酶洗涤剂,不过这又牵扯到人们的生活习惯了,北美这边大都喜欢用洗衣液与烘干机,而国内洗衣粉与晾衣绳更多些。

总之,我们要感谢绿色革命,没有农业现代化我们多半还被马尔萨斯陷阱所限制而根本没机会出现在人间。但绿色革命也带来了巨大的生存需求,仅关注两种元素的使用,人类的影响力就已经超过自然本身了。而且更尴尬的问题在于使用元素可能并没有污染问题,污染更多出在使用者对工业品的滥用上,这就成了个复杂的经济-技术-社会问题了。这就是很多环境问题的缩影,简单的政策或技术或宣传对于问题解决都是不充分的,而环境问题的复杂性更多是人性复杂性的体现,总想既…又…是不靠谱的,更常见的是按下葫芦瓢起来,而这就需要鸡尾酒式的组合拳了。