點燃農業革命的星星之火

概要

對技術創新的投資是建立更可持續農業生產的關鍵所在,在不污染環境的情況下,優化投入,最大限度地提高產量。俄烏衝突造成大宗商品價格震盪,或將推動一場革新。


俄烏衝突擾亂了燃料、化肥、農業生產和物價,這場危機席捲世界許多易受影響的地區,使其糧食安全受到了威脅。一場迫在眉睫的全球糧食危機正反映出化肥生產和化肥使用這兩個最嚴重的問題。

現代農業在很大程度上受到化肥供應的限制,而化肥往往來自世界上有限的氮供應,其中的形式包括堆肥、灰肥以及化學合成的氨肥。當今世界氮問題還沒有完美的解決方案(只有尚可的選擇),各國正在努力研究如何能夠實現自給自足。這一問題困擾依舊,而解決的希望一直如微弱星光。(PDF文件圖1:俄烏衝突前和截至2022年6月13日的普通小麥期貨價格,圖2:國際貨幣基金組織全球化肥價格指數)

雖然肥料可在短期內提高農作物產量,但有時在不確定時期化肥會加劇糧食不安全的情況。俄羅斯和烏克蘭是世界上兩個重要的農業生產中心,兩國之間的衝突正在對全球農業和糧食安全構成迄今為止最嚴重的一大威脅。由於各國努力提高農作物產量,化肥價格達到創紀錄高位。

對糧食和農業可持續解決方案的投資不僅有機會從世界糧食供應方式的必然變化中獲益,而且有可能減輕會導致未來衝突的一些壓力。我們必須採取革命性措施來應對當前全球的糧食安全危機。

人類文明面臨的持久挑戰

從農業起源之初一直到1905年,可用於農業的氮的數量一直受到地球表面植物和礦物質中所含氮數量的限制。增加氮含量一直是一個挑戰,因為我們食用的糧食會大量消耗土壤中的氮,如果不補充土壤的氮含量,土壤就會變得貧瘠。

歸根究柢,地球上的所有生命都依賴於可用的氮氣,而氮的獲取卻是一項污糟、危險和不受歡迎的工作。隨著時代的發展,人類用來獲取和施用氮肥的方法已經發生了變化,而最早的方法是燃燒森林從而在暫時富含氮(來自燃燒後的灰燼)的土壤中種植作物(糟糕的是,這種方法至今仍在破壞幾個世紀以來生長積累的雨林以換取幾年的豐產,最後留下毫無生機的貧瘠土地)。但是早期的農民總是迫不得已不斷遷徙,因為土壤的肥力很快就枯竭。

歷史時間線

(參閱PDF - 資料來源: Leigh. G.J. 《世界上最偉大的解決方案:氮與農業的歷史》。牛津大學出版社,2004年8月19日。)

在19世紀初,有一項發現大幅增加了世界人口,同時重塑了未來。被堆積數千年的鳥糞所覆蓋的太平洋島嶼似乎是取之不盡的氮肥來源,隨著相同面積的土地上的糧食產量超過以往任何時期,世界人口大增。但不幸的是,鳥糞只是看起來無窮無盡罷了。到了19世紀末,為控制日漸減少的鳥糞爆發了多次戰爭,因為鳥糞對於保持農田肥沃以養活更多的人口至關重要。

事情的走向本應以災難性的全球飢餓結束,但20世紀初出現了一種神奇的解決方案,即工業氨基肥料生產工藝,而這種高耗能工藝以天然氣為燃料捕獲空氣中的氮(空氣78%的成分是氮,但以植物無法吸收的N3形式存在)。從工業化肥時代發端以來,坊間就流傳著「麵包由空氣製成」的傳聞。時至今日,「哈伯博施法」已經廣泛使用並佔據主導地位,該工藝消耗世界上大約1%的電力,製造了大約1%的溫室氣體,但同時也維持了地球上約一半人類的生計。1

但是,任何解決方案都是優缺點並存,由於廉價和肥力強的優點,這種肥料經常被大量施用,以避免種植土壤肥力不足的問題。但是雨季沖刷使河流氮含量超標,導致藻類大量繁殖,生態系統遭到破壞。因為藻類從水中吸取氧氣,造成缺氧水域並直接毒害無脊椎動物。同時,氨本身也會造成空氣污染。由於肥料的大量使用,人們可以在一片土地上年復一年地種植同樣的農作物,也意味著雜草和害蟲得以生存並逐步進化和強大,在本質上就好比是開始了一場「軍備競賽」,因為需要更強或更有針對性的除草劑和殺蟲劑來保護糧食作物。

20世紀中葉,再次出現了有關飢荒的預測,《人口大爆炸》(The Population Bomb)等書籍中預言飢餓將再次來襲。但是,人類培育出了單位產量更高的新作物,研製出了除草劑和殺蟲劑,讓農民打贏了與雜草和害蟲之間的戰爭。但這些解決方案造成了無數問題,因為單一作物有其自身的風險,對除草劑和殺蟲劑的嚴重依賴加劇了農業污染,影響了生態系統的健康。

正是因為這個原因,讓我們想要介紹神奇的新技術,一種能夠淘汰「哈伯博施法」的技術,也是一種可以養活數十億人的有機農業技術。但是,雖然有許多研究人員在尋找一種低溫/低能耗的方法來製造生物有效氮,但目前還沒有一種可大規模採用和成本合理的方法。

目前看來,在可預見的未來,「哈伯博施法」仍將是主流,但存在非常令人為之振奮的解決方案,能提高肥料、除草劑、殺蟲劑和水的使用效率。農業總是「面朝黃土背朝天」,一邊需要了解土地的情況,一邊需要預測未來的氣候並嘗試作出正確的選擇。但是隨著農場的增加和農民數量的減少,每個農民要負責的土地面積大量增加,普適性解決方案成為唯一的可行之道。

未來農業

一百年來,大多數農民提升土壤肥力的方法未曾有改變,肥料及其生產方式並沒有隨著時間的推移而發展。在這一本該有技術突破的領域,我們卻全然滯後。正如電動汽車行業一樣,行業和政府聯合主導的措施以及生物技術的進步可能會在不久的將來引發一場植物養分輸送技術的革命。對技術創新的投資是建立更可持續農業生產的關鍵所在,在不污染環境的情況下,優化投入,最大限度地提高產量。

今天,我們相信精準農業正在引領潮流。感測器精度越來越高、電腦裝置價格低廉和強大的衛星系統,加上大數據驅動的高度本地化天氣預報,意味著能夠對每種作物採取不同的處理方式,而不是對一塊土地採取相同的處理方式。

土壤中的營養感測器可以告訴農民何時需要施肥,以及需要多少肥料從而可避免浪費和被水沖走,水位感測器可以告訴農民何時進行灌溉以及需要多少水;很快,感測器或許還可以識別何時和是否施用除草劑和殺蟲劑(大大減少使用的總量)。所有這些都可以減少對下游的影響,減少農場附近自然區域一直以來受到的生物危害。

此外,新的農業技術包括垂直農業、水栽培、覆蓋作物和在土壤中自身積累氮的生產性作物輪作,能夠減少土地、水和化肥的使用量。與綠色供應鏈的許多追求一樣,智慧農業將努力以更低成本提供更多的食物。所需的化肥、除草劑、殺蟲劑、水、勞動力,乃至土地都更少了。智慧農業解決方案有望生產出滿足世界人口所需的糧食,並保護和重新開發更多的邊緣土地。

目前的農業大宗商品價格衝擊可能會刺激人們努力克服地球自然資源的制約、促進減緩環境退化所需的技術突破,並使我們走上生產和保障全球糧食供應的道路,從而保障人類的未來。