农业绿色革命反思及发展方向

蒋高明 郭立月

1 中国科学院植物研究所，北京 100093

2 中国科学院大学，北京 100040

进入新世纪20 年代的第一年，一场突如其来的疫情造成了全球恐慌。新型冠状病毒来势凶猛，蔓延迅速，不仅通过接触人传人，还通过空气、实物传染。疫情对国家、家庭造成了各种各样的影响，为了防控疫情，各国停工停学，经济发展受到严重影响。

疫情还暴露了粮食安全隐患，一些出口国为自保，纷纷禁止粮食出口，社会上一度出现了粮食囤积潮。生存是第一要务，解决吃饭问题是最大的政治。其实，这个问题早在奴隶社会以及整个封建社会，都没有很好地解决。直到工业革命以后，部分发达国家借助现代化技术，才将粮食生产从繁重的体力劳动中解放出来，大量粮食商品进入市场，出现了国与国之间的食物贸易。引发这场农业革命的，就是被人们所津津乐道的“第一次绿色革命”。然而，这场革命也带来了严重的环境危机与人体健康问题。人类需要反思第一次绿色革命，发起由生态学主导的真正绿色革命。

1 “第一次绿色革命”简要回顾

农业绿色革命，指的是农业中通过培育高产品种，使用灌溉、机械、化肥和农药，以及与之相关的科学知识共享，促进粮食增产的过程。上世纪60 年代末期，印度率先开始了依靠先进技术提高粮食产量的“绿色革命”的第一次试验，粮食总产量有了大幅度提高。随后，从巴基斯坦到东部的朝鲜等大陆国家，以及延伸于斯里兰卡和日本之间数千英里一系列岛屿国家，纷纷仿效印度，用化肥、农药等提高粮食产量。一些发达国家如美国、澳大利亚等，紧跟着也开展利用“矮化基因”，培育和推广矮秆、耐肥、抗倒伏的高产水稻、小麦、玉米等新品种为主的农业技术革新。

这场来自农业领域的改革，对人类历史产生的影响十分深远，丝毫不亚于18 世纪蒸汽机在欧洲所引起的产业革命。英国人发起的工业革命，被称为“第一次工业革命”，而印度率先尝试的农业革命被称为“第一次绿色革命”。但这场农业改革，从其中的一些具体做法来看，尤其化肥、农药、除草剂、地膜、激素的大量使用，显然与绿色环保理念不相符。

几乎与“第一次绿色革命”同时，我国老一辈科学家袁隆平等正从事三系稻研发，三系杂交水稻是水稻育种和推广的一个巨大成就，至今对全球粮食增产贡献很大。我国引入化肥、农药是上世纪70 年代末80 年代初的事情，比国外晚了约十年。但其对中国农业生态环境的影响是巨大的，引起了全球变暖、雾霾、农田污染和食物污染等严重的生态环境和社会问题。从这层意义来看，“第一次绿色革命”并非是“绿色”的。

2 现代农业造成的环境与健康问题

当今世界，很多环境、社会、经济乃至军事冲突问题与农业密不可分。全球变暖，环境恶化，生物多样性减少，人类健康质量下降和繁殖力降低，与传统农业模式转变为化学农业模式有很大的关系。

现代农业造成的环境问题非常严重。例如过量施用化肥，尤其是氮肥，导致土壤酸化严重，在中国，从1981 年到2016 年，土壤酸度下降了0.13-0.8[1]。过量使用化肥，还会导致土壤板结、耕地质量下降、生产力降低、土壤侵蚀、土壤有机质流失等。

现代农业模式下，全球每年约有460 万吨化学农药喷洒到环境中，其中绝大多数释放到土壤、水体和大气中。根据世界卫生组织(WHO)和联合国环境规划署(UNEP)的报告，全世界每年有2600 万人农药中毒，美国每年有6.7 万人农药中毒。农药的使用加剧了多种癌症的发生概率和患帕金森综合征的几率[2]。现代农业塑料薄膜的使用问题也越来越严重，大量覆盖物残留污染了农田环境，造成“白色污染”和作物减产。

现代农业过于重视作物的产量和口感，在世代耕作中忽略了其营养性能，致作物营养品质下降。研究发现，从1950 至1999 年，43 种不同的水果和蔬菜在蛋白质、Ca、P、Fe、维生素B 和维生素C 的含量上有明显下降[3]。作物营养品质的下降，加剧了隐性饥饿问题，由于微量元素缺乏导致的隐性饥饿威胁着世界上20 多亿人口，最易受隐性饥饿威胁的人群是生育年龄的妇女、儿童和老人[4]。

现代农业是生物多样性的最大威胁。农业活动的集约化导致生境破碎，从而造成了生物多样性的损失。以蜜蜂为例，蜜蜂作为全球生物多样性的一个关键组分，能为农作物提供重要的生态系统功能，但受生境破碎和农药等因素影响，其数量近年来严重下降，美国在1947-2005 年58 年间失去了59%的蜜蜂群落[5]。

近年来，我国粮食连年丰收，然而，目前我国粮食生产方式依然较为粗放，实现粮食连年增长，消耗了大量的耕地资源，环境压力很大，过大的承载也给土地带来超强负担。我国很多地方，庄稼生产几乎全靠化肥“当家”。过量的肥料没被吸收，变成了污染。我国工厂化养殖动物每年产生大量动物肥料，但因养殖业与种植业分离等原因，这些本可成为很好肥料的动物肥料并未用到应该用的地方。

由于耕地退化，最近十几年多地爆发了植物病害，涉及主粮、油料作物、蔬菜、果树、中草药等。农业上，让植物生病的原因很多，除了病毒细菌的感染外，也会因营养元素缺乏或环境污染引起庄稼生病，但有一点是肯定的，如果庄稼生长在健康的环境中，庄稼本身根繁叶茂，就基本不会生病，或者有点小病庄稼也能够依靠自身的“免疫”力量抵抗过去。

农作物和林木的病害若大面积发生，常使国家经济和人民生活遭受严重损失。有些患病作物还会引起人畜中毒，一些优质高产品种往往因病害严重而被淘汰。植物病害的发生和流行，除自然因素外，常与盲目开垦植被、过度猎取生物资源、工业污染以及农业措施不当等人为因素有关。在现代农业中，过度使用化学物质，造成耕地污染并引起生物多样性下降；长期使用农膜等也造成了病害流行。

日益严重的环境污染以及饮食安全等问题，加之人们生活压力的不断增大，导致不孕不育症的发病率逐年上升。全球约15%的育龄夫妇存在不孕不育的问题，发展中国家的某些地区可高达30%[6]。

3 教训与经验

现代农业不可持续的一个教训来自朝鲜。朝鲜国土面积仅12 万平方公里，在中苏两大国支持下，迅速提升了农业现代化装备水平，仅用了17 年（1953-1970）时间就实现了农业机械化。一般认为，1979 年的朝鲜已成为一个准现代化国家。遗憾的是，由于1989 年苏联解体，石油停供，农机配件短缺，农业机械全面瘫痪，迫使朝鲜动员城里人重新回农村当农民，并只能使用锄头、铁锨和镰刀种地，由于找不到运输卡车，已收割的粮食被长期堆放在地里。一段时间，朝鲜城里人遭遇了饥饿痛苦，残存的运输能力甚至不能喂饱城市居民。

当年遭受“苏联解体、东欧剧变”影响的不仅有朝鲜，还有加勒比海北部岛国古巴。但古巴的农业并没有像朝鲜那样彻底崩溃，相反，在经历了第一波打击之后古巴及时调整政策，终于化险为夷，顺利实现了由现代化石油农业向绿色生态农业的转型，并通过发展生态农业摆脱了粮食危机。古巴生态农业的发展，得到了农民、多个机构、大学和研究中心的支持，成功地找到替代短缺的燃料、肥料和农药的方法，如：畜力牵引替代拖拉机和燃料使用；以轮作、多种作物间作等丰富作物种植的多样化；通过绿肥、堆肥、蚯蚓养殖和豆科作物种植，以及生物肥料（如菌根、根瘤菌和生物质等）快速增加土壤肥力；种子保护和生物防控替代化学农药[7]。到1999 年，古巴农业生产已经恢复，并在某种程度上达到了历史性水平。

与朝鲜墨守现状不同，古巴人应对上述农业危机的思路很清晰，果断放弃“石油农业”，广泛动员民众，迅速恢复传统生态农业。今天，古巴在有机肥获取、土壤保持、作物与禽畜管理等方面取得一系列重要进展，实现了生态农业的顺利转型，扭转了粮食短缺的被动局面。以上两个截然相反的例子充分说明，严重依赖石油化工的现代农业是不可持续的，而建立在生态循环原理基础上的生态农业才具有抵抗各种风险的强大能力。

4 生态农业的科学原理

针对“第一次绿色革命”出现的问题，生态农业应运而生。生态农业不仅需要建构人与自然共生、循环关系，而且需要创造人与人的合作关系。经历一个多世纪的发展，生态学日益成熟，在我国已经成为与数理化并列的一级学科，一些基本原理应用到农业越来越发挥重要的作用。

4.1 水热耦合原理

农田生态系统由气候、土壤、生物等因子的共同作用所形成。其中，大气温度和降水量占主导地位，对其他因子产生重大影响。水利是农业的命脉，生态农田尽量利用天然降水，适度利用客水或地下水，做到“旱能浇、涝能排”。地球上的一切热量来自太阳，热对植物生长发育乃至群落分布有重要的作用。在阳光不缺少的地方，热量尤其与水的耦合对农业增产的作用大于化学肥料[8]。

4.2 土壤碳氮库增长原理

碳表现在土壤中即有机质。目前我国耕地有机质普遍很低，通过有机肥还田，可大幅度提高土壤含碳量。这里的有机肥，指自然界中的所有光合产物及其衍生物，不仅仅是传统理解的人粪尿和动物排泄物。在暖温带湿润地区，当生态农田有机质提高到5%时，即使不施肥，作物产量也能超过1 吨（小麦玉米周年产量）[9]。

氮是植物光合生长必需的元素。自然界可以利用的氮都来自空气，生物固氮、雷电固氮、干湿沉降都可以提供氮源。增加土壤碳氮库的办法有很多，除每年添加有机肥外，秸秆还田、种植或施加绿肥、利用杂草肥都是很好的办法。我国农区使用了四五千年的农田没有退化，就是有机肥养地的结果。只不过过去动力不足，有机肥来源少，农田产量低；如今，这些问题都已基本解决，通过培育土壤碳氮库增产技术已非常成熟[8]。

4.3 生物多样性原理

生态农田具有丰富的生物多样性，包括种植物种、养殖物种和土壤生物多样性。在一个多样性的农业生态系统中，其稳定性也是高的，抗自然灾害能力加强[8]。研究发现，在10 亩农田基础上发展的弘毅生态小院中，经济物种有73 种之多，包括植物、动物与微生物三大类，在这个系统中，害虫与杂草都变成了资源被利用起来，并且由于土壤健康，农田生态系统健康，植物病害基本消失[10]。害虫与杂草本身都是普通的物种，它们的作用也是辩证的。害虫会吃作物，但也会给一些虫媒的作物授粉，害虫是益虫的食物，害虫死亡后其尸体可以参与构造土壤中的团粒结构；杂草会与庄稼争养料，但也会增加土壤碳氮等营养，杂草根系及其分泌物对于土壤中的生物多样性维持及其保持良好的土壤结构也起到很多的作用，当然，对于害虫和杂草，需要进行适当管理，不使其危害，并变害为宝[8]。

4.4 生态位原理

农田生态系统中的不同物种都有自己的生态位，这些物种大部分时间相安无事，只有到生态位重叠时才会发生激烈的竞争或对抗。利用生态位的空间差异，可以减少杂草控制成本，如果园生草，就是利用乔木与草本的生态位不同；利用生态位时间差异可以控制害虫，如诱虫灯捕杀的往往是夜行害虫，而益虫因为多在白天捕食较少受害。夏季的杂草很难在春季生长，因此可以利用夏季高温多雨生长杂草，混播豆科植物养地，然后种植冬小麦，使小麦产量提高[8]。

4.5 生态系统原理

生态系统指在自然界的一定的空间内，生物与环境构成的统一整体，在这个统一整体中，生物与环境之间相互影响、相互制约，并在一定时期内处于相对稳定的动态平衡状态。生态系统能够自我维持、自我更新且具有一定恢复能力。掌握了农田生态因子变化特点、物种组成及其相关关系，人类就可以利用这些生态学规律进行农田生态系统设计，获得较大的产量、生物量或者较高的经济效益[8]。间作套种、林田互作、稻鸭共育、鱼菜共生，等等，都是利用生态学原理进行的农田生态系统设计。

5 来自中国的成功案例

应用上述生态学原理，中国科学院的科学家发明了一种产量与经济效益共赢的高效生态农业模式，在山东平邑县卞桥镇蒋家庄进行了连续14 年的长期实验，该模式的显著特点是“六不用”，即不用农药、不用化肥、不用除草剂、不用地膜、不用人工合成激素、不用转基因种子。

他们首先将作物秸秆加工成饲料养殖肉牛，再将腐熟牛粪作为肥料还田。其中秸秆饲料的加工与储备是关键，该农场自主研发了大型遮雨式分室青贮池，每年加工“鲜秸草”1500 吨。这种循环的生态模式最大限度地利用了每种产品的副产物，不仅减少了环境污染，改善土壤，还增加了土壤生物多样性，提高了作物产量[9]。

利用物理+生物方法取代杀虫剂，即通过脉冲式诱虫灯、鸡、野生鸟类、天敌昆虫、人工除草控制越冬害虫。杂草控制，以人工+机械除草取代除草剂。聘请经验丰富的农民承包除草工作，并辅助必要的小型机械除草；在果园杂草控制方面，采取“以草治草”策略，种植一些高覆盖且有固氮功能的本地草本植物，形成单优种群，占据杂草生态位。所生产的优质安全产品，通过互联网进行线上销售，增加经济效益，平均每公顷效益是普通农田的3 ～5 倍[11]。

这种高效生态农业模式解决了现代农业带来的环境污染、危害人类健康、农民就业难等系列问题，实现了可持续发展，同时也带来更高的经济效益。如果按照这种模式，中国只需要2 亿亩耕地即可满足中国的主粮需求。然而，此种模式的推广，还需要政府的有力推动。