農(nóng)業(yè)貿(mào)易和畜牧業(yè)生產(chǎn)對全球磷循環(huán)的影響

安 婷，胡新中

（1.陜西廣播電視大學(xué)，陜西西安 710119；2.陜西師范大學(xué)，陜西西安 710119）

農(nóng)業(yè)覆蓋了世界上1/3以上的無冰陸地面積，是全球生物、地球化學(xué)循環(huán)的一個重要組成部分。盡管在過去的50年里，農(nóng)業(yè)土地覆蓋面積只增加了10%～15%，但作物生產(chǎn)量卻增加了一倍多，這主要是因?yàn)榉柿贤度氤^700%，農(nóng)業(yè)灌溉提高，高產(chǎn)作物的發(fā)展適應(yīng)了生產(chǎn)系統(tǒng)（FAO，2008）。同時也導(dǎo)致過去50年里活性氮年生長率增加一倍多，向生物圈輸送磷年通量比前工業(yè)時代增加兩倍多。農(nóng)業(yè)驅(qū)動的營養(yǎng)動員的增加對環(huán)境和人類健康產(chǎn)生了連鎖反應(yīng)，包括空氣和水質(zhì)的惡化，以及疾病和害蟲壓力的增加。全球農(nóng)業(yè)貿(mào)易增長、家畜生產(chǎn)系統(tǒng)更加集中及人類對畜禽產(chǎn)品消費(fèi)增加的趨勢影響著整個地區(qū)營養(yǎng)物質(zhì)的分布。與此同時，飼料價格波動、運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施的改善和技術(shù)進(jìn)步支持了將可耕種飼料作物用于日益集中的畜禽生產(chǎn)系統(tǒng)。在過去幾十年里，人類對全球生物地球化學(xué)循環(huán)影響的研究主要集中在碳和氮上，很少有研究分析畜牧養(yǎng)殖對全球磷循環(huán)的影響（Smil，2000）。與碳和氮不同，磷幾乎沒有氣態(tài)，其有效性從根本上受再生含磷巖石風(fēng)化的限制。本文綜述了幾十年來以進(jìn)出口為基礎(chǔ)的國家與國際農(nóng)業(yè)貿(mào)易相關(guān)的磷流量，同時分析了糧食作物、飼料作物和畜產(chǎn)品貿(mào)易對各國農(nóng)業(yè)土壤磷流量的相對貢獻(xiàn)。

1 磷平衡

Schipanski和 Bennett等（2012）發(fā) 現(xiàn)，從1961年到2007年，全球有12個國家耕地的加權(quán)平均磷去除量增加了一倍以上，由于產(chǎn)量增加，從每公頃5 kg增加到12 kg。增加的肥料投入大大抵消了產(chǎn)量的增加，在同一時期，磷過剩增加了三倍以上，從6 kg/公頃增加到21 kg/公頃。在12個研究國家中，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)土壤的年磷富余總量分別在1961～2007年間增加了600%以上，從1.5倍增加到8.2倍。從這時期開始，發(fā)達(dá)國家的磷盈余高于欠發(fā)達(dá)國家。到2007年，發(fā)展?fàn)顩r與土壤磷過剩的關(guān)系不再顯著，這一時期磷過剩的增加反映了肥料使用量的增加和畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)量的增加。肥料對總磷投入的相對貢獻(xiàn)隨時間變化，在這12個國家中，肥料投入占總磷投入的比例從1961年的59%降至2007年的48%。在研究期間的頭20年里，肥料的使用比糞肥增長快。在過去20年里，肥料利用率和肥料使用量以相似的速度增長，這反映了畜牧業(yè)生產(chǎn)的增長和農(nóng)作物生產(chǎn)方式的強(qiáng)化。

1.1 貿(mào)易相關(guān)的磷流失 飼料和動物貿(mào)易的環(huán)境后果隨時間的推移而增加，這反映了貿(mào)易商品數(shù)量的增加和生產(chǎn)制度的加強(qiáng)。1961～2007年間，作為貿(mào)易作物組成部分的飼料作物有所增加，用于動物飼料的農(nóng)作物出口從1961年的43%增加到2007年的68%，其中最大的相對增長發(fā)生在巴西，從1961年到2007年，巴西飼料出口從2000 t增加到200000 t，占2007年農(nóng)作物出口的85%以上（周洪和周風(fēng)珍，2004）。因此，飼料作物貿(mào)易大大促進(jìn)了與進(jìn)出口有關(guān)的磷平衡。

出口商品中的磷含量和土壤磷平衡在一些國家（如巴西、澳大利亞、印度、阿根廷）高度相關(guān)，但在其他國家（如日本、荷蘭、法國、美國）不相關(guān)。在相關(guān)性很強(qiáng)的地方，因?yàn)殡S時間的推移，出口作物和畜禽產(chǎn)品的成分是恒定的，施肥率和作物產(chǎn)量之間是恒定關(guān)系。以巴西為例，自1972年以來，大豆占出口作物磷的80%以上，但在一些國家，耕作方式的改變改變了這種關(guān)系，導(dǎo)致貿(mào)易商品中的磷與土壤磷平衡之間缺乏相關(guān)性。如美國出口的作物組成相對穩(wěn)定，但在上世紀(jì)80年代和90年代，化肥使用量減少，導(dǎo)致美國出口與出口磷平衡之間缺乏相關(guān)性（Steinfeid等，2010）。

1.2 畜牧業(yè)對磷平衡的影響 飼料作物貿(mào)易的增加影響了進(jìn)口國家的有機(jī)肥供應(yīng)。飼料磷轉(zhuǎn)化效率低，意味著進(jìn)口飼料作物中約92%的磷在進(jìn)口國轉(zhuǎn)化為肥料（Tilman等，2001）。飼料磷進(jìn)口對土壤磷平衡的影響在耕地面積小、畜禽數(shù)量大的發(fā)達(dá)國家最大，如日本和荷蘭，估計(jì)分別有49%和41%的肥料來自于進(jìn)口飼料作物磷。Schipanski和 Bennett等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，以進(jìn)口為基礎(chǔ)的國家施用糞肥與作物磷流失之間的差異增大，而以出口為基礎(chǔ)的國家施用糞肥與作物磷流失之間的差異減小或沒有變化。進(jìn)口飼料與凈磷平衡之間沒有相關(guān)性，這表明肥料利用率可能降低了肥料投入。從這個意義上說，進(jìn)口國家既避免了與作物生產(chǎn)相關(guān)的磷過剩，又通過回收進(jìn)口飼料產(chǎn)生的糞便降低了磷肥的成本。由于畜禽系統(tǒng)中磷的產(chǎn)量高，畜禽產(chǎn)品進(jìn)口的增加導(dǎo)致1961年至2007年來源國遺留的肥料數(shù)量增加。對大多數(shù)國家而言，糧食進(jìn)口對凈進(jìn)口磷平衡的影響小于畜產(chǎn)品進(jìn)口。這與出口磷平衡形成了對比，在出口磷平衡中，與作物生產(chǎn)有關(guān)的肥料磷平衡比后來出口的牲畜產(chǎn)生的糞肥磷占凈出口磷平衡的比例更大。

2 農(nóng)業(yè)集約化

至少在過去的50年里，農(nóng)業(yè)集約化一直是全球現(xiàn)象。增加的磷投入支持了作物產(chǎn)量的增加，而發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家之間的磷平衡和產(chǎn)量差異隨時間的推移變得不明顯。盡管按照聯(lián)合國的定義，仍然將發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家的人均收入分開，但在許多指標(biāo)上，這兩個群體之間的差距在縮小（Harris等，2009）。經(jīng)濟(jì)全球化，特別是貿(mào)易自由化的影響，在不同地理尺度上高度不均衡。

磷過剩可能導(dǎo)致部分國家水質(zhì)退化，如荷蘭和美國的磷過剩導(dǎo)致土壤磷飽和及表層水體富營養(yǎng)化。相比之下，巴西增加的過剩土壤不大可能造成水污染，因?yàn)樵摰貐^(qū)大部分土壤具有高固磷能力（Hansen等，2002）。

3 貿(mào)易對磷資源利用的影響

由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的集約化，出口國水污染或土壤肥力下降的風(fēng)險增加，這取決于作物生產(chǎn)是在肥料過剩還是不足的情況下完成的。在貿(mào)易談判和國內(nèi)議程中很少考慮農(nóng)業(yè)貿(mào)易對環(huán)境的影響，而這些往往會刺激出口生產(chǎn)。在生產(chǎn)集約化的同時，農(nóng)產(chǎn)品和畜禽產(chǎn)品貿(mào)易允許生產(chǎn)和消費(fèi)部門在空間上分離或集中。有證據(jù)表明，農(nóng)業(yè)貿(mào)易促進(jìn)了生產(chǎn)集中在肥料磷肥使用效率更高的地區(qū)，這一發(fā)現(xiàn)可以被理解為支持一個中心理論，即貿(mào)易自由化可提高生產(chǎn)資源使用效率（Wolf，2004）。磷是一種礦物，有兩種潛在的來源，一是從世界上少數(shù)地區(qū)的集中儲備中開采出來的，二是轉(zhuǎn)化成可以在經(jīng)濟(jì)地長距離運(yùn)輸?shù)臐饪s肥料。植物從現(xiàn)有的土壤中吸收磷，這些土壤反映了與特定土壤類型相關(guān)的內(nèi)源磷水平，以及歷史上的磷肥和糞肥管理做法，這些做法可能增加或耗盡內(nèi)源土壤的磷儲量。

貿(mào)易有可能導(dǎo)致環(huán)境退化，這可能是因?yàn)樵趪窈怂阆到y(tǒng)中，土壤磷資源和肥料沒有被賦予貨幣價值。一些國家如阿根廷、中國、肯尼亞的負(fù)進(jìn)口磷平衡表明，由于耗盡內(nèi)源土壤磷資源，來源國的環(huán)境可能退化。磷的正平衡（特別是在日本等飼料作物進(jìn)口國）也顯示了環(huán)境退化的可能性，這種情況下，由于有限的土地資源，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施用了過量的肥料，導(dǎo)致磷過剩（Mason，1997）。

4 貿(mào)易對磷循環(huán)利用的潛力

Cordell等（2009）研究表明，區(qū)域?qū)I(yè)化和生產(chǎn)系統(tǒng)集約化的模式降低了磷循環(huán)利用的能力，這對畜禽影響比作物生產(chǎn)大，因?yàn)橹挥胁坏?0%的磷被轉(zhuǎn)化為可消費(fèi)的畜禽產(chǎn)品，而畜禽養(yǎng)殖的大部分磷都集中在糞肥中。肥料中的磷反映了來自不同來源的磷的再集中和再循環(huán)，這些來源包括已施肥的飼料作物和作物殘?jiān)B(yǎng)殖場和牧草及未施肥的牧場。畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的大量糞便受到一系列復(fù)雜因素的控制，包括管理系統(tǒng)和生物物理環(huán)境。畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)中的大部分磷可以通過農(nóng)業(yè)和牧場土壤循環(huán)利用（Chaneton等，1996）。但在封閉的畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)中，由于飼料作物和動物生產(chǎn)的物理分離，使大量磷的循環(huán)利用機(jī)會減少，因此，在一個經(jīng)濟(jì)肥料運(yùn)輸半徑內(nèi)，常常沒有足夠的土地面積來消化產(chǎn)生的肥料。因此，糞肥經(jīng)常被過度地施用于集約化動物養(yǎng)殖場周圍的農(nóng)業(yè)土壤中。出口的畜禽產(chǎn)品很可能是由更大、更封閉的系統(tǒng)生產(chǎn)，這些系統(tǒng)導(dǎo)致了出口國家當(dāng)?shù)胤柿狭走^剩（Hall等，2004）。Smaling等（2008）研究認(rèn)為，飼料作物貿(mào)易的增加對磷資源利用效率有很大影響。飼料作物貿(mào)易的經(jīng)濟(jì)可行性支持了畜禽養(yǎng)殖生產(chǎn)集中在土地有限的國家，如日本和荷蘭，這兩個國家的人均肉類消費(fèi)相對較高。由于畜禽養(yǎng)殖所消耗的飼料作物中90%以上的磷被作為肥料排出，因此，日本和荷蘭的磷過剩很大程度上是由進(jìn)口飼料作物造成的。