回顧“雙碳”目標背景下的農業技術創新

■文/王國強 王 楠

伴隨歷次技術革命和科學革命的發展，現代農業逐漸由化學化、良種化向生態化、低碳化方向發展。在“雙碳”目標背景下，探索和發展綠色技術和低碳技術，提高安全、優質的農業產品成為現在及未來世界農業的新生產模式。

力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和，是黨中央作出的重大戰略決策。農業生產的溫室氣體排放在碳排放總量中占有較大比重，聯合國糧食及農業組織（FAO）研究報告顯示，世界糧食體系占全球人為溫室氣體排放量的1/3 以上。中國作為農業大國，農業技術創新面臨巨大的挑戰。農業生產大體上經歷了原始農業、傳統農業和現代農業等3 個階段。原始農業生產動力主要是人力和少量馴化的大牲畜；傳統農業生產動力主要是鐵制農具的使用；現代農業的早期特征是以機器、電力為動力，以化肥、農藥、除草劑等作為生產資料。伴隨歷次技術革命和科學革命的發展，現代農業逐漸由化學化、良種化向生態化、低碳化方向發展。如何提高糧食產量和保證糧食穩定增長不僅一直是農業生產的主要問題，也是農業技術創新的主要動力，促使人們革新傳統農業的生產觀念，利用生物、化學等學科的科學理論不斷實現農業技術創新的突破。

化肥的誕生

幾千年來，世界各國都把有機肥料當作提高糧食產量的重要措施，并形成了“多勞多肥”觀念。但是，有機肥為什么能夠肥田？它在土壤中有什么變化？如何進入植物體？其有效成分是什么？直到17 世紀以后，隨著歐洲近代實驗科學的發展，這些問題才得到解決，促使了現代化肥的誕生。自1843年人類開始生產過磷酸鈣肥料以來，人造肥料已有170 多年的歷史。

●化肥理論的提出

實驗科學的誕生，讓人們認識到植物的生長要素除硝、空氣、水、土之外，還需要幾種不同的鹽類。1840年，德國化學家李比希（Justus von Liebig）出版了《化學在農業和生理學上的應用》一書，主張從土壤中取走的營養成分要重新歸還給土壤，反對“掠奪式”的農業方法。李比希認為，生物界與無生物（礦物）界之間存在著一種再生循環，植物吸收無機物合成有機物，動物攝取植物以維持生命，動植物死亡后經分解又回歸無機物質。根據這一觀念，李比希提出了他的農業化學的核心理論，即植物營養元素歸還說，賦予土壤肥力以科學的內涵。18 世紀以后，世界人口迅速增長，導致土地面積、作物產量與人口失衡的情況。1798年，英國經濟學家馬爾薩斯（Thomas R. Malthus）發表了著名的《人口理論》，他認為：人口的自然增長速度將超過農作物產量的增長速度，人們會覺察到“糧食危機”。1898年，英國物理學家克魯克斯（William Crookes）說，如果找不到新的肥料源，馬爾薩斯的預言將成為現實。因此，人們開始用新的方法尋找新的肥料源。

●磷肥、鉀肥和氮肥

化肥的發現與應用最早始于磷肥和鉀肥。19 世紀40年代，人們把骨頭粉碎后浸泡在硫酸里生產出過磷酸鈣。1842年，英國農學家勞斯（John Laws）發明了用磷灰石生產過磷酸鈣的方法。李比希從1845年開始著手進行化肥的試驗，用硫酸處理骨粉得到了可溶性的化合物。1850年，李比希把不溶性鉀鹽改為水溶性鉀鹽獲得成功，并獲得鉀肥的專利。直到19 世紀末，最大的磷肥來源是碾碎了的骨頭、骨粉以及鳥糞。自1889年起，北非的阿爾及利亞發現并開始開采磷酸鈣這類礦藏。第一次世界大戰后，在俄國和太平洋的瑙魯島上發現了更多的磷肥資源。到了1938年，磷酸鈣的世界年產量已達到1 300 萬噸。由于磷酸鈣不易溶于水，因而大部分被轉化成過磷酸鈣。與磷酸鹽不同，鉀肥（“鉀堿”，主要是氯化鉀）可在開采出來后被直接施用。19 世紀50年代后期，在德國薩克森的施塔斯富特發現了礦藏，鉀堿一直被德國壟斷到第一次世界大戰。

氮肥的發現始于20 世紀初，主要來源于硝酸鈉和硫酸銨兩個主要的“固定”氮（即化學結合狀態氮）形式。之前，氮肥主要是以天然礦藏形式存在，其中智利硝酸鈉（又稱硝石）的銷售和施用量一直居世界化學氮肥之首。20 世紀初，德國化學家能斯特（Walther Nernst）和哈伯（Fritz Haber）研究了氮的氧化物的熱力學平衡，取得了比電弧法更有效、更經濟的哈伯制氨方法，并因此獲得了1918年諾貝爾化學獎。同時，人們發明了用碳化鈣生產氰氨肥料，用氮和氫合成氨等重要方法。但是，在相當長的時期內，世界化肥產量中磷、鉀肥的產量高于氮肥，到20 世紀40年代末氮肥的產量才超過鉀肥，1960—1961年氮肥的產量首次超過磷肥。隨著農業生產的發展和對糧食需求的增加，氮肥的用量才逐漸增加。從20 世紀初開始，混合肥料的重要性也受到人們的普遍重視。直到20世紀20年代后期，多養分肥料僅僅是簡單地機械混合，在廉價的哈伯制氨法出現后，用過磷酸鹽氨化生產磷酸二鈣、磷酸銨和硫酸銨混合物成為通用方法。

1761年

人類首次應用硫酸銅處理種子防治小麥黑穗病。

1840年

德國化學家李比希出版《化學在農業和生理學上的應用》。

法國農業科學家布森戈首創無土栽培技術。

1842年

英國農學家勞斯發明用磷灰石生產過磷酸鈣的方法。

1850年

德國化學家李比希成功制取水溶性鉀鹽。

●化肥的作用

化肥是農業生產的物質基礎，不論是發達國家還是發展中國家，施用化肥都是最快、最有效、最重要的增產措施。根據聯合國糧食及農業組織的數據，發展中國家施肥可使糧食作物單產提高55%～57%，總產提高30%～31%。根據全國化肥試驗網的大量試驗結果，施用化肥可使水稻、玉米、棉花單產提高40%～50%，小麥、油菜等越冬作物單產提高50% ～60%，大豆單產提高20%。1986—1990年全國糧食總產的增產中有35%左右是因為施用化肥的作用。著名的育種學家、為“綠色革命”作出卓越貢獻的諾貝爾獎獲得者博洛格（Norman E. Borlaug）在1994年全面分析了20 世紀以來農業生產發展的各個相關因素之后，斷言“20 世紀全世界作物產量增加的一半是來自化肥的施用”。

農業對化肥的需求也進一步刺激了化肥工業的發展。就我國而言，新中國成立時只有南京的永利硫酸銨廠，新中國成立后逐步新建和擴充了一些化肥廠。20 世紀70年代，我國化肥工業有了長足的發展，新建小型化肥廠有1 000 多個，年產30 萬噸合成氨的大型化肥廠有10 多個，分布在全國各地。其中大部分是氮肥廠，也有一些磷肥廠。1981年，我國化肥總產量達6 097 萬噸，僅次于美國和蘇聯，居世界第三位。到了20 世紀90年代，因原料供應和進口等原因，我國化肥總產量有所下降。但是，1994年我國化肥總產量又升至世界第二位，總用量居世界第一位，有力地推動了國民經濟的發展。

中國從1901年開始使用化學氮肥以來，已有100 多年的歷史，使農業生產中作物營養的投入有了工業化的生產支撐，從而極大地提高了農作物的營養供應水平，顯著地提高了糧食產量。當然，長期使用化肥，對人類的身體健康、土壤結構、江河湖及地下水源等會產生一定的負面影響。化肥的出現，極大地改變了農業生產的方式，提高了糧食產量，為世界農業生產的進步發揮了巨大的作用。

1860年

德國植物學家薩克斯和克諾普創造了水培法。

1901年

中國開始使用化學氮肥。

1905年

德國化學家哈伯發明哈伯制氨法。

1929年

美國植物營養學家格里克將無土栽培技術用于蔬菜生產。

1932年

法國發現了第一個有機除草劑二硝酚，除草劑步入了有機合成階段。

農藥的出現

世界農藥經歷了從20 世紀初的無機農藥時代到20 世紀40年代的有機合成農藥時代，實現了農業創新的第一次飛躍。20 世紀70年代，隨著人類對環境越來越重視，農藥開發進入了高效、低毒、生物農藥的新時代。

●早期農藥

農藥使用的歷史可追溯到公元前1 000 多年。在我國《齊民要術》和《本草綱目》中就記載了用植物、礦物性藥物進行殺蟲、防病、滅鼠的方法。最初用于防治作物病蟲害的多為無機化合物。1761年，人們首次應用硫酸銅處理種子防治小麥黑穗病。1807年，法國人普雷沃（Bénédict Prévost）發現硫酸銅可以殺滅真菌。1885年，法國植物學家米亞爾代（Pierre M. A. Millardet） 發明了用硫酸銅和生石灰配制的波爾多液。1891年，德國貝克吉利尼化學公司正式投產無機汞殺蟲劑。1895年，硫酸銅被用于霜霉病、枯萎病和葉斑病防治。1906年出現了砷化鈣，以及亞砷酸酐、亞砷酸鈣等無機化合物。1915年，美國昆蟲學家謝弗（George D. Shafer）發現氟化鈉可用于防治蜚蠊。1929年，美國昆蟲學家馬爾科維契（Simon Markovitch）用氟鋁酸鈉防治瓢蟲。后來，無機氟殺蟲劑陸續出現。

●有機合成農藥

有機合成農藥的推出是人類同生物病蟲害作斗爭的產物，是現代合成農藥的繼承與創新。瑞士化學家米勒（Paul H. Müller)在有機合成農藥方面作出了卓越貢獻。1935年，米勒開始研究合成殺蟲劑。他認為，理想的殺蟲劑應對昆蟲有劇毒，中毒迅速，殺蟲范圍廣泛，而對哺乳動物無毒或只有微毒，無刺激性，且價格便宜、經濟實惠。1939年，他研制出三氯代甲基，接著又研制出它的各種衍生物。在蛾類胃毒劑的啟示下，他合成了雙對氯苯基三氯乙烷（通常縮寫成DDT），1940年獲得專利。事實上，早在1874年奧地利化學家蔡德勒（Othmar Zeidler）就曾合成過DDT，只是當時不知道它的殺蟲作用。瑞士立即用它來防治馬鈴薯甲蟲。1942年，美國進行試驗，證實了DDT 的良好殺蟲作用，并廣泛應用于農業、畜牧業、林業及衛生保健事業，米勒也因此在1948年獲得諾貝爾生理學或醫學獎。20 世紀70年代，由于殘毒對環境的污染以及害蟲抗藥性的出現，許多國家已明令停止生產和使用DDT，但其在歷史上的功績不可磨滅。

1937年

德國拜耳藥廠的施拉德爾首次合成了有機磷酸酯殺蟲劑。

1939年

瑞士化學家米勒合成了殺蟲劑DDT（滴滴涕），20世紀70年代DDT 被多國禁用。

1949年

美國植物生理學家溫特主持創建世界上最早具有規模的人工氣候室。

1967年

美國威斯康星大學建立了當時世界上規模最大的綜合人工氣候室。

1977年

中國在上海建立了第一座較大的綜合人工氣候室。

北京玉淵潭建造了我國自己設計的第一座大型連棟溫室。

自DDT 出現后，農藥進入有機合成的新階段。由重金屬汞、銅、錫以及非金屬元素砷、磷等合成的有機農藥相繼出現。有機汞殺菌劑有磷酸乙汞、氯化苯汞、醋酸苯汞、碘化苯汞等。有機銅比無機銅對作物藥害小，是一種廣譜殺菌劑，主要有環烷酸銅、苯硫酸銅、克菌銅、氯萘醌酮、胺磺銅、喹啉銅等。錫基的殺菌劑有三苯基氫氧化錫、三苯基乙酸錫、三苯基氯化錫。有機砷殺菌劑有福美胂、田安、甲基胂酸鋅等。在有機合成農藥的研究過程中，德國化學家施拉德爾（Gerhard Schrader）合成的有機磷殺蟲劑在農業生產中發揮了重大作用。1937年，德國拜耳藥廠的施拉德爾首次合成了有機磷酸酯殺蟲劑。有機磷殺蟲劑有親油性、滲透性、適用范圍廣等特點，殺蟲機理主要是神經機能阻礙。1944年，施拉德爾發現了二乙基對硝基苯基硫代磷酸酯（又名對硫磷），這種農藥可以說是有機磷殺蟲劑化學結構和活性關系的起始，在農藥發展上有重大的意義。

●除草劑

除草劑的產生和發展對提高農業勞動生產率發揮了重大作用。20 世紀初期，法國、美國曾采用硫酸銅防除雜草，是農田化學除草的開始。1932年，法國發現了第一個有機除草劑二硝酚，除草劑步入了有機合成階段。1941年，美國化學家波科爾尼（Robert Pokorny）報道了2,4-二氯苯氧乙酸的合成。1942年，美國植物學家齊默曼（Percy W. Zimmerman）和希契科克（Alfred E. Hitchcock）最先報道了2,4-二氯苯氧乙酸對植物生長的調節作用。1944年，美國植物生理學家馬特（Paul C. Marth）和米切爾（John W. Mitchell）、美國植物學家哈姆納（Charles L. Hamner）、美國園藝家圖基（Harold B. Tukey）報道了2,4-二氯苯氧乙酸的除草作用，明確了2,4-二氯苯氧乙酸能有選擇地從早熟禾的草場中除去蒲公英、車前草等闊葉雜草。后來又相繼出現了2,4,5-三氯苯氧乙酸和其他多種類型的除草劑。這類除草劑通常是直接噴在作物和雜草上，通過擾亂易受該除草劑影響的植物的正常生理過程，使其發生大小不正常的增生和畸變，最后導致植株死亡。除草劑使用中一般都具有自己的選擇性、使用方法和使用范圍等特性。20 世紀60年代到90年代，全世界的農藥處于蓬勃發展的時期。30年來，不僅農藥銷售額大幅度提升，而且農藥結構也發生了明顯的變化。具體來說，就是除草劑在整個農藥銷售額中的比例迅速攀升，從1960年的20%上升到1991年的44.4%，居各類農藥之首，由此可以看出除草劑在提高糧食產量中的作用。

農業生產工廠化

工廠化農業是指在人工受控條件下，運用先進科學技術進行農作物生產，具有更突出的產業化、商品化、信息化、規模化特點，可以擺脫或部分擺脫自然條件的制約，在一定程度上真正體現出人類在農業生產活動中的主導作用。

●工廠化農業的誕生

工廠化農業起步于蔬菜的無土栽培。在第二次世界大戰期間，英國和美國軍人就曾在荒島上采用無土栽培技術生產蔬菜以供軍需。1840年，法國農業科學家布森戈（Jean B. Boussingault）首創利用砂礫等培植植物的無土栽培技術。1860年，德國植物學家薩克斯（Julius von Sachs）和克諾普（Wilhelm Knop）創造了水培法。無土栽培試驗揭示出各種營養成分和植物生長發育的關系，無土栽培技術從試驗方法逐漸發展成生產技術。1929年，美國植物營養學家格里克（William F. Gericke）開始將無土栽培技術用于蔬菜生產，曾使番茄獲得高產，獲得高7.5 米、單株產量達14 千克的植株。無土栽培的優點是可以完全在人工控制下進行生產，不受地方的限制，規模可大可小。

隨著人們對農業環境調節控制認識的逐漸加深，溫室技術變得越來越成熟。1949年6月，在美國加利福尼亞理工學院埃爾哈特植物研究實驗室內，由植物生理學家溫特（Frits W. Went）主持創建世界上最早具有規模的人工氣候室，在番茄生長發育測定方面的精密試驗取得重要成就。1967年，美國威斯康星大學建立了當時世界上規模最大的綜合人工氣候室，面積達5 000 平方米。1967年，中國在上海建立了第一座較大的綜合人工氣候室。隨著科學技術的發展、社會經濟的繁榮、鋼鐵及化學工業的振興和石油的廉價開發，全世界的溫室發展加快，并向材料結構現代化、環境控制現代化、規模面積大型化的方向發展。從20 世紀60年代起，人們開始把植物對自然環境的適應性和抗御能力的基礎研究和應用研究的成果應用于農業，建成了比人工氣候室簡單、成本較低的生產型溫室，如奧地利首先建成了番茄加工廠。20 世紀70年代以后，荷蘭、美國、日本、英國、以色列等紛紛致力于工廠化設施園藝的研究開發，并取得重要成就。在這些國家中，工廠化農業已經發展成為多種學科技術綜合支持的技術資本密集型產業，它以高投入、高產出、高效益以及可持續發展為特征，成為國民經濟的重要產業。

●中國的工廠化農業

我國溫室農業歷史悠久，早在公元前221—206年就曾有“冬種瓜于驪山陵谷中溫處，瓜實成”的歷史記載。20 世紀30年代，我國開始發展玻璃溫室技術。20 世紀50年代以后，工業化的發展促進了塑料產業化的進步，推動了我國塑料溫室的發展，開始了以塑料取代玻璃的溫室發展進程。

20 世紀70年代，我國開始了工廠化農業的研究和開發。1977年，北京玉淵潭建造了我國自己設計的第一座大型連棟溫室，占地1.9 萬平方米。自20 世紀80年代起，我國先后從日本、荷蘭、美國、保加利亞、以色列等國家引進現代化溫室29 套，總面積為34 萬平方米，其中60%用于蔬菜生產、40%用于花卉苗木生產，在北京、上海、黑龍江、遼寧、廣東等地形成了工廠化農業生產的雛形。1982年，上海市農業局組織在嘉定縣長征大隊等處建成了我國第一批裝配式現代化溫室，共4 座，總面積為4 644 平方米。

20 世紀90年代中期，隨著改革開放的不斷深入，我國現代溫室快速發展。1995年，中國政府與以色列政府合作，在北京通縣永樂店農場建立了“中以示范農場”，引進了1.2 萬平方米以色列現代化溫室成套技術。至1998年，我國共引進溫室175.4 萬平方米，主要類型有單屋脊和雙屋脊的大型連棟玻璃溫室及其配套設備。“九五”期間，科技部將“工廠化高效農業示范工程”列入“九五”國家科技攻關重大產業化工程項目計劃，在北京、上海、沈陽、杭州、廣州、天津等地設立了6 個示范區組織實施，同時各地也開展了相關領域的深入研究。到2000年為止，包括引進溫室在內，我國共擁有現代化溫室約700 萬平方米，并且以每年100 萬平方米的速度快速發展。

技術創新一直就是一把雙刃劍，化肥、農藥以及工廠化農業的發展在帶來糧食大幅度增產的同時，也付出資源的極大消耗和環境污染等代價。這種“石油農業”的弊端就是大量投入無機肥、農藥，而大型機械的使用以及生產資料的生產消耗了大量的能源，不符合可持續發展的原則。正是在這樣的背景下，探索和發展綠色技術和低碳技術，提高安全、優質的農業產品成為現在及未來世界農業生產的新模式。現代農業創新既是一種技術上的創新，也是一種制度上的創新，“低排放、高收益”的新要求會有力地促進現代農業的轉型升級。