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化肥污染:考验地球承受力

2018-06-01
 
当过量的化肥从土地流失,本该供给植物生长的“营养”就成为了湖海杀手。
 
2017年6月山东青岛,工人们用铲车清理海滩上的海藻。图片来源:SIPA Asia/ZUMA Wire/Alamy Live News
 
编者注:本文是系列文章中的第一篇,旨在探讨跨越海洋系统 “临界点”可能导致的迅速、剧烈且不可逆转的变化。
 
黄海岸边漂浮着的海藻层层堆叠,看起来好似绿色的积雪。这些堆积如山的藻类已经成为中国沿海海洋污染的鲜明标志。在受影响最为严重的山东省青岛市,当局甚至动用推土机来清除海滩上数千吨的藻类。
 
海面上每年都有藻华大面积爆发的现象,但不经常蔓延到海滩上。黄海上最大面积的藻华出现在2013和2017年,近3万平方公里的沿海水域(相当于朝鲜领土面积的四分之一)被海藻覆盖。
 
绿色怪物
 
中国面临着海藻带来的问题。藻类大多无毒,尚未死亡堆积的海藻还可以作为景色吸引游客,但这种微小的海洋植物仅有几天的寿命,且分解时会消耗海洋中的氧气,并且散发出恶臭,形成几乎没有生命的死亡区。
 
海洋中存在自然形成的死亡区。但中国海岸线上的死亡区主要是氮等营养物质过剩造成的。氮的来源有很多,例如发电站和汽车尾气排放到空气中的氮氧化物,以及随着河流进入海洋的未经处理的污水、来自增长迅速的牲畜养殖场的粪肥、以及农民施在田间的过量的化肥。
 
为了养活全国超过13亿人口,中国农民单位土地面积的化肥施用量是世界上最高的,比其他国家高出200多公斤。这个数字是欧洲的两倍,也是上世纪60年代中国单位土地面积化肥施用量的50倍。
 
20多年前,美国环保主义者莱斯特·布朗在一本具有警示意义的书中问道“谁来养活中国?”。最终中国实现了粮食自给,但这建立在大量的化肥之上。中国的化肥使用量占目前全球总量的30%,而其中越来越多的化肥并没有被作物吸收,而是被冲入排水沟,随着河流进入海洋。
 
农民面临的问题是,化肥的作用遵循收益递减的规律。对于已经几乎肥料饱和的土壤来说,所增加的肥料中,被农作物吸收的越来越少,冲入河里的越来越多。如果肥料足够便宜,农民仍有利可图,但环境遭受的损失会越来越大。
 
海南遵谭的一个农民在田里施话肥。图片来源:Liu Feiyuan / Greenpeace
 
营养物过量
 
这里的衡量标准是氮利用率——即植物所能吸收氮元素的比率。马里兰大学张鑫教授近来一项研究估计,中国的氮利用率仅有25%,居世界末位。全球的平均值为42%,美国为68%。
 
此外,半个世纪以来,中国一直在努力提高农业产量,随之而来的是氮利用率的持续下降。张鑫估计1961年中国的氮利用率为今天的两倍,大概在60%左右。
 
无独有偶,大多数发展中国家也试图提高产量,所以氮利用率也出现了下降。过去20年间,印度的利用率指数从40%降至30%,撒哈拉以南非洲使用化肥较少,所以指数仍然很高,但这种情况可能不会长久。
 
中国的氮利用率比其他国家下降更快的原因在于其氮肥的用量更大,这是因为化肥生产有专门的政策补贴造成的。
 
另一个原因在于中国的农作物结构。上世纪80年代以来,中国的水果和蔬菜产量出现大幅增长。这些作物本身的氮吸收率就不高,而目前水果和蔬菜种植占中国氮肥使用量的30%。另一方面,中国从国外,尤其是巴西进口大量大豆作为牲畜饲料,而大豆的氮利用率恰恰非常高。
 
致命海草
 
在中国,大量氮元素进入河流的影响十分严重,包括5大湖泊在内的三分之一的淡水湖泊都出现了藻华,从山东到珠江,氮元素过剩造成河流中鱼类死亡。海洋也难逃一劫。
 
黄海海域沿岸及长江口是海藻高发区。图像来源:百度地图
 
除了黄海的藻华,中国另一处反复出现的海洋死亡区位于东海的长江入海口附近。2013年这片海域估计损失了500万吨以上的氧气。科学家认为东海鱼类减少与藻华爆发、以及未能禁止拖网捕捞,使得鱼类种群得不到恢复都有关系。
 
除了通过河流进入海洋的氮肥,一些人还把死亡区的出现归咎于海草养殖业。中国东海沿岸海域有着大面积的紫菜养殖场,产量占全球三分之二。令人担忧的是,春天养殖户处理海草垃圾时,会直接扔进海里,任其腐烂,消耗氧气。
 
但另一方面,活体海草在生长过程中会吸收周围海水中过量的营养物质。所以如果能解决养殖场的垃圾问题,海草也不失为一个解决海水养分过量的方法,浙江大学的肖溪副教授说。
 
根据肖溪的计算,把海草养殖场的面积增加17倍就足以吸收目前中国海域内过剩的氮。
 
全球问题
 
海洋、以及其他环境中氮肥过量正迅速成为全球性问题。全球农场每年消耗1.2亿吨合成氮肥,这些是利用哈柏法通过固化空气中的氮元素制成的。这一数字是动物粪便、农作物残留或者固氮植物等天然氮肥的两倍。
 
全球超过一半的合成化肥都是在过去30年间使用的,但这1.2亿吨肥料中只有约5000万吨被植物吸收,其余都进入了更广阔的环境中,最后大多都到了海里。
 
 
难怪死亡区正在成为一个日益严峻的全球性问题。从东中国海到波罗的海和黑海,再到墨西哥湾,人类已经发现500多个死亡区。1950年以来,沿海水域的死亡区面积增加了10倍。
 
全球范围的沿海地区(红点)由人为营养物质加剧导致氧含量下降出现低氧气区(Hypoxic areas)来源: Breitberg et al. Science 2018
 
分析“地球界限”(一旦超出这一界限,人类活动就可能导致“突然且不可逆转的环境变化”)的科学家称,氮污染是已经被突破的四个“地球界限”之一(其他三个分别为森林砍伐、气候变化和生物多样性的丧失)。
 
联合国环境署和世界银行的“全球环境基金”已经发起了一项旨在减少氮浪费和环境污染的全球战略,即“国际氮管理系统”。该系统将于2021年下半年报告工作成果,其中很有可能包括的政策建议有呼吁加强污水处理和粪肥回收、减少食物浪费、以及大力提高农场的氮利用效率等。
 
而针对最后提高农场氮利用效率这一点就需要培育氮利用率更高的水稻和小麦等主要作物植株,并且找到替代目前喷洒式的施肥方式,采用更加精准的农业,根据作物的需要,定时定点地施肥,而这就需要一方面对作物进行实地监测,以便让农民知道施肥的准确时间和用量,另一方面要非常精确地将肥料施加在农作物根部附近。
 
值得庆幸的是,历史经验显示,中国的氮利用率可能已经触底。大多数工业化国家的化肥利用率都开始好转,而且损耗也减少了。美国和欧洲都在1970年左右触底。美国现在用的肥料虽然少了,但多数情况下农业产量却比以前要高,张鑫说。
 
田间试验表明,中国粮食作物的肥料施用率可以在丝毫不影响产量的情况下减少四分之一。但这一转变可能要依靠政府的政策才能实现,例如减少化肥补贴,不再鼓励农民为了获得稍高的产量而施用更多的肥料。
 
北京方面已经认识到了这项任务的紧迫性。2017年底科学家们得出结论,政府在2020年之前(通过更加精准有效地施用肥料)实现化肥使用零增长的目标已经提前3年实现。与此同时,政府于4月公布了防止大型固定污染源中氮磷污染进入重点流域的通知。
 
张鑫建议,为了让氮肥使用重回地球界限的安全范围内,需将全球氮利用率从42%提升至70%。为此,欧洲和北美可能需要提高至75%,而中国则需重新回到其1960年代初60%的水平。
 
中国海洋的未来将取决于此。
 
 
翻译:金艳
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