生態效率作為優化有害生物治理可持續性的策略

孫 鄭，盧日輝，徐漢虹 編譯

（華南農業大學 天然農藥與化學生物學教育部重點實驗室，廣州510642）

在發達國家，糧食生產已經實現高度工業化，農藥的常規使用是其重要組成部分，特別是除草劑的施用。現代糧食產量的增加很大程度上是由于大量使用化學農藥和化肥，因此二者對糧食生產與糧食安全至關重要，它們的使用每年為美國增加約400億美元收益。但是農藥使用引起了很多負面問題，對野生動物、授粉昆蟲和人類健康都有較大影響。在美國，每年為解決化學農藥負面影響的費用估計已超過100億美元。因此，需要不斷整合其他有害生物管理措施支持可持續農業。

農業對農藥的依賴形成了惡性循環：有害生物抗藥性增強，有害生物大爆發，繼而農藥用量增大，又使抗藥性進一步積累。為解決這個問題，有害生物綜合治理（IPM）逐漸發展起來。IPM是一套綜合管理系統，基于成本效益的分析，將生產者、社會與環境影響納入考慮范圍，以選擇或使用有害生物防治技術，將其整合到防治總體布局中。使用IPM的策略是將農藥和其他管理措施的比重調整至經濟合理，以及對人類健康和環境風險最低的程度。但采納IPM的進度慢于預期，還可能受協調不暢和未被優先選擇所限。在某些情況下，政府可能會采取政策積極鼓勵IPM，特別是在歐洲。然而IPM是一種復雜的、具有區域特異性的系統，難以商業化，不像農藥能通過制造商、分銷商、經銷商這樣的銷售網絡交到農戶手中。此外，由于IPM的實際應用在個案基礎上有所不同，而且有著開放的解讀，所以很難對IPM進行定義與量化。目前也同樣沒有統一的方法來衡量IPM的應用對人類健康、農藥減量以及在有害生物管理中對環境和經濟方面的影響。比如一些研究表明，IPM措施減少了農藥用量，而另一部分研究表明，IPM措施增加了農藥用量。未能減少農藥使用的部分原因有缺乏生物源的農藥替代品，以及因為害物監測預警可能導致的農藥用量增加。

缺少IPM應用，IPM商業化的困難以及一些IPM項目無法減少農藥用量，這些因素綜合在一起，往往導致農藥的生產、廣泛應用、社會關注和監管的不穩定循環，這被稱為農藥困境（圖1）。農藥困境具有社會-生態系統循環的特征，在循環中，⑴ 新化合物被登記，發現非常有效（例如新煙堿類農藥），⑵ 由于其效果好得到廣泛使用，⑶ 廣泛使用導致出現抗藥性和環境污染，⑷ 抗藥性與環境污染致使防效降低、監管嚴格和/或產品登記的可能損耗。解決這一困境的辦法是讓防治人員、監管者理清需要優化的：害物管理的效率，應用農藥的積極影響（即提高作物產量和可承受力）最大化，環境影響等負面影響最小化。Roger D Magarey等認為，IPM措施支持這種優化，而將生態效率作為需要優化的主要量加以闡明，進而將增加對IPM的認識和應用。因此，本文建立一個農藥使用的生態效率指數，通過激勵IPM的研發和應用來減少農藥的外部效應（externalities）。

1 什么是生態效率？

生態效率是指產品價值與對環境造成影響之間的成本效益比，是可持續性地增加生產同時減少生態系統負面外部效應的策略基礎。相關研究最初側重于投入和產出的比較，但現在研究已逐漸發展到產品對環境的負面影響。生態效率用生命周期分析來比較農用化學品（包括農藥）生產方法的可持續性，從而使化學品生產對環境產生較小影響并降低生產成本。使用生命周期分析比較不同的生產方法，根據它們對能源需求、廢棄物的產生與排放、材料消耗、毒性和風險等因素進行綜合評價。生態效率理念的基礎是生態效率指數，它可用于量化評價和比較不同生產方法的環境影響和生產成本。

圖1 農藥困境

本文探討生態效率（一個成功的農用化學品生產策略）是否也可以用于農藥使用，從而使得每個環境影響單元對植物保護更有效率。生態效率不是IPM的替代品，而是農業可持續生產的量化因素，因此有利于IPM應用。提高農藥使用的生態效率可能更具有挑戰性，因為它涉及到多方的利益。農藥的使用主要由種植戶和農業專家所決定，他們的決定受農業供應鏈中市場銷售因素，以及消費者對無農藥食品需求的影響。在現行制度下，農化企業通過銷售農藥追求利潤最大化。農業專家與種植戶通過使用農藥增加作物產量，減少病蟲害和雜草造成的產量損失追求利潤最大化。這促使農戶大量地、預防性地使用農藥，從而造成了對人類健康和環境的負面影響。生態效率可以用于解決這個問題，解決方法是在制定有害生物治理決策時將環境影響作為一個額外的優化因素。雖然農藥的使用決策主要是由種植戶和農業專家做出的，但農藥濫用的環境影響是整個行業都關注的熱點問題，大部分農業利益相關者應該參與建立生態高效的最佳防治策略。生態效率為農業工作者提供了一個工具，用于了解哪里需要改進，并找到環境友好型防治技術的亮點。

當農藥在田間使用時，對人類健康和環境構成了負面外部效應——該效應不是由單個公司或種植戶承擔，而是由共享受影響資源的更大群體承擔。政府與社會已通過農藥監管、應用IPM以及市場機制（有機認證等機制與產品）來控制減少農藥的使用，減少負面外部效應的產生。由于植物保護決策和農藥配送網絡的復雜性，提高生態效率的任務十分艱巨，這要求任何提高生態效率的工作與目標都需要給予適當激勵，以實現針對性的改進。制定這些目標的過程本身可能會推動投資者對IPM開發和應用進行研發、技術創新以及對業務流程（以及可能的市場機制）進行改進。生態效率目標為農業的眾多領域提供了一種激勵和創新的方式。然而，在采用生態效率、實現生態效率的目標方面存在許多挑戰。這些挑戰包括確定最適合的生態效率指數，獲得利益相關者對提高生態效率的支持，研究提高生態效率的最有效機制，并為應用這些機制提供激勵措施。在下一節中，本文將提出一個可能的生態效率指數，然后在最后一節中說明實施的挑戰。

2 提高生態效率的3個挑戰

為了優化生態效率，需要克服3個挑戰。首先，需要確定一個能被大多數應用者認同的生態效率指數。其次，為提高生態效率建立目標需要利益相關者的足夠支持。最后，需要找出能夠提高生態效率的方法。

本文建議建立一個相對農藥生態效率指數，由農藥或防治措施使用過程中，產生積極影響和消極影響的比值決定指數的大小。比值的分子可以簡單地定義為單位作物產量。對于分母，一個現有的易于計算和具有靈活性的參數將是一個合理的選擇。諸如風險商（RQ）方法之類的參數可以作為合適的候選。RQ提供了一種簡單的定量方法，通過計算農藥濃度與毒性比率的閾值來評估風險。根據對哺乳動物的毒性，可以計算出人類健康的RQ值，而野生動物和傳粉動物的RQ值等其他數值，可以在特定的環境問題需要時計算出來。基于毒性的RQ值已被證明與使用環境暴露評估模型計算的結果顯著相關，證明了該方法的有效性。采用RQ值避免了與風險因素的縮放和加權相關的漏洞，這些漏洞被認為是更著名的環境影響指數（EIQ）的主要缺陷。其他可供選擇的參數還包括農藥風險緩解引擎（PRIME）、用于化工生產和農田管理生態效率研究的毒性指數、農藥稅、可持續性和估算農藥生產率的計量經濟學方法。盡管一些研究人員將每公頃使用農藥的平均成本用作參數，但是有局限性，主要因為：（Ⅰ）成本隨時間和通貨膨脹的變化而變化，（Ⅱ）各國的貨幣不同，（Ⅲ）該參數是相對的，（Ⅳ）農藥使用的絕對外部成本可能會引起很大爭議。這些參數的使用是相對的，在給定的條件下可計算相關的數值。例如，在一個作物系統中，產量的變化在同等條件下是可比較的。該參數值最好以一個比率來表示，將收益和成本整合在一起，例如[作物保護的產量]/[綜合有害環境影響]。2個或2個以上的研究對象的生態效率間的比較與優勢比類似，便于在農藥及農藥施用方法的生態效率研究中進行統計與判斷。

第二個主要挑戰是獲得利益相關者的足夠支持，以制定改善生態效率的目標。美國國家環境保護局（EPA）建立的切薩皮克灣（Chesapeake Bay）最大總日負荷量提供了一個如何設定和實現目標的可能范例。紅藻的大量爆發和大面積死亡形成的污染，讓切薩皮克灣的環境問題令人擔憂。EPA制定了一個管理策略，目標是減少20%～25%的氮、磷和沉積物的污染，并已在2017年前完成目標的60%，剩下的部分將在2025年之前完成。管理方案基于流域模擬模型建立，因此使水華難以在夏季發生。該策略還得到了來自農民、房產商、政府、當地官員、民間團體和環保倡導組織等利益相關者的投入。在農藥負荷的概念已經使用的情況下，類似的方法在植物保護中能起作用嗎？本文認為，解決這一挑戰的最有效方法是選擇受到廣泛關注的被農藥問題影響的農產品，例如早餐谷物。同時將生產鏈中涉及的所有利益相關人員聚集在一起，包括農戶、農業專家、農藥零售商、農藥生產供應商、食品行業，以及專業推廣人員和研究人員的參與。第1步將是根據當前農藥使用情況和社會關注度調整農藥生態效率指數，例如農藥殘留是社會主要關注點，則強調農產品的毒性。其次，需要設定目標，目標的實現可以解決社會最為關注的問題。參照在切薩皮克灣案例中設置最大總日負荷量（TMDL）最大限度地減少水華形成的例子，需要通過建立模型設置農藥生態效率指數（PEEI）以最大限度地減少農藥殘留。第3步是確定哪些農藥和防治措施對PEEI評分和農藥殘留的影響最大。第4步是確定在不同區域優化生態效率的最有效機制。舉例來說，如果發現除草劑是農藥生態效率指數和作物農藥殘留的最大影響因素，那么可以使用什么策略來替代該產品或在不影響作物產量的情況下減少用量？答案通過以下4種途徑可以找到：（Ⅰ）市場機制，（Ⅱ）業務實踐，（Ⅲ）技術創新和（Ⅳ）調查研究。繼續在谷物種植中使用除草劑的例子，是否可以開發一種市場機制，比如設計一種無除草劑谷物的標簽？這些產品是否有更高的利潤？如果答案是肯定的，那么是否可以改進田間管理方法以減少除草劑的使用。再比如增加對田間情況的實地調查是否可以減少農藥不必要地使用？如果答案是肯定的，那么像電動除草機根據雜草實時監測技術進行精準噴施之類的技術創新在田間是否適用，或者使農戶可以負擔得起？如果所有這些問題的答案仍然是肯定的，那么就需要研究解決這些問題。下面本文將更詳細地討論上述4種途徑。

以市場為基礎的機制使得植物保護更具有生態效率，并促進了IPM的使用，特別是在歐美。生態效率可以為減少農藥使用的現有市場機制提供替代或補充，例如有機食品和各種農場的認證計劃，這些機制可能會減少農藥殘留，但會使生產成本提高，并且對市場準入造成更多障礙。此外，新的機制可能受到消費者和生產者的認識與需求的限制，最新的技術成果并不是全都被他們所接受，比如有機認證限制了一些對環境友好的農藥的使用。生態效率指數可以讓傳統種植戶更易選擇最環保的合同與服務，這樣農業公司就會逐步提高他們的生態效率。反過來，消費者可以使用這些生態效率指數來選擇最環保的產品，而投資者則可以向最具生態效率的公司投資。

商業手段的改進也可以提高生態效率。目前，農藥銷售占了農戶與農業供應商之間商業活動的絕大部分。然而，轉換到服務類的商業模式，可以更好地實現生態效率目標，這種模式可以激勵IPM等不依賴農藥控制有害生物的方法的應用。施樂（Xerox）和羅爾斯羅伊斯（Rolls-Royce）等公司已經采用了這種服務模式，后者出售“按時計費服務”，而不是簡單地只銷售發動機。農業公司按土地面積收取防治費用這種基于農業服務的模式，會使公司不能通過銷售農藥賺取利潤，這鼓勵了農藥合理使用，IPM會更受大眾歡迎。

提高生態效率的第三個方法是技術創新。生態效率目標能夠鼓勵農業公司與科學機構將研發力量集中在對環境更加友好的項目和產品上。農業的技術創新是十分迅速的，如轉基因作物、無人機、病蟲害預測預報和精準農業等。目前，這些創新技術主要是為了提高作物產量，減少作物損失，或使農業生產更加綠色可持續。生態效率激勵措施可以加速這些技術的推廣。這在數字技術等領域可能更為有效，在這些領域里，盡管精準農業正在興起，但農業整體水平仍落后于其他行業，因此研發推廣新技術更有應用前景。數據共享領域，例如對有害生物檢測與預警的數據共享，是生態效率目標有助于促進新技術應用的另一個實例，特別是在大空間尺度的數據共享方面更有發展前景。

最后，需要通過研究來解決生態效率的一些難以克服的問題。研發更具生態效益的新型或替代性的作物種植系統。預期的生態效率值可以作為評估研究方向的參考，但對于某些技術或防治策略而言，這些參數值難以確定。當存在不確定性時，可以使用參與式建模來了解各種措施如何影響生態效率，這些措施包括農藥稅、IPM應用補貼和生物農藥的使用等。部分個案研究已經成功完成，而且生態效率指數對于這些案例至關重要。但是，還需要進一步研究證明生態效率較高的有害生物治理方案不會降低作物產量和質量。最后，如果生態效率可以鼓勵IPM應用，那么提高農藥使用效率可以降低因抗藥性積累而引起的產品棄用，進而可以延長農藥產品的壽命，節省數百萬美元的新農藥開發成本。

3 結論與討論

生態效率概念解決了布魯爾（Brewer）和古德爾（Goodell）所描述的推廣IPM的困境。目前，采用IPM是為了減少不必要的農藥使用，長期優勢是減緩抗藥性積累和提高農業整體可持續性，但對經濟的直接好處卻很少。通過量化IPM應用對提高作物生產和減少農藥外部效應的優勢，如果對綠色食品的需求繼續增長，從業者可以通過提高生態效率的機制增加經濟效益。生態效率激勵策略必須與種植者理想的最優方案進行競爭。植物保護行業的利潤水平依賴于農藥銷售。生態效率使植保行業有機會自我監管，減少可能發生的關鍵農藥的利潤損失和環保相關訴訟頻率。因此，生態效率激勵這些利益相關方推動具有最少負面影響的有害生物防控技術應用。此外，生態效率提供了量化數據，可用于促進農業公司的環保行動和生態友好措施，潛在地提高公司的市場價值。特別是具有高度社會責任感的公司，環境負面因素對其股市影響較小。

農藥生態效率指數也可以作為一個對公眾和利益相關方說明農藥減施對環境影響的有力工具。自1962年《寂靜的春天》出版以來，公眾輿論一直十分關注農藥的使用。自那時起，美國采取嚴格的監管措施，如1970年成立了美國環境保護局、1996年《美國食品質量保護法》的通過等，其他國家也有類似的行動。科技的平行發展趨勢促使了有機氯、有機磷、氨基甲酸酯、擬除蟲菊酯和新煙堿類農藥的發現，減少了農藥對環境的影響，同時增加了農藥的靶標特異性。數據有效性是統計歷史數據時需要考慮的問題。在美國，國家農業統計服務機構從20世紀90年代開始收集農藥使用數據，在此之前，可能需要使用農藥推薦用量等其他數據作為替代數據。歷史數據可以對農藥的使用進行定量調查，并為環境影響的變化趨勢制定相應的監管政策。農藥的使用可能是杰文斯（Jevons）悖論的一個重要的當代范例，公眾接受度的上升導致農藥的需求以及農藥用量的增加，因此，IPM的效益與增加農藥使用量相關。

最后，還有幾個方面的改進是不容忽視的。在未來，理想的指數將考慮所有農藥使用產生的負面外部效應，以及直接由農藥毒性引發的外部效應。例如，需要考慮到農藥的歸趨和遷移問題，特別是對生態敏感的水域，以及瀕危物種的保護等。此外，生態效率的應用需要一定時間，如果沒有各個利益相關方的配合，生態效率的優勢將無法充分實現。總之，生態效率是一種可持續發展策略，它為具有競爭關系的各方利益相關者提供了一個建設性對話的框架，對現有的工作進行補充，例如推動可持續農業的集約化，包括效率-替代-再設計框架。如果在多個案例中建立和實現生態效率目標，可以相當程度地證明在沒有外界環保壓力和相關監管行動的情況下，農業生產中農藥的負面效應可以減少。此外，農場IPM應用時，實時實地進行數據采集通常會給種植戶帶來相當大的工作負擔，通過生態效率指數可以更有效地減少這一負擔。因此，生態效率不是IPM的替代品，而是有利于IPM應用的農業可持續生產的可量化因素。