生态效率作为优化有害生物治理可持续性的策略

孙 郑，卢日辉，徐汉虹 编译

（华南农业大学 天然农药与化学生物学教育部重点实验室，广州510642）

在发达国家，粮食生产已经实现高度工业化，农药的常规使用是其重要组成部分，特别是除草剂的施用。现代粮食产量的增加很大程度上是由于大量使用化学农药和化肥，因此二者对粮食生产与粮食安全至关重要，它们的使用每年为美国增加约400亿美元收益。但是农药使用引起了很多负面问题，对野生动物、授粉昆虫和人类健康都有较大影响。在美国，每年为解决化学农药负面影响的费用估计已超过100亿美元。因此，需要不断整合其他有害生物管理措施支持可持续农业。

农业对农药的依赖形成了恶性循环：有害生物抗药性增强，有害生物大爆发，继而农药用量增大，又使抗药性进一步积累。为解决这个问题，有害生物综合治理（IPM）逐渐发展起来。IPM是一套综合管理系统，基于成本效益的分析，将生产者、社会与环境影响纳入考虑范围，以选择或使用有害生物防治技术，将其整合到防治总体布局中。使用IPM的策略是将农药和其他管理措施的比重调整至经济合理，以及对人类健康和环境风险最低的程度。但采纳IPM的进度慢于预期，还可能受协调不畅和未被优先选择所限。在某些情况下，政府可能会采取政策积极鼓励IPM，特别是在欧洲。然而IPM是一种复杂的、具有区域特异性的系统，难以商业化，不像农药能通过制造商、分销商、经销商这样的销售网络交到农户手中。此外，由于IPM的实际应用在个案基础上有所不同，而且有着开放的解读，所以很难对IPM进行定义与量化。目前也同样没有统一的方法来衡量IPM的应用对人类健康、农药减量以及在有害生物管理中对环境和经济方面的影响。比如一些研究表明，IPM措施减少了农药用量，而另一部分研究表明，IPM措施增加了农药用量。未能减少农药使用的部分原因有缺乏生物源的农药替代品，以及因为害物监测预警可能导致的农药用量增加。

缺少IPM应用，IPM商业化的困难以及一些IPM项目无法减少农药用量，这些因素综合在一起，往往导致农药的生产、广泛应用、社会关注和监管的不稳定循环，这被称为农药困境（图1）。农药困境具有社会-生态系统循环的特征，在循环中，⑴ 新化合物被登记，发现非常有效（例如新烟碱类农药），⑵ 由于其效果好得到广泛使用，⑶ 广泛使用导致出现抗药性和环境污染，⑷ 抗药性与环境污染致使防效降低、监管严格和/或产品登记的可能损耗。解决这一困境的办法是让防治人员、监管者理清需要优化的：害物管理的效率，应用农药的积极影响（即提高作物产量和可承受力）最大化，环境影响等负面影响最小化。Roger D Magarey等认为，IPM措施支持这种优化，而将生态效率作为需要优化的主要量加以阐明，进而将增加对IPM的认识和应用。因此，本文建立一个农药使用的生态效率指数，通过激励IPM的研发和应用来减少农药的外部效应（externalities）。

1 什么是生态效率？

生态效率是指产品价值与对环境造成影响之间的成本效益比，是可持续性地增加生产同时减少生态系统负面外部效应的策略基础。相关研究最初侧重于投入和产出的比较，但现在研究已逐渐发展到产品对环境的负面影响。生态效率用生命周期分析来比较农用化学品（包括农药）生产方法的可持续性，从而使化学品生产对环境产生较小影响并降低生产成本。使用生命周期分析比较不同的生产方法，根据它们对能源需求、废弃物的产生与排放、材料消耗、毒性和风险等因素进行综合评价。生态效率理念的基础是生态效率指数，它可用于量化评价和比较不同生产方法的环境影响和生产成本。

图1 农药困境

本文探讨生态效率（一个成功的农用化学品生产策略）是否也可以用于农药使用，从而使得每个环境影响单元对植物保护更有效率。生态效率不是IPM的替代品，而是农业可持续生产的量化因素，因此有利于IPM应用。提高农药使用的生态效率可能更具有挑战性，因为它涉及到多方的利益。农药的使用主要由种植户和农业专家所决定，他们的决定受农业供应链中市场销售因素，以及消费者对无农药食品需求的影响。在现行制度下，农化企业通过销售农药追求利润最大化。农业专家与种植户通过使用农药增加作物产量，减少病虫害和杂草造成的产量损失追求利润最大化。这促使农户大量地、预防性地使用农药，从而造成了对人类健康和环境的负面影响。生态效率可以用于解决这个问题，解决方法是在制定有害生物治理决策时将环境影响作为一个额外的优化因素。虽然农药的使用决策主要是由种植户和农业专家做出的，但农药滥用的环境影响是整个行业都关注的热点问题，大部分农业利益相关者应该参与建立生态高效的最佳防治策略。生态效率为农业工作者提供了一个工具，用于了解哪里需要改进，并找到环境友好型防治技术的亮点。

当农药在田间使用时，对人类健康和环境构成了负面外部效应——该效应不是由单个公司或种植户承担，而是由共享受影响资源的更大群体承担。政府与社会已通过农药监管、应用IPM以及市场机制（有机认证等机制与产品）来控制减少农药的使用，减少负面外部效应的产生。由于植物保护决策和农药配送网络的复杂性，提高生态效率的任务十分艰巨，这要求任何提高生态效率的工作与目标都需要给予适当激励，以实现针对性的改进。制定这些目标的过程本身可能会推动投资者对IPM开发和应用进行研发、技术创新以及对业务流程（以及可能的市场机制）进行改进。生态效率目标为农业的众多领域提供了一种激励和创新的方式。然而，在采用生态效率、实现生态效率的目标方面存在许多挑战。这些挑战包括确定最适合的生态效率指数，获得利益相关者对提高生态效率的支持，研究提高生态效率的最有效机制，并为应用这些机制提供激励措施。在下一节中，本文将提出一个可能的生态效率指数，然后在最后一节中说明实施的挑战。

2 提高生态效率的3个挑战

为了优化生态效率，需要克服3个挑战。首先，需要确定一个能被大多数应用者认同的生态效率指数。其次，为提高生态效率建立目标需要利益相关者的足够支持。最后，需要找出能够提高生态效率的方法。

本文建议建立一个相对农药生态效率指数，由农药或防治措施使用过程中，产生积极影响和消极影响的比值决定指数的大小。比值的分子可以简单地定义为单位作物产量。对于分母，一个现有的易于计算和具有灵活性的参数将是一个合理的选择。诸如风险商（RQ）方法之类的参数可以作为合适的候选。RQ提供了一种简单的定量方法，通过计算农药浓度与毒性比率的阈值来评估风险。根据对哺乳动物的毒性，可以计算出人类健康的RQ值，而野生动物和传粉动物的RQ值等其他数值，可以在特定的环境问题需要时计算出来。基于毒性的RQ值已被证明与使用环境暴露评估模型计算的结果显著相关，证明了该方法的有效性。采用RQ值避免了与风险因素的缩放和加权相关的漏洞，这些漏洞被认为是更著名的环境影响指数（EIQ）的主要缺陷。其他可供选择的参数还包括农药风险缓解引擎（PRIME）、用于化工生产和农田管理生态效率研究的毒性指数、农药税、可持续性和估算农药生产率的计量经济学方法。尽管一些研究人员将每公顷使用农药的平均成本用作参数，但是有局限性，主要因为：（Ⅰ）成本随时间和通货膨胀的变化而变化，（Ⅱ）各国的货币不同，（Ⅲ）该参数是相对的，（Ⅳ）农药使用的绝对外部成本可能会引起很大争议。这些参数的使用是相对的，在给定的条件下可计算相关的数值。例如，在一个作物系统中，产量的变化在同等条件下是可比较的。该参数值最好以一个比率来表示，将收益和成本整合在一起，例如[作物保护的产量]/[综合有害环境影响]。2个或2个以上的研究对象的生态效率间的比较与优势比类似，便于在农药及农药施用方法的生态效率研究中进行统计与判断。

第二个主要挑战是获得利益相关者的足够支持，以制定改善生态效率的目标。美国国家环境保护局（EPA）建立的切萨皮克湾（Chesapeake Bay）最大总日负荷量提供了一个如何设定和实现目标的可能范例。红藻的大量爆发和大面积死亡形成的污染，让切萨皮克湾的环境问题令人担忧。EPA制定了一个管理策略，目标是减少20%～25%的氮、磷和沉积物的污染，并已在2017年前完成目标的60%，剩下的部分将在2025年之前完成。管理方案基于流域模拟模型建立，因此使水华难以在夏季发生。该策略还得到了来自农民、房产商、政府、当地官员、民间团体和环保倡导组织等利益相关者的投入。在农药负荷的概念已经使用的情况下，类似的方法在植物保护中能起作用吗？本文认为，解决这一挑战的最有效方法是选择受到广泛关注的被农药问题影响的农产品，例如早餐谷物。同时将生产链中涉及的所有利益相关人员聚集在一起，包括农户、农业专家、农药零售商、农药生产供应商、食品行业，以及专业推广人员和研究人员的参与。第1步将是根据当前农药使用情况和社会关注度调整农药生态效率指数，例如农药残留是社会主要关注点，则强调农产品的毒性。其次，需要设定目标，目标的实现可以解决社会最为关注的问题。参照在切萨皮克湾案例中设置最大总日负荷量（TMDL）最大限度地减少水华形成的例子，需要通过建立模型设置农药生态效率指数（PEEI）以最大限度地减少农药残留。第3步是确定哪些农药和防治措施对PEEI评分和农药残留的影响最大。第4步是确定在不同区域优化生态效率的最有效机制。举例来说，如果发现除草剂是农药生态效率指数和作物农药残留的最大影响因素，那么可以使用什么策略来替代该产品或在不影响作物产量的情况下减少用量？答案通过以下4种途径可以找到：（Ⅰ）市场机制，（Ⅱ）业务实践，（Ⅲ）技术创新和（Ⅳ）调查研究。继续在谷物种植中使用除草剂的例子，是否可以开发一种市场机制，比如设计一种无除草剂谷物的标签？这些产品是否有更高的利润？如果答案是肯定的，那么是否可以改进田间管理方法以减少除草剂的使用。再比如增加对田间情况的实地调查是否可以减少农药不必要地使用？如果答案是肯定的，那么像电动除草机根据杂草实时监测技术进行精准喷施之类的技术创新在田间是否适用，或者使农户可以负担得起？如果所有这些问题的答案仍然是肯定的，那么就需要研究解决这些问题。下面本文将更详细地讨论上述4种途径。

以市场为基础的机制使得植物保护更具有生态效率，并促进了IPM的使用，特别是在欧美。生态效率可以为减少农药使用的现有市场机制提供替代或补充，例如有机食品和各种农场的认证计划，这些机制可能会减少农药残留，但会使生产成本提高，并且对市场准入造成更多障碍。此外，新的机制可能受到消费者和生产者的认识与需求的限制，最新的技术成果并不是全都被他们所接受，比如有机认证限制了一些对环境友好的农药的使用。生态效率指数可以让传统种植户更易选择最环保的合同与服务，这样农业公司就会逐步提高他们的生态效率。反过来，消费者可以使用这些生态效率指数来选择最环保的产品，而投资者则可以向最具生态效率的公司投资。

商业手段的改进也可以提高生态效率。目前，农药销售占了农户与农业供应商之间商业活动的绝大部分。然而，转换到服务类的商业模式，可以更好地实现生态效率目标，这种模式可以激励IPM等不依赖农药控制有害生物的方法的应用。施乐（Xerox）和罗尔斯罗伊斯（Rolls-Royce）等公司已经采用了这种服务模式，后者出售“按时计费服务”，而不是简单地只销售发动机。农业公司按土地面积收取防治费用这种基于农业服务的模式，会使公司不能通过销售农药赚取利润，这鼓励了农药合理使用，IPM会更受大众欢迎。

提高生态效率的第三个方法是技术创新。生态效率目标能够鼓励农业公司与科学机构将研发力量集中在对环境更加友好的项目和产品上。农业的技术创新是十分迅速的，如转基因作物、无人机、病虫害预测预报和精准农业等。目前，这些创新技术主要是为了提高作物产量，减少作物损失，或使农业生产更加绿色可持续。生态效率激励措施可以加速这些技术的推广。这在数字技术等领域可能更为有效，在这些领域里，尽管精准农业正在兴起，但农业整体水平仍落后于其他行业，因此研发推广新技术更有应用前景。数据共享领域，例如对有害生物检测与预警的数据共享，是生态效率目标有助于促进新技术应用的另一个实例，特别是在大空间尺度的数据共享方面更有发展前景。

最后，需要通过研究来解决生态效率的一些难以克服的问题。研发更具生态效益的新型或替代性的作物种植系统。预期的生态效率值可以作为评估研究方向的参考，但对于某些技术或防治策略而言，这些参数值难以确定。当存在不确定性时，可以使用参与式建模来了解各种措施如何影响生态效率，这些措施包括农药税、IPM应用补贴和生物农药的使用等。部分个案研究已经成功完成，而且生态效率指数对于这些案例至关重要。但是，还需要进一步研究证明生态效率较高的有害生物治理方案不会降低作物产量和质量。最后，如果生态效率可以鼓励IPM应用，那么提高农药使用效率可以降低因抗药性积累而引起的产品弃用，进而可以延长农药产品的寿命，节省数百万美元的新农药开发成本。

3 结论与讨论

生态效率概念解决了布鲁尔（Brewer）和古德尔（Goodell）所描述的推广IPM的困境。目前，采用IPM是为了减少不必要的农药使用，长期优势是减缓抗药性积累和提高农业整体可持续性，但对经济的直接好处却很少。通过量化IPM应用对提高作物生产和减少农药外部效应的优势，如果对绿色食品的需求继续增长，从业者可以通过提高生态效率的机制增加经济效益。生态效率激励策略必须与种植者理想的最优方案进行竞争。植物保护行业的利润水平依赖于农药销售。生态效率使植保行业有机会自我监管，减少可能发生的关键农药的利润损失和环保相关诉讼频率。因此，生态效率激励这些利益相关方推动具有最少负面影响的有害生物防控技术应用。此外，生态效率提供了量化数据，可用于促进农业公司的环保行动和生态友好措施，潜在地提高公司的市场价值。特别是具有高度社会责任感的公司，环境负面因素对其股市影响较小。

农药生态效率指数也可以作为一个对公众和利益相关方说明农药减施对环境影响的有力工具。自1962年《寂静的春天》出版以来，公众舆论一直十分关注农药的使用。自那时起，美国采取严格的监管措施，如1970年成立了美国环境保护局、1996年《美国食品质量保护法》的通过等，其他国家也有类似的行动。科技的平行发展趋势促使了有机氯、有机磷、氨基甲酸酯、拟除虫菊酯和新烟碱类农药的发现，减少了农药对环境的影响，同时增加了农药的靶标特异性。数据有效性是统计历史数据时需要考虑的问题。在美国，国家农业统计服务机构从20世纪90年代开始收集农药使用数据，在此之前，可能需要使用农药推荐用量等其他数据作为替代数据。历史数据可以对农药的使用进行定量调查，并为环境影响的变化趋势制定相应的监管政策。农药的使用可能是杰文斯（Jevons）悖论的一个重要的当代范例，公众接受度的上升导致农药的需求以及农药用量的增加，因此，IPM的效益与增加农药使用量相关。

最后，还有几个方面的改进是不容忽视的。在未来，理想的指数将考虑所有农药使用产生的负面外部效应，以及直接由农药毒性引发的外部效应。例如，需要考虑到农药的归趋和迁移问题，特别是对生态敏感的水域，以及濒危物种的保护等。此外，生态效率的应用需要一定时间，如果没有各个利益相关方的配合，生态效率的优势将无法充分实现。总之，生态效率是一种可持续发展策略，它为具有竞争关系的各方利益相关者提供了一个建设性对话的框架，对现有的工作进行补充，例如推动可持续农业的集约化，包括效率-替代-再设计框架。如果在多个案例中建立和实现生态效率目标，可以相当程度地证明在没有外界环保压力和相关监管行动的情况下，农业生产中农药的负面效应可以减少。此外，农场IPM应用时，实时实地进行数据采集通常会给种植户带来相当大的工作负担，通过生态效率指数可以更有效地减少这一负担。因此，生态效率不是IPM的替代品，而是有利于IPM应用的农业可持续生产的可量化因素。