农业贸易和畜牧业生产对全球磷循环的影响

安 婷，胡新中

（1.陕西广播电视大学，陕西西安 710119；2.陕西师范大学，陕西西安 710119）

农业覆盖了世界上1/3以上的无冰陆地面积，是全球生物、地球化学循环的一个重要组成部分。尽管在过去的50年里，农业土地覆盖面积只增加了10%～15%，但作物生产量却增加了一倍多，这主要是因为肥料投入超过700%，农业灌溉提高，高产作物的发展适应了生产系统（FAO，2008）。同时也导致过去50年里活性氮年生长率增加一倍多，向生物圈输送磷年通量比前工业时代增加两倍多。农业驱动的营养动员的增加对环境和人类健康产生了连锁反应，包括空气和水质的恶化，以及疾病和害虫压力的增加。全球农业贸易增长、家畜生产系统更加集中及人类对畜禽产品消费增加的趋势影响着整个地区营养物质的分布。与此同时，饲料价格波动、运输基础设施的改善和技术进步支持了将可耕种饲料作物用于日益集中的畜禽生产系统。在过去几十年里，人类对全球生物地球化学循环影响的研究主要集中在碳和氮上，很少有研究分析畜牧养殖对全球磷循环的影响（Smil，2000）。与碳和氮不同，磷几乎没有气态，其有效性从根本上受再生含磷岩石风化的限制。本文综述了几十年来以进出口为基础的国家与国际农业贸易相关的磷流量，同时分析了粮食作物、饲料作物和畜产品贸易对各国农业土壤磷流量的相对贡献。

1 磷平衡

Schipanski和 Bennett等（2012）发 现，从1961年到2007年，全球有12个国家耕地的加权平均磷去除量增加了一倍以上，由于产量增加，从每公顷5 kg增加到12 kg。增加的肥料投入大大抵消了产量的增加，在同一时期，磷过剩增加了三倍以上，从6 kg/公顷增加到21 kg/公顷。在12个研究国家中，应用于农业土壤的年磷富余总量分别在1961～2007年间增加了600%以上，从1.5倍增加到8.2倍。从这时期开始，发达国家的磷盈余高于欠发达国家。到2007年，发展状况与土壤磷过剩的关系不再显著，这一时期磷过剩的增加反映了肥料使用量的增加和畜禽养殖产量的增加。肥料对总磷投入的相对贡献随时间变化，在这12个国家中，肥料投入占总磷投入的比例从1961年的59%降至2007年的48%。在研究期间的头20年里，肥料的使用比粪肥增长快。在过去20年里，肥料利用率和肥料使用量以相似的速度增长，这反映了畜牧业生产的增长和农作物生产方式的强化。

1.1 贸易相关的磷流失 饲料和动物贸易的环境后果随时间的推移而增加，这反映了贸易商品数量的增加和生产制度的加强。1961～2007年间，作为贸易作物组成部分的饲料作物有所增加，用于动物饲料的农作物出口从1961年的43%增加到2007年的68%，其中最大的相对增长发生在巴西，从1961年到2007年，巴西饲料出口从2000 t增加到200000 t，占2007年农作物出口的85%以上（周洪和周风珍，2004）。因此，饲料作物贸易大大促进了与进出口有关的磷平衡。

出口商品中的磷含量和土壤磷平衡在一些国家（如巴西、澳大利亚、印度、阿根廷）高度相关，但在其他国家（如日本、荷兰、法国、美国）不相关。在相关性很强的地方，因为随时间的推移，出口作物和畜禽产品的成分是恒定的，施肥率和作物产量之间是恒定关系。以巴西为例，自1972年以来，大豆占出口作物磷的80%以上，但在一些国家，耕作方式的改变改变了这种关系，导致贸易商品中的磷与土壤磷平衡之间缺乏相关性。如美国出口的作物组成相对稳定，但在上世纪80年代和90年代，化肥使用量减少，导致美国出口与出口磷平衡之间缺乏相关性（Steinfeid等，2010）。

1.2 畜牧业对磷平衡的影响 饲料作物贸易的增加影响了进口国家的有机肥供应。饲料磷转化效率低，意味着进口饲料作物中约92%的磷在进口国转化为肥料（Tilman等，2001）。饲料磷进口对土壤磷平衡的影响在耕地面积小、畜禽数量大的发达国家最大，如日本和荷兰，估计分别有49%和41%的肥料来自于进口饲料作物磷。Schipanski和 Bennett等（2012）研究发现，以进口为基础的国家施用粪肥与作物磷流失之间的差异增大，而以出口为基础的国家施用粪肥与作物磷流失之间的差异减小或没有变化。进口饲料与净磷平衡之间没有相关性，这表明肥料利用率可能降低了肥料投入。从这个意义上说，进口国家既避免了与作物生产相关的磷过剩，又通过回收进口饲料产生的粪便降低了磷肥的成本。由于畜禽系统中磷的产量高，畜禽产品进口的增加导致1961年至2007年来源国遗留的肥料数量增加。对大多数国家而言，粮食进口对净进口磷平衡的影响小于畜产品进口。这与出口磷平衡形成了对比，在出口磷平衡中，与作物生产有关的肥料磷平衡比后来出口的牲畜产生的粪肥磷占净出口磷平衡的比例更大。

2 农业集约化

至少在过去的50年里，农业集约化一直是全球现象。增加的磷投入支持了作物产量的增加，而发达国家和发展中国家之间的磷平衡和产量差异随时间的推移变得不明显。尽管按照联合国的定义，仍然将发达国家和发展中国家的人均收入分开，但在许多指标上，这两个群体之间的差距在缩小（Harris等，2009）。经济全球化，特别是贸易自由化的影响，在不同地理尺度上高度不均衡。

磷过剩可能导致部分国家水质退化，如荷兰和美国的磷过剩导致土壤磷饱和及表层水体富营养化。相比之下，巴西增加的过剩土壤不大可能造成水污染，因为该地区大部分土壤具有高固磷能力（Hansen等，2002）。

3 贸易对磷资源利用的影响

由于农业生产的集约化，出口国水污染或土壤肥力下降的风险增加，这取决于作物生产是在肥料过剩还是不足的情况下完成的。在贸易谈判和国内议程中很少考虑农业贸易对环境的影响，而这些往往会刺激出口生产。在生产集约化的同时，农产品和畜禽产品贸易允许生产和消费部门在空间上分离或集中。有证据表明，农业贸易促进了生产集中在肥料磷肥使用效率更高的地区，这一发现可以被理解为支持一个中心理论，即贸易自由化可提高生产资源使用效率（Wolf，2004）。磷是一种矿物，有两种潜在的来源，一是从世界上少数地区的集中储备中开采出来的，二是转化成可以在经济地长距离运输的浓缩肥料。植物从现有的土壤中吸收磷，这些土壤反映了与特定土壤类型相关的内源磷水平，以及历史上的磷肥和粪肥管理做法，这些做法可能增加或耗尽内源土壤的磷储量。

贸易有可能导致环境退化，这可能是因为在国民核算系统中，土壤磷资源和肥料没有被赋予货币价值。一些国家如阿根廷、中国、肯尼亚的负进口磷平衡表明，由于耗尽内源土壤磷资源，来源国的环境可能退化。磷的正平衡（特别是在日本等饲料作物进口国）也显示了环境退化的可能性，这种情况下，由于有限的土地资源，农业生产施用了过量的肥料，导致磷过剩（Mason，1997）。

4 贸易对磷循环利用的潜力

Cordell等（2009）研究表明，区域专业化和生产系统集约化的模式降低了磷循环利用的能力，这对畜禽影响比作物生产大，因为只有不到10%的磷被转化为可消费的畜禽产品，而畜禽养殖的大部分磷都集中在粪肥中。肥料中的磷反映了来自不同来源的磷的再集中和再循环，这些来源包括已施肥的饲料作物和作物残渣、养殖场和牧草及未施肥的牧场。畜禽养殖产生的大量粪便受到一系列复杂因素的控制，包括管理系统和生物物理环境。畜禽养殖系统中的大部分磷可以通过农业和牧场土壤循环利用（Chaneton等，1996）。但在封闭的畜禽养殖系统中，由于饲料作物和动物生产的物理分离，使大量磷的循环利用机会减少，因此，在一个经济肥料运输半径内，常常没有足够的土地面积来消化产生的肥料。因此，粪肥经常被过度地施用于集约化动物养殖场周围的农业土壤中。出口的畜禽产品很可能是由更大、更封闭的系统生产，这些系统导致了出口国家当地肥料磷过剩（Hall等，2004）。Smaling等（2008）研究认为，饲料作物贸易的增加对磷资源利用效率有很大影响。饲料作物贸易的经济可行性支持了畜禽养殖生产集中在土地有限的国家，如日本和荷兰，这两个国家的人均肉类消费相对较高。由于畜禽养殖所消耗的饲料作物中90%以上的磷被作为肥料排出，因此，日本和荷兰的磷过剩很大程度上是由进口饲料作物造成的。