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《张江科技评论》

开博时间:2019-06-06 14:03:00

《张江科技评论》是由上海科学技术出版社与上海市张江高科技园区管理委员联合创办的一本科技评论类杂志。该刊报道评价国内外创新性科学技术的发展趋势及其商业价值,介绍上海在建设全球领先科创中心进程中的制度成果、技术成果、创业成果,推动产学研密切协作,促进科技成果转化,服务经济转型发展。

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回顾“双碳”目标背景下的农业技术创新

2022-01-18 22:54:00

  伴随历次技术革命和科学革命的发展,现代农业逐渐由化学化、良种化向生态化、低碳化方向发展。在“双碳”目标背景下,探索和发展绿色技术和低碳技术,提高安全、优质的农业产品成为现在及未来世界农业的新生产模式。

betway88必威体育  力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和,是党中央作出的重大战略决策。农业生产的温室气体排放在碳排放总量中占有较大比重,联合国粮食及农业组织(FAO)研究报告显示,世界粮食体系占全球人为温室气体排放量的1/3以上。中国作为农业大国,农业技术创新面临巨大的挑战。农业生产大体上经历了原始农业、传统农业和现代农业等3个阶段。原始农业生产动力主要是人力和少量驯化的大牲畜;传统农业生产动力主要是铁制农具的使用;现代农业的早期特征是以机器、电力为动力,以化肥、农药、除草剂等作为生产资料。伴随历次技术革命和科学革命的发展,现代农业逐渐由化学化、良种化向生态化、低碳化方向发展。如何提高粮食产量和保证粮食稳定增长不仅一直是农业生产的主要问题,也是农业技术创新的主要动力,促使人们革新传统农业的生产观念,利用生物、化学等学科的科学理论不断实现农业技术创新的突破。

  化肥的诞生

betway88必威体育  几千年来,世界各国都把有机肥料当作提高粮食产量的重要措施,并形成了“多劳多肥”观念。但是,有机肥为什么能够肥田?它在土壤中有什么变化?如何进入植物体?其有效成分是什么?直到17世纪以后,随着欧洲近代实验科学的发展,这些问题才得到解决,促使了现代化肥的诞生。自1843年人类开始生产过磷酸钙肥料以来,人造肥料已有170多年的历史。

betway88必威体育  ●化肥理论的提出

  实验科学的诞生,让人们认识到植物的生长要素除硝、空气、水、土之外,还需要几种不同的盐类。1840年,德国化学家李比希(Justus von Liebig)出版了《化学在农业和生理学上的应用》一书,主张从土壤中取走的营养成分要重新归还给土壤,反对“掠夺式”的农业方法。李比希认为,生物界与无生物(矿物)界之间存在着一种再生循环,植物吸收无机物合成有机物,动物摄取植物以维持生命,动植物死亡后经分解又回归无机物质。根据这一观念,李比希提出了他的农业化学的核心理论,即植物营养元素归还说,赋予土壤肥力以科学的内涵。18世纪以后,世界人口迅速增长,导致土地面积、作物产量与人口失衡的情况。1798年,英国经济学家马尔萨斯(Thomas R. Malthus)发表了著名的《人口理论》,他认为:人口的自然增长速度将超过农作物产量的增长速度,人们会觉察到“粮食危机”。1898年,英国物理学家克鲁克斯(William Crookes)说,如果找不到新的肥料源,马尔萨斯的预言将成为现实。因此,人们开始用新的方法寻找新的肥料源。

betway88必威体育  ●磷肥、钾肥和氮肥

  化肥的发现与应用最早始于磷肥和钾肥。19世纪40年代,人们把骨头粉碎后浸泡在硫酸里生产出过磷酸钙。1842年,英国农学家劳斯(John Laws)发明了用磷灰石生产过磷酸钙的方法。李比希从1845年开始着手进行化肥的试验,用硫酸处理骨粉得到了可溶性的化合物。1850年,李比希把不溶性钾盐改为水溶性钾盐获得成功,并获得钾肥的专利。直到19世纪末,最大的磷肥来源是碾碎了的骨头、骨粉以及鸟粪。自1889年起,北非的阿尔及利亚发现并开始开采磷酸钙这类矿藏。第一次世界大战后,在俄国和太平洋的瑙鲁岛上发现了更多的磷肥资源。到了1938年,磷酸钙的世界年产量已达到1300万吨。由于磷酸钙不易溶于水,因而大部分被转化成过磷酸钙。与磷酸盐不同,钾肥(“钾碱”,主要是氯化钾)可在开采出来后被直接施用。19世纪50年代后期,在德国萨克森的施塔斯富特发现了矿藏,钾碱一直被德国垄断到第一次世界大战。

  氮肥的发现始于20世纪初,主要来源于硝酸钠和硫酸铵两个主要的“固定”氮(即化学结合状态氮)形式。之前,氮肥主要是以天然矿藏形式存在,其中智利硝酸钠(又称硝石)的销售和施用量一直居世界化学氮肥之首。20世纪初,德国化学家能斯特(Walther Nernst)和哈伯(Fritz Haber)研究了氮的氧化物的热力学平衡,取得了比电弧法更有效、更经济的哈伯制氨方法,并因此获得了1918年诺贝尔化学奖。同时,人们发明了用碳化钙生产氰氨肥料,用氮和氢合成氨等重要方法。但是,在相当长的时期内,世界化肥产量中磷、钾肥的产量高于氮肥,到20世纪40年代末氮肥的产量才超过钾肥,1960—1961年氮肥的产量首次超过磷肥。随着农业生产的发展和对粮食需求的增加,氮肥的用量才逐渐增加。从20世纪初开始,混合肥料的重要性也受到人们的普遍重视。直到20世纪20年代后期,多养分肥料仅仅是简单地机械混合,在廉价的哈伯制氨法出现后,用过磷酸盐氨化生产磷酸二钙、磷酸铵和硫酸铵混合物成为通用方法。

  ●化肥的作用

betway88必威体育  化肥是农业生产的物质基础,不论是发达国家还是发展中国家,施用化肥都是最快、最有效、最重要的增产措施。根据联合国粮食及农业组织的数据,发展中国家施肥可使粮食作物单产提高55%~57%,总产提高30%~31%。根据全国化肥试验网的大量试验结果,施用化肥可使水稻、玉米、棉花单产提高40%~50%,小麦、油菜等越冬作物单产提高50%~60%,大豆单产提高20%。1986—1990年全国粮食总产的增产中有35%左右是因为施用化肥的作用。著名的育种学家、为“绿色革命”作出卓越贡献的诺贝尔奖获得者博洛格(Norman E. Borlaug)在1994年全面分析了20世纪以来农业生产发展的各个相关因素之后,断言“20世纪全世界作物产量增加的一半是来自化肥的施用”。

betway88必威体育  农业对化肥的需求也进一步刺激了化肥工业的发展。就我国而言,新中国成立时只有南京的永利硫酸铵厂,新中国成立后逐步新建和扩充了一些化肥厂。20世纪70年代,我国化肥工业有了长足的发展,新建小型化肥厂有1000多个,年产30万吨合成氨的大型化肥厂有10多个,分布在全国各地。其中大部分是氮肥厂,也有一些磷肥厂。1981年,我国化肥总产量达6097万吨,仅次于美国和苏联,居世界第三位。到了20世纪90年代,因原料供应和进口等原因,我国化肥总产量有所下降。但是,1994年我国化肥总产量又升至世界第二位,总用量居世界第一位,有力地推动了国民经济的发展。

betway88必威体育  中国从1901年开始使用化学氮肥以来,已有100多年的历史,使农业生产中作物营养的投入有了工业化的生产支撑,从而极大地提高了农作物的营养供应水平,显著地提高了粮食产量。当然,长期使用化肥,对人类的身体健康、土壤结构、江河湖及地下水源等会产生一定的负面影响。化肥的出现,极大地改变了农业生产的方式,提高了粮食产量,为世界农业生产的进步发挥了巨大的作用。

  农药的出现

  世界农药经历了从20世纪初的无机农药时代到20世纪40年代的有机合成农药时代,实现了农业创新的第一次飞跃。20世纪70年代,随着人类对环境越来越重视,农药开发进入了高效、低毒、生物农药的新时代。

  ●早期农药

betway88必威体育  农药使用的历史可追溯到公元前1000多年。在我国《齐民要术》和《本草纲目》中就记载了用植物、矿物性药物进行杀虫、防病、灭鼠的方法。最初用于防治作物病虫害的多为无机化合物。1761年,人们首次应用硫酸铜处理种子防治小麦黑穗病。1807年,法国人普雷沃(Bénédict Prévost)发现硫酸铜可以杀灭真菌。1885年,法国植物学家米亚尔代(Pierre M. A. Millardet)发明了用硫酸铜和生石灰配制的波尔多液。1891年,德国贝克吉利尼化学公司正式投产无机汞杀虫剂。1895年,硫酸铜被用于霜霉病、枯萎病和叶斑病防治。1906年出现了砷化钙,以及亚砷酸酐、亚砷酸钙等无机化合物。1915年,美国昆虫学家谢弗(George D. Shafer)发现氟化钠可用于防治蜚蠊。1929年,美国昆虫学家马尔科维契(Simon Markovitch)用氟铝酸钠防治瓢虫。后来,无机氟杀虫剂陆续出现。

  ●有机合成农药

betway88必威体育  有机合成农药的推出是人类同生物病虫害作斗争的产物,是现代合成农药的继承与创新。瑞士化学家米勒(Paul H. Müller)在有机合成农药方面作出了卓越贡献。1935年,米勒开始研究合成杀虫剂。他认为,理想的杀虫剂应对昆虫有剧毒,中毒迅速,杀虫范围广泛,而对哺乳动物无毒或只有微毒,无刺激性,且价格便宜、经济实惠。1939年,他研制出三氯代甲基,接着又研制出它的各种衍生物。在蛾类胃毒剂的启示下,他合成了双对氯苯基三氯乙烷(通常缩写成DDT),1940年获得专利。事实上,早在1874年奥地利化学家蔡德勒(Othmar Zeidler)就曾合成过DDT,只是当时不知道它的杀虫作用。瑞士立即用它来防治马铃薯甲虫。1942年,美国进行试验,证实了DDT的良好杀虫作用,并广泛应用于农业、畜牧业、林业及卫生保健事业,米勒也因此在1948年获得诺贝尔生理学或医学奖。20世纪70年代,由于残毒对环境的污染以及害虫抗药性的出现,许多国家已明令停止生产和使用DDT,但其在历史上的功绩不可磨灭。

  自DDT出现后,农药进入有机合成的新阶段。由重金属汞、铜、锡以及非金属元素砷、磷等合成的有机农药相继出现。有机汞杀菌剂有磷酸乙汞、氯化苯汞、醋酸苯汞、碘化苯汞等。有机铜比无机铜对作物药害小,是一种广谱杀菌剂,主要有环烷酸铜、苯硫酸铜、克菌铜、氯萘醌酮、胺磺铜、喹啉铜等。锡基的杀菌剂有三苯基氢氧化锡、三苯基乙酸锡、三苯基氯化锡。有机砷杀菌剂有福美胂、田安、甲基胂酸锌等。在有机合成农药的研究过程中,德国化学家施拉德尔(Gerhard Schrader)合成的有机磷杀虫剂在农业生产中发挥了重大作用。1937年,德国拜耳药厂的施拉德尔首次合成了有机磷酸酯杀虫剂。有机磷杀虫剂有亲油性、渗透性、适用范围广等特点,杀虫机理主要是神经机能阻碍。1944年,施拉德尔发现了二乙基对硝基苯基硫代磷酸酯(又名对硫磷),这种农药可以说是有机磷杀虫剂化学结构和活性关系的起始,在农药发展上有重大的意义。

  ●除草剂

  除草剂的产生和发展对提高农业劳动生产率发挥了重大作用。20世纪初期,法国、美国曾采用硫酸铜防除杂草,是农田化学除草的开始。1932年,法国发现了第一个有机除草剂二硝酚,除草剂步入了有机合成阶段。1941年,美国化学家波科尔尼(Robert Pokorny)报道了2,4-二氯苯氧乙酸的合成。1942年,美国植物学家齐默曼(Percy W. Zimmerman)和希契科克(Alfred E. Hitchcock)最先报道了2,4-二氯苯氧乙酸对植物生长的调节作用。1944年,美国植物生理学家马特(Paul C. Marth)和米切尔(John W. Mitchell)、美国植物学家哈姆纳(Charles L. Hamner)、美国园艺家图基(Harold B. Tukey)报道了2,4-二氯苯氧乙酸的除草作用,明确了2,4-二氯苯氧乙酸能有选择地从早熟禾的草场中除去蒲公英、车前草等阔叶杂草。后来又相继出现了2,4,5-三氯苯氧乙酸和其他多种类型的除草剂。这类除草剂通常是直接喷在作物和杂草上,通过扰乱易受该除草剂影响的植物的正常生理过程,使其发生大小不正常的增生和畸变,最后导致植株死亡。除草剂使用中一般都具有自己的选择性、使用方法和使用范围等特性。20世纪60年代到90年代,全世界的农药处于蓬勃发展的时期。30年来,不仅农药销售额大幅度提升,而且农药结构也发生了明显的变化。具体来说,就是除草剂在整个农药销售额中的比例迅速攀升,从1960年的20%上升到1991年的44.4%,居各类农药之首,由此可以看出除草剂在提高粮食产量中的作用。

  农业生产工厂化

  工厂化农业是指在人工受控条件下,运用先进科学技术进行农作物生产,具有更突出的产业化、商品化、信息化、规模化特点,可以摆脱或部分摆脱自然条件的制约,在一定程度上真正体现出人类在农业生产活动中的主导作用。

  ●工厂化农业的诞生

betway88必威体育  工厂化农业起步于蔬菜的无土栽培。在第二次世界大战期间,英国和美国军人就曾在荒岛上采用无土栽培技术生产蔬菜以供军需。1840年,法国农业科学家布森戈(Jean B. Boussingault)首创利用砂砾等培植植物的无土栽培技术。1860年,德国植物学家萨克斯(Julius von Sachs)和克诺普(Wilhelm Knop)创造了水培法。无土栽培试验揭示出各种营养成分和植物生长发育的关系,无土栽培技术从试验方法逐渐发展成生产技术。1929年,美国植物营养学家格里克(William F. Gericke)开始将无土栽培技术用于蔬菜生产,曾使番茄获得高产,获得高7.5米、单株产量达14千克的植株。无土栽培的优点是可以完全在人工控制下进行生产,不受地方的限制,规模可大可小。

  随着人们对农业环境调节控制认识的逐渐加深,温室技术变得越来越成熟。1949年6月,在美国加利福尼亚理工学院埃尔哈特植物研究实验室内,由植物生理学家温特(Frits W. Went)主持创建世界上最早具有规模的人工气候室,在番茄生长发育测定方面的精密试验取得重要成就。1967年,美国威斯康星大学建立了当时世界上规模最大的综合人工气候室,面积达5000平方米。1967年,中国在上海建立了第一座较大的综合人工气候室。随着科学技术的发展、社会经济的繁荣、钢铁及化学工业的振兴和石油的廉价开发,全世界的温室发展加快,并向材料结构现代化、环境控制现代化、规模面积大型化的方向发展。从20世纪60年代起,人们开始把植物对自然环境的适应性和抗御能力的基础研究和应用研究的成果应用于农业,建成了比人工气候室简单、成本较低的生产型温室,如奥地利首先建成了番茄加工厂。20世纪70年代以后,荷兰、美国、日本、英国、以色列等纷纷致力于工厂化设施园艺的研究开发,并取得重要成就。在这些国家中,工厂化农业已经发展成为多种学科技术综合支持的技术资本密集型产业,它以高投入、高产出、高效益以及可持续发展为特征,成为国民经济的重要产业。

  ●中国的工厂化农业

  我国温室农业历史悠久,早在公元前221—206年就曾有“冬种瓜于骊山陵谷中温处,瓜实成”的历史记载。20世纪30年代,我国开始发展玻璃温室技术。20世纪50年代以后,工业化的发展促进了塑料产业化的进步,推动了我国塑料温室的发展,开始了以塑料取代玻璃的温室发展进程。

  20世纪70年代,我国开始了工厂化农业的研究和开发。1977年,北京玉渊潭建造了我国自己设计的第一座大型连栋温室,占地1.9万平方米。自20世纪80年代起,我国先后从日本、荷兰、美国、保加利亚、以色列等国家引进现代化温室29套,总面积为34万平方米,其中60%用于蔬菜生产、40%用于花卉苗木生产,在北京、上海、黑龙江、辽宁、广东等地形成了工厂化农业生产的雏形。1982年,上海市农业局组织在嘉定县长征大队等处建成了我国第一批装配式现代化温室,共4座,总面积为4 644平方米。

  20世纪90年代中期,随着改革开放的不断深入,我国现代温室快速发展。1995年,中国政府与以色列政府合作,在北京通县永乐店农场建立了“中以示范农场”,引进了1.2万平方米以色列现代化温室成套技术。至1998年,我国共引进温室175.4万平方米,主要类型有单屋脊和双屋脊的大型连栋玻璃温室及其配套设备。“九五”期间,科技部将“工厂化高效农业示范工程”列入“九五”国家科技攻关重大产业化工程项目计划,在北京、上海、沈阳、杭州、广州、天津等地设立了6个示范区组织实施,同时各地也开展了相关领域的深入研究。到2000年为止,包括引进温室在内,我国共拥有现代化温室约700万平方米,并且以每年100万平方米的速度快速发展。

betway88必威体育  技术创新一直就是一把双刃剑,化肥、农药以及工厂化农业的发展在带来粮食大幅度增产的同时,也付出资源的极大消耗和环境污染等代价。这种“石油农业”的弊端就是大量投入无机肥、农药,而大型机械的使用以及生产资料的生产消耗了大量的能源,不符合可持续发展的原则。正是在这样的背景下,探索和发展绿色技术和低碳技术,提高安全、优质的农业产品成为现在及未来世界农业生产的新模式。现代农业创新既是一种技术上的创新,也是一种制度上的创新,“低排放、高收益”的新要求会有力地促进现代农业的转型升级。

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