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全球农化行业七十年演进史

发布时间:2019-12-31 08:12:10 来源:世界农化网 35斗 作者:罗建军 点击次数: 【字体:

1962年蕾切尔·卡森(Rachel Carson)《寂静的春天》一书的出版,是农作物保护行业发展的一个重要里程碑。

它强调改善农药产品的安全和环境现状的紧迫性,其巨大的公众和政治影响对美国环境保护局(EPA)的成立起了重要作用。

如今,世界领先的农作物保护产品制造商每年在新产品的研发上投资超过30亿美元。

在过去的50年里,主要研究型公司的总体研发投资始终保持在每年销售额的7%-10%的高位(Phillips McDougall AgriService)。

这种高水平的投资,使各公司可以继续开发、改进产品的功效和安全性,以确保达到不断提高的监管标准,并向农民提供有效的工具,以提供营养、安全和负担得起的食品。

为了说明这个行业是如何发展的,比较一下《寂静的春天》发行前后作物保护行业各方面的关键历史数据,以及它目前的状况,是很有帮助的。

行业规模和产品多样性

在1960年,农作物保护产业的价值不到100亿美元,而农民可以获得大约100种农药活性成分。如今,该产业的价值超过500亿美元,全球约有600种活性成分可供农民使用(图1)。
 
此外,1960年市场上有15个化工集团,而今天的产品来自40多个不同的集团。新的化学团体往往带来新的行动方式,这对解决杀虫剂、杀菌剂或除草剂的抗药性问题是较为重要的。

尽管近年来新产品的批准率有所下降(图2),但投资的规模仍然很大,这使得该行业能够保持相当水平的产品创新以及其他发展,如集成作物解决方案、应用技术和精准农业。

这种研发投入的高水平始于1950年代,在过去的50年里,大公司每年在其中投入了销售额的7%-10% (Phillips McDougall AgriService)。
 
为了跟上新的安全法规,多年来大量的产品已被撤出市场,这些产品要么被禁止,要么在重新注册过程中不受支持。

例如,美国国家环境保护局(EPA)就列出了美国不再提供的60多种活性成分。通过比较1968年美国主要作物上使用的前10种产品与2016年使用的产品(表1),可以说明其中的影响。1968年使用的十大产品中有六种现已被禁止使用。
在欧盟,监管制度的变化带来了更加严格的数据要求,引入了危害截止标准,并采用了复杂的技术指导程序进行风险评估,从而减少了在欧盟注册的新活性物质的数量,而那些已经上市的产品也不太可能满足新标准的要求。

根据1991年的指令91/414,欧盟的重新登记程序导致了超过一半的具有商业意义的作物保护活性成分(499种中的293种)被移除(图3)。
值得注意的是,虽然在过去二十年中,每年用于传统作物保护的新活性成分的数量都在下降,但市场上的生物产品的数量却在迅速增加。

同样重要的是要注意,虽然作物保护行业已经大大提高了新产品的功效和安全性,但低收入国家与新产品商业机密信息相关的国家监管系统保护能力往往不足,可能会危及行业的投资,扼杀创新,有时让农民无法获得新技术。

生物制品异军突起

除了600多种合成的农作物保护活性成分外,还有大约300种生物农药活性物质和生物体。这些物质包括自然存在的物质、发酵产生的产品、微生物和信息素以及食肉昆虫、螨虫、真菌和线虫。

近年来,无论是大型研发公司、非专利产品制造商,还是许多规模较小的企业和初创企业,对生物制品的兴趣都显著增加。

这一趋势是由生物农药面临的要求较低的监管程序、害虫综合管理(IPM)项目的增长以及农民对更多样化的工具箱的需求所推动的。在IPM系统中,生物农药和合成农药常常同时使用。

1960年以来,生物产品的引进率显著增长(图4)。1960年至1990年间,平均每年有三种新的生物产品进入全球市场。从1990年到2016年,平均每年有11种新的生物制剂被引进。
在过去20年里,新生物产品的引进速度经常超过传统产品,而且这一趋势看来还将继续下去。

在专利活动方面,2017年是生物农药专利(173项),首次超过传统农作物保护产品(117项)。
生物制品部门的市场增长也比传统作物保护产品的增长要快,自1990年代初以来增长了2900%,尽管起点很低(表2)。
虽然潜力巨大,且近年来增长迅速,但生物制品市场所占份额相对较小,在整个农作物保护产品市场的总价值占比不到10%。

此外,一种生物产品成熟时的平均年销售额约为1000万美元,而传统作物保护产品的平均年销售额为7500万美元。要使该部门继续增长,生物产品将需要在时间和规模上证明其功效。

自20世纪50年代以来,对农作物保护产品的大量投资使其有效性和效率不断提高。例如,随着产品的发展,每公顷产品的施用量显著降低,因此农民可以使用更低剂量的作物保护产品来达到同样的效果(图5)。
上世纪50年代,每公顷农药、杀虫剂和除草剂的平均施用量分别为1200克、1700克和2400克。

到本世纪头十年,平均使用率降低到100、40和75克/公顷。这项技术的进步意味着,如今农民使用的活性成分比上世纪50年代的比例低了95%左右。

随着时间的推移,除草剂、杀虫剂和杀菌剂的不同化学类别的平均施用量如表3-5所示。
对健康、安全和环境的影响及应对措施

为了使作物保护产品通过监管要求并获准用于商业用途,研发机构和厂商必须证明它可以被安全处理和使用,并最小化对人类健康和环境的风险。

如前所述,围绕安全的监管标准,以及社会期望的提高,今天进入市场的产品在人类和环境安全方面的已得到显著改善。

研发过程中的创新现在允许公司在开发过程的早期就筛选潜在的活性成分,从而立即排除任何有毒或对环境有害的产品。

此外,随着技术的进步,为使一种新的作物保护产品注册、合成并经生物研究的新分子的平均数目已从1995年的52000个增加到今天的16万个。

毒性(TOXICITY)

世界卫生组织将农药分为四大类:第1类:极度(1a)和高度(1b)危险;第2类:中度危险;第3类:轻微危险;U:不太可能有危险

这些分类是由“LD50”决定的,LD50是对一种材料急性毒性的测量,是产品安全决策的基本构成。

LD50值越高,对人体的急性安全性差值越大。考虑到这一点,目前活性成分LD50的平均水平约为3500毫克/公斤,而60年代LD50的平均水平约为2500毫克/公斤,即急性毒性降低了40%,这是一个积极的趋势。

由于这些改进,今天的新活性成分中属于世卫组织第1类和第2类的数量减少了(图7)。
LD50的增加加上杀虫剂使用率的下降,说明了作物保护工业的积极进展,该工业能够同时提高产品功效和减少急性产品毒性。

Fernandez-Cornejo等人的一项研究提供了另一个积极的例子(图8),根据美国饮用水标准,1968年至2008年间,美国的毒性水平持续下降。

作者指出:“新的、更好的农药活性成分(更有效、对人体健康和环境的危害更小)经常被引入,而其他活性成分已被其生产商禁止或自愿取消。”

在土壤中的持久性

作物保护产品对土壤的影响是另一个重要因素。

农作物保护产品总是有一定的持久性,以确保该产品在足够的时间里对其目标害虫是有效的,并减少进一步所需农作物保护产品的应用,重要的是,作物保护产品最终应该在土壤中降解成无害的分解产物。

农作物保护行业必须在产品有效性和土壤持久性之间找到平衡。

衡量土壤持久性的一个指标是DT50,它是一半产品降解所需的天数。DT50值越高,表示持久性越长。

对dt50的分析表明,上世纪80年代引入的产品的持久性达到峰值,为72天。在21世纪头十年,新发明已经帮助将持久性平均缩短到了53天。

图8显示了美国使用Fernandez-Cornejo和Jans(1995)开发的持久性数据的索引。持久性在1968年至1970年代末下降,随即逐渐增加到1990年代末,然后显著下降,直到2008年。

这些积极的产品开发趋势得到了监管政策的支持,这些政策在过去60年显著演变,以评估农药的持久性。

例如,一些特定农药产品可能会有少量留存持续到下一个生长季,因此,要进行一项全面的环境风险评估,以确定这种持久性水平是否会通过土壤运输或地表水径流对环境产生影响。
为作物生产和粮食安全作出贡献

农作物保护产品帮助农民提高亩产和总产量,这有助于养活不断增长的人口,并避免将富含生物多样性的土地投入生产。

图9显示了所有作物的总产量如何从1960年的略低于4吨/公顷增加到今天的略高于6吨/公顷,增幅约为60%。这有助于增加生产,以满足日益增长的人口的需求,而没有显著增加可耕地的开发。

总的来说,全球粮食产量自1960年以来增加了两倍多(表7),其中大部分是由于粮食增产达成的,而不是得益于土地使用的扩大。
虽然只是提高产量的三种主要投入中的一种(其他两种是化肥和改良种子),但作物保护产品在保护/提升产量方面发挥着重要作用。

粮农组织/经合组织的一份报告指出,如果没有包括杀虫剂在内的农作物保护措施,农作物的损失可能达到50%至80%。

图10进一步证明了作物保护产品保持产量的价值。关于杀虫剂,作物产量的提高很可能是由于下列因素综合作用的结果:改进配方和施用量,提高农药的生物活性,以及在控制新害虫时扩大产品的活性范围。
这种产量效益是这一期间养活不断增加的全球人口和人均热量消耗的一个重要因素(表8)。
农民使用的农作物保护产品数量

图11显示了1980年至2000年期间全球使用的活性成分量如何保持不变,因为农民能够在不增加使用量的情况下满足全球对增产的需求。

自2008年以来,随着越来越多的农民要求更多的工具来保护他们的作物,作物保护产品的使用量有所增加。

与此同时,每吨活性成分的粮食产量从1980年的2826吨增加到2016年的3145吨(粮农组织的作物产量数据),增幅超过10%。

总体而言,自1980年以来,每生产一吨食品所使用的有效成分量有所下降。
一些全球趋势有助于解释总体销量的增长:

>免耕农业的快速增长——直接将一种新作物种植到前一种作物的茬上,而不进行耕作。免耕的本质是使用除草剂来控制杂草(参见下一章关于免耕的更多讨论)。

>新兴经济体转向更具生产力的农业,并获得相关的投入。自2008年以来,农作物保护产品的生产在中国增长了10%,在印度增长了8%,在拉丁美洲增长了6%。

>2007年至2008年的粮食危机,全球粮食价格大幅上涨,全球粮食不安全以及对增产的重视。

>气候变化的影响,不断变化的环境给农民带来了新的害虫问题,需要新的解决方案来保护他们的作物。

>根据2014年的一项研究,在种植宿主作物的国家中,大约一半的国家已经发现了超过十分之一的害虫类型。如果这种传播以目前的速度发展,科学家们担心,在未来30年内,全球很大一部分粮食生产国将被害虫淹没。

>2018年的一项研究估计,全球平均表面温度上升2摄氏度,将导致31%的玉米、19%的水稻和46%的小麦因昆虫减产。

可持续农业

联合国粮食及农业组织(FAO)估计,到2050年,农民将必须生产更多的粮食,以满足预计将超过90亿人口的需求,同时还要应对气候变化和保护有限的自然资源。农药是农民以可持续的方式耕作、满足日益增长的需求和保护环境的基本工具。

病虫害综合治理

全球一致认为,害虫综合管理(IPM)是可持续农业中最有效和最全面的方法。IPM侧重于使用生态原则防止问题的产生。

当需要干预时,它侧重于通过文化、物理、生物和化学方法的结合来管理昆虫、杂草和疾病,这些方法具有成本效益、环境无害性和社会可接受性。这包括负责任地使用作物保护和植物生物技术产品。

粮农组织对IPM的定义指出,杀虫剂应在经济合理的情况下使用,并将对人类健康和环境的风险降到最低。IPM也是欧盟委员会可持续使用杀虫剂的基石。

它将IPM定义为健康作物的生长对农业生态系统的破坏最小,并鼓励自然虫害控制机制,只在需要时使用杀虫剂。

免耕/保护性耕作

另一项在可持续农业中发挥重要作用的主要技术是免耕,即直接在前一种作物的茬上种植一种新作物,而不进行耕作。免耕的本质是使用除草剂来控制杂草,其好处有很多:避免了费时、费力、耗能的耕地,保护土壤结构,减少土壤受侵蚀的概率;保持土壤水分;保护土壤的生物多样性;通过避免使用能源和干扰土壤中隔离的温室气体,它可以降低温室气体(GHG)的排放;它允许更多的土地被投入生产,因为休耕的需求减少了。

目前已广泛采用免耕措施国家主要有美国、加拿大、巴西、阿根廷和澳大利,占全球的免耕土地面积的90%以上采用(表9)。

未来最大的国家将是是中国,根据粮农组织在2011年和2013年之间的数据,其保护性耕作的面积增加了一倍多。
生物多样性的好处

另一个可部分归因于作物保护产品的主要环境效益是避免砍伐森林和维持生物多样性。通常的假设是,高产农业的替代品对环境更有利。然而,发表在《自然可持续》杂志上的一项研究发现,许多高产实践都是积极的,减少了温室气体和水的使用,以及土壤流失和氮磷水平。它补充说,只有当更高的产量减少了新耕地的开发时,这些对自然的好处才会发挥作用。

其他生物学家,尤其是哈佛大学的威尔逊,也曾表示,为了真正保护全球生物多样性,必须留出地球表面大约一半的空间给大自然。减少粮食损失、浪费和过度消费是一个重要因素,同时亟需增加单位面积产量(高产)。

根据粮农组织1975年至2017年的生产数据,如果没有农作物保护和其他农业投入带来的增产,将不得不将3.7亿多公顷土地(相当于亚马逊雨林的60%)用于农业。

尾声

农作物保护产品数量和品种大幅增加,为农民提供了更加广泛、有效的病虫害防治工具箱。农民需要可持续的解决方案,其核心是综合害虫管理。其它农业技术,如免耕农业,也将发挥重要作用。

农作物保护产业对可持续地养活世界至关重要,然而,要达成在2050年前满足全球粮食需求,同时保护环境和应对气候变化的挑战的目标,需要做的还有很多。

农作物保护产业必须继续投资创新,监管环境必须接受农民使用的新改良产品,这些产品也必须符合社会的期望。保持一个科学、系统、环境友善的作物保护产业生态体系,才能让“每一个春天都不再寂静”。

参考资料及数据来源:

Phillips McDougall.Evolution of the Crop Protection Industry since 1960.November 2018.

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