农药、化肥的使用让人诟病，但谁能想到，有机食品，这一工业化农业中的“白莲花”，背后也是另一张脸。本文来自微信公众号：十点科学（ID：Science_10），作者：于淼（西奈山伊坎医学院），原文标题：《人类自己就是工业品，追求“有机食品”是笑话？》，题图来自：视觉中国
虽然21世纪已经过去了五分之一，但其实我们自己对世界的认识很多还停留在农业甚至狩猎采集时期，很多人到今天还在坚信轮回与田园生活等典型前工业化时代的理论与经验，而造成这种认知断层的一个重要原因，就是不了解农业在过去六七十年间发生的绿色革命。
马尔萨斯的人口理论
农业社会出现前，全世界人口一直没有超过1500万。从农业社会出现到第一次工业革命的将近五千年中，伴随农业开荒与耕种技术进步，世界人口才勉强到达10亿。
人口是农业社会的基本劳动力单位，但相当长时间被农产品产量所限制。马尔萨斯在《人口原理》中认为，人口增长有两个基本假设，一个是人类生存靠食物；另一个则是人类的情欲不可消除。其中，食物的增长是算术级数，但人口的增长是指数级数，这两者之间的增长率不一样，一定会被增长较慢的食物制约。
在马尔萨斯的时代，实证数据确实展示出了这种矛盾：当人口增长率超过农产品增长率时，就会出现饥荒来降低人口，所以人口数就在粮食产量附近反复横跳，顺道发生些改朝换代。
而近现代社会开启了某种机制，这种机制保证了农产品可以不断满足需求。
粮食的绿色革命
在工业革命之后仅两百多年时间里，世界人口到达了70亿，而且这是个指数增长的过程：世界人口在1959年才到达30亿，1974年人口就到了40亿，现在距离芭比娃娃诞生的1959年不过61年，地球上多了40亿人口，这还不算印度、尼日利亚、印尼这种政府都吃不准统计人口的地方（基本都是低估）。
世界人口变化图（间距10亿）。编辑制图
这里面，现代医学对平均寿命的延长是一个重要因素，但纯多出来的这40亿人的口粮，都得从地里长出来。传统农业的生产率基本赶不上趟儿，甚至都满足不了提供副食的畜牧业所需的饲料供应，这中间的绿色革命起了很重要的作用。
绿色革命出现在世界人口快达到30亿的时候，是农业工业化进程的一部分，农业机械、农药、灌溉系统，甚至新育种技术，都从底层推动了农产品产量产率的提高。绿色革命看似针对靠天吃饭的农作物，但动力其实是技术、煤炭、石油与钢铁，而不是面朝黄土背朝天。
发展中国家普遍在这个时期迎来了人口高峰，毕竟是养得起的，且绿色革命的基础技术要求并不高。绿色革命最著名的案例就是墨西哥，墨西哥在1956年接受了发达国家推广的杂交小麦，农业上实现了自给自足，到1964年甚至开始出口农产品了。
这里加一个小插曲，就是开头提到的轮回体系。
农业社会时期的宗教通常会带有灵魂轮回体系，但轮回在逻辑上要成立，是需要人口平稳的，农业社会的人口增长缓慢，时不时来个天灾人祸，从民众感知上会认为比较合理。同时，有些轮回理论注意到了人口增长问题，就提出了六道轮回之类的理论，把动物也算进来弥补总数平衡。
不过农业社会的科学认知有限，轮回一说无法用定量研究来验证，所以大都是口口相传的故事来佐证。但绿色革命算是对这类理论做了个很漂亮的证伪，因为过去这六十年凭空多了40亿人口，全球肉类消费量直到2019年才因为猪瘟出现首次负增长，虽然物种多样性受损严重，但数量上不论人还是兽都增长迅猛。
按照轮回假定，这多出来的部分灵魂就找不到来源，或者只能稀释原有灵魂，但这又违反了众生平等的原则。所以，当前与时俱进的骗子的主流忽悠框架是平行宇宙跟量子力学，当然以后要是被新事实打脸也没办法。
农业工业化的实质
自上世纪70年代开始，不论发达国家还是发展中国家，都因为环境污染事件出台了环境保护的相关法规，环境科学也被学术界接纳并进入主流视野。最早两本书籍《寂静的春天》与《增长的极限》，对公众进行了一次环保启蒙，而这两本书里提到的很多案例都有绿色革命的影子。
《寂静的春天》大量使用农药滥用的案例，而《增长的极限》则回归马尔萨斯理论，认为地球资源会最终限制经济增长而引发了关于可持续性的讨论。也就是说，绿色革命在解决口粮问题的同时，也开启了环境科学相关研究的讨论。而绿色革命与环境保护背后的讨论，本质上是解决工业化农业出现的问题。
在绿色革命的输入输出体系中，需要输入的主要是农药和化肥，前者抵御病虫害，后者直接提高产量。打辅助提高效率的就是农业机械，其动力需要石油、化工、电力等行业的支持。
实际上，农药生产的本源也还是石油煤炭化工业。从物料守恒角度来看，石油煤炭其实是远古浮游动物与藻类的尸体在历史上的沉积，这个过程动辄上亿年。工业化要做的，就是把这些有机物一部分烧了做能源，另一部分通过化学反应转化成能作为农药的分子。
做化肥也是同样的道理，不过作为化肥，最终是要按农作物需要来制备。在农业里，农作物要想生长起来，碳氢氧氮磷一个都不能缺。碳氢氧通过自然界里到处可见的空气与水就可以得到，工业原料的石油煤炭天然气里也可以转化，但有两种元素是不够的，那就是氮与磷。在应对氮磷短缺上，工业化其实是打开了潘多拉魔盒。
哈柏法进行人工固氮
自然界里不缺氮元素，空气里比重最大的就是氮气。但对于生物体中所需的氮，氮气实在是活性太低，要想创造更多的生物分子，活性氮就不可或缺。自然界固氮需要别的物种辅助，那就是固氮菌，但固氮菌效率比较低，对生产要求比较高。另一种自然固氮方法是高能固氮，也就是打雷，但比生物固氮的固氮量低了一个数量级。
此时，工业化分工出来的化学家就登上历史舞台了，最出名的就是哈柏法。
这个反应及其简单，用氮气和氢气在铁催化剂高温高压下得到氨气，这就是活性氮了。氮气直接在空气里就有，而氢气则可以通过水煤气或甲烷（天然气主要成分）与水反应制备。当前的工业固氮产量就以这么几个简单的人工化学反应为基础生产的，最后超过了自然界固氮量。
这些固定的氮通过农作物与食品，转换成了70亿人口体内的蛋白质骨架，在这个意义上我们自己就是工业制成品。没有工业固氮技术，我们身体中一半的氮元素都还应该是氮气。所以，《复仇者联盟》里面灭霸费牛劲去收集无限宝石，不如去拆了所有固氮工厂，从结果上看差不多。
工业固氮本身会有能耗，但除此之外，氮肥的效率差距也是很大的。碳酸氢铵属于比较容易吸收的，但也容易在自然条件下分解成氨气跑了，俗称“气儿肥”。尿素含氮量更高，但因为不是铵态氮，农作物吸收效率不高且比较贵。硝态氮倒是不会变成气，但硝酸根决定了含氮量比较低。
这个低效率其实用精耕细作的方式可以合理施用，然而农业在发展中国家一般拿不到补助，经济上不如打工来钱快，这就造成当前很多人务农豪放而过量滥用氮肥。中国用全世界7%的耕地养活约世界五分之一的人口，但我们也同时用了全世界化肥产量的35%。从质量平衡上考虑，多用出的那部分就都成了污染源。
此外，工业固氮产品是氨气，但化肥里一般是硝酸根或铵根，铵根可以变成气态挥发掉，可硝酸根是强酸根，土壤中的碱性离子多是弱碱性，强酸弱碱盐的过量存留必然让土壤酸化。
我国土壤酸化问题是很严重的。跟发达国家的工业硫酸型土壤酸化不同，我国的土壤酸化大部分是化肥滥用导致的。这令人十分唏嘘，因为这个污染源的化肥还属于花钱买来的，长远造成的经济影响比短期利益大很多。但是又不能强制农民合理施肥，这提高了劳动力成本，属于发展中必然出现的问题。本质上还是需要更健康的财富分配体系，公平合理的分配有利于共同福祉的实现，农业补贴或规模化农场化生产都是思路。
除土壤酸化外，过量的活性氮释放到水环境里还会导致水体富营养化。富营养化并不是现代社会才有的问题，事实上富营养化是生物对地球改造工程的一部分。在地质运动过后会形成天然的静态水体，此时水体中营养元素比较少，生态系统单薄。伴随风化与冲刷，地壳中氮磷可能被释放，这样水体就会适宜浮游生物生长，然后在水中形成健全稳定的生态系统。
一般来说，淡水湖缺磷而海洋缺氮，生态系统规模被营养元素所限制。不过假如这个水体只进不出，生物质就会沉积，时间长了水体就会沼泽化，如果水分进一步流失甚至可以形成新的陆地。很多小区里建的人工湖或水库，时间长了几乎都会富营养化。不过还有更快的方法，就是前面说的滥用化肥。
当农田施用的化肥不能被有效利用时，营养元素很容易随雨水冲刷进入自然水体。对自然水体而言相当于补足了营养短板，生物质马上指数扩增。白天指数扩增，相当于无机营养有机化，充足有机质又推动了水体细菌生长，到了晚上没了光合作用，大量浮游生物会消耗水中溶解氧。这样就促进厌氧菌的生长，而水中原有生物也会因缺氧死亡腐烂，整个水体会发臭，最终变成死水。富营养化一个直观体现就是水华，当水面布满一层藻类时，这潭水基本就没救了。
这种化肥滥用并不是发展中国家的专利，实际上发达国家的水体富营养化也很严重。用质量平衡的观点去看，我们工业固氮生产的活性氮必然要最终矿化或惰性化才能维持生态系统平衡，不过固氮是个生意但矿化氮元素没有经济利益，因此这部分只能靠天吃饭。如果超过自然处理能力，对地球的影响我们可以视而不见，但人类水资源的处理成本上升是看得见的，毕竟地表水是人类很重要的淡水来源。
磷矿石开发后的污染
氮是可以固定的，那么磷呢？磷主要来自于磷矿石。不过这个说法也不准，大洋洲的瑙鲁共和国出口的磷酸盐其实就是鸟粪（经过漫长时间变成磷酸盐矿）。
这个国家在澳大利亚买了一栋楼，准备鸟粪挖完了就举国搬迁，不过后来又给抵押出去了。现在矿开得差不多了只能靠给澳大利亚修建监狱过活，而且海平面如果上升，这个国家还有消失的可能，可以说是个现代版的复活节岛。
世界上最小的岛国瑙鲁，曾靠鸟粪发家致富，也因鸟粪走向破产。
磷元素的地球化学循环因为速度太慢，实际上对人类而言是不完全的。我们目前不断开采和利用磷矿石，实质是把陆地上的磷给搬到海底沉积物里去了，按自然循环的速率，它们要再回到人类眼皮底下，得等沧海桑田之后。
磷矿用来做化肥也存在严重浪费和污染。不过化肥还不是磷污染主要污染源，动物粪便才是。这跟氮污染不同，氮污染里化肥占的比重是很高的，仅次于生物污染。磷污染里的关键问题则在于磷元素生物利用率太低，畜牧业中磷饲料喂给畜禽之后又大部分会被拉出来。不过这个利用率是可以通过转基因或补充植酸酶来调节的，只要让猪鸡等生物的磷利用率提高，那么也就相当于可以减少用量。
顺便一提，磷元素排放的另一个大头还在于人口增长，现代人一个人几十件衣服都不算奢侈，这同样造成了洗衣服的需求，而洗衣服是需要洗衣粉帮忙的，恰巧三聚磷酸钠作为一种助剂被用到了洗衣粉里来络合水中钙镁离子，辅助表面活性剂去污。人们在用洗衣粉时也没比用化肥克制多少，都是过量的，后果就是里面的磷全随着生活污水排到自然水体促进富营养化了。
对于洗衣粉的问题，我们是可以用酶替代表面活性剂来去污，但酶本质上是蛋白质，需要温度合适才好用。此外，相比洗衣粉，洗衣液更适合含酶洗涤剂。但这又牵扯到人们的生活习惯了。目前，国内洗衣粉与晾衣绳的组合多一些，洗衣液的使用城乡差异大。
所以，综合来看，氮磷污染和农业工业化是相伴相生的，想要将其控制在合理范围内，还需要很多的努力，很大的克制。
有机农业也不是“白莲花”
但一些人不免会想到，重兴有机农业是不是个好的解决方案呢？例如不用化肥，只用农家肥。市面上的“有机食品”就是用有机农业种植的，过程中无化肥、无农药、无激素。
不过这里有个问题，农家肥是哪里来的？自产自销理论上可行，但现实肯定不够用，最直接的来源是养殖场的动物粪便。养殖场动物粪便的源头是饲料，但养殖时为了防疫加的兽药或抗生素也会残留在粪便中，这就造成了抗生素滥用。同时动物粪便大都重金属超标（也是“超量补充”这种偷懒且粗放的养殖策略导致的），这样的农家肥用出去且不论超低的肥效，光是附赠的抗生素跟重金属就够受的了。
新闻与科研论文中经常报道有机食品的重金属超标，也不缺抗生素对农作物的生态毒理学研究。2019年《生态毒理学报》上一项研究就指出，在土壤-蔬菜中迁移能力最强的重金属就是镉（Cd），而这种金属恰好极易在土壤中累积，并且危害系数最大。此外，研究还显示，不同类蔬菜中重金属富集系数最大的为叶菜类，其次是茄果类、瓜果类和豆菜类。
这样看来，有机食品不仅价格贵，食用后附加风险还挺高。直白地说，有机食品或只是营销手段与中产阶级的刻奇罢了，只是所谓优质生活的象征与自我感觉良好，甚至起作用的就是自我感觉这部分。
总之，人类生存要感谢绿色革命，没有农业现代化，构成当前作为有机体的我们的那些基本元素，要么在空气里，要么在矿石里，要么还是石油煤炭天然气。
但绿色革命也带来了巨大的增长人口和生存需求，以及日渐严重的环境问题。仅关注两种元素的使用，人类的影响力就已经超过自然本身了。而更尴尬的地方在于，使用元素本身可能并不会造成污染，污染更多是由于使用者对工业品的滥用。这就成了个复杂的经济-技术-社会问题了。
这也是很多环境问题的缩影，简单的政策或技术或宣传对于问题解决都是不充分的，环境问题的复杂性更多是人性复杂性的体现，总想“既..……又..……”是不靠谱的。我们需要更多的基础科研与数据来找出应对方案，尤其是在这个粮食危机和气候问题一起凸显的非常关口。
本文来自微信公众号：十点科学（ID：Science_10），作者：于淼（西奈山伊坎医学院）