Identifying and characterizing pesticide use on 9,000 fields of organic agriculture
识别和表征 9,000 个有机农业领域的农药使用情况
摘要：尽管有普遍的看法，有机农业的环境影响，特别是在农药使用方面，还没有得到很好的证实。造成僵局的原因是普遍缺乏可比较的有机和传统农业领域的数据。我们使用田间作物和农药使用数据以及州认证数据确定了 2013 年至 2019 年约 9,000 个有机田的位置，加利福尼亚州克恩县是美国最有价值的作物生产县之一。我们根据全球荟萃分析，解析有机相对于传统农药如何影响喷洒农药的决定，以及如果喷洒，使用原始和产量差距调整的农药施用率喷洒多少。我们表明，在不同的农药使用指标（包括施用的总体重量和粗略的生态毒性指标）中，有机农田喷洒任何农药的预期概率比传统农田降低了约 30 个百分点。尽管观察到大量的作物特异性异质性，我们报告的有机和传统农田的农药使用平均差异不大。
引言：
农业约占全球耕地的 40%，是环境退化的主要原因。尽管过去几十年农业生产取得了巨大进步，但饥饿和营养不良仍然是一个挑战，对农产品的需求不断增加。寻找可扩展的方法来提高农业生产的可持续性对于支持不断增长的人口和减轻对人类和环境健康的损害至关重要。
有机农业是一种普遍建议的提高农业生产可持续性的方法。有机农业目前仅占全球农业用地的 1.5% 左右，但在规模和销售额方面正在迅速增长。例如，2000 年至 2015 年间，全球有机农业从 1500 万公顷增加到 5100 万公顷，此后已超过 7300 万公顷。消费者对有机食品的需求快速增长是由多种因素驱动的，这些因素主要与营养、食品和农场工人的安全以及环境问题有关。类似的担忧促使了许多促进有机生产的政策举措，例如欧盟的农场到餐桌战略。尽管有普遍的看法，但在每个产出的基础上了解有机农业的利弊仍然是一个活跃的研究领域。
从环境可持续性的角度来看，争论的关键在于，田间负面生态和环境影响的减少是否能弥补实际田间调查中大多数有机作物所观察到的产量下降和产量变异性增加。尽管看起来很简单，但即使是针对环境结果的一个子集来解决这个问题，也因缺乏有效的对照组而受到方法论挑战的困扰。有机农田不太可能随机放置在景观上，有机农民也不太可能随机抽取更广泛的农业社区。换句话说，有机农场可能会在系统性更好或更差的土壤上种植系统性不同的农作物，或者由与传统邻居具有系统性不同环境或健康行为的农民生产。尽管这些挑战可以并且已经通过长期的田间试验得到解决，但了解现实世界中有机田和常规田之间的区别对于理解大规模有机生产实践的优点至关重要。然而，对少数愿意的农民进行的产量和实践调查可能会受到选择偏差的困扰。由于输入和/或输出的现场级数据缺乏，特别是有机领域的数据缺乏，这种样本选择挑战进一步加剧，这使得比较复杂化。
虽然农药只是衡量可持续性的一项指标，但对消费者而言却非常重要。从历史上看，广泛使用持久性、广谱性和生物累积性化学品，如有机氯和有机磷，对人类、其他哺乳动物和鸟类产生了严重的负面影响；有助于刺激早期有机运动的影响。随着人们对这些风险的认识日益加深，新一代化学品被开发出来，特别注重降低人类健康风险。虽然近几十年来这些杀虫剂的开发和吸收限制了哺乳动物和鸟类的直接死亡率，但许多杀虫剂对其他生物仍然具有高毒性。此外，通过食物网相互作用或亚致死影响（例如，行为改变和迁徙导航减少）对人口水平的生态影响仍然是更高分类群的一个问题。
有机农业通常被认为是不含化学物质的，尽管作为监管定义的有机农业，至少在美国，通常限制应用的投入类型而不是数量。该法规本身并不要求无化学品农业，有机合规并不总是意味着对生态或环境终点的毒性低。例如，有机可接受的活性成分如铜、除虫菊酯和印楝素对水生生物有毒。此外，由于农药残留测试通常侧重于对人体具有高毒性的合成化学品，而且很少获得有关生产或认证的田间数据，因此对有机田的农药使用实践知之甚少。
我们的目标是量化农药总使用量和不同生态和环境终点特定关注农药的差异，以进一步了解不同生产系统的环境效益和缺点。我们协调并汇总了多个数据源，以确定有机作物田的空间位置，并依靠来自加利福尼亚州克恩县的独特的田间作物和农药使用数据来了解农药使用差异。克恩县生产各种高价值的水果和蔬菜作物，一直是加州和美国销售额最高的作物生产县之一。由于我们研究区域应用的产品和化学品的数量不同，我们依赖于农药的使用和基于农药产品标签的生态毒性的粗略指标，这反映了对不同终点的毒性阈值的超出。我们承认杀虫剂的使用可能并不总是反映潜在的环境危害，甚至毒性阈值也无法区分两种化学品造成的危害，这两种化学品都超过了监管阈值，但毒性不同。我们自始至终都在考虑和讨论毒性指标和限制。
部分结果：
a 前 15 种作物（按多个田地）与所有其他作物组合为“其他”，所有多作物田均标记为“多作物”。b 以公顷为单位的田地大小，四分位数从 0（浅黄色）到 296（深红色）。c 按故事指数划分的土壤质量，四分位数从 1（深绿色的生产性土壤）到 6（浅黄色的非生产性土壤）。d 农药用量，单位为 kg ha−1 的农药产品，四分位数从 0（浅紫色）到 2188（深紫色）。对于具有多个值（多作物、有效与无效许可等）的田地，地图说明了每个变量的最大值，对于作物，则是种植频率最高的作物。
由于杀虫剂的使用并不总是反映潜在的环境危害，我们试图研究额外的毒性措施作为稳健性测试。计算许多毒性指标（例如农药负荷和农药毒性指数）所需的数据对于正在使用的众多化学品和感兴趣的终点而言并不容易获得或获取。尽管如此，为了将我们的二元毒性指标与连续指标进行比较，我们遵循了 Nowell 等人。计算一种经过充分研究的环境终点鱼类的农药毒性指数。其他端点的数据要么覆盖范围较小，要么不容易获得。尽管如此，我们研究期间使用的化学品中只有约 70% 与 Nowell 等人的研究相匹配。数据或来自使用 R 包 Standartox 访问的 Ecotox 数据库的数据。此外，有机田更可能缺乏毒性信息。注意到由于非随机丢失毒性数据造成的偏差，我们仍然对具有平均 70% 所用化学品毒性信息的产品的领域运行了双障碍模型。我们使用农药的有机田中约有三分之一满足此条件，而使用农药的常规田中约有三分之二满足此条件。对于这个子样本，我们高度初步的调查表明，相对于传统的有机田，鱼类的毒性加权使用量减少了大约一半。然而，需要更全面地了解毒性，特别是有机化学品和其他终点的毒性，以适当比较有机领域和常规领域之间的生态毒理学结果。
结论：
来自加利福尼亚州克恩县的田间数据表明，大约 7-11% 的作物产量是有机种植的。然而，这些田地并不是该县农业田地的随机子集。相反，最常见的有机作物和常规作物几乎没有重叠，这是我们将农民与作物家族的随机效应包括在内并评估作物特定关系的部分动机。有机作物在其他方面也有所不同。此外，有机田虽然面积较小，但通常属于农场的一部分，远远大于其纯粹的传统对应物，这表明在比较环境影响时可能存在选择偏差。除了与许多消费者想象的小型家庭农场相矛盾之外，这可能表明规模经济利益和有机作物生产者倾向于保持大量投资组合以平滑生产冲击，这可能对传统作物和有机作物产生不同的影响。鉴于农场规模的巨大差异，未来有必要对支持集约化生产区域可行有机生产的农场结构进行调查。
杀虫剂的使用虽然只是有机生产环境或健康方面的一个组成部分，但由于潜在的环境和人类健康影响，如水质污染以及消费者和农场工人的福祉，对消费者来说至关重要。我们使用对数正态障碍模型将喷洒农药的决定与喷洒多少农药的决定分开。这允许不同的机制影响每个决定。第一个障碍是对是否使用杀虫剂的决定进行建模，所有作物的有机物系数表明喷洒概率显着降低了 18-31 个百分点，这取决于杀虫剂使用指标（所有活性成分, 对鱼类有潜在危害的产品，对人类的急性毒性高等）。因此，平均而言，克恩县的有机农田更可能“无农药”，不喷洒农药意味着在这些农田上使用农药缺乏生态毒理学影响。对于第二个障碍，它模拟了在农药使用积极的田地喷洒多少的决定，我们看到对有机对人类具有高急性毒性的农药产品 (kg ha−1) 显着减少 27%毒性定义为 EPA 急性毒性类别一或二。对于其他农药使用指标（总活性成分、总产品、对鱼类有潜在危害的产品等），如果有足够的观察可供比较，我们通常会看到不显着的减少。
通常情况下，平均值掩盖了特定作物的高水平异质性。在这里，我们观察到有机系数的变化在单个作物模型中相对于合并作物模型有很大的变化，但仅在第二个障碍中。对于通常采用有机和传统方式种植的作物，我们看到使用任何农药的可能性持续降低，其幅度与总体平均值相似。然而，对于第二个障碍，我们看到一些作物的农药使用量在各个指标上大幅下降，而对于其他作物，尤其是葡萄，我们看到大多数指标的农药使用量大幅增加。有机管理对农药使用影响的这种特定于作物的异质性是必须承认的，如果政策考虑到个体作物的关系，寻求鼓励改变农药使用行为的政策将是最有效的。
作为低集约化、扩张性农业和高集约化农业之间的平衡器，产量是有关不同生产系统可持续性的大多数争论的关键。在缺乏产量数据的情况下，不幸的是，像我们这样的研究依赖于每个面积，而不是每个单位产量，与农药使用和其他农场决策相关的环境影响的比较。当然，使用已发布的作物组特定产量差距估计值校正产量差异并不会改变我们对喷洒决定的估计影响。然而，它确实改变了有机物对跨指标农药使用量的估计影响，使得有机物和常规物之间的差异接近于零，通常是正的，但并不显着。Ponisio 等人。研究是基于对许多种植区进行的研究的荟萃分析的估计，可能与加利福尼亚的现实相去甚远。更好地估计该地区的产量差异将大大提高对有机生产对环境影响的理解。
有趣的是，我们观察到田地大小导致所有结果和大多数个别作物的喷洒倾向增加。对于为什么增加田地面积会导致农药使用增加，有经济和生态两个方面的解释。更大的田地使农民能够更好地控制其害虫种群，并从他们的害虫控制行动中获得更多的私人利益。在生态上，较大的田地可能会导致天敌较少地溢出到作物田地中，从而导致更多的化学害虫防治。然而，根据这两种解释中的任何一种，我们都希望视野大小会减少治疗的数量和可能性。奇怪的是，我们只在第一个障碍中观察到场地大小的持续显着影响。尽管超出了本研究的范围，但探索有机和常规田地空间排列的影响以及可能共享害虫或天敌群落的类似作物之间的影响可能会对观察到的田地大小关系产生细微的了解。对于农场规模，我们看到增加农场规模会导致对大多数结果进行处理的倾向增加，但在处理过的田地中使用的农药量会减少。同样，我们可能预计更大的农场会从规模经济中受益，因此喷洒更多，因为这样做更便宜。虽然我们的结果可能表明处理阈值较低，但处理过的田地的实际用量与农场规模成反比。
除了缺乏产量数据外，我们的方法还有其他注意事项。一方面，我们可能错误地识别了一些经过认证的有机领域。对于仅提供有机田所在公共土地调查 (PLS) 部分的观测，识别有机田尤其具有挑战性。我们使用农药使用数据仔细排除了使用常规农药的田地，但 PLS 部门内未使用常规农药的田地可能仍未通过有机认证，而是被误认为是有机认证。其次，并非所有遵循有机实践的领域都经过有机认证。尤其是小型农场，可能会发现认证成本过高而放弃认证。将这些领域包括在常规组中可能会使有机物系数向下偏；然而，在一个年份的子集中包括自我报告的有机田并没有对我们的结果产生定性影响。第三，虽然我们观察反映生产者的许可证数量，但我们没有观察农业企业。换句话说，如果母公司有多个标签，我们就无法解释这些关系。如果有关在何处种植有机田的决定是在母公司级别做出并反映环境或虫害条件的，那么这样做将很重要。此外，我们的农药使用和潜在危害指标基于对不同环境终点的毒性二元阈值。由于使用了许多化学品、许多未经测试的相关佐剂以及许多感兴趣的环境终点，我们无法应用更精细的毒性措施。对一个经过充分研究的终点的初步调查表明，如果更广泛地获得农药使用的连续指标，有机农药和常规农药之间可能存在更大的差距。更深入的毒理学分析将非常有价值。此外，尽管我们进行了多项稳健性测试，包括不同的随机效应并在估计器模型规范内考虑了未观察到的农艺和农民特征，这些特征可能在有机田和常规田之间有所不同，但我们不能确定我们已经隔离了所有会排除因果关系的偏差来源解释我们的结果。最后，克恩县只是一个县。虽然结果可能反映了美国西部和南部以及类似气候的其他密集水果和坚果产区，但它们可能无法反映作物成分价值较低或强度较低的地区的有机和常规生产。此外，我们研究中的绝大多数有机农田属于“混合”农场或农场，其中也包括常规农田。在有其他业务结构或有机农场占优势的地区，农药使用可能会有不同程度的差异。然而，为了满足未来粮食需求而无需大量增加耕地的有机生产可能涉及在克恩县等地看到的大型“混合”农场的集约化有机生产类型。
引用格式：
Larsen, A.E., Claire Powers, L. & McComb, S. Identifying and characterizing pesticide use on 9,000 fields of organic agriculture. Nat Commun 12, 5461 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-25502-w
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