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全球作物保護行業發展趨勢

發布時間:2020-01-22 00:01:00 來源:世界農化網 編譯:上海市農藥研究所 丁溪北 點擊次數: 【字體:

隨著世界人口到2050年預計將近100億和氣候變化對農業產生的不利影響,維持穩定的全球糧食供應正受到嚴重威脅。鑒于這些動態,本文概述了當前作物保護行業的市場趨勢,包括公司并購和農藥監管、對新技術的評述以及該行業的研發(R&D)情況,同時還強調了農藥如何有助于建立更加可持續的社會。

環境趨勢(人口增長、糧食需求和氣候變化)

根據聯合國糧農組織(FAO)的估計,2017年世界人口已達到75.5億,到2050年將達到98億。伴隨人口的增長,1970—2020年(25億噸)對糧食的需求預計增加了至少2.2倍。與對糧食的需求增長相反,2015年世界耕地面積實際上與1965年相同,并且預計未來不會迅速增加。因此,結合預測的人口增長,全球人均耕種面積似乎將繼續減少。

圖1 全球人均耕地面積(來源:http://www.fao.org/faostat/en/#home)
 
氣候變化也是糧食生產面臨的主要威脅之一。一方面,溫度升高可能會延長某些地區的生長季節,二氧化碳含量的增加可能會促進某些類型植物中光合作用二氧化碳的固定,從而可能導致糧食增產。特別是在歐亞大陸和北美高緯度地區,氣溫升高有望提高糧食作物的產量。而在其他大多數地區,由于氣候變化的影響,糧食產量可能會減少。此外,許多預計作物產量減少的地區是目前的主要糧食產區。這意味著氣候變化有可能極大地影響整體作物生產。在全世界范圍內,與2000年相比,2050年玉米的產量損失預計為24%,稻米為11%,小麥為3%。

因此,以當前的糧食生產速度顯然不可能維持未來糧食的供需平衡。除了氣候變化的不利影響外,期望耕地面積迅速擴大與因人口增長帶來的糧食生產需求增加同步是不合理的。在這種環境條件下,必須提高單位耕地面積的農業生產力,以提供足夠的糧食來養活世界人口。此外,迫切需要比以往更有效地使用農用物資(如農藥),同時采用創新的技術途徑來解決這些問題。

市場趨勢(農藥、轉基因種子)

總體而言,自2006年以來,農藥市場一直穩定增長。盡管農藥市場在2014—2016年間呈下降趨勢,但目前來看,市場從2018年開始恢復增長趨勢。

同時,分地區考察作物保護市場時,總體趨勢線在過去的兩三年中一直在收縮,盡管許多人將其視為暫時現象。一個值得注意的亮點是自2010年以來增長顯著的拉丁美洲。

最近農作物保護市場的一個特點是非專利農藥產品的擴張,這與通過研發活動新發現隨后申請專利保護的農藥產品銷售下降形成對比。印證這種情況的是,幾家銷售非專利產品的公司已經使自己成為長期在農藥產品最暢銷名單上排名靠前的公司。

圖2 作物保護市場的變化(資料來源:Agbioinvestor)

最近,除了開發和銷售農藥外,大農藥公司還致力于轉基因(GM)種子,而這一新興領域已經增長到占農藥總銷售額相當大的比例。

2001—2016年,作物保護市場的增長率為3.8%,而主要農藥公司開發和銷售的轉基因種子市場卻實現了13.3%的增長率,約為作物保護市場的3倍。此外,2016年轉基因種子的絕對銷售額約為204億美元,這一數字與化學農藥中收益最高的除草劑的銷售額相當,引發了企業對進一步擴大轉基因種子行業的極大樂觀。

圖3 轉基因種子市場的擴張(資料來源:Phillips McDougall)

行業趨勢(公司并購、監管趨勢)

盡管農作物保護市場增長迅速,但領先的農藥公司已經進入了一個重要的整合期。1990年,美國和歐洲有10多家大農藥公司,但到2009年,這些業務實體的數量通過并購(M&A)降至6家,分別是先正達、拜耳、巴斯夫、陶氏化學、杜邦和孟山都。這6家公司隨后因經營業績不佳,新農藥登記監管收緊導致研發費用激增,股東對實現新增長戰略的期望以及其他因素進行了重組。最近,通過進一步的并購活動,六大巨頭現在分為拜耳、陶氏杜邦[現為科迪華(Corteva)]、巴斯夫和先正達,先正達目前隸屬于中國化工集團公司(俗稱中國化工)。2017年,杜邦在與陶氏化學合并后剝離的作物保護業務和研發資產中相當大的一部分被FMC公司收購。因此,作物保護市場已經進入了五大參與者的時代,即上述4家公司加FMC公司。

圖4 農藥和種子市場主要公司的并購(截至2018年8月)

由此,從多個角度考察了農藥研發的狀況以及企業重組和整合背后的推動力。首先重申農藥對農業生產的貢獻。根據2006年發表的一篇文章,如果不適當使用農藥,水稻、小麥、玉米和大豆的最大可實現產量可能降低約20%~50%。另一方面,使用農藥可使作物產量恢復60%~70%。由此可見,只有適當使用農藥,才能達到目前的作物產量水平,否則作物產量將大幅下降。該文還解釋說,更有效地使用農藥可使作物產量進一步增加,從而為進一步改進技術創造了希望。

如前所述,盡管農藥對提高作物產量做出了巨大貢獻,但開發農藥變得越來越困難。開發并市場化一種新農藥需要10年以上的時間和1.0億~3.5億美元的研發支出,這個過程包括:發現一種新的候選農藥;同步進行安全性研究、生物學研究和劑型研究;綜合評估這些研究的結果;最后申請并獲得農藥登記。

由于后面提到的各種因素,目前估計從約16萬個化合物中可能獲得1種新農藥。因此,每個開發農藥的公司每年都必須將銷售額的7%~10%投入研發活動。此外,開發農藥所需的成本和時間每年都在增加。例如,在1995年,開發費用為1.25億美元,研發時間為8.3年;而根據2010-2014年進行的一項調查,開發費用和研發時間分別增加至2.86億美元和11.3年,這表明研發負擔的增加是促使上述參與農藥研發的公司整合的因素之一。在開發后期進行的環境和毒性研究以及田間試驗的“開發”成本正在迅速上漲,這些成本上漲的推動力是對更安全的農藥日益增長的需求和有關部門監管加強。投放市場的新農藥數量在20世紀90年代達到頂峰,自2000年以來有所下降,似乎反映了最近農藥研發活動中的困難,表明了新農藥開發的苛刻條件。

圖5 一種新農藥的平均研發費用(排名前10的公司)(來源:Phillips McDougall)

圖6 6大公司農藥和種子研發費用(來源:Phillips McDougall)

即使在農藥研發如此困難的環境中,日本農藥公司的研究活動仍然相對強勁。盡管日本公司的銷售額低于美國和歐洲大公司,但10家日本公司位列新上市產品數量最多的前20名公司中(1980-2016年)。同期,在全球363種新上市的農藥中,日本公司開發了114種(占31%)。在研發環境越來越嚴峻的情況下,例如2016年,日本公司在后期研發階段的農藥中也占了約40%。因此可以肯定地說,日本公司擁有極高的新農藥研發能力,與美國和歐洲大公司相當。

20世紀50年代,農藥的用量除草劑約為有效成分2 400 g/hm2,殺蟲劑約為有效成分1 700 g/hm2,殺菌劑約為有效成分1 200 g/hm2。到21世紀,這些用量下降為有效成分60~180 g/hm2,清楚地表明了新開發的農藥活性成分的優越性能(活性增強)。安全性是另一受益之處,在1960年左右的日本,大約半數的農藥被歸類為特定有毒物質或有毒物質;到2014年,這類農藥的數量急劇減少,目前近90%的農藥被歸類為普通物質(Ordinary Substances)。

目前正在開發許多對環境影響較小且具有更高安全性的生物農藥(生物農藥定義為活性成分源自生物體的農藥。從狹義上講,這僅包括生物體本身,例如天敵昆蟲;從廣義上講,該定義還可以包括從微生物等中提取的物質。本文采用廣義定義)。對新作物保護產品的年銷售回顧表明,化學農藥的數量從20世紀90年代開始逐漸下降,而生物農藥的數量從20世紀80年代開始增加,從20世紀90年代到現在平均每年大約有10種新的生物農藥進入市場。值得注意的是,生物農藥的市場規模仍然較小,2016年占整個作物保護市場的5.6%,這表明單個產品的銷售額僅為適中。

自20世紀90年代以來,主要農藥公司制定了銷售轉基因種子與農藥相結合的銷售策略,采取了有別于上述提高安全性的方向。這些大型農藥公司收購了種子公司,并通過開發和銷售轉基因種子產品,全面擴大了作物保護業務。

根據Phillips McDougall發布的一份報告,截至2016年,前6大公司的種子業務占總銷售額的比例如下:先正達21%、拜耳14%、杜邦70%、陶氏25%、孟山都75%。此外,隨著種子產品銷量的增加,其研發成本也大幅上漲。例如,2002年前6大公司種子產品的研發費用總額約為12億美元;2008年穩步上漲至22億美元,與化學農藥的研發費用大致相當;到2014年,這一數字已經達到40億美元,相當于化學農藥的1.5倍。研發費用的變化可能表明了大農藥公司進一步擴大種子業務部門的方向。此外,與種子產品研發費用增長相關的是每年上市的主要種子產品數量呈上升趨勢,表明種子業務的進一步增長。

國外領先的農藥公司一直在努力多樣化業務包括種子產品,但由于研發成本以及與公眾接受度等相關的問題,日本農藥公司尚未涉足轉基因作物種子領域。相反,日本的公司正試圖在大公司的種子業務與日本公司提供的化學農藥相結合產生協同效應的領域中進行獨有的業務戰略開發。

例如,在某些情況下,提供了一種快速解決方案,用以治理由大農藥公司開發和銷售的抗除草劑轉基因作物種植中對非選擇性除草劑產生抗性的雜草。施用丙炔氟草胺(flumioxazin)和砜吡草唑(pyroxasulfone)等選擇性除草劑可成功防除這些抗性雜草。更具體的,在轉基因大豆(Roundup Ready?)的雜草治理體系中,一旦在田間出現了抗草甘膦的雜草,除了Roundup Ready?大豆外,抗草甘膦的雜草甚至在使用草甘膦后仍留在田間。但是,如果在這樣的大田中于大豆出芽之前施用大豆不敏感的除草劑,則可以防除抗草甘膦雜草。現在,這類做法被認為是已經出現抗性雜草的田間必不可少的技術體系。因此,即使他們不參與種子業務,日本農藥公司仍有機會通過提出互補技術等戰略性技術對策與美國和歐洲大公司合作。

到目前為止,可以嚴重影響行業趨勢的一個因素是與農藥登記相關的監管問題。眾所周知,包括美國和歐洲國家在內的許多地區的農藥監管法規逐年變得越來越嚴格。特別是歐盟(EU),在2011年,安全和環境影響評估標準從基于風險轉向基于危害,并且由于所謂的篩選標準(cut-off criteria),化學產品的登記數量一直在減少。特別是蜜蜂蜂群衰竭失調(Colony Collapse Disorder)問題引發了強烈的政治行動,最終3種新煙堿類殺蟲劑的戶外使用被完全禁止。原藥和制劑在各部門級別(即歐盟、區域和國家)分2個或3個階段進行評價的制度拉長了登記所需的時間。作物保護市場正在擴張的巴西,由于其垂直劃分的行政系統,登記需要一個漫長的審查過程。巴西也設想采用cut-off標準。與此同時,日本于2018年12月實施了《農藥取締法》(Agricultural Chemical Regulation Law)的修正案,并決定對幾種陸生和水生生物以及工人暴露情況引入再評價制度和新的風險評估制度。如上所述,農藥有效成分首次登記和以后再登記門檻逐年提高。此外,農藥的開發成本不斷上升,這可能是美國和歐洲大農藥公司近年并購交易激增的推動因素之一。

圖7 海外主要國家農藥登記制度的特點

技術趨勢(作物保護行業令人興奮的變化)

自20世紀90年代以來,美國和歐洲的大農藥公司一直在其常規化學農藥業務中增加種子業務部門。但最近他們開始探索新的領域以及通過引進旨在進一步提高農業生產力的新技術來加快開發過程。到目前為止,支持常規化學農藥開發的技術包括化學合成、生物評價、制劑以及安全和環境影響評估,轉基因種子技術的加入代表了以加快研發進程并擴大其業務范圍為目標的新技術的應用。除了拓展新業務的機會外,所有這些都有可能通過與它們的協同作用來提高農藥公司所掌握的傳統技術水平。
圖8 農業部門技術趨勢示意圖

基因組編輯是一項前沿“基因重組”技術,已被用于生產轉基因作物。特別是2013年開發的成簇的規律間隔的短回文重復序列(CRISPR)/Cas9技術有望在基礎研究、醫學和農業等各個領域得到廣泛應用。在農業方面,與傳統的基因重組技術相比,CRISPR/Cas9技術能夠更精確地操縱基因序列,從而大大縮短作物育種所需時間。大農藥公司已在其研發過程中引入這一技術,并取得了一些研究成果。

到目前為止,關于是否要以與現有轉基因作物相同的方式處理使用基因組編輯產生的作物的爭論在日本、美國和歐洲愈演愈烈。預計每個國家將需要相當長的時間才能確定基因組編輯的作物是否應遵守與常規轉基因生物相同的監管,并建立一個全球通用的方向。然而,即使在監管問題得到解決之后,仍然存在的問題是,消費者將對基因組編輯的作物作出何種反應,即公眾接受度。公眾將要求對這一問題作出理性的、基于科學的回答。只要所有這些問題都得到適當解決,基因組編輯將成為一項強有力的技術,在比常規育種技術更短的時間內開發優質種子,從而大大提高農業生產力。

影響作物產量的因素可分為傳統化學農藥針對的病原體、害蟲、雜草等“生物脅迫”和熱、冷、干旱、鹽害等非生物性“環境脅迫”。盡管傳統農藥通過減少前面提到的生物脅迫因素,在提高作物產量方面做出了重大貢獻,但根據對單一作物以往最高產量的分析,發現環境脅迫因素對作物產量的影響大于生物脅迫因素。作物脅迫管理是一種恢復因環境脅迫而損失的產量乃至提高產量的方法。事實上,所有的農藥公司都在努力開發對作物脅迫管理有效的農藥化合物。一些現有的農藥據報道也有替代這類有效成分的潛力。另外,正在開發抗環境脅迫的轉基因種子產品。與以生物脅迫為目標的傳統農藥相比,作物脅迫管理是一種具有更大增產潛力的方法,預計在這一領域將有進一步的技術創新。
圖9 作物脅迫管理:由于環境脅迫導致作物減產

根據日本東京農工大學的Shibusawa教授所說,精準農業被定義為“可通過有針對性地控制農場中復雜多變的變量,全面提高作物產量和質量,減輕環境負荷的一種農田管理方法”。精準農業出現的推動力之一是耕作管理方向的轉變。這種轉變從利用不精確的作物投入追求增產的傳統方法,轉變為通過同時嘗試減少或優化化學品使用和提高勞動生產率來努力實現可持續農業的新方法。另一個因素是,最近信息技術(IT)和其他有關領域的快速發展使上述耕作管理方法在技術上可行。耕地面積的增長跟不上世界人口的增長,因此必須提高單位面積的作物產量。人們對精準農業以及其他相關技術幫助提高土地和勞動生產率抱有很高的期望。

本節討論了基因組編輯、作物脅迫管理和精準農業這三大新技術。如同20世紀90年代轉基因作物對農業的影響一樣,這些新技術有可能在未來引發范式轉移(paradigm shift),人們高度期待這些新的技術方法給作物帶來的更高產量和質量。作為未來的研發人員,需要緊跟新技術的步伐,同時尋求傳統農藥與新興技術的和諧共存之路。

研發預算趨勢分析

根據日本內政和通信省的科技研究調查結果,日本2001年的科學技術研究支出為16.5萬億日元,2016年達到19.0萬億日元,15年內累計增長2.5萬億日元(15%)。值得注意的是生命科學領域的研究部門,該領域包括農藥研究,研究支出有著顯著的增長,從2001年的2.0萬億日元增長到2014年的3.2萬億日元,增長了1.2萬億日元(60%)。

雖然總的研發支出呈上升趨勢,生命科學領域有顯著增長,但仍需要在有限的研發預算下持續和有效地獲得研究成果。盡管私營公司、公共機構和大學工作的研究人員在他們各自的崗位創造高質量的研究成果是基本要求,但通過公開研究成果促進合作研究和聯合應用同樣重要。積極促進開放式創新,創造大于個體研究人員總和的集體成果,這一點也至關重要。同樣重要的是,必須通過協作研究等方式,有效地將負責基礎研究的科研院所與精于應用研究和產品開發的私營公司2個部門的研究成果和理念結合起來。此外,迅速就合約和知識產權達成協議是可以加快開放式創新的另一個因素。

為可持續發展和社會建設貢獻

聯合國“千年發展目標”[Millennium Development Goals(MDGs)]旨在通過為21世紀國際社會制定的8項目標(包括減少貧困和普及小學教育)的實現來扶持發展中國家,2015年目標到期。“千年發展目標”的主要目的是通過捐助和援助等活動,讓發達國家扶持發展中國家的經濟增長,從而減少貧窮。“可持續發展目標”[Sustainable Development Goals(SDGs)]是繼“千年發展目標”之后由聯合國成員國商定的新一代國際發展目標,其中包括17項全球目標以及169項關于貧窮、饑餓和衛生的相關具體目標。“可持續發展目標”的重要特征是不僅解決“千年發展目標”中所包括的發展中國家特有的問題,還能解決影響發達國家的全球性挑戰。“可持續發展目標”的目標是改善人民的生活條件,使世界變得更好。


圖10 可持續發展目標(SDGs)(來源:聯合國新聞部)

與此同時,2013年日本作物保護協會(JCPA)在迎來60周年之際,開始為其未來創造一個理想的愿景,并最終在2014年制定了一項名為“JCPA 愿景 2025”的倡議。基于這一愿景,日本作物保護協會將開展針對消費者、媒體和教育專家的公關活動以及針對農民和銷售商的安全生產活動,以促進公眾對農藥的了解。此外,為了加強以糧食生產為重點的活動,該協會將努力宣傳關于“糧食生產的意義和農藥的作用”的信息。更具體地說,日本作物保護協會將向農民、銷售商、消費者、公共管理者和學術界宣傳有關下列議程的信息:(1)增加糧食生產并確保穩定的糧食供應是為滿足不斷增長的全球人口而必須完成的共同任務;(2)農藥是在有限的耕地中有效生產優質作物實現議程(1)不可或缺的資源;(3)科學數據,如符合國際準則的安全評價,支持農藥應用;(4)如果正確使用和登記,農藥不應造成任何問題。

此外,“JPCA 愿景 2025”行動是對“可持續發展目標”的補充。使用農藥來確保農作物的產量和質量幫助結束全球饑餓和促進可持續農業的措施,有助于實現SDGs目標2——“零饑餓”。應用農藥促進可持續農業的措施防止耕地的不必要擴張,保護豐富的自然綠色環境,也有助于實現SDGs目標15——“陸地生物”。使用農藥使農業生產活動更加有效和穩定,使農業轉化為增長型產業實現SDGs目標8——“體面工作和經濟增長”。此外,使用農藥可減少由某些植物病原物產生的真菌毒素對人類健康帶來的風險,“JPCA 愿景 2025”助力SDGs目標3——“良好的健康和福祉”的達成,保持人類健康。農藥的一些活性成分也可有效防治衛生害蟲,有助于保持公眾健康,從而也可能有助于實現SDG目標3。其中一項管理活動“農民安全生產行動”與SDGs目標12“負責任的消費和生產”相關;其他行動“與消費者的公共關系”以及“國際化行動”與SDGs目標17“促進目標實現的伙伴關系”相關;另一項行動“創造新產品和技術”補充了SDGs目標9“產業、創新和基礎設施”。

研究表明,不使用農藥獲得的作物產量大大低于使用農藥的產量,雖然在作物減產程度方面有一些差異,如水稻76%、大豆70%、卷心菜33%、桃子30%,蘋果3%。因此,預計通過合理應用農藥來保持作物產量有助于實現SDGs目標2——“零饑餓”。又如,每年防除4.05 hm2稻田中雜草所需時間在1949年為51 h,由于高效除草劑的開發和推廣,到2012年,同樣的任務已驟降至僅需1.4 h。因此,開發和合理使用高效農藥有助于實現目標8——“體面工作和經濟增長”,提高農業措施的效率,將農業轉變為增長型產業。

“JCPA 2025 愿景”中提出的未來使命之一,“助力全球糧食穩定供應”以及JCPA的目標“通過愿景行動創建更美好的社會”也與SDGs相關。

與此同時,由5家大農藥公司與日本住友化學公司以及區域作物保護和植物生物技術協會組成的國際作物生命協會(CropLife International)也正在探討適當的公共關系和管理行動,進一步開發新技術,突出作物保護行業對社會的貢獻。關于SDGs,推進可持續農業和根除瘧疾等熱帶傳染病有助于刺激亞洲和非洲發展中國家的經濟增長,從而實現以下SDGs:目標1——“無貧困”、目標3——“良好的健康和福祉”、目標8——“體面工作和經濟增長”、目標11——“可持續城市和社區”。此外,發展環境友好型農資和在精準農業方面的進展預計將有助于實現目標13——“氣候行動”。

結束語

農藥提高了現代農業的生產力,若沒有它們,目前的農業產量水平無法持續。農藥公司正在繼續創造和提供新的產品來保障農業生產力的這種增長,但由于更嚴格的全球監管,近年來新產品的開發變得日益困難。由于20世紀90年代出現的轉基因作物,農業生產力進一步提升。這已成為一種熱門技術,在經營它們的大農藥公司的銷售額占很大比例。今后,將通過新的技術方法探索新的領域,包括通過基因組編輯創造新的作物和通過精準農業建立可持續農業系統。

預計到2050年,世界人口將達到98億,可耕地面積有限,因此必須增加單位面積的作物產量。此外,解決全球糧食安全問題的難度很大,而氣候變化的不利影響進一步加大了這一難度。作物保護行業的專家應創造新的產品和技術來努力提高農業生產力,幫助解決世界面臨的糧食問題。這些行動完全是為實現SDG目標2——“零饑餓”和其他相關目標做出的努力。

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