發(fā)展新型無廢棄物農(nóng)業(yè) 減少面源污染源
過去的30年，中國利用占世界9%的耕地，解決了占世界總?cè)丝?0%的13億國人的吃飯問題，而且到2012年已經(jīng)保持了糧食連續(xù)9年增產(chǎn)，為中國經(jīng)濟增長和社會穩(wěn)定提供了保障。但這30年間，化肥、農(nóng)藥的使用量不斷提升，牲畜糞尿、秸稈等廢棄物也大量增加，已造成農(nóng)村和農(nóng)田的廣泛面源污染和土壤肥力下降等嚴(yán)重問題，惡化了生態(tài)和城鄉(xiāng)人民的生活環(huán)境。根據(jù)2007年中國污染普查的結(jié)果，全國農(nóng)業(yè)排放的化學(xué)需氧量（COD）占全國排放總量的43.7%（1320萬噸）；農(nóng)田排放的氮、磷分別占總量的57.2%和67.4%（270萬噸和28萬噸）。因此，中國農(nóng)業(yè)在未來發(fā)展中面臨著既要保持高產(chǎn)，又必須減少面源污染的雙重壓力。針對這一問題，中國農(nóng)業(yè)部及相關(guān)部門已經(jīng)展開工作，推動發(fā)展清潔農(nóng)業(yè)與循環(huán)農(nóng)業(yè)。當(dāng)務(wù)之急是，需要可行的技術(shù)方案來降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對化肥、農(nóng)藥的依賴，提高其使用效率，從而構(gòu)建起我國永續(xù)發(fā)展的生態(tài)與環(huán)境基礎(chǔ)。
目前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在兩大問題
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，氮素養(yǎng)分是繼水之后最大的制約因素。每生產(chǎn)一噸谷物等糧食，需要消耗土壤中20到40公斤氮素。要保持糧食高產(chǎn)，必須向土壤中補充氮素及其他營養(yǎng)元素。從1981年至2008年的30年間，我國化肥用量占全球總量的35%。過量使用化肥造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題。一是增加了溫室氣體的排放。最近幾年，中國北方城市空氣質(zhì)量嚴(yán)重惡化，與過量使用氮肥直接相關(guān)。二是過量施用到田間的氮肥效率愈來愈低。三是增加了植物體內(nèi)的游離硝酸鹽。進(jìn)入食物中的硝酸鹽在一定條件下會被轉(zhuǎn)化為亞硝酸，危及食品安全。四是引起土壤酸化。中國的土壤pH值（酸堿度）在過去的20年間下降了0.5個單位，過量施用氮肥為其主因。土壤酸化會直接影響植物和土壤微生物生長，加重植物真菌病害，加速土壤中重金屬的溶解釋放。另外，對化肥的過度依賴及有機肥施用量減少，造成土壤有機質(zhì)含量下降、土壤結(jié)構(gòu)被破壞，最終引起土壤板結(jié)，肥力下降。這種情況到了必須立即解決的時刻。
我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的另一個問題是作物重茬，病蟲危害，濫用農(nóng)藥。由此導(dǎo)致病原菌和害蟲抗藥性的提高。另一方面，殘留農(nóng)藥進(jìn)入水體和食物鏈，造成食品安全隱患，威脅到人民的身體健康。在自然界，動植物的病原菌、昆蟲群體中都會有天然存在或基因突變產(chǎn)生的抗性基因。而農(nóng)藥的長期使用，會對具有藥物（殺菌劑、殺蟲劑）抗性的個體產(chǎn)生選擇性富集，使病蟲害群體的抗性逐漸提高，從而迫使人們提高農(nóng)藥的用量。其最后結(jié)果就是藥物的用量越來越大，由此產(chǎn)生的環(huán)境污染也越來越重。我國已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的具有較高抗藥性的昆蟲有幾十種，包括一些重要的農(nóng)業(yè)害蟲和衛(wèi)生害蟲。在植物病原微生物方面，真菌、細(xì)菌及線蟲中都發(fā)現(xiàn)了抗藥性。
根據(jù)研究和認(rèn)識，要解決上面的我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的兩大問題，最重要的途徑是：1）重施有機肥，有機肥與化肥結(jié)合施用，即發(fā)展新型的無廢棄物農(nóng)業(yè)；2）發(fā)揮豆科植物根瘤菌的共生固氮作用；3）推行豆科與其他作物間套輪作種植體系。通過這些措施達(dá)到減少化學(xué)氮肥與農(nóng)藥用量，使土壤肥力常存、保糧食優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、環(huán)境日漸美好。
有機肥與化肥結(jié)合，種地與養(yǎng)地結(jié)合
土壤是作物賴以生長的基地，高肥力土壤必須具有良好的團粒結(jié)構(gòu)，為作物調(diào)控適宜的水、肥、氣、熱，為作物轉(zhuǎn)化、保存并持續(xù)提供所需營養(yǎng)元素。這主要依靠土壤中生活的、每克土以億計的微生物的作用，而微生物生活主要靠有機質(zhì)維持。自然生態(tài)系統(tǒng)中，植物是生產(chǎn)者，動物為消費者，微生物為分解者。地球表面有限的營養(yǎng)元素就靠微生物這個分解者，才能進(jìn)行循環(huán)使用。這個分解作用，主要在土壤和水體中進(jìn)行。所以最合理的措施是盡可能將動植物廢棄物投入土壤中，促進(jìn)微生物大量繁殖。微生物將有機質(zhì)分解，釋放出營養(yǎng)元素，供植物生長利用；同時，也合成它們自身的細(xì)胞，將營養(yǎng)元素在細(xì)胞中保存而不被流失。微生物死后，營養(yǎng)元素又可被礦化給植物利用。另一方面，微生物也不斷將有機物轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)。腐殖質(zhì)與微生物分泌的大分子物質(zhì)一起，使土壤礦質(zhì)顆粒凝聚成團粒結(jié)構(gòu)，營造適于植物保水、保肥、調(diào)溫、通氣的生長環(huán)境。所以土壤腐殖質(zhì)的含量常用作衡量土壤肥力的指標(biāo)。
20世紀(jì)初，歐洲和美洲均因人口增長而可開采的氮肥資源（智利硝石）用罄而焦慮。美國的農(nóng)業(yè)局長來東亞，特別是在中國考察后，寫了《四千年的農(nóng)民》一書（F.H.King著，1911），驚嘆中國的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)是“種養(yǎng)結(jié)合，精工細(xì)作，地力常新”的“無廢棄物農(nóng)業(yè)”。而今天，面對人口持續(xù)增長，需更多糧食，并要保護(hù)好生態(tài)環(huán)境，就必須在重新重視有機肥的基礎(chǔ)上，適施化肥，實行有機無機結(jié)合施用。有機肥無機肥必須按適宜的碳氮比例（C/N約為25：1）混合。過去強調(diào)有機肥（秸稈加牲畜糞）必須先長期漚制，達(dá)到碳氮比為25：1時施用，而現(xiàn)在可加入化學(xué)氮肥調(diào)節(jié)碳氮比。因此只需短時間堆制，經(jīng)過高溫發(fā)酵，殺滅病菌、蟲卵后即可施入土壤。
世界上已經(jīng)廣泛采用的秸稈加化肥免耕覆蓋是個有效措施。我們曾在一塊玉米、小麥一年兩熟地上，比較研究過秸稈免耕覆蓋和翻耕的效果。結(jié)果表明，秸稈覆蓋表土，形成天然生態(tài)分解亞系統(tǒng)，主要功能在于微生物分解、固結(jié)和釋放養(yǎng)分，并能緩沖外力對土壤的沖擊，使養(yǎng)分再循環(huán)能力提高。
北大荒墾區(qū)自上個世紀(jì)90年代起，秸稈還田面積達(dá)到種植面積的46.7%，迄今已經(jīng)使得有機質(zhì)含量恢復(fù)到開墾初期的較高水平（4%~7%）。而且除速效鉀外，其他土壤養(yǎng)分含量均有提高。2006年秸稈還田達(dá)到1300萬畝，相當(dāng)于投入肥料氮5.2萬噸、磷2.4萬噸、鉀9萬噸。所以，有機肥的使用是減少化肥依賴、培肥土壤的一條有效途徑。如能將種、養(yǎng)業(yè)產(chǎn)生的廢棄物變成有機肥料，既可養(yǎng)地，又可減少污染，是實現(xiàn)綠色農(nóng)業(yè)的重要措施，這也符合自然界元素生物小循環(huán)的規(guī)律。目前在秸稈免耕覆蓋中存在的某些問題，需在我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中進(jìn)一步研究解決。土壤是不可再生的寶貴資源，不僅要注意保量，也要保質(zhì)，即保持其肥力水平。
充分利用生物固氮，減少氮肥用量
植物生長所需大量氮素營養(yǎng)均來源于大氣。盡管大氣中含氮78%，但任何動植物均不能直接利用。只有那些能合成固氮酶的細(xì)菌和古菌可以將它還原成氨后加以利用，這些菌統(tǒng)稱固氮微生物，包含在200多個屬中。生物固氮是在常溫常壓下進(jìn)行，無需消耗礦質(zhì)能源。在工業(yè)化生產(chǎn)氮肥之前，生物固氮是自然生態(tài)環(huán)境中氮素營養(yǎng)的主要來源。到今天，地球上生物固氮量仍然是工業(yè)氮肥總量的兩倍，而其中由根瘤菌與豆科植物共生體固定的氮占生物固氮總量的80%，為最強大的固氮體系。
根瘤菌與豆科植物共生互作形成根瘤，在這個過程中根瘤菌從宿主獲得碳源和能源，將大氣中的氮氣轉(zhuǎn)化為植物氮素養(yǎng)分，兩者互惠共生。據(jù)研究，豆科植物會自己調(diào)控根瘤的數(shù)量和固定的氮量，不會無謂消耗本身能量。巴西、阿根廷自上世紀(jì)60年代以來大規(guī)模擴種大豆，均不施氮肥，只用根瘤菌劑接種并輔以適量的磷、鉀肥。產(chǎn)量均在3000公斤/公頃以上，最高產(chǎn)量可以達(dá)到4500公斤/公頃。菌劑的投入產(chǎn)出比高達(dá)1∶16（2.55：405美元/公頃）。在我國20世紀(jì)五六十年代，大豆、花生、紫云英接種根瘤菌實驗在南北方均廣泛開展，效果同樣很好。而70年代以后，由于化肥大量投入，豆科作物接種根瘤菌事業(yè)處于停頓狀態(tài)，種大豆也主要依賴氮肥，單產(chǎn)低到只有1500公斤/公頃，在世界上排第八位（排名前7位的國家均接種根瘤菌，不施氮肥）。過去30多年中，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)根瘤菌研究中心對中國的根瘤菌資源進(jìn)行了全國范圍的調(diào)查研究，建立了12000多菌株的根瘤菌菌種保藏庫，是目前國際上菌株數(shù)量最大，宿主種類最多（采自600多種豆科植物）的根瘤菌庫；對其中近8000個菌株進(jìn)行系統(tǒng)分類研究，發(fā)表了2個根瘤根新屬和40多個新種，約占國際總數(shù)的一半；在長期的研究中，我們發(fā)現(xiàn)與同種植物共生的不同根瘤菌種群有明顯的地理區(qū)域性分布，研究得知是因為它們具有不同的代謝與抗逆基因，從而適應(yīng)不同的生態(tài)環(huán)境；同種根瘤菌的不同菌株對植物不同品種共生有效性差異很大，也是因它們具不同的共生基因所致。根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)，我們已經(jīng)有針對性地為大豆、花生、扁豆、苜蓿等在不同地區(qū)的主要栽培品種進(jìn)行了根瘤菌選種，篩選出具有品種適應(yīng)性強、結(jié)瘤固氮活性高的一些菌株。在河北、河南、山東的田間小區(qū)試驗表明，大豆接種優(yōu)質(zhì)根瘤菌可以增產(chǎn)17.8~35.6，產(chǎn)量在4000公斤/公頃以上。接種比每畝施用10公斤尿素追肥的產(chǎn)量還高10%。80年代我們的田間實驗表明：完全不施化肥，花生接種根瘤菌可以增產(chǎn)14.5%~28.0%。因此，為豆科作物接種優(yōu)質(zhì)根瘤菌可以減少化肥用量，減少水源污染、節(jié)省能源和培肥地力，我們應(yīng)該大力推廣高效根瘤菌劑的應(yīng)用。
豆科與其他作物間套輪作，發(fā)揮生物間互惠作用
豆科與禾本科及經(jīng)濟作物間套輪作也是減少化肥和農(nóng)藥用量、減少污染的一項重要措施。在這樣的種植體系中，豆科作物可供給間作作物30%~60%的氮素；豆科收獲后所剩根茬的氮素占植株總氮的30%~35%，也可留給下茬使用。這就是豆科作物養(yǎng)地的原因所在，也是長期以來人們對間套輪作增產(chǎn)效應(yīng)認(rèn)識的基礎(chǔ)。我們與國內(nèi)同行進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn)，間作中受益的不僅是谷類作物，而且是間作雙方均受益。因為不僅是谷物增產(chǎn)，豆類作物的生物固氮能力和產(chǎn)量也得到提高。因為固氮微生物有一個特性，在有化合氮的條件下不合成固氮酶，不固氮，并且使用一定量化肥也抑制根瘤菌的結(jié)瘤固氮，稱為“氮阻遏”效應(yīng)。我們在野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，不少生長在施用過量氮肥田間的豆科植物（大豆、菜豆）“氮阻遏”嚴(yán)重，全不結(jié)瘤。
長期以來，國內(nèi)外的科學(xué)家作了大量研究，試圖用基因工程技術(shù)打破氮阻遏，獲得可以在較高氮肥水平下固氮的微生物。但至今未獲得可在生產(chǎn)中應(yīng)用的結(jié)果。近年來，我們通過一系列溫室和田間試驗證明，在間、混作條件下，禾本科作物的發(fā)達(dá)根系可以吸走豆科作物根際的氮素，從而解除根瘤菌的氮阻遏，促進(jìn)結(jié)瘤固氮。這樣，我們就有了一個克服施肥與氮阻遏之間矛盾的有效方法。在大豆與玉米間作的田間實驗中，我們發(fā)現(xiàn)接種根瘤菌的間作大豆產(chǎn)量比單作的更高，玉米也比單作產(chǎn)量高，且抗倒伏。其他研究者進(jìn)行的豆、禾間作試驗也表明兩者互惠互利，同步高產(chǎn)。
云南農(nóng)大朱有勇研究團隊發(fā)現(xiàn)，除了增產(chǎn)效果外，間混作與輪作（包括同一作物不同品種的間作）還可以增加農(nóng)田中的生物多樣性，抑制植物病蟲害的傳播和危害。這一效應(yīng)可以減少農(nóng)藥的使用量，從而降低農(nóng)藥對環(huán)境安全和食品安全造成的威脅。根據(jù)上述研究成果，我們建議在我國糧食生產(chǎn)中，倡導(dǎo)間套輪作體系建設(shè)。在間套輪作中加入豆科作物，接種根瘤菌，保證農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，又減少化肥和農(nóng)藥使用，減緩面源污染。
豆、禾間作混播，發(fā)展草地農(nóng)業(yè)
我國60億畝草地是發(fā)展畜牧業(yè)的重要基礎(chǔ)，但四大自然牧區(qū)均嚴(yán)重超載。新疆牧區(qū)超載130%以上，不少牧民生活困難；內(nèi)蒙古牧區(qū)每年平均沙化退化草地面積達(dá)到167萬公頃。發(fā)達(dá)國家的草地種植面積均達(dá)60%~70%。糧、經(jīng)、草三元結(jié)構(gòu)及其草田輪作模式是發(fā)達(dá)國家現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容。我國農(nóng)業(yè)也將實現(xiàn)現(xiàn)代化。當(dāng)前牧草種植規(guī)模仍然很小。任繼周院士一直在呼吁發(fā)展草地農(nóng)業(yè)。我們建議在牧草種植體系中，選用優(yōu)質(zhì)豆科牧草接種相匹配的高效根瘤菌，與適合的禾本科牧草混播或間作，充分利用自然資源中的氮、磷、鉀，不用化肥，獲得高產(chǎn)。我們在內(nèi)蒙古和北京完成的苜蓿接種優(yōu)選的根瘤菌與無芒雀麥間作種植試驗表明：苜蓿接種根瘤菌單作增產(chǎn)80%以上，間作比單作苜蓿產(chǎn)量高出100%以上；不施肥處理產(chǎn)量高于施肥處理，無芒雀麥間作比單作產(chǎn)量也有增高。第二年增產(chǎn)趨勢與第一年相似，第三年總產(chǎn)略有降低。從這些結(jié)果可以看出，種植豆科牧草完全不用施氮肥，但必須接種高效根瘤菌并與禾本科間作或混播，可促進(jìn)兩者高產(chǎn)，施氮肥抑制結(jié)瘤固氮。豆科牧草接種根瘤菌與禾本科間作、混播，是提高牧草產(chǎn)量的重要措施。
我國具有“種養(yǎng)結(jié)合，精工細(xì)作，地力常新”的經(jīng)營無廢棄物農(nóng)業(yè)的傳統(tǒng)。這一傳統(tǒng)曾經(jīng)成功地養(yǎng)活了世世代代的先民們，成為中華文明發(fā)達(dá)最堅實的基礎(chǔ)。現(xiàn)代中國農(nóng)業(yè)面臨著耕地減少、人口和食品需求大量增加的形勢。為保證糧食安全，科學(xué)使用化肥、農(nóng)藥很有必要。但最近幾十年中，因濫用化肥、農(nóng)藥，已經(jīng)造成了全局性環(huán)境問題和土壤肥力下降問題。為了解決這些問題，發(fā)展新型無廢棄物農(nóng)業(yè)是必然途徑。恢復(fù)我國重視有機肥使用的傳統(tǒng)，實行有機肥與化肥結(jié)合施用、豆科作物接種高效根瘤菌的生物技術(shù)措施及禾本科—豆科間套輪作的種植體系是建設(shè)新型無廢棄物農(nóng)業(yè)和減少面源污染的核心，是實現(xiàn)我國綠色農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和改善城鄉(xiāng)人民生活環(huán)境的可靠保證。
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