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气候智慧型农业土壤管理分析

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  摘要:气候智慧型农业是一种新的农业发展模式,更是一种应对全球气候变化的高层面农业发展形态。在分析气候智慧型农业土壤管理的内涵及其功能基础上,探讨了气候智慧型农业土壤管理复原性基础原理,认为气候智慧型农业土壤管理将面临固碳减排和粮食安全双重压力、土壤污染形式多样化、土地耕作方式传统落后等挑战,并提出相应的对策建议。
  关键词:气候智慧型农业;土壤管理;复原性
  中图分类号:F323.3         文献标识码:A
  文章编号:0439-8114(2019)07-0132-04
  Abstract: Climate-smart agriculture is a new model of agricultural development, and it is also a high-level agricultural development that responds to global climate change. Based on the analysis of the connotation and function of climate-smart agricultural soil management, the basic principles of resilience of climate-smart agricultural soil management are discussed. The climate-smart agricultural soil management will face challenges including dual pressures of carbon sequestration and reduction of food, diversification from soil pollution forms, traditional and laggard methods of land cultivation, and so on, and at last some corresponding countermeasures and suggestions are given.
  Key words: climate-smart agriculture; soil management; resilience
  1  氣候智慧型农业土壤管理的内涵及其功能
  1.1  气候智慧型农业土壤管理的内涵
  气候智慧型农业是指能够可持续地提高农业生产效率、增强农业适应性、减少温室气体排放,并可实现国家粮食生产安全的农业生产发展模式[1]。与其他产业相比,农业与气候的相互关系最为紧密,气候智慧型农业在功能方面体现出“三赢”局面:提高农业普遍生产力、适应多端的气候变化和减少温室气体的过度排放(图1)[2]。然而,受气候破坏性影响,近年来中国土壤沙漠化、土壤盐碱化、水土流失、山体滑坡、生物多样性锐减等灾害现象频发,预示着土壤呈现急速退化的趋势。在全球气候变化的大背景下,特别是现阶段中国农业发展面临着新的挑战,加强气候智慧型农业土壤管理,促使农业领域适应气候变化,提高农业生产效率,有利于推动农业经济发展和维护社会稳定;减缓温室气体排放,有利于发展生态农业和减缓气候环境变化;可持续的土壤资源管理机制有利于农业生产技术的创新与共享、防灾减灾、保护性耕作、土壤固碳减排、酸碱度调节和生产集约化等。除此之外,利用气候变化的近期数据和信息来评估具体气候变化趋势,有利于未来气候预测与种植计划相互匹配,有利于区域农作物多样性。
  1.2  气候智慧型农业土壤管理的关键功能
  1)气候智慧型农业土壤管理能够提高农业土壤生产力,协调植物与水分的关系。水是生命之源,土壤是连接水与植物的桥梁,是植物生长的基础,土壤为植物提供水分来源,通过植物根系吸收。气候变化通过改变农作物的水分蒸腾量直接影响土壤、水分与植物三者之间的关系。随着温室效应的增强,温度升高将引起农作物水分蒸腾量的增加,导致土壤水分损耗速率过快,形成干旱灾害,降低农业生产力。气候智慧型农业土壤管理通过提高土壤水分保持能力,减缓水文循环,过滤灌溉系统用水等措施来应对植物与水之间的关系变化。
  2)气候智慧型农业土壤管理能够减少温室气体排放,稳定物质和能量循环。气候变暖是气候变化最重要的表现形式,由气候变暖引起的土壤物质和能量循环速率的改变,同时影响着土壤碳排放和地表植被的养分供应两方面,进而影响植被的正常生长。通过气候智慧型农业土壤管理,一方面提升土壤固碳能力,减轻导致气候变暖的温室气体的排放量;另一方面,通过改善土壤微生物适应性来影响土壤有机碳分解和氮元素等矿质元素的有效性,进一步稳固土壤碳循环和能量转换过程。
  3)气候智慧型农业土壤管理能够适应气候变化,保障农业原材料生产服务。农业土壤是提供维持生命的粮食、燃料、医药和纤维产品的基础。气候变化将直接引起农作物生长过程中外界环境温度、光照时间、水分和二氧化碳浓度等条件的变化。以水稻种植为例,在短期田间试验中二氧化碳浓度加倍调节水稻的生育期、抽穗期和成熟期均有不同程度的缩短[3],各生长周期的改变必将影响水稻的产量和质量。因此,发挥气候智慧型农业土壤的减排性可有效降低二氧化碳等温室气体排放,将调节气候多种变化对农业生产功能的影响。
  2  气候智慧型农业土壤管理复原性基础原理
  气候智慧型农业土壤管理有着明显的复原性特征。①有效推动土壤固碳减排能力复原,土壤固碳减排不仅减缓温室效应,而且改善土壤肥力,提高农业生产力。②有利于有效水含量和养分复原,水分是农作物生产的关键气候因子,养分是合成植物细胞中核酸、蛋白质等多种物质的能量来源,由此通过管理提高土壤保留水和养分的能力,从而保障农作物正常的生理过程。③有利于土壤生物多样性和生态系统服务功能复原,如通过多种微生物分解土壤中大量有机物,并把多余养分释放到土壤中为植物提供营养。   2.1  土壤监测管理具有时效性,利于掌握土壤变化状态
  气候智慧型农业土壤管理适时动态监测,能够准确掌握土壤状态变化。通过多途径多手段,监测土壤结构、营养成分、储水能力和盐碱度等特有属性。利用试验或模型对土壤及时评估,了解土壤退化强度及方向,了解气候变化对土壤带来的影响程度。根据不同区域的气候与土壤质地的差异性,通过实地监测获得土壤信息,因地制宜地制定土壤改良方案,确定农业生产过程中可持续土壤利用模式,使土壤管理与气候变化及时匹配。利用实时监测数据,预测农业土壤未来一定时间段内的变化趋势和规律,为土壤退化提供有效预防措施。
  2.2  大幅提高土壤固碳能力,增大农业生态系统的整体弹性
  气候智慧型农业可大幅提高土壤自身固碳能力,增强农业生态系统的整体弹性。气候种类、作物种类、耕种强度都影响着土壤中碳的储存量,任何土壤的固碳潜力都受许多因素的影响,因此土壤中储存的碳并不是一成不变的。例如,在土壤中前期累积的碳是高度可氧化的碳,随着时间的推移,土壤中的碳变得更加稳定。碳固存不仅能稳定气候,而且能使农业生产更加可持续。为此,气候智慧型农业通过对土壤中有机物质的管理来增加土壤有机碳含量,这种措施可以维持土壤生态系统服务功能,并保障土壤长期肥沃。
  2.3  遵循高效性与减排性并行原则,减弱农业集约化和控制温室气体排放矛盾
  气候智慧型农业土壤管理始终遵循高效性与减排性并行原则,有助于减弱农业集约化和控制温室气体排放共存的矛盾。由于农业集约化,以人力为主的传统粗放式耕作正逐步向以机械化系统为主的精耕细作转变,有机肥(动物粪肥、植物残渣等)也逐渐得到无机肥的补充和替换,但是大量机械尾气和工业废气等温室气体排放也难以避免。为此,气候智慧型农业土壤可以通过以下管理途径减少温室气体的排放:提高机械田间作业和灌溉作业的燃料使用效率;改变无机肥施用速度、时间和类型以及在含氮肥料中添加含氨氮的硝化抑制剂。这些做法将在满足土壤营养元素供应的同时减少气体污染。
  3  气候智慧型农业土壤管理面临的挑战
  3.1  固碳减排和粮食安全双重压力,土壤管理难度增大
  民以食为天,粮食产量问题是当今世界依然面对的五大问题之一。农作物的产量和质量关系到人类最基本的生存条件、社会稳定、民族团结和经济发展。由此,发展气候智慧型农业土壤管理既要提高土壤固碳减排能力和缓减气候变化影响,又要以保证粮食安全为前提,这些目标共存形成矛盾。以化肥为例,根据联合国粮农组织(FAO)在20世纪耗时18年对41个国家施用化肥效果的调查统计,结果表明使用化肥的平均增产率为60%左右[3]。由此可见,化肥为粮食增产提供了巨大空间,为解决世界数以亿计人口的温饱问题做出了积极贡献。从粮食安全方面来看,化肥的施用维护了社会稳定,促进了经济的发展。实施气候智慧型农业土壤管理,意味着将要放弃化肥的大规模投入。然而,化肥利用率低,有機肥储存量不足,农产品生产者技术水平参差不齐,有限的土地还需满足城市化和工业化的需要,这些问题都是气候智慧型农业管理模式在粮食生产过程中面临的挑战。
  3.2  土壤污染形式多样化,治理流程繁琐
  土壤污染日益严重,大量生物赖以生存的洁净土壤被破坏和污染。农用土壤污染率连年攀升,土壤主要污染物正在从常见易降解无毒害污染物向难降解有毒害污染物转变。农药污染、生活垃圾污染、化肥污染、重金属污染、工业废水污染等多种污染长时间危害土壤健康。水果、蔬菜、粮食等常见食用农产品几乎全部来自于土壤,由此,食品安全的程度取决于土壤污染的程度。空气污染、水体污染与土壤污染的形成密不可分,如工业废气形成酸雨侵蚀土壤,改变土壤的酸碱性,废气中污染物颗粒沉降在农田表面或灌溉水源中,最终渗入土壤。重金属污染随着工业的发展以及灾害事故的发生而加重。例如2001年,中国广西环江毛南族自治县的3家选矿企业尾矿库溃坝,洪水过后尾矿及其废矿渣沉积于洛阳镇、大安乡、思恩镇600 hm2农田[4],大量金属废矿渣与原土壤混合造成严重土壤污染。土壤污染大幅降低农业生产整体效率,堵塞气候智慧型农业集约化的渠道,更进一步加大了粮食安全的挑战,并且土壤污染具有多源性,治理流程复杂,治理时间漫长。
  3.3  土地耕作方式传统落后,农民保护性耕作意识淡薄
  农田土壤固碳减排是气候智慧型农业土壤管理的主要目标。对土壤的耕作措施是影响农田土壤碳储量、土壤结构的重要因素。有研究表明,团聚体中受保护的和未受保护的有机碳有着不同的更新速率,因而团聚体的保护能力在土壤固碳潜力中起到物理基础作用[5]。传统的耕作措施以长期翻耕为主,导致土壤中团聚体大量破坏,从而损伤土壤的固碳能力。例如中国的九大商品粮基地由于多年来不间断采用传统耕作模式种植,轻养地、重用地的生产模式急剧降低了土壤碳储量。从20世纪50年代开始,为了改善耕作模式对土壤的影响,学界曾提出过“免耕”及“覆盖耕作”等多种保护性耕作模式。1999年农业部在“十五”期间把保护性耕作列为重点推广的 50项农业技术之一。但目前保护性耕作依然存在许多有待解决的问题:农业机械化程度不断提高,缺乏适应不同生产环境的专用保护性耕作器械和技术;农产品生产者对耕地保护意识淡薄,配套的农业政策和生产制度也有待完善。
  3.4  可利用营养匮乏,土壤酸碱度失衡
  微生物具有分解土壤中有机物的作用,而且被分解的有机物可以释放出植物所需氮、磷、钾等一系列营养物质。其中绝大部分营养物质以阳离子形态存在,而且只有微量营养物质可以直接用于植物吸收,其余多数营养物质被土壤颗粒表面的负电荷吸引。植物通过根毛表层附着的氢离子与土壤颗粒上的阳离子进行交换获取营养物质。然而土壤种类结构的差异导致土壤阳离子交换量不同,进而影响土壤肥力。以氮、钾为例,植物无法从空气中直接利用气态氮合成自身所需的含氮化合物,所以土壤是植物汲取氮素的主要源头。在土壤中氮元素通常以有机含氮化合物和微量无机氮源的形态存在,只有水溶性的有机含氮化合物和无机氮源可以被植物吸收利用。钾元素与氮元素等依赖土壤有机质的元素相比,钾元素取决于矿物质种类,一般情况下,只有低于1%的钾易于被植物吸收,大多数农作物对钾元素的需求量大于氮元素以外的任何矿物质元素。另外,土壤酸碱度同样也是土壤母体物质形成土壤过程中受气候等影响产生的特性之一,影响着土壤中微生物活性和养分有效性。   4  强化气候智慧型农业土壤管理的对策
  4.1  综合管理,实现共赢
  为解决气候智慧型农业中粮食安全、农业可持续发展与气候变化之间复杂的矛盾,实现多目标共同发展,必须综合协调好土壤与植物之间的相互关系。在种植业生产中,确保土壤肥沃和耕地保有量是保证粮食安全的重要前提。①通过有机肥与无机肥的配合利用,保持土壤营养充足合理,减小大规模施用化肥对土壤的危害;②通过农业供给侧结构性改革,使多种农作物产量达到供需平衡,同时降低耕地非农化进程、减缓耕地盐碱化,保障应有的耕地面积,提高耕地生产率。在畜牧业生产中,通过实行分区轮牧、建立人工草场等措施,防止草原生态系统中生物多样性的锐减;增加土壤有机质含量,增加草层的覆盖面积,防止草场水土流失与草地土壤荒漠化。最终,以土壤良好的健康状态应对气候的变化。
  4.2  转换耕作模式,健全配套技术
  据有学者研究[6]表明,少耕、免耕措施均显著提高了0~20 cm和20~40 cm两个土层的有机碳含量,并且试验时间越长差异越大。由此,保护性耕作或是现阶段固碳减排的最佳措施。具体措施有:①开展气候智慧型保护性耕作研究,制定适合不同气候、不同土壤的保护性耕作措施,从而保护土壤中的团聚体,维护土壤的固碳能力,优化秸秆还田措施,提高农田覆盖率;②严防焚烧农作物秸秆残渣,进一步减少温室气体的排放;③大力宣传保护性耕作模式,增加对保护性耕作的认知度,对前期实施保护性耕作的农产品生产者发放补贴,激发生产者积极性;④研发保护性耕作专用机械与相应技术,维持应有的机械化水平。在实践中逐步优化保护性耕作措施,形成一套健全的生产体系并大力推广。
  4.3  预防土壤污染,加强投入力度
  土壤污染治理具有难度大、过程繁琐、周期长、效果不明显的特点,因此先期预防优于后续治理。针对农药污染,首先要研发低残留、低毒性、专用性高的农药;其次在使用农药过程中要对农作物精准施药,减少农药的直接喷洒面积。针对化工肥料污染,要尽量以传统农家肥替代化工肥料,同时加强化肥中重金属等污染物含量的控制,提高农产品生产者的施肥技术水平,防止肥料滥用现象的发生。针对生活垃圾污染,要加大卫生设施的投入,健全垃圾处理系统,全面开展环境保护教育。针对工业废弃物污染和重金属污染,要开展对生产安全及其废弃物排放的严格审查,严控不经处理的废水废气肆意排放。另外,对农业灌溉用水要加强治理,禁止重度污染水源大规模流入农业土壤[7]。最终达到气候智慧型农业可持续、更高效的目标。
  4.4  科学管理养分,平衡土壤生态
  在气候智慧型农业土壤管理中采用科学手段测定土壤各营养元素含量,评估土壤状况,制定土壤改良措施。①通过改善土壤结构来提高土壤阳离子交换能力。②维持土壤微生物的生活环境,如维持土壤pH在6.5~7.5,其是大多数土壤微生物最适宜生存的酸堿程度。③保护微生物多样性,加强土壤微生物学的研究,掌握更多种类的人工培养土壤微生物技术。④对于土壤中养分的管理,应因地制宜从各营养元素具体开展。以氮、钾为例,对于氮元素,广泛开展土壤氮元素循环研究,减少氮肥的使用,积极发展以共生固氮为主,联合使用固氮和自生固氮并行的生物固氮技术;对于钾元素,农作物对钾元素的吸收效率与在最佳水平内的土壤湿度、通气和温度正相关,建议定期监测钾元素状态(包括植物体内含量分析和常规土壤测试分析),管理方法随农作物状态和土壤钾含量的变化而变化。
  参考文献:
  [1] Food and Agriculture Organization of the United Nations.Climate-smart agriculture:Policies,practices and financing for food security,adaptation,and mitigation[R/OL].http://www.fao.org/3/i1881e /i1881e00.pdf,2018-06-10.
  [2] 管大海,张  俊,郑成岩.国外气候智慧型农业发展概况与借鉴[J].世界农业,2017(4):23-28.
  [3] 钱凤魁,王文涛,刘燕华.农业领域应对气候变化的适应措施与对策[J].中国人口·资源与环境,2014,24(5):19-24.
  [4] 陈印军,方琳娜,杨俊彦.我国农田土壤污染状况及防治对策[J].中国农业资源与区划,2014(4):1-5,19.
  [5] 马常宝.我国农业肥料施用发展趋势与展望[J].中国农技推广,2016(6):6-10.
  [6] 王碧胜,蔡典雄,武雪萍.长期保护性耕作对土壤有机碳和玉米产量及水分利用的影响[J].植物营养与肥料学报,2015,21(6):1455-1464.
  [7] 张  兵,张  宁,张轶凡.农业适应气候变化措施绩效评价——基于苏北GEF项目区300户农户的调查[J].农业技术经济,2011(7):43-49.
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