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培养健康土壤的核心:免耕+生草+覆盖作物+利用微生物

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  水果有机栽培,面临的一个主要问题就是如何减少或者不施化肥逐步培肥地力,提高土壤有机质含量,创造一个健康的土壤。改善土壤健康状况可以解决许多农业问题、避免土壤侵蚀、减少水土流失和山洪暴发,同时减少杀虫剂和化肥农药的使用,减少硝酸盐和磷的污染,有利于生产有机果品。但如何培养健康的土壤,笔者结合近年来国内外有机果园考察成果和学习的心得,总结为免耕+生草+覆盖作物+利用微生物。
  1 免耕的好处和生草一样多
  关于免耕,它的好处不仅仅是节省劳力和能源,还有助于提高土壤的物理肥力和生物肥力,从而提升土壤的化学肥力。在美国一项关于2003年的平均燃料消耗量的研究中发现,免耕农业的能源消耗比常规耕作少1/3,这是由于免耕果园的农机设备使用量减少。如果在免耕的基础上,采用行间生草和覆盖作物,则能进一步减少能源密集型肥料的使用。
  美国土壤生态学家戴维·R·蒙哥马利(David R. Montgomey)教授认为,土壤是岩石的风化物,旧的成土观念认为土壤形成需要数百年或更长时间才能形成1英寸(2.54厘米)厚的土壤。而包含生物—覆盖作物、根系分泌物、微生物和土壤生命的新观点认为,我们可以在几十年而不是几个世纪里加速形成土壤(此观点来源于《耕作革命:让土壤焕发生机》)(图1)。
  土壤中积累的大部分碳都来源于根系分泌物。这种以生命形式固定的碳,就不会跑到空气中。这就是为什么及时割倒覆盖作物的活动有利于土壤碳的固存,因为它在再次生长的同时刺激了大量根系分泌物的释放。随着覆盖作物的生长,通过光合作用合成足够的碳以产生分泌物。当覆盖作物繁殖时,由于它会将自身资源分流到种子生产中,因此根系分泌物的产生就会被切断。大幅度增加土壤中的碳,就需要定期割倒自然生草和覆盖作物,避免它们形成种子,以便在短时间内使更多的根系分泌物进入土壤。
  免耕和生草除了改善土壤质量和土壤物理、化学及生物特性,对土壤有机质的增加还有好处。传统农业可能会产生土壤团聚体,但它们缺乏球囊霉素稳固住团聚体。只有通过免耕、生草和覆盖作物等建立的土壤碳库,存进了微生物生物量和营养循环,改善土壤结构及质地,并促进土壤团聚体的形成——所有这些都能提高土壤肥力。最终的结果是增加了土壤有机质含量,果树产量也有所提高。
  2 土壤有机质的来源不仅仅是施有机肥
  土壤有机质与果树产量之间存在着密切的关系,土壤有机质含量高,哪怕施用的肥料很少,也可以使果树产量保持较高水平。众所周知,土壤有机质的损失将削弱干旱气候下的果树抗旱性和抗寒性,增加土壤有机质可以改善土壤的保水性和持水能力,从而提高果树的抗寒、抗旱能力。
  那么,如何长期保持有机果园土壤的的有机质含量?答案是生产和保持生物量,而这正是通过种植覆盖作物和覆盖作物残茬来实现的。通过种植覆盖作物来捕获和释放养分,用能够聚集土壤养分的覆盖作物来聚集和吸收营养元素,使营养元素从土壤中进入它们的生物量中。深根覆盖作物会把深层土壤的养分带到地表,甚至连固氮的豆科植物也能在死亡后把养分归还土壤。简而言之,如果你有太多的堆肥一时无法利用,可以放在土壤中,种植覆盖作物来吸收和暂时保存这些宝贵的养分。然后,当你想要使用这些养分时,你就可以割倒覆盖作物,任由它腐烂分解,让营养物质回到土壤中。
  如果要建立土壤的生物肥力,土壤中要有足够的用于繁殖真菌的碳。和果树一样,植物通过光合作用来获取碳,从而生成茎、叶、枝、干和根、根系分泌物,当植物固定碳并将其从根部排出来繁殖微生物时,它们会增加土壤的碳储量。依靠根系分泌物生存的有益微生物则通过生长繁殖活动构建了土壤的团聚体、孔隙和土壤有机质。而耕作和施氮肥都会杀死这些有益微生物,特别是菌根真菌,前者会将它们切割开,后者则会使作物减少它们的分泌物,从而饿死了依靠根系分泌物生存的菌根真菌和其他有益微生物。
  戴維·R·蒙哥马利教授在《泥土:文明的侵蚀》(图2)和《耕作革命:让土壤焕发生机》两本书中指出,相关资料表明,地球上土壤中的碳含量至少是大气中的两倍。据估计,在10英尺(3.048米)的深度,土壤中的碳含量比大气中的总量和地球上动植物生命中的碳含量都多。由于表层有机质的输入和浅根的富碳分泌物排入土壤,大多数碳保存在土壤表层的几英尺处。每次耕作时,都会将表层土壤暴露在空气中,加速有机物分解,释放大量的碳。有人估计,到20世纪末工业革命后,大气中的碳总量的1/4~1/3都来自于耕作。自农耕出现以来,大多数耕地土壤已经失去了原始土壤碳的1/3~2/3。2005年《科学》杂志中发表的一篇相关文章提到,由于常规谷物作物及化肥使用每年使土壤减少0.5%~1%的碳,而种植覆盖作物和施用农家肥则能使土壤碳每年增加0.2%~0.4%。
  现实是,只有增加生物量即每年多种覆盖作物的种植、定期割倒覆盖和增施有机肥料(果园五配套:自然生草、种植覆盖作物+循环养鸡、养猪+利用沼气照明、肥田+鸡粪、猪粪等发酵处理还田+健康的果树)时,免耕措施才能不断增加土壤碳储量。免耕对土壤固碳量的影响很大程度上取决于覆盖作物的系统管理,它与残茬保持(30厘米左右)、覆盖植被和果园五配套相结合,仅有免耕对增加土壤碳含量的作用并不大。
  3 行间自然生草和种植覆盖作物
  覆盖作物不仅仅供微生物维持活性,还有助于营造适宜的土壤温度,使微生物发挥有益作用。覆盖作物的免耕系统为菌根消耗和转化球囊霉素提供了充足的碳。这意味着富含微生物的土壤可以促进渗透并且更好地保持水分,所以作物更抗旱。
  将覆盖作物种植在果树行间,必要时及时割倒覆盖,这些作物死亡时,根部能释放出有助于溶解磷和其他矿物质营养物质的酸性分泌物。但如果你不及时割倒覆盖物,就无法得到这个额外的根系分泌物作为输入物。这样做的目的是不让覆盖物从土壤中吸收氮和磷来制造种子,而是随着时间的推移,在覆盖作物不断生长时,其营养物质在收获后还田,留存在土壤中,以供果树的吸收和利用。   戴维·R·蒙哥马利教授发现,萝卜的种植可以有效抑制冬季杂草的生长,萝卜在短短两个月内即可长出3英寸(7.62厘米)的根茎。冬季霜冻来临,萝卜死亡并腐烂后,留下大型垂直空隙会显著改善土壤渗透状况,有助于缓解土壤压实。萝卜的根孔周围可以为作物提供更多的速效磷,同时也是夏季作物收获后土壤氮素的“拾荒者”,当萝卜腐烂分解时,它们迅速地将氮和其他营养物质归还到土壤中。经试验证明,种植萝卜后每英亩(6.07亩)土地能回收至少250磅(113.5千克)氮,同样多的钾和至少23磅(10.44千克)的磷。种植毛苕子和豌豆后,每英亩土壤可增加100~200磅(45.4~90.8千克)的氮。向日葵擅长从土壤深处富集锌,并将其带入表层土壤。种植向日葵的土地,土壤中植物可利用有效锌的含量有明显的上升。我们曾经于秋季在渭北旱塬苹果产区推广行间种油菜,来年春季花开时割倒覆盖,每亩地其生物产量高达1 500~2 000千克,肥田效果不言而喻。
  简单地说,豆科作物向土壤提供氮,而果树根系生长发育中不断通过构建土壤团聚体的菌根给豆科作物提供磷,土壤团聚体的功能则产生了土壤结构和孔隙空间,这些土壤物理性状则涵养了豆科作物和菌根需要的水分和养分,三者形成了互为利用,相互共生的关系。
  4 土壤微生物的参与
  虽然存在一些酶来分解矿物质的真菌,但是与菌根真菌(如丛枝菌根简称AMF)形成共生关系的溶磷菌也能够从矿物质中吸收营养物质。真菌通过它们的结构体或者菌丝体吸收营养,并将其远距离运输到作物——以换取作物根系的分泌物。为了充分利用生物肥力,我们需要富含有益细菌和菌根真菌的土壤(图3)。
  森林土壤是一个主要的碳汇,在全球范围内封存了16%的土壤碳,因此森林土壤在全球碳循环中扮演着陆地净碳汇的功能。以前,科学家们总认为土壤中大部分碳是来自植物的地上凋落物,植株通过吸收大气中的二氧化碳,最终落在地面慢慢腐烂进入土壤,因此地上植物凋落物是土壤有机质的主要来源。同样,大家的共识是,植物的地上凋落物(死亡的针叶和木质部分)是北方森林土壤碳贮存的主要来源。现在发现,这一切可能是一个误解,而消除这个误解的是来自瑞典农业科学大学的女性科学家Karina Clemmensen和她的同事,她们发现,贮存在森林中的碳很大比例不是从下面进入土壤的,而是通过根和它们相关的菌根真菌起作用的。固定在土壤中的碳,有50%~70%是来自树根及周围生长的真菌。也就是说,与植物根系共生的真菌,将来自植物光合作用产物的碳直接转运到土壤中并被封存起来,即Fungal Carbon Sequestration(真菌碳封存)。科普杂志“科学美国人”(Scientific American)介紹此成果时称“根部真菌在土壤中封存了数量惊人的碳。在生态系统过程中,落叶和树枝虽然重要,但在较量中根和真菌却胜出了。”
  球囊霉素(Glomalin,最新命名为球囊霉素相关土壤蛋白Glomalin related soil protein)是由丛枝菌根真菌 产生的一类含金属离子的糖蛋白。由于真菌分泌此类蛋白的特异性及其理化性质的特殊性,自1996 年被发现以来,其在土壤结构及土壤碳素储存和循环中的作用引起了人们的广泛关注,尤其是在贫瘠的土壤中,球囊霉素在土壤有机质组成中起着非常重要的作用。随着研究的深入,人们对球囊霉素的组成、结构和功能等不断取得新的认识。生活在果树根系周围的菌根真菌首先形成菌丝,接着产生球囊霉素,菌丝需要它才能开展正常的工作。球囊霉素可以产生促进形成一种黏性活性物质——微团聚体(存在于土壤微小团粒结构之间),它可以稳定水流动和贮存的通道。这些通道对菌根真菌的生长来说是必不可少的,也是其他有益土壤微生物的栖息地。当有机物保持在稳定的团聚体中时,其周转的时间从几年增加到几十年或更长。富含菌根的土壤的固碳能力开始增强,土壤更加肥沃,反过来又会有更多的有机物供真菌消耗和分解。
  正是以上自然界生物之间的有机结合,才形成了果树、杂草、覆盖作物、土壤微生物、蚯蚓等彼此旺盛的生命力,才创造了时间和空间上丰富的生物多样性,这无疑有利于有机生产的生态环境,奠定了有机果品生产的基础。
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