陳文新：發展新型無廢棄物農業減少面源污染源

　　過去的30年，中國利用占世界9%的耕地，解決了占世界總人口20%的13億國人的吃飯問題，而且到2012年已經保持了糧食連續9年增產，為中國經濟增長和社會穩定提供了保障。但這30年間，化肥、農藥的使用量不斷提升，牲畜糞尿、秸稈等廢棄物也大量增加，已造成農村和農田的廣泛面源污染和土壤肥力下降等嚴重問題，惡化了生態和城鄉人民的生活環境。根據2007年中國污染普查的結果，全國農業排放的化學需氧量(COD)占全國排放總量的43.7% (1320萬噸);農田排放的氮、磷分別占總量的57.2%和67.4%(270萬噸和28萬噸)。因此，中國農業在未來發展中面臨著既要保持高產，又必須減少面源污染的雙重壓力。針對這一問題，中國農業部及相關部門已經展開工作，推動發展清潔農業與循環農業。當務之急是，需要可行的技術方案來降低農業生產中對化肥、農藥的依賴，提高其使用效率，從而構建起我國永續發展的生態與環境基礎。

　　目前我國農業生產中存在兩大問題農業生產中，氮素養分是繼水之后最大的制約因素。每生產一噸谷物等糧食，需要消耗土壤中20到40公斤氮素。要保持糧食高產，必須向土壤中補充氮素及其他營養元素。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重的環境問題。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量嚴重惡化，與過量使用氮肥直接相關。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的游離硝酸鹽。進入食物中的硝酸鹽在一定條件下會被轉化為亞硝酸，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，造成土壤有機質含量下降、土壤結構被破壞，最終引起土壤板結，肥力下降。這種情況到了必須立即解決的時刻。

　　我國農業生產中的另一個問題是作物重茬，病蟲危害，濫用農藥。由此導致病原菌和害蟲抗藥性的提高。另一方面，殘留農藥進入水體和食物鏈，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生的抗性基因。而農藥的長期使用，會對具有藥物(殺菌劑、殺蟲劑)抗性的個體產生選擇性富集，使病蟲害群體的抗性逐漸提高，從而迫使人們提高農藥的用量。其最后結果就是藥物的用量越來越大，由此產生的環境污染也越來越重。我國已經發現的具有較高抗藥性的昆蟲有幾十種，包括一些重要的農業害蟲和衛生害蟲。在植物病原微生物方面，真菌、細菌及線蟲中都發現了抗藥性。

　　根據研究和認識，要解決上面的我國農業生產領域的兩大問題，最重要的途徑是：1)重施有機肥，有機肥與化肥結合施用，即發展新型的無廢棄物農業;2)發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。通過這些措施達到減少化學氮肥與農藥用量，使土壤肥力常存、保糧食優質高產、環境日漸美好。

　　有機肥與化肥結合，種地與養地結合

　　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構，為作物調控適宜的水、肥、氣、熱，為作物轉化、保存并持續提供所需營養元素。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維持。自然生態系統中，植物是生產者，動物為消費者，微生物為分解者。地球表面有限的營養元素就靠微生物這個分解者，才能進行循環使用。這個分解作用，主要在土壤和水體中進行。所以最合理的措施是盡可能將動植物廢棄物投入土壤中，促進微生物大量繁殖。微生物將有機質分解，釋放出營養元素，供植物生長利用;同時，也合成它們自身的細胞，將營養元素在細胞中保存而不被流失。微生物死后，營養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化為腐殖質。腐殖質與微生物分泌的大分子物質一起，使土壤礦質顆粒凝聚成團粒結構，營造適于植物保水、保肥、調溫、通氣的生長環境。所以土壤腐殖質的含量常用作衡量土壤肥力的指標。

　　20世紀初，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。美國的農業局長來東亞，特別是在中國考察后，寫了《四千年的農民》一書(F.H.King著，1911)，驚嘆中國的傳統農業是“種養結合，精工細作，地力常新”的“無廢棄物農業”。而今天，面對人口持續增長，需更多糧食，并要保護好生態環境，就必須在重新重視有機肥的基礎上，適施化肥，實行有機無機結合施用。有機肥無機肥必須按適宜的碳氮比例(C/N約為25：1)混合。過去強調有機肥(秸稈加牲畜糞)必須先長期漚制，達到碳氮比為25：1時施用，而現在可加入化學氮肥調節碳氮比。因此只需短時間堆制，經過高溫發酵，殺滅病菌、蟲卵后即可施入土壤。

　　世界上已經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。結果表明，秸稈覆蓋表土，形成天然生態分解亞系統，主要功能在于微生物分解、固結和釋放養分，并能緩沖外力對土壤的沖擊，使養分再循環能力提高。

　　北大荒墾區自上個世紀90年代起，秸稈還田面積達到種植面積的46.7%，迄今已經使得有機質含量恢復到開墾初期的較高水平(4%~7%)。而且除速效鉀外，其他土壤養分含量均有提高。2006年秸稈還田達到1300萬畝，相當于投入肥料氮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、養業產生的廢棄物變成有機肥料，既可養地，又可減少污染，是實現綠色農業的重要措施，這也符合自然界元素生物小循環的規律。目前在秸稈免耕覆蓋中存在的某些問題，需在我國農業現代化進程中進一步研究解決。土壤是不可再生的寶貴資源，不僅要注意保量，也要保質，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菌和古菌可以將它還原成氨后加以利用，這些菌統稱固氮微生物，包含在200多個屬中。生物固氮是在常溫常壓下進行，無需消耗礦質能源。在工業化生產氮肥之前，生物固氮是自然生態環境中氮素營養的主要來源。到今天，地球上生物固氮量仍然是工業氮肥總量的兩倍，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，將大氣中的氮氣轉化為植物氮素養分，兩者互惠共生。據研究，豆科植物會自己調控根瘤的數量和固定的氮量，不會無謂消耗本身能量。巴西、阿根廷自上世紀60年代以來大規模擴種大豆，均不施氮肥，只用根瘤菌劑接種并輔以適量的磷、鉀肥。產量均在3000公斤/公頃以上，最高產量可以達到4500公斤/公頃。菌劑的投入產出比高達1∶16(2.55：405美元/公頃)。在我國 20世紀五六十年代，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處于停頓狀態，種大豆也主要依賴氮肥，單產低到只有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，中國農業大學根瘤菌研究中心對中國的根瘤菌資源進行了全國范圍的調查研究，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個菌株進行系統分類研究，發表了2個根瘤根新屬和40多個新種，約占國際總數的一半;在長期的研究中，我們發現與同種植物共生的不同根瘤菌種群有明顯的地理區域性分布，研究得知是因為它們具有不同的代謝與抗逆基因，從而適應不同的生態環境;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。根據這些發現，我們已經有針對性地為大豆、花生、扁豆、苜蓿等在不同地區的主要栽培品種進行了根瘤菌選種，篩選出具有品種適應性強、結瘤固氮活性高的一些菌株。在河北、河南、山東的田間小區試驗表明，大豆接種優質根瘤菌可以增產17.8~35.6，產量在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14.5%~28.0%。因此，為豆科作物接種優質根瘤菌可以減少化肥用量，減少水源污染、節省能源和培肥地力，我們應該大力推廣高效根瘤菌劑的應用。

　　豆科與其他作物間套輪作，發揮生物間互惠作用

　　豆科與禾本科及經濟作物間套輪作也是減少化肥和農藥用量、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。這就是豆科作物養地的原因所在，也是長期以來人們對間套輪作增產效應認識的基礎。我們與國內同行進一步的研究還發現，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，豆類作物的生物固氮能力和產量也得到提高。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瘤固氮，稱為“氮阻遏”效應。我們在野外調查中發現，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”嚴重，全不結瘤。

　　長期以來，國內外的科學家作了大量研究，試圖用基因工程技術打破氮阻遏，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中應用的結果。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，禾本科作物的發達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，促進結瘤固氮。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，我們發現接種根瘤菌的間作大豆產量比單作的更高，玉米也比單作產量高，且抗倒伏。其他研究者進行的豆、禾間作試驗也表明兩者互惠互利，同步高產。云南農大朱有勇研究團隊發現，除了增產效果外，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。這一效應可以減少農藥的使用量，從而降低農藥對環境安全和食品安全造成的威脅。根據上述研究成果，我們建議在我國糧食生產中，倡導間套輪作體系建設。在間套輪作中加入豆科作物，接種根瘤菌，保證農產品優質高產，又減少化肥和農藥使用，減緩面源污染。

　　豆、禾間作混播，發展草地農業

　　我國60億畝草地是發展畜牧業的重要基礎，但四大自然牧區均嚴重超載。新疆牧區超載130%以上，不少牧民生活困難;內蒙古牧區每年平均沙化退化草地面積達到167萬公頃。發達國家的草地種植面積均達60%~70%。糧、經、草三元結構及其草田輪作模式是發達國家現代化農業的重要內容。我國農業也將實現現代化。當前牧草種植規模仍然很小。任繼周院士一直在呼吁發展草地農業。我們建議在牧草種植體系中，選用優質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。我們在內蒙古和北京完成的苜蓿接種優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80%以上，間作比單作苜蓿產量高出100%以上;不施肥處理產量高于施肥處理，無芒雀麥間作比單作產量也有增高。第二年增產趨勢與第一年相似，第三年總產略有降低。從這些結果可以看出，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，可促進兩者高產，施氮肥抑制結瘤固氮。豆科牧草接種根瘤菌與禾本科間作、混播，是提高牧草產量的重要措施。

　　我國具有“種養結合，精工細作，地力常新”的經營無廢棄物農業的傳統。這一傳統曾經成功地養活了世世代代的先民們，成為中華文明發達最堅實的基礎。現代中國農業面臨著耕地減少、人口和食品需求大量增加的形勢。為保證糧食安全，科學使用化肥、農藥很有必要。但最近幾十年中，因濫用化肥、農藥，已經造成了全局性環境問題和土壤肥力下降問題。為了解決這些問題，發展新型無廢棄物農業是必然途徑。恢復我國重視有機肥使用的傳統，實行有機肥與化肥結合施用、豆科作物接種高效根瘤菌的生物技術措施及禾本科—豆科間套輪作的種植體系是建設新型無廢棄物農業和減少面源污染的核心，是實現我國綠色農業可持續發展和改善城鄉人民生活環境的可靠保證。