生態(tài)保育型農業(yè)內涵、實施途徑與研究趨勢

黃彬香 ，潘志華 ，王 靖 ，胡 琦 ，徐 琳 ，潘學標

（1.中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京 100193；2.中國氣象局-中國農業(yè)大學農業(yè)應對氣候變化聯(lián)合實驗室，北京 100193；3.農業(yè)農村部武川農業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，內蒙古 呼和浩特 011700）

1 生態(tài)保育型農業(yè)產生的背景

農業(yè)生產以農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)為依托。傳統(tǒng)農業(yè)中，人們種養(yǎng)結合以及有機肥的施用有效維護了農田土壤平衡，對農業(yè)可持續(xù)發(fā)展起到了關鍵作用[1]。然而，20 世紀中葉，特別是80年代以來，人口增長迅速，迫切需要改良品種、增加灌溉、施用化肥、噴灑農藥、改進耕作，以利用更多的氣候、水、土等資源，生產更多的糧食，這也就推動了我國農業(yè)集約化的發(fā)展。以農用物資的投入為例，我國化肥施用總量從1950年的0.6 萬t（純養(yǎng)分）增加到2018年的5 653.4 萬t（國家統(tǒng)計局，下同），單位面積的化肥施用量達到340.8 kg/hm2；2018年的農藥使用量 達 到150.4 萬t（9.1 kg/hm2），農 膜 使 用 量 達 到2 466 795.4 t（14.9 kg/hm2），農 機 總 動 力 達 到102 707.7 萬kW（6.2 kW/hm2）。正是農用化學品的大量投入，極大地提高了農業(yè)資源利用程度與糧食產量，2018年全國平均糧食單產為5 621.2 kg/hm2，比新中國成立初期增長了近5 倍。綜合來看，農業(yè)資源的高強度利用是我國集約農業(yè)生產活動的最主要特點。從我國的國情看，在未來一段時間內，為保障糧食安全，高強度利用農業(yè)資源仍然不可避免。

農業(yè)資源的過度利用勢必會破壞生態(tài)平衡，對生態(tài)環(huán)境產生影響[2]。農業(yè)生產中過量的化學成分會引起營養(yǎng)失衡，影響土壤土質；選用作物品種不當、不合理的種植方式與養(yǎng)地方式等都會加快土壤水分、土壤養(yǎng)分的消耗，引起土壤日趨貧瘠與干旱。當前，伴隨著資源的持續(xù)高強度利用，農業(yè)生產面臨著一系列問題。第一，養(yǎng)分失衡，土壤變瘦。由于氮肥用量迅速增加，農家肥用量迅速減少。目前，我國東部地區(qū)的農田氮素普遍盈余[3-4]。而且氮、磷、鉀結構不合理，農田土壤養(yǎng)分失衡現(xiàn)象明顯[4-7]。第二，污染物質積累，農業(yè)面源污染加劇。農藥、化肥及農膜等農業(yè)物資的不合理使用，土壤中污染物積累日益增多。研究表明，幾乎80%的環(huán)境污染直接來自于N、P 肥的不當施用[8-9]。第三，土壤酸化、鹽漬化傾向及土壤變薄現(xiàn)象嚴重。一方面，土壤耕作不合理，風蝕水蝕嚴重；另一方面，尿素、鉀肥、銨肥的施用，使得土壤酸度不同程度地增大[10-11]，同時養(yǎng)分和鹽分不斷積累，鹽漬化現(xiàn)象嚴重。第四，土壤干旱化現(xiàn)象明顯。研究表明，農作物能增大蒸散量，農業(yè)生產活動能減少降雨徑流[12]，覆膜栽培、肥料施用等技術措施的使用增加了土壤水分消耗，引起土壤水分含量下降[13-16]。近年來，包括東北、華北、西北在內的我國北方地區(qū)出現(xiàn)了明顯的土壤干旱化趨勢[17-25]。研究認為，以肥調水等抗旱技術的應用，促進了農田土壤水分的高效利用，增加了糧食產量，但導致了農田土壤干燥化[26]。農田生產力水平越高，作物耗水量越大，土壤含水量下降會越快[27]。近幾十年來，隨著氣候暖干化趨勢與人類活動的加強，北方土壤干旱化趨勢明顯加快。

綜上所述，高強度的農業(yè)生產導致農田土壤變瘦、變薄、變酸、變干，引起了一系列生態(tài)環(huán)境問題，對農業(yè)可持續(xù)發(fā)展產生了重大影響。切實轉變農業(yè)發(fā)展方式，加快發(fā)展生態(tài)保育型農業(yè)，促進耕地休養(yǎng)生息是我國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的緊迫任務。《全國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（2015—2030）》《關于創(chuàng)新體制機制推進農業(yè)綠色發(fā)展的意見》以及近幾年的中央一號文件等都從不同角度提出要通過實施藏糧于地戰(zhàn)略，實施耕地休養(yǎng)生息規(guī)劃，探索實行耕地輪作休耕制度試點，從根本上改變開發(fā)強度過大、利用方式粗放的狀況，推動農業(yè)發(fā)展向綠色生態(tài)可持續(xù)轉變。

2 農田生態(tài)保育研究進展

國外與農田生態(tài)保育相關的工作開始于美國的休耕制度。由于土地過度開墾導致中西部連續(xù)遭受毀滅性的沙塵暴、干旱的襲擊，1933年美國出臺相關法律，把土地休耕上升到了制度層面，此后土地休耕成為美國一項農業(yè)基本政策；1956年“Agricultural Act”和1965年“Food and Agricultural Act”相繼出臺，建立了土壤銀行，通過在休耕的農地上種植保護性植被，以控制糧食供給，完善了土地休耕制度，其農田休耕期限為3～10 a。1961年美國規(guī)定農場主至少停耕20%的土地[28]；1985年美國國會通過農業(yè)法案，實施了美國最大的土地休耕項目CRP（Conservation Reserve Program），減少土壤侵蝕。受其影響，1992年歐盟進行“Ray Macsharry”改革，鼓勵農民休耕，以改善土壤質量[29]。日本二戰(zhàn)后也實施了“環(huán)境保護型農業(yè)”發(fā)展戰(zhàn)略，對大面積的坡耕地進行退耕，同時在必要時進口農產品和原材料，促進農田生態(tài)建設。伴隨著國家相關政策的實施，國外科學家們積極圍繞農作方式、土壤健康、人類活動影響及休耕計劃等開展了眾多研究，有效促進了土壤健康與生態(tài)保育[30-31]。

我國農田保育歷史悠久。北魏《齊民要術》中就有相關記載，如“谷田必須歲易”、“凡谷田，綠豆、小豆底為上，麻、黍、胡麻次之，蕪菁、大豆為下”等，表明我國古代就非常重視耕地的輪作休耕。建國以來，我國大規(guī)模擴大農田有效灌溉，改良中低產田，開展農田整地等，這些耕地保育活動極大地促進了農業(yè)增產增收。與此同時，農田生態(tài)保育方面的科學研究也有了很好的積累，其內容主要體現(xiàn)在土壤肥力演變與土壤養(yǎng)分管理、保護性耕作、作物布局、輪作間作等方面。然而，近30 多年來，由于人口的急劇增加，糧食需求迫切，片面追求高強度——高投入高產出，重用輕養(yǎng)，農田培育在應用中被忽視，農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎受到沖擊。

面對日益嚴重的農田生態(tài)環(huán)境問題，早在20 世紀末、21 世紀初就有學者提出對部分農田實施休耕的建議[32-33]。楊正禮等[34]明確提出中國農田要實施生態(tài)保育的思想，建議通過積極的農田生態(tài)撫育與建設，穩(wěn)步提高基礎地力，維護和改善我國農田用養(yǎng)關系。近年來，農田生態(tài)退化引起了眾多學者及社會各界的關注，農田生態(tài)保育逐漸受到重視。首先學者們從不同的角度揭示農田生態(tài)退化現(xiàn)象，研究生態(tài)保育措施。揣小偉等[35]從耕地儲備的角度進行了理論探討；趙雲(yún)泰等[36]探討了區(qū)域虛擬休耕規(guī)模與空間布局的方法；張慧芳等[37]提出了季節(jié)性休耕、流轉性休耕與計劃性休耕3 種模式；楊邦杰等[38]提出以科學休耕為主要手段，恢復京津冀水土資源支撐能力。這其中，保護性耕作因針對性強而得到了比較多的關注與重視，取得了很好的進展[39-40]，有力推動了農田生態(tài)保育理論與技術體系的豐富與完善。特別值得一提的是，黑土地退化問題尤為突出，國家出臺了一系列文件對黑土地利用提出了一系列措施[41-42]，這也說明農田生態(tài)保育工作邁開了重要步伐。

以上研究表明，盡管古代我國具有豐富的農田保育技術，有效維持了“地力常新”，但新的形勢下，由于糧食需求的快速增加以及現(xiàn)代技術的快速發(fā)展，人們追求高投入高產出，農田保育未受到重視。雖有不少科學家呼吁開展并研究了一些保育技術，但非常薄弱。針對當前我國農田普遍出現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境問題，盡管我國已經出臺了《全國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（2015—2030）》《關于創(chuàng)新體制機制推進農業(yè)綠色發(fā)展的意見》等相關文件，但由于實施的理論基礎非常薄弱，加強生態(tài)保育的理論與技術研究是我國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的緊迫任務。值得注意的是，由于巨大的人口壓力，保證一定的糧食生產水平不可放松。在這種背景下，研究農田生態(tài)保育理論與技術具有巨大的挑戰(zhàn)性。

3 生態(tài)保育型農業(yè)的內涵

生態(tài)保育一詞起源于生態(tài)學，“保育”二字包含“保護（Protection）”與“復育（Restoration）”2 個內涵，前者是針對生態(tài)環(huán)境的保存與維護，后者則主要針對退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復、改良和重建。從字面上看，生態(tài)是指生物與環(huán)境之間的相互關系，生態(tài)保育是指生物與環(huán)境之間相互關系的保護與復育。正常狀態(tài)下，生物與環(huán)境之間保持一定的平衡關系，環(huán)境資源的數(shù)量與生物產量保持相對穩(wěn)定，生物對環(huán)境資源的利用處于動態(tài)平衡狀態(tài)。但是，如果某一自然要素變得有利或人為投入增加，生物產量將增加，其對環(huán)境資源的利用量將增加，生物與環(huán)境之間的平衡關系將被打破，時間一長，環(huán)境資源對生物產量產生脅迫作用，生產力將趨于下降。這種情況下，環(huán)境資源就需要進行保育，一方面避免進一步退化，另一方面盡可能補充虧缺的環(huán)境資源，以恢復原來的狀態(tài)或重建一個新的狀態(tài)，維持或增加生態(tài)系統(tǒng)生產力。在農田生態(tài)系統(tǒng)中，如果農業(yè)生產強度過大，利用消耗的環(huán)境資源過多，將會引起資源減少、生態(tài)退化。這時，農田將會變瘦、變薄、變酸、變干，生產力下降，農業(yè)可持續(xù)發(fā)展受到威脅。

由此，為了避免農田生態(tài)退化或逆轉農田生態(tài)退化趨勢，就需要改變農業(yè)生產方式，減少過度投入或增進短缺資源，改變生產過程，改善生態(tài)平衡，維持或提高農田生產力。生態(tài)保育就是在明確農田生態(tài)退化機理的基礎上，遵循生態(tài)學原理，利用現(xiàn)有的經濟技術條件，人為地改變和切斷農田生態(tài)退化的主導因子或過程，通過降低過度投入要素，或優(yōu)化與補充農田生態(tài)相對缺乏的環(huán)境資源要素，使得農田生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境資源要素及其結構與功能盡快恢復到正常或較高水平，促進農田生態(tài)平衡水平不斷提升的農業(yè)生產制度與技術體系。生態(tài)保育型農業(yè)是在當今農田退化形勢下，為了實現(xiàn)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展而發(fā)展的新型農業(yè)耕作制度和技術體系。簡單地說，農田生態(tài)保育就是針對農田環(huán)境資源減少、生態(tài)退化問題，為了保護、培育環(huán)境資源所采取的促進資源增進、生態(tài)改善、農田生產力提高、農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一系列生產制度與技術措施。張維理等[43]認為，現(xiàn)代耕地保育技術是對施肥、耕作、輪作與間套作、障礙農田治理、土壤質量調控技術的統(tǒng)稱。

以上分析表明，隨著人口增加，糧食需求增加，人們長期通過連續(xù)耕種，過度投入，過度利用環(huán)境資源要素，引起了農田生態(tài)的退化。為解決這一問題，迫切需要發(fā)展生態(tài)保育型農業(yè)，扭轉不持續(xù)的農業(yè)生產方式。生態(tài)保育型農業(yè)有如下特點，第一，關注環(huán)境資源要素之間的平衡關系。第二，關注適度投入與合理利用。當今，維持一定的產量水平是維持當今人口（仍在繼續(xù)增加）生存的需要，只有適度投入才能保證一定的糧食供應。需要注意的是資源利用限度以資源承載力為前提。第三，關注生產能力與資源高效利用。有限的資源必須得到高效利用，避免浪費。第四，關注生態(tài)平衡與生態(tài)改善，特別是生態(tài)改善。當前，相當一部分的農田已經退化或出現(xiàn)退化態(tài)勢，需要人們采取立即措施，阻斷生態(tài)退化，并逐步恢復與改善生態(tài)。需要強調的是，生態(tài)保育型農業(yè)以維護農田生態(tài)平衡為根本特征，并不禁止使用化學物品的投入。適量施用化肥是生態(tài)保育型農業(yè)的一個重要組成部分，前提是適量施用，避免造成農田其他要素的減少，引起農田污染或生態(tài)退化。

4 生態(tài)保育型農業(yè)實施的技術途徑

農業(yè)自然資源雖然具有再生產性與可更新性的顯著特點，但需要注意的是，農業(yè)自然資源同時也具有另外一個特點，即一定的再生產極限與利用極限，如果其利用超過了極限，就會破壞農作物生產與自然資源因子之間的平衡關系，導致土壤變瘦、變薄、變酸、變干，從而也就破壞了農田系統(tǒng)整體功能，導致生產力下降。農田資源的利用只有在再生產極限（資源環(huán)境承載力）范圍內按照自然規(guī)律去開發(fā)，才可能得到更新改善。過度利用耕地資源，農田水肥流失嚴重，土壤有機質含量、蓄水能力持續(xù)下降，同時，土壤重金屬、有害物質殘留持續(xù)升高，所有這些，意味著資源利用超過了資源環(huán)境承載力，生態(tài)平衡被打破，生態(tài)趨于惡化。

為此，要扭轉惡化的趨勢，就需要扭轉生態(tài)平衡的方向。當前，對已經過度利用的耕地要分情況進行生態(tài)保育：對利用不合理的土地要逐步還林還草，保水保土；對于可以繼續(xù)利用的土地要從作物布局、耕作、輪作、施肥等方面著手，把用地和養(yǎng)地結合起來，不斷提高保土蓄水保墑能力，不斷提高土壤肥力水平。具體來說，生態(tài)保育可包括水分保育、養(yǎng)分保育、固沙保育、適度投入、綜合保育等途徑。

第一，水分保育。長期種植高耗水作物會導致土壤水分下降，農田退化。針對這類問題要調整種植作物種類，實施輪作間作，增施有機肥，不斷提高土壤的保水性能與持水能力，促進農田水分恢復。第二，養(yǎng)分保育。如果長期只種不養(yǎng)，土壤有機質等養(yǎng)分減少，農田生產力將下降。針對這類問題要采取增施有機肥、輪作休耕、留茬免耕或降低種植強度等措施，擴大農田系統(tǒng)的物質循環(huán)，逐步積累農田系統(tǒng)內的有機質，提高養(yǎng)分的輸入和輸出之間的平衡水平。第三，固沙保育。地表裸露則容易遭受風蝕。針對這類問題要采取留茬免耕、地表覆蓋等技術，防風固沙，減少地面徑流，防止土壤水蝕、風蝕，保育土壤。第四，適度投入。農藥、化肥的過量使用，會導致農田污染，引起環(huán)境退化；化肥的過度施用，還會降低水肥利用效率。針對這類問題要采取適度投入、合理施用等方式，一方面避免污染，另一方面提高利用效率。第五，綜合保育。光、溫、水、肥等因素之間相互影響、相互作用，一個因素的變化可能會導致另一因素的相應變化。如在旱地，當水分是主要制約因素時，施用化肥則不但沒有效果，還會進一步制約水分的利用效果。實際生產中要針對具體情況，合理施策，協(xié)同保育。

對應以上途徑，相應有如下技術體系。

第一，合理布局作物及品種，科學種植。基于某個地區(qū)的實際情況，依照光、溫、水、肥條件，遵循生態(tài)規(guī)律，合理選擇作物及品種，合理布局；增加固氮作物品種種植，改善土壤狀況。第二，實施輪作、休耕、免耕、少耕等耕作措施，蓄水保墑，保土保肥。輪作能夠實現(xiàn)土壤養(yǎng)分的均衡利用，避免片面消耗；能夠改善土壤理化性狀，調節(jié)土壤肥力；也可促進土壤有益微生物的繁殖。休耕能夠有效避免環(huán)境資源的過度利用，讓農田休養(yǎng)生息；免、少耕能夠通過不翻動土層，減少水分蒸發(fā)和水土流失，提高土壤蓄水和保墑能力；能夠減緩有機質分解速度，增加有機質積累；同時也能減少耕作次數(shù)和機具對土壤結構的破壞，改善土壤結構。第三，科學施肥。多施用農家肥、種植綠肥，實施秸稈還田，能夠增加土壤有機質，培肥土壤。依據(jù)生態(tài)平衡規(guī)律，在資源環(huán)境承載力范圍內合理使用化肥、農藥，促進水肥相互作用，提高水肥施用效果。第四，增加地表覆蓋。一方面，地表覆蓋可使土壤避免風吹雨淋造成土壤板結與流失；另一方面地表覆蓋也可通過秸稈及其殘茬的投入，在地表形成有機質豐富的疏松土壤，有利于有機質積累，還可以切斷蒸發(fā)面與下層土壤的毛管聯(lián)系，有效抑制土壤蒸發(fā)。

5 農田生態(tài)保育研究趨勢

一段時期以來，我國農業(yè)生產偏重于高產高效，忽視了農田保育與可持續(xù)發(fā)展。面對農田生態(tài)出現(xiàn)的新問題，迫切需要進行生態(tài)保育。然而，相應的理論與實踐基礎非常缺乏。當前最為緊迫、最為現(xiàn)實的問題是如何進行生態(tài)保育？具體一點，什么情況下需要進行水分保育，什么情況下需要進行養(yǎng)分保育，什么情況下需要進行綜合保育？再具體一點，就是何種土地需要輪作，何種土地需要休耕？如何休耕能使耕地得以休養(yǎng)生息？休耕期限如何確定？以上這些問題已成為我國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的重大科學問題，迫切需要研究解決。要實施好農田生態(tài)保育戰(zhàn)略，以下問題亟待研究。

第一，農業(yè)生產的資源利用、環(huán)境影響機理及農業(yè)生產與生態(tài)系統(tǒng)的互饋機制研究。縱觀前人的研究可以發(fā)現(xiàn)，因為提高糧食產量的需要，對農業(yè)生產系統(tǒng)要素及其調控技術研究非常深入。然而，這些研究偏重于對資源的利用，缺乏環(huán)境影響機理研究；另一方面，沒有考慮生態(tài)系統(tǒng)中生態(tài)要素對農業(yè)生產的反饋，最終影響了生態(tài)平衡。這是造成生態(tài)環(huán)境問題的根本原因。為此，加強系統(tǒng)性的農業(yè)生產的資源利用、環(huán)境影響機理和農業(yè)生產系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)的互饋機制研究非常迫切。這是當前農業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的重大科學問題。

第二，農業(yè)生產能力與區(qū)域資源環(huán)境承載力協(xié)同提升的理論與技術研究。研究提出，農業(yè)生產強度不能超出區(qū)域資源環(huán)境承載力。然而，有關區(qū)域資源環(huán)境承載力的研究非常薄弱。資源環(huán)境承載力是生態(tài)系統(tǒng)的最大供給能力，但其大小受到技術因素的影響。合理確定和調控生態(tài)供給能力是保障生態(tài)安全的根本要求，也對農業(yè)生產產生直接的影響。在當今人口壓力較大的情況下，在資源環(huán)境承載力范圍內合理安排農業(yè)生產，對促進農業(yè)生產發(fā)展、保障生態(tài)安全意義重大。為此，開展提升區(qū)域資源環(huán)境承載力，同時提升區(qū)域農業(yè)生產能力（協(xié)同提升）的理論與技術研究具有特別重要的科學與現(xiàn)實意義。

第三，生態(tài)保育機制及其區(qū)域化途徑研究。一段時期以來，由于對糧食安全問題的擔心，人們偏重了農業(yè)資源的高強度利用，一定程度上忽視了農田保育。面對日趨嚴重的生態(tài)環(huán)境問題，我國作出了藏糧于地的戰(zhàn)略決策，要通過輪作休耕進行耕地保育，但如何實施，如何根據(jù)資源環(huán)境承載力合理安排農業(yè)生產強度，如何在保證一定數(shù)量糧食產量的基礎上合理休耕等等，生態(tài)保育機制是當前急需研究的重大科學問題。盡管我國歷史上關于生態(tài)保育的傳統(tǒng)技術非常豐富，但在人口數(shù)量巨大的今天如何進行生態(tài)保育是我國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的重大科學任務。由于各個區(qū)域的自然環(huán)境與社會經濟條件不同，對資源環(huán)境的利用和影響程度及需求不同，為此，研究生態(tài)保育機制的區(qū)域化途徑是推進區(qū)域生態(tài)環(huán)境整體改善的內在與迫切需求。

第四，以北方農牧交錯帶等生態(tài)脆弱地區(qū)為重點，優(yōu)先開展生態(tài)保育型農業(yè)前沿研究。北方農牧交錯帶地處我國半干旱地區(qū)，聯(lián)接著我國東部農耕區(qū)與西部草原牧區(qū)，是我國東、中部地區(qū)的重要生態(tài)屏障。歷史上，北方農牧交錯帶以草地畜牧業(yè)為主，但到了近代，由于我國特殊的國情——人口壓力，不得不在這類生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)進行相當強度的農業(yè)生產，并努力提高其系統(tǒng)生產力。隨著土地利用強度的不斷增加以及只用不養(yǎng)等不當利用方式，土壤日趨貧瘠與干旱化，生態(tài)系統(tǒng)生產力趨于下降[12-16,44-49]。盡管1999年后實施了退耕還林還草政策，但涉及面積小，對整體生態(tài)環(huán)境的改善有限。2016年11月，農業(yè)部出臺了《關于北方農牧交錯帶農業(yè)結構調整的指導意見》，提出要依據(jù)區(qū)域水資源承載力和環(huán)境消納能力，有計劃地調整種植制度。為此，開展北方農牧交錯帶農業(yè)生產的資源利用與環(huán)境影響與耕地保育研究更為緊迫，對促進北方農牧交錯帶可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的科學與現(xiàn)實意義。