棉花清潔生產(chǎn)技術體系探討

邵新勝，陳 賓，梁哲軍，王玉香，趙海禎，王慧杰，齊宏立

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所，山西運城044000；2.新疆霍城縣62團種子公司，新疆霍城835215）

棉花作為我國重要的經(jīng)濟作物，對國計民生及農(nóng)民增產(chǎn)增收起著重要的支撐作用。但是以高投入為核心的集約化棉花生產(chǎn)模式在大幅度提高棉花產(chǎn)量的同時，也對生產(chǎn)環(huán)境帶來了不可忽視的負效應。傳統(tǒng)集約化生產(chǎn)模式下化肥、農(nóng)藥和地膜的過量、不合理使用，已經(jīng)嚴重影響了棉田土壤質(zhì)量，降低了棉田生產(chǎn)能力，并嚴重破壞了周邊農(nóng)村生態(tài)環(huán)境[1]。進入21世紀后，我國農(nóng)業(yè)開始由低產(chǎn)、劣質(zhì)、低效、污染的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)過渡。其中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)污染防控技術成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)轉型的重中之重，而集約化棉田污染是整個農(nóng)田中污染最嚴重的，因此，對棉田污染的防治已刻不容緩，而清潔生產(chǎn)是治理面源污染最直接有效的方式[2]。

清潔生產(chǎn)（Cleaner Production，CP）的基本內(nèi)涵是在產(chǎn)品生產(chǎn)和服務過程中采用污染預防方法，減少污染物的產(chǎn)生，其本質(zhì)是資源高效利用和環(huán)境友好型生產(chǎn)[3]。清潔生產(chǎn)的理念來源于工業(yè)，但在現(xiàn)實生活中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的污染越來越被人們認識和重視。甚至有觀點認為，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所帶來的污染危害遠大于工業(yè)。相對于工業(yè)而言，農(nóng)業(yè)污染更難于檢測和控制，治理難度更大。20世紀70年代，一些發(fā)達國家相繼制定了一些減少污染的生產(chǎn)政策，并從政策、法律、資金等方面扶持農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)。如美國1977年實施的“非點源污染修復計劃”，鼓勵農(nóng)場主采納農(nóng)田最佳管理方式（BMPs）；歐盟國家從20世紀80年代推行良好農(nóng)業(yè)實踐（Good FarmingPractices，GFP）和清潔生產(chǎn)實踐；日本于1992年制定了一系列法律來推行新政策，積極推進“環(huán)境保全型農(nóng)業(yè)”。作為發(fā)展中國家，中國的清潔生產(chǎn)起步較晚，2002年全國人大批準實施的《清潔生產(chǎn)促進法》確立了農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)的法律地位。隨著我國農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)業(yè)污染已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和食品安全的最大障礙因素。因此，21世紀在我國建立農(nóng)業(yè)中的清潔生產(chǎn)技術體系是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和食品安全的保障。

1 我國集約化棉田污染現(xiàn)狀

棉花的農(nóng)藥、化肥和地膜使用量在我國主要農(nóng)作物中均占首位，棉田生態(tài)系統(tǒng)受到從水體、土壤、生物到大氣的交叉性面源污染，對棉花可持續(xù)生產(chǎn)和發(fā)展造成很大障礙。集約化棉區(qū)生產(chǎn)中越來越依靠化肥的投入，由于缺乏適用于目前農(nóng)村分散經(jīng)營的快速實用的肥料施用技術，過量施肥和盲目施肥的現(xiàn)象在集約化農(nóng)區(qū)相當嚴重，不僅造成不必要的經(jīng)濟損失，而且因為營養(yǎng)元素的流失引起了諸多環(huán)境問題，如地下水的硝酸鹽污染、地表水的富營養(yǎng)化、大氣污染等。

1.1 地膜殘留污染

棉田地膜覆蓋具有增溫保墑的作用，能有效提高棉花的產(chǎn)量。但目前我國地膜實際消費量已達到110萬t，其中有35萬t殘留在土壤中，殘留率達32%。地膜是塑料制品，極難降解，既不受微生物侵蝕，也不能自行分解，其降解周期一般為200～300 a，降解過程中還會溶出有毒物質(zhì)[4]。在目前傳統(tǒng)生產(chǎn)模式中，連年使用地膜而殘膜又得不到及時回收，平均每公頃棉田地膜殘留量為22.5～37.5 kg，土壤結構遭到破壞，影響土壤的透氣性，土壤物理性狀受到影響，土壤質(zhì)量下降，棉花根系發(fā)育不良。殘膜降低了土壤的肥力水平，甚至引起水分難以下滲。同時，殘膜降解過程中產(chǎn)生的有毒物質(zhì)，會阻礙種子根系生長，影響產(chǎn)量[5]。長此下去，必然會給后人帶來難以解決的污染危害，對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展構成嚴重威脅。

1.2 化肥污染

化肥有力推動了農(nóng)作物增產(chǎn)，但過量、不均衡施肥不僅降低了農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，更給環(huán)境帶來了嚴重污染[6]。棉田化肥對土壤的污染主要有3個方面：一是氮肥的過量使用，使土壤中硝酸鹽含量增加；二是化肥中常含一些有害成分，如磷灰石中含有砷、鉻、氟、汞、鎳、鉛等對植物有害的微量元素，這些微量元素隨著化肥的施用，進入土壤進而污染土壤；三是化肥的不均衡施用，使土壤中某種營養(yǎng)元素過多，導致土壤對其他元素的吸收性能下降，從而破壞了土壤的內(nèi)在平衡。同時化肥中的營養(yǎng)物質(zhì)隨水往下淋溶，通過土層進入地下水，造成地下水污染，嚴重破壞了當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。

1.3 農(nóng)藥污染

化學農(nóng)藥的大量使用使害蟲的自然天敵和有益生物大量死亡，嚴重破壞了生態(tài)平衡。據(jù)調(diào)查，進入20世紀90年代以來，棉區(qū)害蟲自然天敵的種類和數(shù)量銳減，優(yōu)勢捕食性天敵種類減少72%。同時，大量化學農(nóng)藥滲入或殘留在土壤中，對土壤生物如蚯蚓的種群數(shù)量產(chǎn)生了嚴重影響，進而也影響了土壤的理化性質(zhì)。另外，由于化學農(nóng)藥大量、單一、無節(jié)制地施用，導致害蟲抗性劇增。我國農(nóng)田農(nóng)藥的利用率只有10%～30%，其余20%～30%進入大氣和水體，50%～60%殘留在土壤中；同時，棉田農(nóng)藥的過量使用對棉花生產(chǎn)者會產(chǎn)生直接和間接危害，間接危害是指通過食物鏈經(jīng)生物富積等作用最終進入人體，殘留在體內(nèi)的農(nóng)藥可誘發(fā)基因突變，致使癌變，會導致死胎、流產(chǎn)比例增加。

2 棉田面源污染防治的技術策略

集約化棉田化肥、地膜、農(nóng)藥的過量及不合理使用，已經(jīng)嚴重破壞了我國棉花主產(chǎn)區(qū)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，降低了棉田土壤質(zhì)量，影響了棉田生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。因此，針對目前生產(chǎn)實踐中存在的過量施氮、白色污染、農(nóng)藥殘留3個主要技術問題，提出一些治理技術。

2.1 棉田氮素流失與污染的控制技術

隨著化肥用量的增加，集約化農(nóng)區(qū)過量施用化肥引起的環(huán)境問題受到了世界各國的廣泛關注，氮肥污染控制技術研究在20世紀80年代就成為國外研究的熱點。綜合研究結果可以得出，控制氮肥污染的主要途徑有2條：一是通過立法和政策手段，宏觀控制氮肥投入量和作物收獲后的土壤無機氮殘留量與磷素累積；二是發(fā)展減量化施肥與高效利用技術，實現(xiàn)氮肥的精確調(diào)控，從源頭和過程中全程控制氮污染，其中由常規(guī)肥料的高效使用和作物需肥規(guī)律的研究、調(diào)控擴展到緩釋肥[7-8]與氮高效利用作物的替代。20世紀80年代末，歐洲發(fā)達國家逐漸出臺了控制氮磷肥污染的一些政策和法規(guī)，如西歐諸國把防止氮肥造成水體污染的年施氮量的安全上限定為225 kg/hm2，作物收獲后1 m土層的氮素殘留量不超過50 kg/hm2。西歐諸國由于實行生態(tài)農(nóng)業(yè)政策，從1988年開始氮肥施用量雖大幅下降，但糧食總產(chǎn)不但沒有降低，反而穩(wěn)步增長。這也說明控制過量施氮不僅可保護環(huán)境，而且也可獲得很好的增產(chǎn)效果，對于我國尤其具有借鑒意義。

作物氮素推薦施肥技術，是一種結合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際，簡便易行、易于推廣的技術。近年來，國內(nèi)外氮肥施用推薦技術在以下2個方面取得了重要進展：（1）采用適宜的施肥模型來確定經(jīng)濟合理的氮肥總量，達到總量控制。中科院南京土壤研究所朱兆良院士根據(jù)國內(nèi)外大量的研究結果，提出了旨在宏觀控制氮肥施用量的“平均適宜施氮量”法，在南方水稻施肥技術發(fā)展方面起到了重要的指導作用；（2）應用田間快速診斷技術，如土壤-植株速測技術，確定作物關鍵生育期的追肥量，實現(xiàn)追肥量的控制。將這2個方面結合起來就能實現(xiàn)對氮肥用量的精確調(diào)控。

2.2 替代性地膜農(nóng)藝與農(nóng)機優(yōu)化技術

目前，對于農(nóng)田地膜殘留治理方式主要有2種，一種是研究農(nóng)田殘膜回收機械，另一種是研究可降解地膜。由于傳統(tǒng)塑料地膜使用后存在回收機械不配套、田間收獲殘留較多以及收獲后處理時容易形成“二次污染”等問題，目前世界各國認為，解決白色污染比較理想的途徑是使用可降解地膜?？山到獾啬さ慕到忸愋椭饕ㄉ锝到狻⒐饨到夂突瘜W降解，這3種主要降解過程相互間具有增效、協(xié)同和連貫作用。由于可降解地膜的降解強度、降解程度以及拉伸強度與普通地膜有一定的差異，傳統(tǒng)的種植模式與鋪膜機械已不適應可降解地膜的規(guī)?；瘧眯枨?。因此，應加強可降解地膜使用中農(nóng)藝和農(nóng)機優(yōu)化，并對精量化施肥、播種、覆膜一體化機械進行探索。

2.3 棉花病蟲害綜合防治及減藥技術

在棉花生產(chǎn)中，病蟲害防治一直是非常重要的。我國于20世紀50—60年代，開始研究棉花病蟲害的化學防治技術，田間生產(chǎn)中棉花病蟲害由生態(tài)自控過渡到化學防治階段；進入70年代后開展了以生物防治和物理、化學防治為主的綜合防治技術研究；進入80年代以后，國家立項對棉花病蟲害綜合治理技術進行了系統(tǒng)的分析和研究，并制定出相應的綜合治理技術體系[9]。棉花病蟲害綜合治理技術體系主要包括以下4個方面：（1）抗病品種資源的鑒定與選育?？共∠x性鑒定是品種資源評價與利用的重要內(nèi)容與前提?！捌呶濉逼陂g我國對棉花品種資源抗病蟲性進行了較為全面的收集整理工作，共鑒定品種3 700多份，從中篩選和創(chuàng)新了一批抗主要病蟲的材料，先后育成以中棉12號為代表的20多個兼抗枯、黃萎病的品種，實現(xiàn)了品種由單抗向雙抗的歷史性轉變，僅1990年推廣種植面積就達236萬hm2。進入20世紀90年代后，由于棉鈴蟲大暴發(fā)造成棉花大幅度減產(chǎn)，我國自主研發(fā)出以晉棉26號為主的國產(chǎn)轉基因抗蟲棉，在此基礎上又研制出單價和雙價抗蟲棉并在生產(chǎn)上大面積應用，大大降低了棉田農(nóng)藥用量，減少了對環(huán)境的污染。（2）調(diào)整農(nóng)田生態(tài)環(huán)境和種植結構。在調(diào)整農(nóng)田生態(tài)環(huán)境時，一方面要考慮各種農(nóng)作物生長發(fā)育與環(huán)境的協(xié)調(diào)性，盡量減輕病蟲害對農(nóng)田的壓力；另一方面要服從于整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結構調(diào)整和作物增產(chǎn)、農(nóng)民增收、經(jīng)濟發(fā)展的要求。（3）科學用藥與保護利用天敵?？茖W用藥的原則是按棉花的生育期及害蟲的發(fā)生主次而采用不同的措施，并在此基礎上進行新型農(nóng)藥品種的研制開發(fā)，如生物農(nóng)藥、高效低毒農(nóng)藥等。（4）棉田生態(tài)型 IPM（Integrated Pest Management）技術體系。根據(jù)棉田生態(tài)系統(tǒng)害蟲的發(fā)生規(guī)律和害蟲地位的演化，研究主要害蟲自然控制、生態(tài)控制、抗病蟲品種利用、減量化學防治、物理防治技術措施，建立具有區(qū)域適宜特性的棉田生態(tài)型IPM技術體系[10-12]。

3 棉花清潔生產(chǎn)技術體系的構建

清潔生產(chǎn)技術體系的技術環(huán)節(jié)包括產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后3個部分[13]（圖1）。

產(chǎn)前清潔技術主要包括：種子篩選，如篩選優(yōu)良品種、播前處理種子，主要目的是減少棉花生長期間田間用藥和施肥量；在農(nóng)藥篩選上盡量使用高效低毒或生物農(nóng)藥，減少田間農(nóng)藥殘留；在肥料使用上選擇棉花專用控釋肥或專用有機肥，盡量避免盲目施肥和過量施肥；在地膜使用上使用棉花專用可降解地膜或采用育苗移栽和生物覆蓋。產(chǎn)中清潔生產(chǎn)技術是指在田間管理上將各種先進的單項技術進行組合應用，如精量播種、合理密植、綜合節(jié)水技術、水分耦合與配方施肥技術、少耕或免耕技術，采用物理+化學+生物的綜合防治病蟲草害技術（建立區(qū)域性的IPM體系），減少或杜絕農(nóng)藥及化肥對土壤、水源、大氣的殘留污染。產(chǎn)后清潔技術包括：收獲時不允許使用脫葉劑，貯、運、晾曬、加工保持清潔。對于沒有完全降解的殘膜進行回收處理，秸稈資源進行綜合利用或無害化處理后堆肥還田。

棉花清潔生產(chǎn)體系建設是一個綜合復雜的過程，涉及到政府、科研機構、農(nóng)業(yè)技術推廣部門、棉農(nóng)等一系列單位。政府部門應在立法、政策導向、財政扶持等方面對棉花清潔生產(chǎn)技術體系進行扶持。農(nóng)業(yè)技術推廣部門應加大對棉花清潔生產(chǎn)的宣傳和引導，鼓勵農(nóng)民采用清潔生產(chǎn)技術，促進我國棉業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

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