氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理分析

王超 胡婉玲 王紅玲

摘要：氣候智慧型農(nóng)業(yè)是一種新的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，更是一種應對全球氣候變化的高層面農(nóng)業(yè)發(fā)展形態(tài)。在分析氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理的內(nèi)涵及其功能基礎上，探討了氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理復原性基礎原理，認為氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理將面臨固碳減排和糧食安全雙重壓力、土壤污染形式多樣化、土地耕作方式傳統(tǒng)落后等挑戰(zhàn)，并提出相應的對策建議。

關鍵詞：氣候智慧型農(nóng)業(yè);土壤管理;復原性

中圖分類號：F323.3? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：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? 氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理的內(nèi)涵及其功能

1.1? 氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理的內(nèi)涵

氣候智慧型農(nóng)業(yè)是指能夠可持續(xù)地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、增強農(nóng)業(yè)適應性、減少溫室氣體排放，并可實現(xiàn)國家糧食生產(chǎn)安全的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展模式[1]。與其他產(chǎn)業(yè)相比，農(nóng)業(yè)與氣候的相互關系最為緊密，氣候智慧型農(nóng)業(yè)在功能方面體現(xiàn)出“三贏”局面：提高農(nóng)業(yè)普遍生產(chǎn)力、適應多端的氣候變化和減少溫室氣體的過度排放（圖1）[2]。然而，受氣候破壞性影響，近年來中國土壤沙漠化、土壤鹽堿化、水土流失、山體滑坡、生物多樣性銳減等災害現(xiàn)象頻發(fā)，預示著土壤呈現(xiàn)急速退化的趨勢。在全球氣候變化的大背景下，特別是現(xiàn)階段中國農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨著新的挑戰(zhàn)，加強氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理，促使農(nóng)業(yè)領域適應氣候變化，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，有利于推動農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展和維護社會穩(wěn)定;減緩溫室氣體排放，有利于發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)和減緩氣候環(huán)境變化;可持續(xù)的土壤資源管理機制有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術的創(chuàng)新與共享、防災減災、保護性耕作、土壤固碳減排、酸堿度調(diào)節(jié)和生產(chǎn)集約化等。除此之外，利用氣候變化的近期數(shù)據(jù)和信息來評估具體氣候變化趨勢，有利于未來氣候預測與種植計劃相互匹配，有利于區(qū)域農(nóng)作物多樣性。

1.2? 氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理的關鍵功能

1）氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理能夠提高農(nóng)業(yè)土壤生產(chǎn)力，協(xié)調(diào)植物與水分的關系。水是生命之源，土壤是連接水與植物的橋梁，是植物生長的基礎，土壤為植物提供水分來源，通過植物根系吸收。氣候變化通過改變農(nóng)作物的水分蒸騰量直接影響土壤、水分與植物三者之間的關系。隨著溫室效應的增強，溫度升高將引起農(nóng)作物水分蒸騰量的增加，導致土壤水分損耗速率過快，形成干旱災害，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理通過提高土壤水分保持能力，減緩水文循環(huán)，過濾灌溉系統(tǒng)用水等措施來應對植物與水之間的關系變化。

2）氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理能夠減少溫室氣體排放，穩(wěn)定物質(zhì)和能量循環(huán)。氣候變暖是氣候變化最重要的表現(xiàn)形式，由氣候變暖引起的土壤物質(zhì)和能量循環(huán)速率的改變，同時影響著土壤碳排放和地表植被的養(yǎng)分供應兩方面，進而影響植被的正常生長。通過氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理，一方面提升土壤固碳能力，減輕導致氣候變暖的溫室氣體的排放量;另一方面，通過改善土壤微生物適應性來影響土壤有機碳分解和氮元素等礦質(zhì)元素的有效性，進一步穩(wěn)固土壤碳循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換過程。

3）氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理能夠適應氣候變化，保障農(nóng)業(yè)原材料生產(chǎn)服務。農(nóng)業(yè)土壤是提供維持生命的糧食、燃料、醫(yī)藥和纖維產(chǎn)品的基礎。氣候變化將直接引起農(nóng)作物生長過程中外界環(huán)境溫度、光照時間、水分和二氧化碳濃度等條件的變化。以水稻種植為例，在短期田間試驗中二氧化碳濃度加倍調(diào)節(jié)水稻的生育期、抽穗期和成熟期均有不同程度的縮短[3]，各生長周期的改變必將影響水稻的產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，發(fā)揮氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤的減排性可有效降低二氧化碳等溫室氣體排放，將調(diào)節(jié)氣候多種變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能的影響。

2? 氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理復原性基礎原理

氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理有著明顯的復原性特征。①有效推動土壤固碳減排能力復原，土壤固碳減排不僅減緩溫室效應，而且改善土壤肥力，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。②有利于有效水含量和養(yǎng)分復原，水分是農(nóng)作物生產(chǎn)的關鍵氣候因子，養(yǎng)分是合成植物細胞中核酸、蛋白質(zhì)等多種物質(zhì)的能量來源，由此通過管理提高土壤保留水和養(yǎng)分的能力，從而保障農(nóng)作物正常的生理過程。③有利于土壤生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務功能復原，如通過多種微生物分解土壤中大量有機物，并把多余養(yǎng)分釋放到土壤中為植物提供營養(yǎng)。

2.1? 土壤監(jiān)測管理具有時效性，利于掌握土壤變化狀態(tài)

氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理適時動態(tài)監(jiān)測，能夠準確掌握土壤狀態(tài)變化。通過多途徑多手段，監(jiān)測土壤結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)成分、儲水能力和鹽堿度等特有屬性。利用試驗或模型對土壤及時評估，了解土壤退化強度及方向，了解氣候變化對土壤帶來的影響程度。根據(jù)不同區(qū)域的氣候與土壤質(zhì)地的差異性，通過實地監(jiān)測獲得土壤信息，因地制宜地制定土壤改良方案，確定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中可持續(xù)土壤利用模式，使土壤管理與氣候變化及時匹配。利用實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，預測農(nóng)業(yè)土壤未來一定時間段內(nèi)的變化趨勢和規(guī)律，為土壤退化提供有效預防措施。

2.2? 大幅提高土壤固碳能力，增大農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的整體彈性

氣候智慧型農(nóng)業(yè)可大幅提高土壤自身固碳能力，增強農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的整體彈性。氣候種類、作物種類、耕種強度都影響著土壤中碳的儲存量，任何土壤的固碳潛力都受許多因素的影響，因此土壤中儲存的碳并不是一成不變的。例如，在土壤中前期累積的碳是高度可氧化的碳，隨著時間的推移，土壤中的碳變得更加穩(wěn)定。碳固存不僅能穩(wěn)定氣候，而且能使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加可持續(xù)。為此，氣候智慧型農(nóng)業(yè)通過對土壤中有機物質(zhì)的管理來增加土壤有機碳含量，這種措施可以維持土壤生態(tài)系統(tǒng)服務功能，并保障土壤長期肥沃。

2.3? 遵循高效性與減排性并行原則，減弱農(nóng)業(yè)集約化和控制溫室氣體排放矛盾

氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理始終遵循高效性與減排性并行原則，有助于減弱農(nóng)業(yè)集約化和控制溫室氣體排放共存的矛盾。由于農(nóng)業(yè)集約化，以人力為主的傳統(tǒng)粗放式耕作正逐步向以機械化系統(tǒng)為主的精耕細作轉(zhuǎn)變，有機肥（動物糞肥、植物殘渣等）也逐漸得到無機肥的補充和替換，但是大量機械尾氣和工業(yè)廢氣等溫室氣體排放也難以避免。為此，氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤可以通過以下管理途徑減少溫室氣體的排放：提高機械田間作業(yè)和灌溉作業(yè)的燃料使用效率;改變無機肥施用速度、時間和類型以及在含氮肥料中添加含氨氮的硝化抑制劑。這些做法將在滿足土壤營養(yǎng)元素供應的同時減少氣體污染。

3? 氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理面臨的挑戰(zhàn)

3.1? 固碳減排和糧食安全雙重壓力，土壤管理難度增大

民以食為天，糧食產(chǎn)量問題是當今世界依然面對的五大問題之一。農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量關系到人類最基本的生存條件、社會穩(wěn)定、民族團結(jié)和經(jīng)濟發(fā)展。由此，發(fā)展氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理既要提高土壤固碳減排能力和緩減氣候變化影響，又要以保證糧食安全為前提，這些目標共存形成矛盾。以化肥為例，根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）在20世紀耗時18年對41個國家施用化肥效果的調(diào)查統(tǒng)計，結(jié)果表明使用化肥的平均增產(chǎn)率為60%左右[3]。由此可見，化肥為糧食增產(chǎn)提供了巨大空間，為解決世界數(shù)以億計人口的溫飽問題做出了積極貢獻。從糧食安全方面來看，化肥的施用維護了社會穩(wěn)定，促進了經(jīng)濟的發(fā)展。實施氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理，意味著將要放棄化肥的大規(guī)模投入。然而，化肥利用率低，有機肥儲存量不足，農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)者技術水平參差不齊，有限的土地還需滿足城市化和工業(yè)化的需要，這些問題都是氣候智慧型農(nóng)業(yè)管理模式在糧食生產(chǎn)過程中面臨的挑戰(zhàn)。

3.2? 土壤污染形式多樣化，治理流程繁瑣

土壤污染日益嚴重，大量生物賴以生存的潔凈土壤被破壞和污染。農(nóng)用土壤污染率連年攀升，土壤主要污染物正在從常見易降解無毒害污染物向難降解有毒害污染物轉(zhuǎn)變。農(nóng)藥污染、生活垃圾污染、化肥污染、重金屬污染、工業(yè)廢水污染等多種污染長時間危害土壤健康。水果、蔬菜、糧食等常見食用農(nóng)產(chǎn)品幾乎全部來自于土壤，由此，食品安全的程度取決于土壤污染的程度。空氣污染、水體污染與土壤污染的形成密不可分，如工業(yè)廢氣形成酸雨侵蝕土壤，改變土壤的酸堿性，廢氣中污染物顆粒沉降在農(nóng)田表面或灌溉水源中，最終滲入土壤。重金屬污染隨著工業(yè)的發(fā)展以及災害事故的發(fā)生而加重。例如2001年，中國廣西環(huán)江毛南族自治縣的3家選礦企業(yè)尾礦庫潰壩，洪水過后尾礦及其廢礦渣沉積于洛陽鎮(zhèn)、大安鄉(xiāng)、思恩鎮(zhèn)600 hm2農(nóng)田[4]，大量金屬廢礦渣與原土壤混合造成嚴重土壤污染。土壤污染大幅降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)整體效率，堵塞氣候智慧型農(nóng)業(yè)集約化的渠道，更進一步加大了糧食安全的挑戰(zhàn)，并且土壤污染具有多源性，治理流程復雜，治理時間漫長。

3.3? 土地耕作方式傳統(tǒng)落后，農(nóng)民保護性耕作意識淡薄

農(nóng)田土壤固碳減排是氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理的主要目標。對土壤的耕作措施是影響農(nóng)田土壤碳儲量、土壤結(jié)構(gòu)的重要因素。有研究表明，團聚體中受保護的和未受保護的有機碳有著不同的更新速率，因而團聚體的保護能力在土壤固碳潛力中起到物理基礎作用[5]。傳統(tǒng)的耕作措施以長期翻耕為主，導致土壤中團聚體大量破壞，從而損傷土壤的固碳能力。例如中國的九大商品糧基地由于多年來不間斷采用傳統(tǒng)耕作模式種植，輕養(yǎng)地、重用地的生產(chǎn)模式急劇降低了土壤碳儲量。從20世紀50年代開始，為了改善耕作模式對土壤的影響，學界曾提出過“免耕”及“覆蓋耕作”等多種保護性耕作模式。1999年農(nóng)業(yè)部在“十五”期間把保護性耕作列為重點推廣的 50項農(nóng)業(yè)技術之一。但目前保護性耕作依然存在許多有待解決的問題：農(nóng)業(yè)機械化程度不斷提高，缺乏適應不同生產(chǎn)環(huán)境的專用保護性耕作器械和技術;農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)者對耕地保護意識淡薄，配套的農(nóng)業(yè)政策和生產(chǎn)制度也有待完善。

3.4? 可利用營養(yǎng)匱乏，土壤酸堿度失衡

微生物具有分解土壤中有機物的作用，而且被分解的有機物可以釋放出植物所需氮、磷、鉀等一系列營養(yǎng)物質(zhì)。其中絕大部分營養(yǎng)物質(zhì)以陽離子形態(tài)存在，而且只有微量營養(yǎng)物質(zhì)可以直接用于植物吸收，其余多數(shù)營養(yǎng)物質(zhì)被土壤顆粒表面的負電荷吸引。植物通過根毛表層附著的氫離子與土壤顆粒上的陽離子進行交換獲取營養(yǎng)物質(zhì)。然而土壤種類結(jié)構(gòu)的差異導致土壤陽離子交換量不同，進而影響土壤肥力。以氮、鉀為例，植物無法從空氣中直接利用氣態(tài)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頭。在土壤中氮元素通常以有機含氮化合物和微量無機氮源的形態(tài)存在，只有水溶性的有機含氮化合物和無機氮源可以被植物吸收利用。鉀元素與氮元素等依賴土壤有機質(zhì)的元素相比，鉀元素取決于礦物質(zhì)種類，一般情況下，只有低于1%的鉀易于被植物吸收，大多數(shù)農(nóng)作物對鉀元素的需求量大于氮元素以外的任何礦物質(zhì)元素。另外，土壤酸堿度同樣也是土壤母體物質(zhì)形成土壤過程中受氣候等影響產(chǎn)生的特性之一，影響著土壤中微生物活性和養(yǎng)分有效性。

4? 強化氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理的對策

4.1? 綜合管理，實現(xiàn)共贏

為解決氣候智慧型農(nóng)業(yè)中糧食安全、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展與氣候變化之間復雜的矛盾，實現(xiàn)多目標共同發(fā)展，必須綜合協(xié)調(diào)好土壤與植物之間的相互關系。在種植業(yè)生產(chǎn)中，確保土壤肥沃和耕地保有量是保證糧食安全的重要前提。①通過有機肥與無機肥的配合利用，保持土壤營養(yǎng)充足合理，減小大規(guī)模施用化肥對土壤的危害;②通過農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，使多種農(nóng)作物產(chǎn)量達到供需平衡，同時降低耕地非農(nóng)化進程、減緩耕地鹽堿化，保障應有的耕地面積，提高耕地生產(chǎn)率。在畜牧業(yè)生產(chǎn)中，通過實行分區(qū)輪牧、建立人工草場等措施，防止草原生態(tài)系統(tǒng)中生物多樣性的銳減;增加土壤有機質(zhì)含量，增加草層的覆蓋面積，防止草場水土流失與草地土壤荒漠化。最終，以土壤良好的健康狀態(tài)應對氣候的變化。

4.2? 轉(zhuǎn)換耕作模式，健全配套技術

據(jù)有學者研究[6]表明，少耕、免耕措施均顯著提高了0～20 cm和20～40 cm兩個土層的有機碳含量，并且試驗時間越長差異越大。由此，保護性耕作或是現(xiàn)階段固碳減排的最佳措施。具體措施有：①開展氣候智慧型保護性耕作研究，制定適合不同氣候、不同土壤的保護性耕作措施，從而保護土壤中的團聚體，維護土壤的固碳能力，優(yōu)化秸稈還田措施，提高農(nóng)田覆蓋率;②嚴防焚燒農(nóng)作物秸稈殘渣，進一步減少溫室氣體的排放;③大力宣傳保護性耕作模式，增加對保護性耕作的認知度，對前期實施保護性耕作的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)者發(fā)放補貼，激發(fā)生產(chǎn)者積極性;④研發(fā)保護性耕作專用機械與相應技術，維持應有的機械化水平。在實踐中逐步優(yōu)化保護性耕作措施，形成一套健全的生產(chǎn)體系并大力推廣。

4.3? 預防土壤污染，加強投入力度

土壤污染治理具有難度大、過程繁瑣、周期長、效果不明顯的特點，因此先期預防優(yōu)于后續(xù)治理。針對農(nóng)藥污染，首先要研發(fā)低殘留、低毒性、專用性高的農(nóng)藥;其次在使用農(nóng)藥過程中要對農(nóng)作物精準施藥，減少農(nóng)藥的直接噴灑面積。針對化工肥料污染，要盡量以傳統(tǒng)農(nóng)家肥替代化工肥料，同時加強化肥中重金屬等污染物含量的控制，提高農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)者的施肥技術水平，防止肥料濫用現(xiàn)象的發(fā)生。針對生活垃圾污染，要加大衛(wèi)生設施的投入，健全垃圾處理系統(tǒng)，全面開展環(huán)境保護教育。針對工業(yè)廢棄物污染和重金屬污染，要開展對生產(chǎn)安全及其廢棄物排放的嚴格審查，嚴控不經(jīng)處理的廢水廢氣肆意排放。另外，對農(nóng)業(yè)灌溉用水要加強治理，禁止重度污染水源大規(guī)模流入農(nóng)業(yè)土壤[7]。最終達到氣候智慧型農(nóng)業(yè)可持續(xù)、更高效的目標。

4.4? 科學管理養(yǎng)分，平衡土壤生態(tài)

在氣候智慧型農(nóng)業(yè)土壤管理中采用科學手段測定土壤各營養(yǎng)元素含量，評估土壤狀況，制定土壤改良措施。①通過改善土壤結(jié)構(gòu)來提高土壤陽離子交換能力。②維持土壤微生物的生活環(huán)境，如維持土壤pH在6.5～7.5，其是大多數(shù)土壤微生物最適宜生存的酸堿程度。③保護微生物多樣性，加強土壤微生物學的研究，掌握更多種類的人工培養(yǎng)土壤微生物技術。④對于土壤中養(yǎng)分的管理，應因地制宜從各營養(yǎng)元素具體開展。以氮、鉀為例，對于氮元素，廣泛開展土壤氮元素循環(huán)研究，減少氮肥的使用，積極發(fā)展以共生固氮為主，聯(lián)合使用固氮和自生固氮并行的生物固氮技術;對于鉀元素，農(nóng)作物對鉀元素的吸收效率與在最佳水平內(nèi)的土壤濕度、通氣和溫度正相關，建議定期監(jiān)測鉀元素狀態(tài)（包括植物體內(nèi)含量分析和常規(guī)土壤測試分析），管理方法隨農(nóng)作物狀態(tài)和土壤鉀含量的變化而變化。

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