基于控制論的農(nóng)業(yè)低碳發(fā)展方略

駱世明

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)熱帶亞熱帶生態(tài)研究所 廣州 510642)

人類社會(huì)的行動(dòng)潛力隨著19世紀(jì)60年代開始的工業(yè)化過程得到大幅提升, 生產(chǎn)力快速發(fā)展, 社會(huì)總的物質(zhì)生活持續(xù)改善, 然而生態(tài)環(huán)境質(zhì)量卻不斷下滑。直到20世紀(jì)60、70年代, 人類生態(tài)環(huán)境意識(shí)猛然覺醒。通過持續(xù)努力, 一些短期和局部問題已經(jīng)和正在得到有效應(yīng)對(duì), 如水體富營養(yǎng)化和食品農(nóng)藥污染, 自然保護(hù)與生態(tài)恢復(fù), 瀕危生物認(rèn)定與救助等。然而, 涉及全球變暖的溫室氣體排放卻還是越來越嚴(yán)重, 已經(jīng)開始危及人類自身生存基礎(chǔ)。這是一個(gè)需要全球合作才能解決的緊迫議題。盡管中國還是發(fā)展中國家, 然而作為一個(gè)負(fù)責(zé)任的大國, 我們提出了2030年“碳達(dá)峰”, 2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)涉及到社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和生活方式的改變, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變也勢(shì)在必行。農(nóng)業(yè)如何協(xié)同推進(jìn)國家低碳目標(biāo)? 為此人們提出了各種思路和各種技術(shù)措施, 實(shí)際上這些途徑都圍繞著調(diào)節(jié)控制農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳庫存與碳流動(dòng)這個(gè)關(guān)鍵。為此, 分析農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的調(diào)控機(jī)制和調(diào)控路徑, 有助于從總體上把握農(nóng)業(yè)的低碳發(fā)展方略。

1 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控機(jī)制

農(nóng)業(yè)的作業(yè)對(duì)象是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)包含了自然調(diào)控和人為調(diào)控機(jī)制在內(nèi)的控制論體系。研究和揭示農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能及其調(diào)節(jié)控制機(jī)制構(gòu)成了農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)的學(xué)科核心,為農(nóng)業(yè)的生態(tài)轉(zhuǎn)型提供了科學(xué)基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)從自然繼承了眾多生物相生相克、能物流串聯(lián)制約、景觀環(huán)境縱橫分合等自然調(diào)控過程。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者開展的農(nóng)業(yè)實(shí)踐是對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行的人為直接調(diào)控。對(duì)于生態(tài)農(nóng)業(yè)的國家激勵(lì)措施與民間互動(dòng)行為構(gòu)成了推進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)轉(zhuǎn)型的社會(huì)運(yùn)動(dòng)。國家的農(nóng)業(yè)財(cái)政、金融、市場(chǎng)、教育、宣傳等措施, 民間參與以及產(chǎn)銷間信任與互助的關(guān)系建立能夠深刻影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的行為, 因而是對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的人為間接調(diào)控。

生態(tài)農(nóng)業(yè)是通過采納生態(tài)友好方法, 全面提升農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)多功能服務(wù)的一種可持續(xù)的農(nóng)業(yè)方式。在這個(gè)意義上, 為實(shí)現(xiàn)低碳目標(biāo)的農(nóng)業(yè)必然要走生態(tài)農(nóng)業(yè)之路。生態(tài)農(nóng)業(yè)有別于以往一些農(nóng)業(yè)方式的最主要特點(diǎn)在于認(rèn)識(shí)到農(nóng)業(yè)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),農(nóng)業(yè)提供的不僅僅是農(nóng)畜產(chǎn)品和經(jīng)濟(jì)收益, 還有服務(wù)于人類的生態(tài)環(huán)境功能與社會(huì)文化功能。為此,生態(tài)農(nóng)業(yè)盡量采用生態(tài)友好方式, 開展生物多樣性體系構(gòu)建、循環(huán)體系構(gòu)建、區(qū)域合理景觀體系構(gòu)建,創(chuàng)新資源的節(jié)約、替代和增值技術(shù), 以及清潔生產(chǎn)技術(shù), 減少直接與間接溫室氣體排放, 增大碳吸收存儲(chǔ)。

2 人為直接調(diào)控路徑

生態(tài)農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展的直接調(diào)控的路徑有3個(gè)來源, 分別是傳統(tǒng)和民間的農(nóng)業(yè)實(shí)踐探索, 跨學(xué)科的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)研究, 以及生態(tài)友好的高新技術(shù)。

2.1 傳統(tǒng)和民間農(nóng)業(yè)實(shí)踐來源

傳統(tǒng)和民間的農(nóng)業(yè)實(shí)踐是農(nóng)民通過成百上千年的長(zhǎng)時(shí)間, 或者千家萬戶的大范圍內(nèi)對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行農(nóng)事操作, 通過不斷試錯(cuò), 不斷改善, 不斷優(yōu)化的演進(jìn)過程才獲得的成功“處方”。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)實(shí)踐中幾乎完全不依賴化石能源, 傳統(tǒng)模式與技術(shù)的發(fā)掘、研究、改進(jìn)和利用, 有利于碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。例如傳統(tǒng)農(nóng)家作物品種通過長(zhǎng)期的篩選, 普遍適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂颉⑼寥?、生物環(huán)境, 并且品質(zhì)優(yōu)異。這與現(xiàn)代普遍在高肥水無病蟲的“高碳”優(yōu)越環(huán)境中“嬌生慣養(yǎng)”出來的作物品種對(duì)“碳需求”很不一樣。農(nóng)民通過傳統(tǒng)的堆肥、廄肥、綠肥、草木灰、農(nóng)家肥就可以在還沒有化肥的年代獲得相當(dāng)高的產(chǎn)量, 作物自身抗性疊加健身栽培、輪間套作、農(nóng)區(qū)生物多樣性等方法就曾在沒有農(nóng)藥的年代獲得過穩(wěn)產(chǎn)。浙江青田的稻田養(yǎng)魚在完全不依賴外部投入的條件下靠稻魚共生和農(nóng)民勞作, 滋養(yǎng)了當(dāng)?shù)厝罕娚锨? 并留存至今。云南元陽梯田通過山區(qū)上部森林與下部梯田的景觀布局所形成的上部“綠色水庫”經(jīng)受了上千年氣候波動(dòng)考驗(yàn), 讓哈尼族民眾實(shí)現(xiàn)了旱澇保收的愿望。長(zhǎng)三角和珠三角的基塘系統(tǒng)通過自身循環(huán)體系的構(gòu)建, 實(shí)現(xiàn)了“桑茂、蠶壯、魚肥大, 塘肥、基好、蠶繭多”的良性互動(dòng)。這些成功方法的背后包含了對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)各種自然調(diào)控關(guān)系的巧妙順應(yīng)、精明調(diào)度和適度點(diǎn)撥。不少傳統(tǒng)農(nóng)耕方式的“奧秘”通過近年深入研究后才被逐步揭示。例如, 青田稻田養(yǎng)魚體系中的田魚“懂得”撞擊稻株而“幫助”水稻減少稻飛虱危害, 稻田養(yǎng)鴨體系中的鴨子通過在稻叢間走動(dòng)能“幫助”水稻降低株高、增強(qiáng)莖稈、抗風(fēng)抗倒。發(fā)掘、研究與利用豐富多彩的傳統(tǒng)與民間農(nóng)業(yè)方法是尋求生態(tài)農(nóng)業(yè)低碳發(fā)展的一條重要路徑。

2.2 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科研來源

各學(xué)科的經(jīng)典研究重視“單兵深入”, 容易出現(xiàn)“只見樹木不見森林”的現(xiàn)象, 因而出現(xiàn)諸如防治病蟲卻引起了農(nóng)藥對(duì)天敵毒害、供應(yīng)作物養(yǎng)分卻引起水體污染、增加禽畜飼養(yǎng)料肉比卻引起產(chǎn)品激素殘留等問題。目前系統(tǒng)思維已為更多研究人員接納, 生態(tài)低碳理念逐步得到普及, 很多傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)分支學(xué)科研究已經(jīng)注意到了生態(tài)環(huán)境制約和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)巧妙的自然調(diào)控過程, 從而催生了很多與生態(tài)農(nóng)業(yè)低碳方向相匹配的研究成果。例如, 避免環(huán)境和食物污染的病蟲草害綜合防治手段, 減少環(huán)境污染的作物養(yǎng)分供給手段, 綜合高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高抗特點(diǎn)的作物新品種, 生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用技術(shù), 生物碳制作與利用技術(shù), 農(nóng)業(yè)污染防控技術(shù)與種養(yǎng)業(yè)甲烷減排技術(shù)等。在生態(tài)農(nóng)業(yè)低碳發(fā)展中, 需要根據(jù)具體農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng), 因地制宜去選擇現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科研成果, 評(píng)估新技術(shù)碳排放特點(diǎn)與生態(tài)環(huán)境效應(yīng), 重視那些在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中能夠巧妙利用自然相互作用的技術(shù),避免采用逆自然過程而產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)的技術(shù)。

2.3 高新技術(shù)來源

高新技術(shù)主要包括生物技術(shù)、信息技術(shù)和新材料技術(shù)等。生物技術(shù)已經(jīng)被現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用, 在揭示農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)各種復(fù)雜關(guān)系方面獲得了豐碩成果。例如, 通過生物技術(shù)可以探究稻田養(yǎng)魚體系中魚的基因多樣性, 解密作物-雜草化感效應(yīng)的機(jī)制, 揭示害蟲-作物-天敵三重關(guān)系中的信息傳遞途徑與誘導(dǎo)抗性效應(yīng)。目前生物技術(shù)也在揭示土壤豐富的生物結(jié)構(gòu)與生物多功能方面得到了應(yīng)用。納米材料和生物材料等新材料在農(nóng)情監(jiān)測(cè)、節(jié)水、節(jié)肥、控病、環(huán)境保護(hù)等方面已經(jīng)獲得了一些成果。利用信息技術(shù), 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜相互關(guān)系可整合和重現(xiàn)在一個(gè)對(duì)應(yīng)虛擬體系中, 從而有利于進(jìn)行更加及時(shí)和精確的調(diào)控。信息技術(shù)在農(nóng)情監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)診斷、精確操作、實(shí)時(shí)管理方面已經(jīng)取得重大進(jìn)展和良好效果。高新技術(shù)及其產(chǎn)品是生態(tài)農(nóng)業(yè)低碳發(fā)展中值得注意的一個(gè)重要技術(shù)來源, 然而并非所有高新技術(shù)都與農(nóng)業(yè)低碳目標(biāo)相吻合, 只有經(jīng)過評(píng)估后符合生態(tài)低碳標(biāo)準(zhǔn)并與整個(gè)體系相匹配的那些高新技術(shù)才能被采納。

2.4 多來源技術(shù)的系統(tǒng)組合

民間和傳統(tǒng)途徑更多采用耗時(shí)達(dá)數(shù)代人甚至上十代人的觀察與互動(dòng), 通過系統(tǒng)輸入輸出的“黑箱”方法來采集信息和了解系統(tǒng)。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的調(diào)控手段基本依賴人力畜力?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技更多采用“白箱”方法, 通過畜牧獸醫(yī)、農(nóng)學(xué)植保、資源環(huán)境、園藝林學(xué)、基礎(chǔ)生物、農(nóng)業(yè)工程、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)等專業(yè)手段,通過一個(gè)或者數(shù)個(gè)生產(chǎn)周期, 獲取生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)、生產(chǎn)對(duì)象數(shù)據(jù)、不同種養(yǎng)措施的效果數(shù)據(jù), 從而揭示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能以及獲取高效措施。信息技術(shù)則把有關(guān)數(shù)據(jù)通過信息傳輸、存儲(chǔ)、處理, 建立起與真實(shí)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的虛擬系統(tǒng)和應(yīng)用平臺(tái)。農(nóng)業(yè)的調(diào)控除了人力、畜力、機(jī)械, 已經(jīng)可以通過智能機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)和精確的操作。

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的自然調(diào)控機(jī)制包括生物間的各種互利、制約與適應(yīng)關(guān)系、物質(zhì)的循環(huán)流動(dòng)和能量傳遞關(guān)系、區(qū)域自然景觀的構(gòu)建特色等。順應(yīng)自然、保護(hù)自然、借鑒自然才有可能取得“事倍功半”的效果和“四兩撥千斤”的降耗目標(biāo)。不管方法源自何方, 只要有利于利用和強(qiáng)化農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)自然調(diào)控機(jī)制就可以考慮列入生態(tài)農(nóng)業(yè)低碳方法的候選目錄。值得重視的生態(tài)農(nóng)業(yè)低碳途徑包括:

1)提高綠色植物通過光合作用的碳吸收水平; 2)增加農(nóng)村區(qū)域的水能、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等再生能源的開發(fā)利用, 減少對(duì)化石能源依賴; 3)通過有機(jī)肥、生物炭、沼液、溫室二氧化碳輸入等固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)方式增加系統(tǒng)的碳輸入; 4)生態(tài)農(nóng)業(yè)盡量選用制作過程碳排放低的生產(chǎn)資料。

1)制止植被破壞與農(nóng)業(yè)生物質(zhì)的野外無效燃燒; 2)減少稻田和反芻動(dòng)物的甲烷排放和其他溫室氣體排放; 3)提倡產(chǎn)品近距離銷售和新鮮銷售, 以利于減少產(chǎn)后碳排放。

1)通過自然植被保護(hù)、植樹造林綠化、退耕還林還草增加農(nóng)區(qū)植被碳庫; 2)通過增加土壤有機(jī)質(zhì)和生物炭等方式增加土壤碳庫。

1)通過生物多樣性互動(dòng)替代工業(yè)投入品的調(diào)控, 如豆科固氮替代化肥人工固氮, 天敵控制替代農(nóng)藥控制; 2)通過系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)循環(huán)替代外部物質(zhì)投入, 如系統(tǒng)內(nèi)副產(chǎn)物制作的堆肥、廄肥、沼渣、沼液替代外部養(yǎng)分輸入; 3)通過農(nóng)區(qū)內(nèi)風(fēng)能、太陽能、水能在種養(yǎng)、加工和生活中的直接利用,替代外部能源輸入; 4)通過少耕、免耕替代全面翻耕作業(yè)。

不同來源的方法通過對(duì)特定系統(tǒng)的兼容性、協(xié)同性和有效性評(píng)估之后, 就可以對(duì)準(zhǔn)備采納的方法在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化整合, 形成豐富多樣的低碳生態(tài)農(nóng)業(yè)模式及其技術(shù)體系。例如, 為了推進(jìn)玉米生產(chǎn)的生態(tài)低碳發(fā)展, 采用民間的玉米蠶豆間作為基本種植制度, 再綜合傳統(tǒng)養(yǎng)豬和堆肥技術(shù)形成一個(gè)種養(yǎng)循環(huán)模式, 在外圍構(gòu)建農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng), 棲息有益生物, 減少極端天氣危害。在這個(gè)模式里, 采納現(xiàn)代科研來源的優(yōu)質(zhì)高抗玉米品種和生豬品種、測(cè)土配方施肥技術(shù)和飼料配方技術(shù)、有害生物綜合防控技術(shù)和豬病非藥物防控技術(shù), 沼氣發(fā)酵技術(shù)和高溫堆肥技術(shù)等, 減少對(duì)外部工業(yè)品依賴。在條件成熟時(shí), 采用高新技術(shù)來源的多種田間傳感器、作物生長(zhǎng)模型、滴灌遙控平臺(tái)、太陽能板等, 構(gòu)成再生能源推動(dòng)的水肥一體化精確滴灌系統(tǒng), 進(jìn)一步提升整個(gè)種植體系的資源節(jié)約和高效利用水平。

3 人為間接調(diào)控路徑

能夠影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者行為方向和行為積極性的社會(huì)調(diào)控措施屬于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的人為間接調(diào)控途徑。人為間接調(diào)控措施根據(jù)其來源可以分為自上而下和自下而上兩個(gè)方向。

的調(diào)控是指能夠廣泛影響生產(chǎn)者行為的國家和政府舉措, 包括支持“碳達(dá)峰”和“碳中和”戰(zhàn)略的國家立法、農(nóng)業(yè)政策、財(cái)政政策、金融政策、貿(mào)易體系、宣傳教育、科學(xué)研究、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等。為了推進(jìn)農(nóng)業(yè)的低碳發(fā)展, 政府已經(jīng)和正在采用的措施包括限制和廢除依賴高工業(yè)品投入的農(nóng)業(yè)高碳技術(shù), 通過碳交易市場(chǎng)為低碳生態(tài)農(nóng)業(yè)拓寬資金渠道, 為低碳農(nóng)業(yè)科研立項(xiàng)投資, 開展低碳生態(tài)農(nóng)業(yè)的科普教育, 補(bǔ)貼農(nóng)村可再生能源產(chǎn)業(yè), 財(cái)政支持植被建設(shè)與植被恢復(fù), 實(shí)施退耕還林還草和自然保護(hù)區(qū)建設(shè), 支持農(nóng)業(yè)低碳技術(shù)信息交流平臺(tái)構(gòu)建, 組織開展生態(tài)農(nóng)場(chǎng)評(píng)估和綠色有機(jī)產(chǎn)品認(rèn)證等。農(nóng)業(yè)通過低碳生態(tài)方式產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效益屬于社會(huì)公共產(chǎn)品, 國家政策措施的核心是通過生態(tài)補(bǔ)償和產(chǎn)品認(rèn)證等方式把傳統(tǒng)市場(chǎng)不能夠體現(xiàn)的效益適當(dāng)返還給生產(chǎn)者。

的調(diào)控是指能夠影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者行為的民間自發(fā)舉措, 包括生態(tài)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)者之間組建的合作組織和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟, 生態(tài)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者與產(chǎn)品消費(fèi)者構(gòu)建的產(chǎn)銷合作組織、直銷市場(chǎng)和信用制度,建立生態(tài)低碳農(nóng)業(yè)的“產(chǎn)-學(xué)-研”和“產(chǎn)-供-銷”多方交流合作平臺(tái)等。目前, 在生態(tài)環(huán)境意識(shí)空前普及, 食品安全被廣泛關(guān)注的背景下, 我國“社區(qū)支持生態(tài)農(nóng)業(yè)”已經(jīng)獲得相當(dāng)好的發(fā)展, 各區(qū)域?qū)嵺`生態(tài)農(nóng)業(yè)的“新農(nóng)人”隊(duì)伍也越來越壯大。農(nóng)民合作社和農(nóng)業(yè)企業(yè)希望其產(chǎn)品能夠貼上生態(tài)標(biāo)簽的愿望也越來越強(qiáng)烈。未來如果能夠獲得進(jìn)一步的政策激勵(lì)與技術(shù)指導(dǎo), 廣大新農(nóng)人、農(nóng)民組織和農(nóng)業(yè)企業(yè)就會(huì)更加積極餞行農(nóng)業(yè)的生態(tài)低碳發(fā)展。

4 結(jié)論

為配合國家實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo), 在農(nóng)業(yè)方面把握好作為控制論體系的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控途徑, 一方面在全社會(huì)凝聚共識(shí), 讓自上而下的激勵(lì)與自下而上的努力相結(jié)合, 另一方面在傳統(tǒng)、民間、現(xiàn)代和高新技術(shù)中廣開渠道、嚴(yán)格篩選、擇優(yōu)組合、整體優(yōu)化, 就能形成適合各地的生態(tài)農(nóng)業(yè)低碳模式及其技術(shù)體系, 推進(jìn)我國農(nóng)業(yè)低碳發(fā)展。