中国粮食主产区农田生态健康问题与技术对策探讨

1 中国农田生态系统健康研究动态
20世纪90年代后,随着人类生存环境问题的日益尖锐,生态系统健康研究逐渐成为国际上一个新的研究领。我国在农田生态健康的研究尚处于初步阶段,目前的研究探讨主要是从农业生态系统健康的角度开展的。从其概念内涵的界定上,有学者认为农业生态系统健康指具有良好的生态环境、健康的农业生物、合理的时空结构、清洁的生产方式、以及具有适度的生物多样性和持续农业生产力的一种系统状态或动态过程,其包括:农业生物健康、土壤健康、农业水环境健康、大气环境健康、结构和谐、生产力持续及生产安全等;使农业生态系统免受发生“失调综合症”、处理胁迫的状态和满足持续生产农产品的能力。健康的农业生态系统主要是指那种能够满足人类需要而又不破坏甚至能够改善自然资源的农业生态系统,其目标是高产出、低投入、合理的耕作方式,有效的作物组合,农业与社会的相互适应、良好的环境保护与丰富的物种多样性等。也有学者从区域尺度上认为,农业生态系统健康表现为“根据区域资源状况特点,形成合理的农业生产结构,保持良好的系统运转功能,具有抵抗各种自然灾害和社会经济风险的能力,提供有效的系统服务功能,满足所有受益者的合理目标要求,同时对邻近生态系统不产生负面压力”。从农田尺度,有学者认为健康的农田生态系统农田有着合理的作物组分、有效的农作方式,能够高效持续地为人类提供健康有益的生活、生产来源,并和谐地融为自然生态系统的一部分。
对系统健康的评价,有学者提出了一套基本可以定量化的农业生态系统健康指标体系,即生物学指标(生物生产力、生物多样性指数、病虫害指数及生物入侵风险指数等),环境学指标(土壤肥力水平、生物多样性水平、环境综合污染指数、无害化和资源化利用程度等),生态经济学指标(自然资源综合利用率、农业产投比和农产品质量水平)来评价农业生态系统健康。针对具体生态系统类型,目前研究有探索了黄土高原流域农业生态经济系统健康诊断方法,并建立了评价指标体系;从系统结构(资源可供性、资源可取性、结构完整性、结构多样性)、生产功能(生产力、生产效率、生产效果、公平性与公正性)、抗逆性(自生产力、稳定性、恢复力、响应力、)三个方面对山东禹城市农业生态系统进行健康评价;从活力、组织结构和恢复力3方面选择单位面积农业净产值、农民人均纯收入、土地人口承载度、人口密度、植被覆盖度、农业支出比例等17个指标,在区域尺度上对西部地区农业生态系统进行健康评价。针对农田生态系统尺度的研究较少,有学者利用层次分析法,从结构指标、环境指标、生产力指标、持续力指标和管理指标初步建立起农田生态系统健康评价指标体系,并给出了评价指标标准,也有以关键指标评价法,以武川县为例,选择水分、生物量、幅宽等代表性指标,分析了不同作物覆盖下农田生态健康指数,对北方农牧交错带农田生态系统健康评价。
从农田生态健康技术研究方面,我国虽然没有人开展系统的研究,但有学者研究了施用生物有机肥(BOF)对连作土壤番茄青枯病发生率和土壤微生物群落的影响,证明施用BOF能使土壤防病能力和健康水平提高;通过研究蚯蚓对土壤中杀虫剂的回避行为,建立了一种用于土壤健康质量快速诊断的装置和方法;对甘肃清水县小泉乡麦田土壤线虫种群进行了探索性调查分析,结果表明多年连续种植小麦会引起的严重土壤健康问题。另有大量的研究表明,采取少免耕方法能够提高农田生物多样性,从而减少农药施用量,提高农产品的安全性。此外间套、复作,立体种养,水肥耦合,病虫草害综合防治等等,也有益于农田生态系统的健康。
总体来说,我国关于农田生态系统健康的研究主要集中于对系统健康程度的评价与诊断上,对关键技术的重视不够,需要针对不同区域农田生态系统类型开展关键技术攻关与集成。
2 中国高产农田生态健康问题
在我国粮食生产的区位分布中,位于东北平原、华北平原、长江中流域平原(上游成都平原和中下游平原)的吉林、黑龙江、辽宁、河南、山东、河北、湖南、江苏、湖北、江西、四川等省一直是我国粮食生产的主产区,合计耕地面积占全国55%,粮食播种面积均占全国的58%,粮食产量占全国的53%,粮食商品量占全国的95%以上,为国家提供了大量的商品粮。
确保粮食安全是我国农业可持续发展永恒的主题,人多地少的国情决定了必须走持续提高粮食单产的道路,但高产再高产过程对农田生态系统的压力不断增加,系统结构破坏、功能退化甚至破坏的态势日益严峻,严重制约了作物生产力的持续提高。主要体现在:
2.1 土壤生态障碍因子明显
近几十年来,三大作物主产区生产条件改善、化肥农药广泛使用和农业新技术投入,极大地提高了粮食产量。但是在高度集约化的三大作物高产区,制约生产力持续提高的土壤生态障碍因素依然存在,而且有加剧的趋势。普遍突出表现在:土壤结构恶化、功能退化、养分失衡等。长江流域平原水稻集中高产区,农田土壤潜育化、通透性差等问题突出;华北平原小麦玉米两熟高产区土壤耕层变浅、养分不均衡、农田土壤结构不良;东北平原玉米高产区土壤有机质加速下降、耕层变薄、土壤功能退化等问题普遍。这些生态障碍因素导致三大作物粮食面临超高产突破难且重现性差、资源消耗大且效率低、技术和经济产投比低等一系列共性难题。
2.2 农田污染问题日渐凸现
在三大作物高产区,农田生态环境问题突出,威胁到农业持续发展、食物安全性和人民健康。主要表现在:①长期大量和不合理使用化肥,造成农田土壤退化严重,生产力减低,品质下降。高产再高产过程对施肥的依赖度不断提高,导致农田养分产投效益递减,更重要的是过量的化肥投入导致农田生态压力不断增加,尤其是全国主要粮食主产区污染问题日渐突出。有研究表明,东北三省农田化肥用量随时间的增加而增大,与80年代相比,2002年由东北三省农田土壤总氮平衡和总磷平衡进入水体环境的氮、磷负荷均有所增加。华北平原高产农田土壤中硝态氮含量从小麦冬灌后至玉米收获后持续降低,地下水中硝态氮含量持续增加,表现出农田N肥对地下水的直接污染。全国集约化农区近年农田氮磷流失达到农业面源污染的20%～40%。②农田农药和重金属等污染有加重趋势,影响作物生态环境安全和粮食品质。目前,我国主要农田中有机农药残留率高达50%～60%,塑料残余物的年残留量高达40kg/hm2左右,平均残留率20%左右。