中国科学报：发展新型无废弃物农业 减少面源污染源（陈文新）
过去的30年，中国利用占世界9%的耕地，解决了占世界总人口20%的13亿国人的吃饭问题，而且到2012年已经保持了粮食连续9年增产，为中国经济增长和社会稳定提供了保障。但这30年间，化肥、农药的使用量不断提升，牲畜粪尿、秸秆等废弃物也大量增加，已造成农村和农田的广泛面源污染和土壤肥力下降等严重问题，恶化了生态和城乡人民的生活环境。根据2007年中国污染普查的结果，全国农业排放的化学需氧量（COD）占全国排放总量的43.7% （1320万吨）；农田排放的氮、磷分别占总量的57.2%和67.4% （270万吨和28万吨）。因此，中国农业在未来发展中面临着既要保持高产，又必须减少面源污染的双重压力。针对这一问题，中国农业部及相关部门已经展开工作，推动发展清洁农业与循环农业。当务之急是，需要可行的技术方案来降低农业生产中对化肥、农药的依赖，提高其使用效率，从而构建起我国永续发展的生态与环境基础。
■目前我国农业生产中存在两大问题
农业生产中，氮素养分是继水之后最大的制约因素。每生产一吨谷物等粮食，需要消耗土壤中20 到40公斤氮素。要保持粮食高产，必须向土壤中补充氮素及其他营养元素。从1981年至2008年的30年间，我国化肥用量占全球总量的35%。过量使用化肥造成了严重的环境问题。一是增加了温室气体的排放。最近几年，中国北方城市空气质量严重恶化，与过量使用氮肥直接相关。二是过量施用到田间的氮肥效率愈来愈低。三是增加了植物体内的游离硝酸盐。进入食物中的硝酸盐在一定条件下会被转化为亚硝酸，危及食品安全。四是引起土壤酸化。中国的土壤pH值（酸碱度）在过去的20年间下降了0.5个单位，过量施用氮肥为其主因。土壤酸化会直接影响植物和土壤微生物生长，加重植物真菌病害，加速土壤中重金属的溶解释放。另外，对化肥的过度依赖及有机肥施用量减少，造成土壤有机质含量下降、土壤结构被破坏，最终引起土壤板结，肥力下降。这种情况到了必须立即解决的时刻。
我国农业生产中的另一个问题是作物重茬，病虫危害，滥用农药。由此导致病原菌和害虫抗药性的提高。另一方面，残留农药进入水体和食物链，造成食品安全隐患，威胁到人民的身体健康。在自然界，动植物的病原菌、昆虫群体中都会有天然存在或基因突变产生的抗性基因。而农药的长期使用，会对具有药物（杀菌剂、杀虫剂）抗性的个体产生选择性富集，使病虫害群体的抗性逐渐提高，从而迫使人们提高农药的用量。其最后结果就是药物的用量越来越大，由此产生的环境污染也越来越重。我国已经发现的具有较高抗药性的昆虫有几十种，包括一些重要的农业害虫和卫生害虫。在植物病原微生物方面，真菌、细菌及线虫中都发现了抗药性。
根据研究和认识，要解决上面的我国农业生产领域的两大问题，最重要的途径是：1）重施有机肥，有机肥与化肥结合施用，即发展新型的无废弃物农业；2）发挥豆科植物根瘤菌的共生固氮作用；3）推行豆科与其他作物间套轮作种植体系。通过这些措施达到减少化学氮肥与农药用量，使土壤肥力常存、保粮食优质高产、环境日渐美好。
■有机肥与化肥结合，种地与养地结合
土壤是作物赖以生长的基地，高肥力土壤必须具有良好的团粒结构，为作物调控适宜的水、肥、气、热，为作物转化、保存并持续提供所需营养元素。这主要依靠土壤中生活的、每克土以亿计的微生物的作用，而微生物生活主要靠有机质维持。自然生态系统中，植物是生产者，动物为消费者，微生物为分解者。地球表面有限的营养元素就靠微生物这个分解者，才能进行循环使用。这个分解作用，主要在土壤和水体中进行。所以最合理的措施是尽可能将动植物废弃物投入土壤中，促进微生物大量繁殖。微生物将有机质分解，释放出营养元素，供植物生长利用；同时，也合成它们自身的细胞，将营养元素在细胞中保存而不被流失。微生物死后，营养元素又可被矿化给植物利用。另一方面，微生物也不断将有机物转化为腐殖质。腐殖质与微生物分泌的大分子物质一起，使土壤矿质颗粒凝聚成团粒结构，营造适于植物保水、保肥、调温、通气的生长环境。所以土壤腐殖质的含量常用作衡量土壤肥力的指标。
20世纪初，欧洲和美洲均因人口增长而可开采的氮肥资源（智利硝石）用罄而焦虑。美国的农业局长来东亚，特别是在中国考察后，写了《四千年的农民》一书（F. H. King著，1911），惊叹中国的传统农业是“种养结合，精工细作，地力常新”的“无废弃物农业”。而今天，面对人口持续增长，需更多粮食，并要保护好生态环境，就必须在重新重视有机肥的基础上，适施化肥，实行有机无机结合施用。有机肥无机肥必须按适宜的碳氮比例（C/N约为25：1）混合。过去强调有机肥（秸秆加牲畜粪）必须先长期沤制，达到碳氮比为25：1时施用，而现在可加入化学氮肥调节碳氮比。因此只需短时间堆制，经过高温发酵，杀灭病菌、虫卵后即可施入土壤。
世界上已经广泛采用的秸秆加化肥免耕覆盖是个有效措施。我们曾在一块玉米、小麦一年两熟地上，比较研究过秸秆免耕覆盖和翻耕的效果。结果表明，秸秆覆盖表土，形成天然生态分解亚系统，主要功能在于微生物分解、固结和释放养分，并能缓冲外力对土壤的冲击，使养分再循环能力提高。
北大荒垦区自上个世纪90年代起，秸秆还田面积达到种植面积的46.7%，迄今已经使得有机质含量恢复到开垦初期的较高水平（4%~7%）。而且除速效钾外，其他土壤养分含量均有提高。2006年秸秆还田达到1300万亩，相当于投入肥料氮5.2万吨、磷2.4万吨、钾9万吨。所以，有机肥的使用是减少化肥依赖、培肥土壤的一条有效途径。如能将种、养业产生的废弃物变成有机肥料，既可养地，又可减少污染，是实现绿色农业的重要措施，这也符合自然界元素生物小循环的规律。目前在秸秆免耕覆盖中存在的某些问题，需在我国农业现代化进程中进一步研究解决。土壤是不可再生的宝贵资源，不仅要注意保量，也要保质，即保持其肥力水平。
■充分利用生物固氮，减少氮肥用量
植物生长所需大量氮素营养均来源于大气。尽管大气中含氮78%，但任何动植物均不能直接利用。只有那些能合成固氮酶的细菌和古菌可以将它还原成氨后加以利用，这些菌统称固氮微生物，包含在200多个属中。生物固氮是在常温常压下进行，无需消耗矿质能源。在工业化生产氮肥之前，生物固氮是自然生态环境中氮素营养的主要来源。到今天，地球上生物固氮量仍然是工业氮肥总量的两倍，而其中由根瘤菌与豆科植物共生体固定的氮占生物固氮总量的80%，为最强大的固氮体系。
根瘤菌与豆科植物共生互作形成根瘤，在这个过程中根瘤菌从宿主获得碳源和能源，将大气中的氮气转化为植物氮素养分，两者互惠共生。据研究，豆科植物会自己调控根瘤的数量和固定的氮量，不会无谓消耗本身能量。巴西、阿根廷自上世纪60年代以来大规模扩种大豆，均不施氮肥，只用根瘤菌剂接种并辅以适量的磷、钾肥。产量均在3000 公斤/公顷以上，最高产量可以达到4500公斤/公顷。菌剂的投入产出比高达1∶16 （2.55：405美元/公顷）。在我国20世纪五六十年代，大豆、花生、紫云英接种根瘤菌实验在南北方均广泛开展，效果同样很好。而70年代以后，由于化肥大量投入，豆科作物接种根瘤菌事业处于停顿状态，种大豆也主要依赖氮肥，单产低到只有1500公斤/公顷，在世界上排第八位（排名前7位的国家均接种根瘤菌，不施氮肥）。过去30多年中，中国农业大学根瘤菌研究中心对中国的根瘤菌资源进行了全国范围的调查研究，建立了12000多菌株的根瘤菌菌种保藏库，是目前国际上菌株数量最大，宿主种类最多（采自600多种豆科植物）的根瘤菌库；对其中近8000个菌株进行系统分类研究，发表了2个根瘤根新属和40多个新种，约占国际总数的一半；在长期的研究中，我们发现与同种植物共生的不同根瘤菌种群有明显的地理区域性分布，研究得知是因为它们具有不同的代谢与抗逆基因，从而适应不同的生态环境；同种根瘤菌的不同菌株对植物不同品种共生有效性差异很大，也是因它们具不同的共生基因所致。根据这些发现，我们已经有针对性地为大豆、花生、扁豆、苜蓿等在不同地区的主要栽培品种进行了根瘤菌选种，筛选出具有品种适应性强、结瘤固氮活性高的一些菌株。在河北、河南、山东的田间小区试验表明，大豆接种优质根瘤菌可以增产17.8~35.6，产量在4000公斤/公顷以上。接种比每亩施用10 公斤尿素追肥的产量还高10%。80年代我们的田间实验表明：完全不施化肥，花生接种根瘤菌可以增产14.5%~28.0%。因此，为豆科作物接种优质根瘤菌可以减少化肥用量，减少水源污染、节省能源和培肥地力，我们应该大力推广高效根瘤菌剂的应用。
■豆科与其他作物间套轮作，发挥生物间互惠作用
豆科与禾本科及经济作物间套轮作也是减少化肥和农药用量、减少污染的一项重要措施。在这样的种植体系中，豆科作物可供给间作作物30%~60%的氮素；豆科收获后所剩根茬的氮素占植株总氮的30%~35%，也可留给下茬使用。这就是豆科作物养地的原因所在，也是长期以来人们对间套轮作增产效应认识的基础。我们与国内同行进一步的研究还发现，间作中受益的不仅是谷类作物，而且是间作双方均受益。因为不仅是谷物增产，豆类作物的生物固氮能力和产量也得到提高。因为固氮微生物有一个特性，在有化合氮的条件下不合成固氮酶，不固氮，并且使用一定量化肥也抑制根瘤菌的结瘤固氮，称为“氮阻遏”效应。我们在野外调查中发现，不少生长在施用过量氮肥田间的豆科植物（大豆、菜豆） “氮阻遏”严重，全不结瘤。
长期以来，国内外的科学家作了大量研究，试图用基因工程技术打破氮阻遏，获得可以在较高氮肥水平下固氮的微生物。但至今未获得可在生产中应用的结果。近年来，我们通过一系列温室和田间试验证明，在间、混作条件下，禾本科作物的发达根系可以吸走豆科作物根际的氮素，从而解除根瘤菌的氮阻遏，促进结瘤固氮。这样，我们就有了一个克服施肥与氮阻遏之间矛盾的有效方法。在大豆与玉米间作的田间实验中，我们发现接种根瘤菌的间作大豆产量比单作的更高，玉米也比单作产量高，且抗倒伏。其他研究者进行的豆、禾间作试验也表明两者互惠互利，同步高产。
云南农大朱有勇研究团队发现，除了增产效果外，间混作与轮作（包括同一作物不同品种的间作）还可以增加农田中的生物多样性，抑制植物病虫害的传播和危害。这一效应可以减少农药的使用量，从而降低农药对环境安全和食品安全造成的威胁。根据上述研究成果，我们建议在我国粮食生产中，倡导间套轮作体系建设。在间套轮作中加入豆科作物，接种根瘤菌，保证农产品优质高产，又减少化肥和农药使用，减缓面源污染。
■豆、禾间作混播，发展草地农业
我国60亿亩草地是发展畜牧业的重要基础，但四大自然牧区均严重超载。新疆牧区超载130%以上，不少牧民生活困难；内蒙古牧区每年平均沙化退化草地面积达到167万公顷。发达国家的草地种植面积均达60%~70%。粮、经、草三元结构及其草田轮作模式是发达国家现代化农业的重要内容。我国农业也将实现现代化。当前牧草种植规模仍然很小。任继周院士一直在呼吁发展草地农业。我们建议在牧草种植体系中，选用优质豆科牧草接种相匹配的高效根瘤菌，与适合的禾本科牧草混播或间作，充分利用自然资源中的氮、磷、钾，不用化肥，获得高产。我们在内蒙古和北京完成的苜蓿接种优选的根瘤菌与无芒雀麦间作种植试验表明：苜蓿接种根瘤菌单作增产80%以上，间作比单作苜蓿产量高出100%以上；不施肥处理产量高于施肥处理，无芒雀麦间作比单作产量也有增高。第二年增产趋势与第一年相似，第三年总产略有降低。从这些结果可以看出，种植豆科牧草完全不用施氮肥，但必须接种高效根瘤菌并与禾本科间作或混播，可促进两者高产，施氮肥抑制结瘤固氮。豆科牧草接种根瘤菌与禾本科间作、混播，是提高牧草产量的重要措施。
我国具有“种养结合，精工细作，地力常新”的经营无废弃物农业的传统。这一传统曾经成功地养活了世世代代的先民们，成为中华文明发达最坚实的基础。现代中国农业面临着耕地减少、人口和食品需求大量增加的形势。为保证粮食安全，科学使用化肥、农药很有必要。但最近几十年中，因滥用化肥、农药，已经造成了全局性环境问题和土壤肥力下降问题。为了解决这些问题，发展新型无废弃物农业是必然途径。恢复我国重视有机肥使用的传统，实行有机肥与化肥结合施用、豆科作物接种高效根瘤菌的生物技术措施及禾本科—豆科间套轮作的种植体系是建设新型无废弃物农业和减少面源污染的核心，是实现我国绿色农业可持续发展和改善城乡人民生活环境的可靠保证。
作者简介：陈文新，中国科学院院士，中国农业大学生物学院教授，土壤微生物学家。
(《中国科学报》 (2013-11-11 第8版 智库)