氣候智慧型農業土壤管理分析
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摘要：氣候智慧型農業是一種新的農業發展模式，更是一種應對全球氣候變化的高層面農業發展形態。在分析氣候智慧型農業土壤管理的內涵及其功能基礎上，探討了氣候智慧型農業土壤管理復原性基礎原理，認為氣候智慧型農業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、土地耕作方式傳統落后等挑戰，并提出相應的對策建議。
關鍵詞：氣候智慧型農業;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 氣候智慧型農業土壤管理的內涵及其功能
1.1 氣候智慧型農業土壤管理的內涵
氣候智慧型農業是指能夠可持續地提高農業生產效率、增強農業適應性、減少溫室氣體排放，并可實現國家糧食生產安全的農業生產發展模式[1]。與其他產業相比，農業與氣候的相互關系最為緊密，氣候智慧型農業在功能方面體現出“三贏”局面：提高農業普遍生產力、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象頻發，預示著土壤呈現急速退化的趨勢。在全球氣候變化的大背景下，特別是現階段中國農業發展面臨著新的挑戰，加強氣候智慧型農業土壤管理，促使農業領域適應氣候變化，提高農業生產效率，有利于推動農業經濟發展和維護社會穩定;減緩溫室氣體排放，有利于發展生態農業和減緩氣候環境變化;可持續的土壤資源管理機制有利于農業生產技術的創新與共享、防災減災、保護性耕作、土壤固碳減排、酸堿度調節和生產集約化等。除此之外，利用氣候變化的近期數據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，有利于區域農作物多樣性。
1.2 氣候智慧型農業土壤管理的關鍵功能
1）氣候智慧型農業土壤管理能夠提高農業土壤生產力，協調植物與水分的關系。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，降低農業生產力。氣候智慧型農業土壤管理通過提高土壤水分保持能力，減緩水文循環，過濾灌溉系統用水等措施來應對植物與水之間的關系變化。
2）氣候智慧型農業土壤管理能夠減少溫室氣體排放，穩定物質和能量循環。氣候變暖是氣候變化最重要的表現形式，由氣候變暖引起的土壤物質和能量循環速率的改變，同時影響著土壤碳排放和地表植被的養分供應兩方面，進而影響植被的正常生長。通過氣候智慧型農業土壤管理，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元素的有效性，進一步穩固土壤碳循環和能量轉換過程。
3）氣候智慧型農業土壤管理能夠適應氣候變化，保障農業原材料生產服務。農業土壤是提供維持生命的糧食、燃料、醫藥和纖維產品的基礎。氣候變化將直接引起農作物生長過程中外界環境溫度、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節水稻的生育期、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量和質量。因此，發揮氣候智慧型農業土壤的減排性可有效降低二氧化碳等溫室氣體排放，將調節氣候多種變化對農業生產功能的影響。
2 氣候智慧型農業土壤管理復原性基礎原理
氣候智慧型農業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，提高農業生產力。②有利于有效水含量和養分復原，水分是農作物生產的關鍵氣候因子，養分是合成植物細胞中核酸、蛋白質等多種物質的能量來源，由此通過管理提高土壤保留水和養分的能力，從而保障農作物正常的生理過程。③有利于土壤生物多樣性和生態系統服務功能復原，如通過多種微生物分解土壤中大量有機物，并把多余養分釋放到土壤中為植物提供營養。 2.1 土壤監測管理具有時效性，利于掌握土壤變化狀態
氣候智慧型農業土壤管理適時動態監測，能夠準確掌握土壤狀態變化。通過多途徑多手段，監測土壤結構、營養成分、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。根據不同區域的氣候與土壤質地的差異性，通過實地監測獲得土壤信息，因地制宜地制定土壤改良方案，確定農業生產過程中可持續土壤利用模式，使土壤管理與氣候變化及時匹配。利用實時監測數據，預測農業土壤未來一定時間段內的變化趨勢和規律，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，增大農業生態系統的整體彈性
氣候智慧型農業可大幅提高土壤自身固碳能力，增強農業生態系統的整體彈性。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定。碳固存不僅能穩定氣候，而且能使農業生產更加可持續。為此，氣候智慧型農業通過對土壤中有機物質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系統服務功能，并保障土壤長期肥沃。
2.3 遵循高效性與減排性并行原則，減弱農業集約化和控制溫室氣體排放矛盾
氣候智慧型農業土壤管理始終遵循高效性與減排性并行原則，有助于減弱農業集約化和控制溫室氣體排放共存的矛盾。由于農業集約化，以人力為主的傳統粗放式耕作正逐步向以機械化系統為主的精耕細作轉變，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廢氣等溫室氣體排放也難以避免。為此，氣候智慧型農業土壤可以通過以下管理途徑減少溫室氣體的排放：提高機械田間作業和灌溉作業的燃料使用效率;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元素供應的同時減少氣體污染。
3 氣候智慧型農業土壤管理面臨的挑戰
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，糧食產量問題是當今世界依然面對的五大問題之一。農作物的產量和質量關系到人類最基本的生存條件、社會穩定、民族團結和經濟發展。由此，發展氣候智慧型農業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，根據聯合國糧農組織（FAO）在20世紀耗時18年對41個國家施用化肥效果的調查統計，結果表明使用化肥的平均增產率為60%左右[3]。由此可見，化肥為糧食增產提供了巨大空間，為解決世界數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定，促進了經濟的發展。實施氣候智慧型農業土壤管理，意味著將要放棄化肥的大規模投入。然而，化肥利用率低，有機肥儲存量不足，農產品生產者技術水平參差不齊，有限的土地還需滿足城市化和工業化的需要，這些問題都是氣候智慧型農業管理模式在糧食生產過程中面臨的挑戰。
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變。農藥污染、生活垃圾污染、化肥污染、重金屬污染、工業廢水污染等多種污染長時間危害土壤健康。水果、蔬菜、糧食等常見食用農產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田表面或灌溉水源中，最終滲入土壤。重金屬污染隨著工業的發展以及災害事故的發生而加重。例如2001年，中國廣西環江毛南族自治縣的3家選礦企業尾礦庫潰壩，洪水過后尾礦及其廢礦渣沉積于洛陽鎮、大安鄉、思恩鎮600 hm2農田[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業生產整體效率，堵塞氣候智慧型農業集約化的渠道，更進一步加大了糧食安全的挑戰，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 土地耕作方式傳統落后，農民保護性耕作意識淡薄
農田土壤固碳減排是氣候智慧型農業土壤管理的主要目標。對土壤的耕作措施是影響農田土壤碳儲量、土壤結構的重要因素。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耕作模式種植，輕養地、重用地的生產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年農業部在“十五”期間把保護性耕作列為重點推廣的 50項農業技術之一。但目前保護性耕作依然存在許多有待解決的問題：農業機械化程度不斷提高，缺乏適應不同生產環境的專用保護性耕作器械和技術;農產品生產者對耕地保護意識淡薄，配套的農業政策和生產制度也有待完善。
3.4 可利用營養匱乏，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、鉀等一系列營養物質。其中絕大部分營養物質以陽離子形態存在，而且只有微量營養物質可以直接用于植物吸收，其余多數營養物質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物質。然而土壤種類結構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的元素相比，鉀元素取決于礦物質種類，一般情況下，只有低于1%的鉀易于被植物吸收，大多數農作物對鉀元素的需求量大于氮元素以外的任何礦物質元素。另外，土壤酸堿度同樣也是土壤母體物質形成土壤過程中受氣候等影響產生的特性之一，影響著土壤中微生物活性和養分有效性。 4 強化氣候智慧型農業土壤管理的對策
4.1 綜合管理，實現共贏
為解決氣候智慧型農業中糧食安全、農業可持續發展與氣候變化之間復雜的矛盾，實現多目標共同發展，必須綜合協調好土壤與植物之間的相互關系。在種植業生產中，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，保持土壤營養充足合理，減小大規模施用化肥對土壤的危害;②通過農業供給側結構性改革，使多種農作物產量達到供需平衡，同時降低耕地非農化進程、減緩耕地鹽堿化，保障應有的耕地面積，提高耕地生產率。在畜牧業生產中，通過實行分區輪牧、建立人工草場等措施，防止草原生態系統中生物多樣性的銳減;增加土壤有機質含量，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應對氣候的變化。
4.2 轉換耕作模式，健全配套技術
據有學者研究[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，優化秸稈還田措施，提高農田覆蓋率;②嚴防焚燒農作物秸稈殘渣，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產品生產者發放補貼，激發生產者積極性;④研發保護性耕作專用機械與相應技術，維持應有的機械化水平。在實踐中逐步優化保護性耕作措施，形成一套健全的生產體系并大力推廣。
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，因此先期預防優于后續治理。針對農藥污染，首先要研發低殘留、低毒性、專用性高的農藥;其次在使用農藥過程中要對農作物精準施藥，減少農藥的直接噴灑面積。針對化工肥料污染，要盡量以傳統農家肥替代化工肥料，同時加強化肥中重金屬等污染物含量的控制，提高農產品生產者的施肥技術水平，防止肥料濫用現象的發生。針對生活垃圾污染，要加大衛生設施的投入，健全垃圾處理系統，全面開展環境保護教育。針對工業廢棄物污染和重金屬污染，要開展對生產安全及其廢棄物排放的嚴格審查，嚴控不經處理的廢水廢氣肆意排放。另外，對農業灌溉用水要加強治理，禁止重度污染水源大規模流入農業土壤[7]。最終達到氣候智慧型農業可持續、更高效的目標。
4.4 科學管理養分，平衡土壤生態
在氣候智慧型農業土壤管理中采用科學手段測定土壤各營養元素含量，評估土壤狀況，制定土壤改良措施。①通過改善土壤結構來提高土壤陽離子交換能力。②維持土壤微生物的生活環境，如維持土壤pH在6.5～7.5，其是大多數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土壤微生物技術。④對于土壤中養分的管理，應因地制宜從各營養元素具體開展。以氮、鉀為例，對于氮元素，廣泛開展土壤氮元素循環研究，減少氮肥的使用，積極發展以共生固氮為主，聯合使用固氮和自生固氮并行的生物固氮技術;對于鉀元素，農作物對鉀元素的吸收效率與在最佳水平內的土壤濕度、通氣和溫度正相關，建議定期監測鉀元素狀態（包括植物體內含量分析和常規土壤測試分析），管理方法隨農作物狀態和土壤鉀含量的變化而變化。
參考文獻：
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