生态农业的生态学研究

生态农业的生态学研究

中国的生态农业实践已经经历了30年的曲折。10年前,李文华院士主编的《生态农业——中国可持续农业的理论与实践》对前20年我国生态农业的理论和实践作了系统的回顾和总结。此次值《中国生态农业学报》创刊20周年之际,就我国生态农业的有关问题再度进行讨论,将对我国农业和农村的发展产生积极影响。生态农业是建立在生态学、特别是农业生态学之上的实践活动。然而,生态学自林德曼开创系统生态学的研究方法、提出生态系统能量流动定律以来,在理论方面没有特别大的突破。虽然生态学家们很努力,在各自的领域内都不断有新的发现,但生态系统太复杂,涉及的范围太广泛,每个人所研究的对象都是“破碎”的生态系统。受专业领域的限制,要跨越多个研究领域,提出具有普适性意义的生态学规律,确实是一件难事。以农业领域为例,在大农业背景下,可以分为传统农业、林业、水产业、畜牧业等。在各个行业内,又有进一步的“分室隔离”。如传统农业,又可以分为农学、园艺、植保、土壤、农业气象等专业。这些专业进一步“分化”,以土壤来说,又可以分为土壤物理、土壤化学(植物营养)、土壤水、土地资源等。但对于一个教授或一个具体的研究人员来说,这些专业仍然是一个很大的研究领域,很多人只是在第三、第四级细分的专业下做一些“专业末稍”的工作。这种“专业末稍”类似于一个人的“神经末稍”,虽然是神经系统不可分隔的组成部分,但与“中枢神经系统”相距遥远。而重大的理论创新,只能产生在“中枢神经系统”内。当今世界,我们面临诸多挑战。这些挑战都是整体性的。全球性的人口、粮食、能源与环境危机互为因果,正在形成一个越来越危险的恶性循环。在这一背景之下,农业领域所面临的问题都是综合性问题。如农产品价格、农产品质量安全、农田基本建设(土地整理、水利、道路、机械等)、农业污染与环境恶化、技术灾害与气象灾害等等,这些问题都不是某一个领域的专家利用其本领域的“一技之长”就能够解决的。这就要求“生态农业”领域内的科技工作者首先要有跨过专业界限、打破“技术隔离”的勇气,要站在一个比过去更高的起点上,拓宽视野,以新的、长远的、深邃的、全面的眼光来看待我们今天所面临的诸多困难,然后再在这个基础之上思考未来的发展方向。我就是怀揣这样的理想,在这里“现身说法”谈谈我的一些看法,供大家参考和讨论。1生物地球化学大循环的过程生态学,简单地说,就是研究生物与环境之间相互关系的科学。如果我们以整体的眼光来看事物就会发现,生物与生物之间,有着或强或弱的相互作用。这种相互作用把所有生物连结成了一个整体。环境各要素之间也有着强烈的相互作用,连结成一个“环境”的整体。“生物”这个整体与“环境”这个整体再相互作用,其作用过程所呈现出来的规律就是生态学。从概念上来说,我们对这个过程很“清楚”,这便是生物地球化学大循环的过程。可是,我们在实际工作中,又有多少人是带着这种视野来研究的?绝大多数人都认为生物地球化学过程太长了,太复杂了,不知道从何下手,不知道如何把自己的研究与这个大循环结合起来,因为找不到切入点。即使找到了切入点,也不清楚自己能否得出一点有意义的结论。我很能理解这其中的实际困难和所面临的巨大风险(失败的风险)。20多年前,我做博士论文的时候开始思考这个问题,直至今天仍在思考。1.1人云皆见,不思其人传统农业科学对农业(主要是种植业)环境要素(土壤,水分,气象)的研究时间很长,对各要素的了解比较清楚。但是,由于这个领域研究的历史很长,研究人员众多,分支学科越分越多,越分越细,最后导致研究人员之间的“技术隔离”。研究土壤物理的人不懂土壤养分,研究土壤养分的人不懂土壤水,研究土壤水的人不懂农业气象,研究农业气象的人又不懂农学。每个人都固守在自己的专业领域里而不能自拔。对农业环境领域出现的新问题,要么视而不见,要么人云亦云。例如,山东温室土壤中土传病害的爆发与土壤环境的变化是否有关?土壤的物理性状与化学性状是如何相互作用的?土壤类型如何影响土壤养分的累积和变化?农田土壤的酸化,果真是施用氮肥造成的吗?土壤中磷的积累与酸化有没有关系?土壤中施用的有机肥和化肥之间是否发生了我们所不了解的作用?我国东北黑土的有机碳含量为什么会下降?农田土壤碳的长期变化趋势将会怎样?这些问题早就出现在我们的视野中,可我们却没有给予重视并深入思考。对农业环境的研究为什么会迷失方向?我认为最主要的原因是“固守传统”,忘记了当初是为了什么目标来研究“环境”。我们恰恰把“生物”忘记了!因此,这个领域的研究面临着两个新的挑战:第一,要综合研究,要把各环境要素作为一个整体来研究,不能把水、土、气分得那么清楚,不能满足于守在各自的小圈子里自我陶醉;第二,要跨界,要把“生物”纳入视野,不能再沿着以前的研究思路走下去。1.2关于“生物”的整体对于“生物整体”,已有理论的薄弱环节是对生物与生物之间的关系研究得不够。而要研究这种关系,首先要了解生物多样性。1.2.1健全作物品种在农业生态系统内,我们对农业生物多样性的了解是非常片面的。根据2008年在波恩召开的生物多样性公约第九次缔约国大会决议,农业生物多样性至少应该包括如下几个方面:(1)植物多样性(作物、蔬菜、牧草等);(2)畜禽多样性;(3)传花授粉昆虫多样性;(4)天敌生物多样性;(5)土壤生物多样性。在了解农业生物多样性的基础上,我们要适时调整指导思想与原则,来开发与利用农业生物资源。以农作物育种为例,以往我们总是把高产这一性状作为第一选育原则,而对作物的抗逆性重视不够。高产作物品种的选育,其假定的前提条件是:水分和肥料等资源是无限量供应的。然而,事实是,水分的供应是有限的,特别在中国广大的北方地区,农业灌溉用水的限制将越来越严重。肥料的滥用造成很大的污染问题,而且肥料的利用效率越来越低。因此,未来的农业耕作措施会大大减少肥料的投入,水分的投入也会因水资源的有限而受到制约。那么,我们对农作物品种的选育原则就要作方向性的调整,将作物的抗逆性放在第一位,把产量放在第二位。需要大水大肥的作物高产品种在将来会因为资源与环境的制约而失去优势。所有的高产品种将来是否可持续利用,都要打上一个问号。保护、挖掘本地品种,保护本地品种原生境等事项都将提到一个优先位置。同样,其他植物遗传资源,如蔬菜、果树、茶叶、牧草,以及畜禽动物遗传资源,在育种过程中不能只考虑生产性能(如产量、品质),还要同时考虑能量利用效率和抗逆性。1.2.2农田水平和生态空间农业生物多样性极其丰富,由于我们对这种多样性认识不足,对农业生物之间所形成的食物网更是所知甚少。这涉及很多基础性的理论工作。近二、三十年来,由于强调应用基础理论研究,生物学传统的系统分类工作极为薄弱,很多领域都存在着人才断档的危险。这一现实应该引起我们的警觉,并花大力气“亡羊补牢”,尽快补好相关基础学科中的“短板”。农业生物多样性之间的关系如图1所示。在这五大类生物中间,植物遗传资源生物多样性是关键。以它为核心,将食物网的主干从土壤生物多样性-植物资源多样性扩展到畜禽动物遗传资源多样性。天敌生物多样性和传花授粉生物多样性是植物多样性的“两翼”,它们在景观水平对植物多样性产生影响。图1所示是一个简化的食物网。该食物网内各生物之间的关系可以粗略分为如下4个层次:(1)种群水平。这是植物“内部”成员之间的关系。如果从严格的生态学定义出发,植物之间尚不构成“食物网”的关系,各物种是一种平行关系,不存在捕食与被捕食的关系。但是,它们有可能存在“相生或相克”的化感关系,有可能对养分、光照、水分等生产要素形成竞争关系或互补关系。该层次的影响因素是种植制度(如轮作、套作)和作物品种选择。相对来说,这个层次的科学问题研究得比较多,这是农业生态学里面最“古老”的部分。(2)农田水平。在农田里,主要的食物网关系是土壤生物与植物(作物)的关系。在这一层关系里,土壤生物是植物的支撑体系,给植物提供养分和生长所需要的环境条件。对于这种食物网关系,当前的基础研究极为薄弱,最主要的原因是对土壤生物的研究不够,尤其是对土壤生物的整体性研究得不够。土壤生物极为丰富,本身就可以形成一个丰富的碎屑食物网,食物链长度可以达到5级,这是林德曼定律所允许达到的最大长度。而当前对土壤生物的研究常常集中在有限的几个土壤细菌和真菌属上,缺乏对土壤微生物整体的了解,缺乏对土壤微生物中各类群(如细菌、真菌、放线菌)之间关系的了解,更缺乏对各类土壤微生物与它们的捕食者(即各类土壤动物)之间相互关系的了解。长期以来,土壤生态系统一直以“黑箱”的状态存在,影响了我们对生物地球化学大循环关键环节的观察和理解。(3)景观水平。在这一层次,主要包括天敌生物和传花授粉生物与植物生物多样性的关系。当然,这种关系也可以在农田水平发生,但天敌生物和传花授粉生物的栖息地常常在农田以外,为了描述方便,我们根据天敌生物和授粉昆虫最大的活动半径来定义它们与植物相互作用的层次。土壤也有可能是天敌生物和授粉生物的短暂栖息地,但土壤生物与天敌生物和授粉昆虫之间是否有相互作用的关系,目前尚不清楚。影响天敌生物多样性和授粉昆虫多样性的主要因素是土地利用类型和农业景观设计。目前对土壤利用的研究比较多,对农业景观的研究也不少,但对这一层次的食物网研究则远远不够,距解释现象与预测未来的水平还很遥远。(4)区域水平。农业区域内的主干食物链,是第一性生产力与第二性生产力之间的相互关系。从狭义的角度来说,这条食物链是种植业和养殖业之间的匹配。从广义的角度说,第一性生产力不仅包括种植业,还包括草场建设与管理,所以仅仅说种植业是不够的。关于第一性生产力与第二性生产力之间的相互关系,不论是在基础生态学领域还是在专门的农业生态学领域,都研究得比较多,积累了较为丰富的经验。但是,环境污染和技术灾害将会通过影响土壤生物多样性来改变现有的种植业结构,从而引起畜牧业结构的改变,并导致其他第一性生产方式的变化。因此,对这一层次的研究,要用新方法来应对新问题。1.3土壤生物多样性与农业生态学“生物-环境”作为一个整体,其实就是一个最大的生态系统。这个生态系统内,包括着大大小小的、不同层次、不同组成的生态系统。很多研究某个生态系统的人其实没有整体观,他们总是满足于研究大生态系统(即生物-环境这个整体)中的某一个组成部分,而不是关注这个“组分”与其他“组分”及其外界条件的相互关系。未来的生态学家应该在研究中强化整体概念。生态学研究的核心是关系,而不是组成成分的结构。至少,组分的结构不是研究的目标,只是研究“关系”所必经的途径,是一个手段而已。手段不是目标,这一点,我希望所有未来的生态学家都牢记于心。在农业生态系统中,我们要研究的核心关系是什么?Giller等在讨论土壤生物多样性研究框架时指出,有两个核心关系需要了解清楚。其一,农业集约化对土壤生物多样性的影响;其二,土壤生物多样性对农业生态系统功能的影响。将这两个核心关系扩展到整个农业生态系统内,仍然是适用的。在此,借用Giller等的概念,呼吁农业生态学家们将来集中力量研究:(1)农业集约化对农业生态系统结构(农业生物多样性与农业环境)的影响;(2)农业生态系统结构变化对生态系统功能的影响。为了研究“农业集约化-土壤生物多样性-土壤生态系统功能”之间的相互关系,Giller等提出了一个全球假说来指导土壤生态学领域的研究。从逻辑上来说,这个理论框架是完美的。我第一次接触到这个框架时,几乎被它吓住了,但同时也被它迷住了。它是如此复杂难懂。今天,我非常感激这个理论框架,它像一位最严厉的导师,指导了我十多年来对土壤生态学的研究。希望同行们在充分讨论的基础之上,也能提出一个类似的理论构架来指导未来的农业生态学研究。生态系统外部的约束条件与生态系统内部结构和功能的关系,是非常复杂的。也许,我们应该借用“模式生态系统”的概念。在生物学研究中,有很多模式生物(modelorganism),如模式植物拟南芥(Arabidopsisthaliana),模式动物小白鼠(Musmusculus),模式微生物大肠杆菌(Escherich.coli)。在我看来,土壤生态系统有可能成为一个有类似功能的“模式生态系统”(modelecosystem)。正如一个细胞中的DNA包含了整个生物体(及其进化过程)的信息,一个食物网也能浓缩整个生态系统的信息。要全面认识生态系统的规律,最简单、直接的办法,就是从食物网入手。大型的生态系统,如森林生态系统、草原生态系统、海洋生态系统,因其生物个体大而不容易获得一个完整食物网的个体数。土壤食物网,是所有自然生态系统中最容易获得的食物网。只要有1kg的土壤就够了!这是由土壤生物运动的局限性所决定的。正是它们的这种局限性,将成全我们研究食物网的梦想。1.4国际农业保险的职业技术与专业能力自马世骏、王如松于1984年提出生态-经济-社会复合系统的概念以来,生态学家和经济学家对这个复合系统进行了很多探索性的研究。但近20年来,这方面的研究似乎难以深入下去而逐渐势微。农业生态系统是一个人工管理的生态系统。既然有人工管理,就不能忽略经济和社会的因素。作为学术研究,我们既要面向生产实际,又要有理论创新。通过理论研究阐述或模拟这个复合系统中生态、经济、社会各因素之间的相互作用关系,从而指导生态农业实践。如上所述,生态系统本身已经是一个很复杂的系统,再在这个系统之外加上经济和社会的因素,复杂程度就会呈几何级数增长。因此,我们要有化繁为简的能力,要有从复杂事物中抽丝剥茧的能力,而这种能力首先基于我们对事物运动规律全面而深刻的了解与认识。我主张生态学家们要持续关注农业生态系统中的经济学与社会学问题,同时呼吁经济学家与社会学家积极与生态学家们合作,共同研究与应对农业领域的综合性问题和全局性问题。在研究过程中,视角的把握,切入点的选取至关重要。只有找好切入点,才能起到事半功倍的效果。2生态农业的实践活动生态农业是以生态学,特别是农业生态学为理论基础的一种生产实践。随着农业生态学在理论和方法上的发展和突破,生态农业的实践活动也会出现相应的改变。我个人认为,中国未来的生态农业要遵循生态学原理,理清“生物”、“环境”和“生物-环境”这3个模块内部的关系,然后再理顺这3个模块之间的相互关系以及需要优先解决的问题(图2)。2.1对土壤质量进行普查土壤是农业环境中最基础的部分。农业集约化对农业生态系统的破坏作用,首先作用于土壤。可是,由于土壤巨大的缓冲作用,这种破坏力被人们认识得最晚。当我们终于认识到这一点时,有些损失可能已经无法挽回。因此,对于农业环境,我们要做的第一件事是对土壤质量进行普查。土壤质量包括土壤物质性状、土壤化学性状和土壤生物学特性。以往的全国土壤普查,主要是对土壤物理化学性状的普查,而没有涉及土壤生物。事实上,土壤生物是土壤质量中最关键、最有活力的部分,也是预测土壤质量未来变化趋势最有说服力的指标。过去,由于土壤生物多样性的研究是一个薄弱环节,在研究土壤质量时,找不到简单实用的土壤生物指标。在将来的土壤普查中,这个问题可望解决。在土壤普查的基础上,我们要对土地利用类型重新进行规划,根据这个规划来指导农田基本建设(土地整理、水利、道路、机械等)和草场建设。2.2调整并完善东南角土地的林业结构由于土壤这一基本环境的破坏,农业生物的格局需要做出相应的调整,首先应该对种植业结构进行调整。种植业结构的调整要与农田基本建设结合起来考虑。原则上,土地平整以后,只能严格限定于种植粮食作物。林果类(包括园林绿化用的树苗)只宜种在坡地或“退耕还林”后的土地。2.2.1玉米产业扶贫可行性限于篇幅,本文在此只涉及粮食作物的结构调整。这是个“牵一发而动全身”的关键问题,需要仔细谋划和周全的论证。调整的原则是,在保障口粮供应的前提下尽量减少饲料作物的种植,以期减少化肥投入对土壤质量的破坏作用。我们要论证如下几个设想是否可行:(1)禁用玉米作为生物质能源;(2)在东北地区,不再种植玉米,只种水稻、小麦和大豆;(3)华北平原的玉米种植面积减少一半;(4)在我国各主要产粮区,大量种植耐干旱耐贫瘠的抗逆品种,实施多种作物品种轮作、套作,特别鼓励苜蓿、大豆与小麦轮作或套作,鼓励紫云英等绿肥作物与水稻轮作。需要指出的是,即使这几个问题有了答案,也不等于种植业结构调整的大任务已经完成。这几个简单的问题远不能代表种植业结构调整的复杂性。种植业结构的调整过程将牵涉到一系列农学的基本问题,如品种繁育、耕作制度、农田管理、植物保护、土地和水资源、土壤养分、农业气象等。现有的种植业结构是在长期农业生产实践中形成的,要调整这个结构,将是一个非常艰巨的任务。2.2.2草场环境的变化随着种植业结构中玉米等饲料作物的减少,畜牧业结构也要作相应的调整,即减少猪、鸡这些需要精饲料的动物养殖量,增加牛、羊等大型草食动物的存栏量。畜牧业结构的这种变化反馈到“农业环境”模块,影响并指导草场建设(见图2)。我国有大面积的温带草原。过去由于过度放牧,这些草场的生产力受到很大破坏。近年来随着轮牧、禁牧措施的实施,这些草场的质量有所改善。今后,除了建设、管理好温带草场以外,对我国亚热带山地草场的建设也要予以考虑,那是可以开发的潜在资源,可以建设成镶嵌在农区里的牧场。2.2.3可调控的空间多这个问题需要仔细地总体框算。(1)在国家层面,要以粮食安全的风险控制为目标,考虑总的粮食需求量、自供给量与可进口量、饲料粮需求量与可进口量,对这些数据的动态变化进行模拟和预测。要回答的问题是:可调控的空间有多大?(2)在区域层面,重点强调各区域的生态功能定位。不同区域的主体功能不同(如大城市所辐射的经济中心区、粮食主产区、生态保护区等)。种植业与畜牧业结构的调整与匹配,要服从区域的功能定位。(3)在地区(县市级)层面,主要考虑自产供给量、输入量、输出量与当地人口密度、经济社会发展水平相适应。2.3农业耕作管理措施对生态风险的控制农业生物与环境构成了我们管理农业生产的主体对象,管理目标有两个,其一是保障粮食供应,其二是保障农产品质量的安全。要达到这两个目标,我们首先要了解这个系统所存在的生态风险。土壤磷的累积将通过改变土壤生物多样性,来改变土壤碳组分及含量。由于水土流失,土壤磷将随地表水进入江河湖海。这个生物地球化学循环过程将给土壤生态系统、淡水生态系统和海洋生态系统带来深刻而持久的影响。它不仅会影响农业的第一性生产力,还会影响淡水和海洋的渔业生产力,并增加陆地生态系统的温室气体排放,加剧气候变化的速度。由此可见,农业耕作管理措施所带来的生态风险是巨大的。在对生态风险进行系统评估的基础上,我们才能考虑污染与技术灾害的控制,以及生态修复的可行性(图2)。例如,污染与技术灾害控制的重点是什么?如何破解粮食安全与生态安全难以两全的难题?如何在两相其害中取其轻?如何找到替代的办法?在生态修复方面,我们将面临的困难更大。在我国东北地区,黑土层厚达30~100cm,我们可以通过工程修复的办法来更换耕作土壤,但在华北平原,特别是在黄淮海地区,耕作土层薄,就不能用更换土层的方法。怎么办?这是我们将来要面对的问题。2.4生态风险评估图2列出的各项内容,是经过提炼和抽象的问题。即使这样,问题仍然很多,我们从何下手?我认为,在近期内,我们可以分3步走。第一步,进行土壤质量普查;第二步,进行生态风险评估;第三步,对种植业结构进行调整。这3个步骤,分别是“环境”、“生物-环境”和“生物”3个模块中的第1个问题。这是一个常规生态学研究的逆向过程。当研究的步骤从一个模块转入另一个模块时,也可以同时启动模块内相关问题的研究。这个优先次序是否合理,供大家讨论,更需要在实践中检验。3生态农业经济与社会学表1简单列出了农业生态-经济-社会复合系统的输入与输出。根据这种输入成本与输出产品及服务的关系,我在此提出如下几个极待研究的问题。3.1农产品价格与经济发展水平的关系研究目标是找到农产品价格的平衡点,即农产品经济成本与市场收益(利润)之间的平衡区间。要达到这个目标,可以将问题分解为如下几个内容:(1)我国农产品价格未来的走向;(2)与日本、美国、欧州等国家或地区进行对比研究,比较这些国家或地区不同经济发展时期的农产品价格,从而找出农产品价格与经济发展水平或同步变化、或超前和滞后变化的规律及其影响因素;(3)国民收入的动态预测,及农产品价格与国民收入之比的动态变化;(4)政府投入或补贴空间。农产品价格对居民消费指数的影响举足轻重。在这个问题上,我们既不能走日本路线,也不能走美国路线。日本的农产品价格太高了,这个价格,是依靠日本的出口型经济来维持的。这种出口型经济以日本工业产品的上乘质量作为保障。中国是一个人口大国,我们不可能依靠出口经济来维持这样高的农产品价格。而与美国相比,我国的土地资源、气候条件和政府对农业的补贴能力都不如美国。对农业的过度补贴,会造成对生物和环境资源的过度利用,引起食物浪费以及肥胖人口的大量增加,从而加重医疗费用的支出。农产品价格的形成机制是一个极其重要的问题,对此要有不同的情景预测:(1)农产品价格完全由市场调节;(2)市场调节为主,政府补贴为辅;(3)政府投入(或补贴)的不同形式所产生的不同效果。3.2农业、农田、基础设施等对农产品价格的影响农田基本建设包括土地整理、水利设施建设、农田道路及通信设施建设等。我国农田基本建设的任务艰巨。特别是在我国南方地区,大面积的农田在山区和丘陵地带。由于我国基本农田的面积有限,这些农田不可能改为其他用途。很多山区和丘陵地带的农田,每块面积只有200~800m2,要将这些小面积的农田改为适用于机械化耕作的农田,才能提高农业的生产规模,降低生产成本。这种改造需要有大量的人力和物质投入。然而,这种投入是值得的。将来,随着国家经济水平的提高,国民收入增加,农产品价格也会提高。但农产品价格是一个太敏感的指标。价格太高,城市居民不能承受,价格太低,农民生产没有积极性。根据世界贸易组织的有关规则,政府不能直接补贴农产品,因为这种直接补贴的方式会干扰市场经济。所以,政府能做的事,是通过投资农田基本建设来提高农业产量,降低生产成本,从而降低农产品价格。然而,这个投入规模到底有多大?什么样的投入方式是合理的?中央、地方政府和农户如何分担建设成本?土地整理后,农田承包方式是否要作相应的改变?农田水利和道路等基础设施的维护费用从哪里来?这些都需要预先研究。农业生产资料包括种子、种畜、肥料、农药、兽药、农膜、机械、燃料及设施材料等。这些生产资料的价格也会直接影响到农业生产成本和农产品价格。将来,农资生产行业的内部结构和规模会出现什么样的变化?育种业和农业机械生产会不会扩大?农药和化肥生产规模会不会缩小?农用燃料需求量会有多大?如果我们对这些问题都有全方位的研究并能够找到答案,那么,对农产品价格形成机制的研究难题就有望破解。3.3生态修复与灾害控制灾害控制与生态修复的经济成本会有多大?这似乎是一个难以回答的问题。首先,我们目前尚不知灾害程度;其次,我们也不知道生态修复的底线和上限是什么,即哪些是必须修复的,哪些是可以不修复的。修复与不修复在一定程度上取决于生态风险的评估结果和种植业结构的调整计划。生态修复可以与农田基本建设结合起来实施,起到事半功倍的效果。这对中国来说,是不幸之中的“万幸”。在农田基本建设已经完成的国家,生态修复