学术前沿：论生态农业的边界、科学原理与应用技术（连载之三）

蒋高明

第六，全面提高水分与养分利用效益，节约资源，不产生浪费。由于生态农业尊重植物生长规律，因地制宜，根据农业的气候特点安排种植和养殖。与自然规律相一致，遵守24节气的农时，其水分、养分利用效率高，加上饲养动物排泄的粪尿，乡村餐余和作物秸秆都能够利用，增加了资源利用效率。所有这一切要实现，必须有人气，人在其中起到非常大的作用[9]。

第七，生态农业是耕地固碳型的，由碳排放逆转为碳吸收。目前的农业模式是排放温室气体的，高达44%-57%的温室气体来自现代农业及其相关的工业活动。用有机肥替代化肥可显著减少温带农田温室气体排放量[9]。我们的长期研究发现，现代农业模式下，普通农田净释放温室气体，为2.7 CO2当量 ha-1yr-1，而生态农业净吸收温室气体，达8.8 CO2当量 ha-1yr-1，两者相加为11.5t CO2当量 ha-1yr-1[11]。这就是说，减少化肥使用，增加耕地有机质，可将温室气体埋藏到地下，这个功能是生态农业的副产物。

第八，发展生态农业可全面带动农民就业。由于优质优价，加上生态环境优美，对城市人群有很强的吸引力。农业要素容易变成商业要素，从养殖到种植，从收获到加工，从加工到销售，从餐饮到观光旅游，从保健到养生到养老，乡村可以就地城镇化，吸引农二代、大学生二代，乃至城市精英就业。这样的话，遍布全国的400万个乡村如发展生态农业，非常有可能形成新的经济增长点。

5 生态农业的科学原理

5.1 水热耦合原理

农田生态系统由气候、土壤、生物等因子所形成。其中, 气候中的大气温度和降水占主导地位，对其它因子产生重大影响。农田是由改造自然生态系统而来的，不同植被地理背景下农田生产力或产量受水热组合影响最大。自然界中，最高生产力是热带雨林，约45t ha-1 a-1，是在不施肥不打药基础上实现的。热带雨林的水热条件最好，元素循环快。在农田中，光照、CO2都不是限制因子，而水热条件，尤其水热组合，最能反应农田生态状况。我国即使有些农田面临季节性干旱胁迫问题，依然比地中海荒漠区域农田具有十分有利条件。中国草原是雨热同期，而地中海附近、非洲的部分草原，雨热出现的最佳时期是冬夏季分离的[12]。

水利是农业的命脉，在不同气候带上水热组合决定了生态系统生产力。生态农田尽量利用天然降水，适度利用客水或地下水，做到“旱能浇、涝能排”。热即热量，地球上的一切热量来自太阳，热对植物生长发育乃至群落分布有重要的作用。在阳光不缺少的地方，热量尤其与水的耦合对农业增产的作用大于化学肥料。生态农田利用自然界的热量，不搞反季节种植，充分利用我国水热同期优势，因地制宜发展适合的作物。高温的夏季杂草生长也很繁茂，如将杂草作为资源利用起来改良土壤，也是在生态农田利用热量资源的有效途径之一。

5.2 土壤碳氮库增长原理

碳表现在土壤中即有机质。目前我国耕地有机质普遍偏低，平均1%左右。通过有机肥养地，可大幅度提高土壤含碳量。这里的有机肥，指自然界中的所有光合产物及其衍生物，不仅仅是传统理解的人粪尿和动物排泄物。生态农业中的有机肥，以植物源肥料如绿肥、秸秆肥、杂草肥为主，最大限度地利用人与动物肥[4]。我们的研究发现，在暖温带湿润地区，当生态农田有机质提高到5%时，在这样的土壤肥力下，即使空白对照(不施肥)的作物产量，也能超过了吨粮（小麦玉米周年产量）[12]。

氮是植物光合生长必须的元素。自然界可以利用的氮都来自空气，空气中氮气含量78%。生物固氮、雷电固氮、干湿沉降都可以提供氮源。在种植过程中，用以上培育碳库的办法，培育土壤氮库，通过微生物活动固定空气中的氮，并活化土壤中的氮。碳与氮之间的比例约为10：1至12：1之间，当土壤含碳量增加到5%时，即使按照碳氮比10：1，也意味着每亩20厘米耕作层中有1.75吨纯氮，这些氮不会像化肥那样流失。因此，人类离开化肥厂，也能够满足作物需要的氮。由于土壤磷和钾基本不缺少，解决了氮的问题，鳞、钾和其他大量元素与微量元素的问题迎刃而解。基本思路是：每年将籽粒带走的氮双倍还回土壤，使土壤可利用氮不断增加。因此，合理的碳氮比，对生态农田异常重要[12]。

增加土壤碳氮库的办法有很多，除每年添加有机肥外，秸秆还田、种植或施加绿肥、利用杂草肥都是很好的办法。生态农田必须每年添加碳和氮，不能依靠化肥替代。我国农区使用了4000-5000年的农田没有退化，就是有机肥养地的结果。过去动力不足，有机肥来源少，农田产量低。如今，这些问题都已基本解决，通过培育土壤碳氮库增产技术已非常成熟[12]。