综述与评论/中国设施种植土壤可持续利用的难点与应对策略

学术   2024-12-20 07:51   广东  

作者:董金龙,徐烨红,全智,尹义蕾,赵云云,徐乔,田康,黄斌,蔡祖聪,马艳,段增强

单位:土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所);江苏省农业科学院农业资源与环境研究所;中国科学院沈阳应用生态研究所;潍坊现代农业与生态环境研究院;农业农村部规划设计研究院;扬州大学环境科学与工程学院;南京师范大学地理科学学院

卷期:《土壤学报》2024年61卷第6期 

 

截至2021年,我国设施播种面积约为267hm2,占全球设施总面积的80%以上。我国设施种植大多采用中低档设施的土壤栽培模式,具有高投入、高产出和高强度利用的特点。但长期设施种植导致土壤质量下降,诱发面源污染加剧、温室气体排放增加、农产品产量和质量下降等诸多问题。本文分析总结了中国设施土壤可持续利用的难点,主要表现为:土壤养分失衡、环境质量下降、农产品产量和质量降低、设施农用地管理制度不健全等。其诱因主要归结为:装备水平落后导致设施微环境和土壤养分供应调控不精准、施肥不合理和作物种类单一等诱发土壤连作障碍,设施生产管理不规范导致土壤管理技术集成创新缓慢等。本文围绕设施土壤可持续利用提出了7项应对策略,旨在为小农中低端装备条件下设施土壤可持续利用提供研究思路和科学依据。

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中国设施种植业发展现状与趋势

目前,我国设施种植业生产了全国30%以上的蔬菜和诸多水果、花卉等高经济价值农产品。据估计,当前设施种植业总产值超过1.4万亿元,直接带动约700万小农种植户就业,间接提供相关产业就业岗位超7 000万个,成为提高农民收入、助力乡村振兴、维护社会公平和国家稳定的重要支柱产业。而我国设施种植以中小规模生产为主,以家庭农场经营、中低端设施装备、土壤栽培、投资成本和风险低、利润率高为主要特征。鉴于我国农业劳动力比较优势明显和小农生产国情,可以预见未来20年我国设施种植大概率仍将主要依赖小农中低端装备的土壤栽培模式。

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设施土壤可持续利用难点

(1)过量施肥降低设施土壤质量并威胁生态环境

设施土壤肥力要求远高于露地作物土壤(表1),且高养分浓度不仅未持续提高作物产量,反而导致土壤质量退化,产生环境污染问题。
1 设施土壤、菜地土壤、粮田土壤肥力丰缺临界值
Table1  The critical values of the fertility parameters of plastic greenhouse soils,vegetable soils and soils mainly for grain cultivation

(2)设施土壤污染物累积与农产品安全风险升高

重金属超标和大量有机污染物聚集于耕层土壤,改变土壤微生物群落组成,污染地下水、地表水,污染物可能迁移至农产品直接危害人体健康。

(3)设施农用地管理制度无法满足土壤质量提升要求

我国设施种植配套产业用地不足,土地高频流转导致耕地经营权不稳定,种植户过度开发利用耕地,没有长期维持土壤质量的动力。 

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设施土壤可持续利用难度大的原因

(1)设施装备水平落后导致设施环境和土壤养分难以精准调控

我国当前绝大部分设施为简易塑料钢架大棚和日光温室,缺少补光、加温、除湿和CO2补充设备,无法按照某一园艺作物的生长需求实现设施环境的精准调控(表2)。

(2)设施土壤施肥不合理和作物种类单一导致土壤连作障碍

施肥管理的不合理包括肥料设计不合理、肥料伴随成分管控不合理和施肥技术不合理三类;单一或较少种类作物的集约化种植引发连作障碍,进一步误导种植户陷入“肥料持续投入—土壤质量不断下降”的恶性循环。

2 设施蔬菜与粮食作物(小麦)种植对环境条件、土壤养分丰缺临界值的要求差异对比

Table2  The comparisons of the nutrient concentration and critical value between the plastic greenhouse soils and open-field grain soils

(3)设施农用地管理制度革新动力不足导致土壤管理技术集成创新缓慢

目前我国耕地生产仍以确保粮食安全为核心目标,对设施农用地管理制度革新缺乏动力;且小农户规模小等自身局限很难促进设施土壤管理技术集成创新和产业长期稳定发展。

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设施土壤可持续利用的关键策略

针对设施土壤可持续利用难点及其根源,本文从设施土壤利用技术创新和设施农用地管理制度革新两个角度,聚焦设施建设时土壤耕作层构建、设施休闲期土壤改良、设施环境调控、投入品管控、作物轮作模式、作物抗逆调控和种植制度管理,提出了7项设施土壤可持续利用的关键应对策略,见图1    

设施土壤可持续利用策略与传统设施土壤管理策略对比

Fig. 1  The comparisons of the strategies between sustainable soil management and traditional soil management in plastic greenhouse horticulture production(Icons were from IAN/UMCES Symbol and Image Libraries)

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展望

未来,亟需从“大食物观”视角,优化设施农用地经营权管理,构建以设施种植为核心的粮食种植-设施种植-设施养殖-农业废弃物循环处理空间布局设计和技术研发,加强政策、资金扶持,培育新型农业经营主体,提高种植户扩大再生产积极性,推进设施园区建设时土壤耕作层构建和休闲期土壤健康维护,创新气候资源利用技术和温室建造技术,加强投入品有害物质限量管控,开发高效作物轮作和抗逆调控手段,多措并举、节本增效,综合实现设施土壤可持续利用目标。    



中国科学院院士朱永官带领一群“土壤高级玩家”,一同创作出了本部集科学性、趣味性和前瞻性于一体的科普著作——《鲜活的土壤》,以科研者的视角和深入浅出的笔触,向大众讲述了土壤的本质、功能、土壤污染问题以及由此带来的粮食安全问题等人们关心和感兴趣的话题。

书中不仅涵盖了土壤的形成、分类、功能等基础内容,还深入探讨了土壤与生态环境、人类健康、文明演变进程等方面的紧密联系。用丰富的科研数据与成果揭示了土壤作为农业生产之基、生态系统之本的不可替代作用,更强调了在当前全球环境变化与资源约束加剧的背景下,科学合理地利用土地资源,对于维护国家粮食安全、促进生态平衡、实现经济社会可持续发展乃至推动人与自然和谐共生的战略价值。


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《土壤盐渍化的诊断、评估、减缓与适应技术指南》由联合国粮农组织 / 国际原子能机构粮食和农业核技术联合中心水土管理和作物营养科专家穆罕默德·扎曼、李恒所著。著者长期致力于改善土壤、水资源与肥料管理的生产实践,为促进国际社会农业积极适应气候变化做出了贡献。



该书回顾了全球土壤盐渍化的历史和治理成败经验,旨在制定盐度和钠化度的评估技术规程,完善盐渍化土壤的缓解和适应措施,创新和推进核技术和同位素技术等的应用,为可持续地利用盐碱地提供可行性方案。该书具有先进性、指导性和实用性,能够切实解决生物盐碱农业所遇到的实际问题。该书可为进行景观和农田土壤盐渍化评估和诊断,利用核技术和同位素技术制定边际土壤可持续利用战略的技术研究人员、一线管理人员提供参考和借鉴。


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Rainer Horn 博士,德国基尔大学教授,世界著名土壤物理学家。现任中-欧土地和土壤合作专家组委员,曾任世界土壤联合会(IUSS)主席,IUSS土壤物理委员会、土壤技术委员会以及第三工作组主席、土壤耕作研究组织主席、德国土壤学会主席等土壤学术组织重要职位。Horn教授在不饱和土壤力学理论创新和应用、土壤物理多尺度过程、土壤力学与水力学、物理化学和生物学等多学科交叉研究等方面取得巨大成就,并成功应用于指导固废处理、地质工程安全以及电缆地下埋藏等社会经济多方面。发表100余篇期刊论文,数十部土壤学专著以及数百篇技术报告,荣获美国土壤学会、美国农学会会士,罗马尼亚、波兰、德国土壤学会以及国际土壤耕作研究组织等学术团体先后授予Horn教授荣誉会员称号。


该书由赵英博士和张斌博士组织,邀请了诸多从事土壤物理研究的中青年工作者共同翻译。他们花费很大精力把该教材引进国内,可使更多的科研人员系统了解土壤物理学,对推动我国土壤物理学的发展意义重大。


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