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破解有机农业命门:解放土壤生产力

作者:韩农

前言

每年往土壤里“倾倒”近6000万吨化肥和180万吨农药的后果终于显现出来了:严重的面源污染导致河流湖泊水体富营养化、土地大面积板结、土壤微生物多样性下降、土壤酸化加速(20多年来90%的农田土壤pH值呈现加速下降的趋势)。

土壤是农业的基础,植物生长五大要素中的养分和水分主要来自于土壤的供应,土壤条件恶化将严重威胁农作物生产。生态有机农业要承担恢复农业生态环境的重任,首当其冲就必须解决好土壤的问题,包括恢复已经被污染的农田。

走访全国多家生态有机农场,感到大多数的农场还缺乏土壤改良的有效方法,有机肥成为生产种植的唯一依靠。土壤理论知识和有效的应用技术的缺乏经常使他们陷入盲从,有的农场年年大量施用高成本的有机肥来保证产量不下降;有的则比照施用化肥的方式改施有机肥,几年下来土壤依然如故,产量就是上不去;有的专门将土壤撂荒几年期望自然恢复;还有一些更是极端,不施肥,不耕作,完全依赖自然。真正了解土壤和采用有效方法的生态有机农场屈指可数。

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土壤微生物多样性和土壤生产力

土壤生产力是衡量土壤能够为植物提供养分的主要指标,通常用地力表示。窦森在《土壤有机质》一书中指出,地力的涵义是指土壤微生物分解有机质和矿物质,产生可被植物吸收利用的有机养分和矿质元素的能力。

土壤微生物在形成土壤腐殖质中的作用是被广泛认可的,也是决定性的因素,土壤腐殖质是土壤有机质的主体,不仅是土壤养分的主要来源 ,而且对土壤物理 、化学和生物学性质等都有重要影响。

微生物在生态系统中的最大价值在于其分解功能。绝大多数微生物作为异养生物,它们分解着生物圈内存在的动物、植物和微生物的残体以及各种复杂有机物质,吸收某些分解产物,最终将有机物分解成简单的无机物,如CO2、H20、NH4、SO42-和PO43-,这些无机物又可以被初级生产者利用,再次参与物质循环。尽管所有生物都参与生物地球化学循环,但微生物在有机物的矿化中起决定性作用,例如地球上90%以上有机物的矿化均是由细菌和真菌完成的。【1】

土壤食物网中的各种生物通过相互协作, 在生态系统的物质循环和功能维持等过程中起重要作用。这些作用主要包括:

(1)分解有机质和调节养分循环;
(2)改善土壤理化性状;
(3)传播或控制植物疾病;
(4)清除污染物和维持生态系统健康;
(5)调控植物根际食物网而影响植物的生长;
(6)指示和预警生态系统受损状况;
(7)具有食用、医药等方面的经济价值。【2】

土壤微生物多样性影响土壤生态系统的结构 、功能及过程,种群丰富的土壤微生物可能产生数百上千种酶,在分解有机质和矿化反应,以及响应地上植物方面起到十分关键的作用。

提高土壤微生物生物总量不单单是数量上的增加,而是种群数量、种属构成和活性的总体性提高,简言之,就是要提高土壤微生物的多样性。

所以狭义上,可以将土壤生产力归结为土壤微生物生物量和土壤酶活性两个关键要素。(土壤原生和后生动物也是土壤生产力的组成部分,本文暂不予讨论)

理解土壤生产力的主要构成有着重要的理论指导意义,给有机农业的土壤改良指出了治本的方向。

传统观念和新的理念

我们的祖先发现了“地可使肥,又可使棘”的现象,于是“粪田法”便应运而生。时至今日,几乎所有的生态有机农场都延续这种做法。

使用堆肥等方法制作腐熟的有机肥,施用到农田中,可以直接给作物提供养分,属于提高土壤肥力的做法,对于提高土壤地力贡献很小。

古代的人们有了对现象的发现和总结,限于科学认知的局限,不可能了解地力的本质,但是到了21世纪,我们的有机农场为何还是沿用这一古老的做法呢?

原因之一,多年来农业生产重视作物需求营养的数量,片面强调外部补给,忽视了地力才是持久产生这些养分的条件和能力,以至于大多数农业生产者只知肥力不知地力,只知补充不知如何自产。地力强调土壤具有分解有机质和矿化反应而产生养分的能力,而肥力则更多地强调给植物提供养分的数量。

原因之二,认为未经腐熟的畜禽粪便含有有害菌和虫卵,不经腐熟分解可能会引发各种病虫害。

原因之三,是担心未经腐熟的有机质在农田中分解的过程中集中释放大量元素,造成烧苗现象,或使作物徒长。

这些原因不无道理,但是是否成因与作业的方法和技术有关,关键还是在于观念上的更新和采用更科学的办法。

使用生肥在地转化是提高土壤地力的措施之一。

首先,将给农作物提供养分的观念转变为给土壤微生物提供养分,这就意味着不再使用腐熟的有机肥(腐熟的有机肥已经完成了有机质的利用和矿化反应,对于土壤微生物而言,其养分的再利用效率远低于生肥,而且堆肥所产生的菌系属于外来微生物,与土壤土著微生物还存在竞争营养关系,不利于土壤土著微生物种群的繁殖)。

尽管目前只能从土壤中分离培养不到5%的土壤微生物,但是不外乎细菌、放线菌、酵母菌、真菌和藻类五大类型,对于这些微生物需要的必需营养我们是了解的,只要针对性地施入相应的营养原料,土壤微生物这个大家族自然会充分利用这些营养物质繁殖壮大。我们知道,健康的有机土壤中细菌数量大约是109个,酵母菌是107个,放线菌是106个,真菌是105个,藻类是103个,其余是原生动物,因此施入土壤的有机营养应当以细菌需求为主。

第二,生肥的来源应当是来自有机养殖产生的畜禽粪便,常规养殖场的畜禽粪便可能带有较多的抗生素和重金属残留。即便如此,单独将生肥直接入地也不是科学的做法。为了避免带入的有害菌和虫卵产生危害,就要保证土壤微生物(细菌为主)有足够的起始数量(相当于微生物扩培的接种量),确保在地转化的过程中,形成有利于土壤细菌的繁殖条件而不利于有害菌(霉菌),使土壤细菌区系成为优势,这样就能够抑制或杀灭带入的有害菌,至于虫卵则在不利于其生存和孵化的环境(含水率70%)以及在微生物侵染和土壤微生物分泌的酶的联合作用下被控制。

第三,在地转化必须配合不同于传统的耕作方式,在地转化的过程根据改良前土壤的初始状态和地理气候情况,需要20-40天的时间完成生化和矿化反应。

大部分的土壤微生物属于化能有机异养型微生物,一般来说,它们始终是处于“饥饿状态”,在改良土壤时施入的快速营养被分解利用后,部分细菌进入对数生长期,受到限制(限氮限碳等)后,会额外产生一些分解酶,进一步分解那些较难分解利用的有机质(例如木质素、纤维素等),新形成的能源有可能被不同细菌所利用,有些细菌能够进一步利用其它菌代谢产生的有机酸/多糖/有机醇作为能源,还有些细菌能适应偏高或偏低的无机盐组分比例,从而在互利互生互抑作用下,此消彼长,达到相对稳定。此后,土壤微生物又会在高阶的数量水平上再次进入“饥饿状态”。至于那些被抑制或限制的细菌,则以厚垣孢子或芽孢的形式保存自己的“有生力量”,有的则干脆进入“休眠”,等待有利的条件来临时,又可以重新爆发生机。

若以为作物提供养分为目标,应使用腐熟的有机肥,若以地力为目标,则有条件地使用生肥。

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免耕法与土壤生产力的关系

实施以提高土壤地力的为主的措施,必然要求耕作方式也做出相应的改变。免耕(完全免耕或者浅旋耕)法有利于土壤有机碳和有机氮的积累, 免耕土壤中细菌和真菌的生物量均较高,是保持土壤地力的必选方法。

研究对比发现, 长期免耕表层土的微生物生物量碳最高, 少耕其次, 传统耕作最少。在免耕条件下, 微生物量比传统耕作增加 32%【3】

免耕土壤养分含量的增加为土壤微生物维持生命活动提供了充足的营养,为土壤微生物提供了良好的滋生环境。而传统耕作条件下,土壤频繁扰动,通气性增加,土壤团聚体易遭破坏,微生物与有机物的接触面增大,从而使外加有机物和土壤原有有机质的矿化分解,相应地土壤微生物量碳也较低。不同耕作处理土壤酶活性也存在着显著差异,免耕土壤微生物量和养分含量的提高,以及免耕合理的水 、气 、热三相比,促进了土壤酶活性的发挥。垄作免耕的脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、脱氢酶都高,尤其是蔗糖酶,垄作免耕是常规平作的2 倍。【4】

传统农业每年深翻深耕的理由之一是破坏土壤中栖息的虫卵生存环境,利用太阳紫外线杀灭有害菌,并且疏松土壤。从土壤微生物的角度看,深翻深耕无异于破坏土壤微生物的层级结构,打乱土壤微生物大家族的相对稳态结构,更何况常年的深耕会形成密实的犁底层。在土壤地力强劲的情况下,土壤的团粒结构和水气固三相都是良好的,土壤原生和后生动物(蚯蚓为代表)会使得土壤更加的疏松,加上前茬作物死亡的根系被分解后形成无数道通往地表的供氧通路,根本无需依靠深翻作业。

至于土壤中虫卵的基数水平,还是要从有机农业的控制虫害的多样性措施着手解决,如果进入土壤中的虫卵基数较高,说明农田生产生态环境出现了问题,对此,笔者将在另外的文章《破解有机农业命门 – 有机农田虫害的前端控制技术》中予以解释。

轮作休耕对土壤生产力的作用

我们的老祖宗发明的轮作法给我们留下了宝贵的遗产,依靠现代科学,我们能够更清晰地了解轮作法对于土壤生产力的作用。

朱有勇在《农业生物多样性控制作物病虫害的效应原理和方法》一书中指出:合理地增加作物多样性,就能促进土壤微生物生长发育和活动,增加土壤有益微生物群落多样性、种群数量和活性,提高和稳定土壤微生物群落结构与功能,改善作物根系微生态平衡,减少土传病害,有助于减轻连作障碍。

大量研究表明,植物通过影响土壤环境,进而影响土壤微生物群落结构和多样性,土壤微生物多样性与覆盖于土壤上的植物群落多样性呈正相关。植被通过影响土壤环境,从而影响到土壤微生物群落的结构和多样性,受植被影响的土壤环境中的土壤微生物活性和群落结构组成及其多样性比不受植被影响或者没有植被影响的土壤环境中的微生物活性和群落结构组成及其多样性要高。【5】

研究表明,植物根系周围的土壤微生物种群数量比根系以外要高出1-2个数量级,而且不同的植物根系分泌物和附着的微生物种类也大不相同,轮作作物根系分泌的抑菌物质对土壤非寄生病原菌有着强烈的抑制作用。

从土壤微生物多样性的角度看,多种植物(作物)的轮作,可以进一步丰富土壤微生物的种群和基因多样性,更有利于提高土壤微生物分解矿化有机质的能力和均衡性。

治病先治土

土壤地力提高的另一个好处是抑病性增强。当土壤微生物种群比较发达的情况下,地上植物发生病害的几率大大减小。

对细菌群落结构进行分析发现,随着处理土壤细菌群落结构越来越偏离自然清洁土壤(土壤微生物多样性丰富的土壤 – 笔者注),其抑真菌作用逐渐降低,表明细菌群落结构与土壤抑真菌作用之间的相关性更为密切。根据国外的研究,至少14种土壤指标与土壤抑制病害能力有关,其中PH值与土壤抑病性负相关;土壤铵态氮与有机碳含量与抑病性正相关;镁、钾、铝、铁、锌等元素的有效含量越高越有助于土壤抑制真菌性病害。【6】

土壤微生物发达的土壤,有机质较高,土壤有机碳和铵态氮充足,微量矿质元素的有效性较高,PH接近中性,土壤团粒结构和通气性良好,这些有利条件可以充分发挥对土壤中有害的致病菌的抑制作用,是保证地上作物健康生长的基础保障。

土壤地力与重金属

重金属的可溶性在酸性土壤中表现比较强烈,例如镉的溶解度在PH4.5-5.5以及Eh+200~450mv时达到最大区间,而在地力较好的土壤中,土壤PH值都在7左右,重金属的可溶性大大减少。

地力较好的土壤,土壤微生物多样性极其丰富,其中某些细菌和藻类可以产生具有大量阳离子基团的胞外聚合物如多糖、糖蛋白的,同重金属形成络合物。另外,地力较好的土壤拥有更多腐殖质,而腐殖质存在多种功能基,通过离子交换和络合作用,与土壤中的重金属形成络合物,从而降低作物对重金属的吸收。

地力提高还意味着土壤养分的平衡和有益矿质元素的有效性增加,这些有益矿质元素由于有较强的离子活性,可以与重金属争夺配位,从而减少植物对重金属的吸收,例如磷、钙和铁都可以控制植物对镉的吸收。

有机农业生产用地,一般不会选址在有重金属严重污染的农田,需要防止的主要是矿物肥料(如含镉的磷矿粉)和外来畜禽粪便所带入的重金属(铜锌砷等),即使有少量带入甚至是较轻的污染,依靠丰富的土壤微生物和较高的有机质也能够很好地解决重金属转移到农作物中的问题。

特石模式改良土壤提高地力的主要做法

有了理论的指导,还需要应用技术的研究和实践验证,为此特石有机农业进行了多年的探索和实践,形成了一套行之有效的快速提高土壤地力的解决方案,成为特石模式的重要组成部分。

1、 黑箱法

我们知道健康的有机土壤微生物的组成比例范围,尽管不知道它们是如何演替形成的,但是微生物各个种属对于生长繁殖的基本营养需求是明确的,那就可以通过输入物质(主要是有机养分和无机盐)的变化来影响土壤微生物不同的种群。

尽管无法追踪每一种甚至每一类微生物在此过程中的演替,也无法确知哪一种哪一类能够成为优势菌群,但是我们的目的是得到土壤微生物多样性的结果,就可以通过改变输入到土壤中营养物质参数和条件(碳源氮源无机盐PH等),得到相对较优的输出参数(土壤微生物总生物量、土壤有机质含量、有效的矿质元素的数量等),这个方法就是科学家们在许多领域里经常使用的“黑箱法”。

经过无数次的试验和南方北方不同土壤环境的测试,最终确定了增强土壤地力的基本技术方案。

2、 降低成本、就地取材。

改良土壤的原料并没有太多限制,只要是可分解的有机质和可被微生物分解利用的矿物原料都在此列,原料的选择和配比需要根据当地的土壤基本条件确定。

第一类:碳水化合物为主的有机质碳源原料,如秸秆、锯末木屑、各类糟渣;

第二类:矿质原料,如各种矿粉,煤粉、炉渣粉煤灰等

第三类:调节PH的原料,如生熟石灰、碱渣、赤泥、磷石膏、硫磺等

第四类:氮源原料,如畜禽粪便和养殖污水、处理后的生活污泥等

3、 专性分解菌群和富集土著细菌。

鉴于使用的一些原料在自然状态下分解速度很慢的情况(例如木质素在厌氧状态下中不分解,在土壤中彻底分解通常需要数月,而纤维素通常都被木质素和半纤维素包裹缠绕着,分解也较缓慢),所以使用专性快速分解有机质的菌群就成为必然选择,尽管这些外来菌群无法在土壤中长期存活,但是在短期内完成使命正是目的所在。我们选育培养的菌群可以在一周时间分解秸秆达到62%,三周基本完全分解。

选择代表性的、优良的土著细菌并加以快速扩培是改良措施的重要技术步骤。俗话说,“一步三换土”,说明土壤类型变化比较大,土著细菌的选样和培养不得法,便无法使真正的土著土壤微生物成为优势区系,土壤地力改良很可能功亏一篑。

4、 在地转化,休耕轮作

利用专性分解菌群和土著细菌,配合相应的改良原料,实现在地转化,可以使土壤微生物的种群数量以几何级数快速增加。从实际验证的效果看,经过一次基础改良和两次维持性改良,土壤的有机质含量可以提高1个百分点以上。

实施在地转化需要临时性休耕。专性分解菌群分解难分解的有机质以及土著细菌的快速繁殖都需要一定的时间(20天以上,视土温而定),在此时间内让土地闲置,只需要经常性喷淋,保持土壤的湿度即可。临时性休耕结束后的第一茬作物建议种植豆科绿肥植物。以提供作物营养为主的传统做法是绿肥直接翻耕入地,以培养土壤地力为目的的做法则是成熟后期再粉碎旋耕入地)。

保持土壤地力的措施还有轮作。轮作对于增加土壤微生物多样性的结果已经有科学的解释和实践的良好效应,遵循种属关系宜远不宜近、同属不同种的原则,合理配置生产区域内种植作物的品种,避免连作使土壤病原菌成为优势种群带来的病害后果。

杂草管理。在采取措施减少杂草与作物争夺养分的前提下,尽可能多地保留生产区域内的杂草,因为杂草可以保持水土、根际微生物提供多样性、死亡的根系成为土壤微生物的食物并成为土壤供氧的通道。另外,田间杂草对于地上的生物多样性也有着极其重要的意义(生物天敌的掩蔽所,尤其是步行猎食者)。

5、沼液喷淋,一举两得

本来,沼液作为一种速效的叶面肥,目的是通过叶面吸收,强化农作物的营养供应,兼具杀灭有害菌的作用,但是很多人不了解的是,沼液对于土壤地力的作用也是非常大的,所以我们在施用特石生物装置生产的厌氧发酵液时,基本上是过量喷施,使更多的沼液通过地表渗透到地下发挥改良土壤的作用。

施用沼液能够显著增加土壤有机质、氨态氮、速效钾、速效磷的含量,有利于调节土壤 pH 值。 施用沼液对土壤有显著的改良效果。其中,施用沼液并种植青菜的试验田50天后,有机质含量从1.48%上升到2.66%,效果极其显著。【7】

结束语

目前的国内有机农业,最核心的问题是生产力低下,其关键的短板之一便是土壤改良,笔者希望通过特石多年的研究实践,抛砖引玉,引起同行从业者对土壤的关注与重视。

有机农业是系统工程,仅解决土壤的问题还不足以全面提高有机农业的生产力,还需要配套更多更高效的技术,而新技术的应用首先要有理念或理论的更新,在传统观念和技术手段上的修修补补,很难大幅度提高系统生产力。有机农业的创新和发展已经是迫在眉睫的事情了,否则以每年不到0.05%的发展速度,中国有机农业势必处于被边缘化的地位,也无法满足消费者对安全健康和高性价比有机食品的需求。

【本文为特石农场韩农原创 欢迎传播 转载请注明出处】

参考文献

【1】 林先贵等,【土壤微生物多样性的科学内涵及其生态服务功能】 土壤学报2008
【2】 傅声雷 【土壤生物多样性的研究概况与发展趋势】生物多样性 2007
【3】 张四海等,【添加秸秆碳源对土壤微生物生物量和原生动物丰富度的影响】中国生态农业学报 2011
【4】 孙健等,【免耕与留茬对土壤微生物量C、N 及酶活性的影响】生态学报2009
【5】 毕江涛等,【植物对土壤微生物多样性的影响研究进展】中国农学通报 2009
【6】 吴敏娜等,【土壤抑真菌作用与细菌群落结构的关系】应用生态学报 2008
【7】 张无敌等,【沼液对土壤有机质含量和肥效的影响】 可再生能源 2008

文章来源:特石农场

原文链接:第一部分 http://blog.sina.com.cn/s/blog_96c27a0e0102w67p.html

第二部分 http://blog.sina.com.cn/s/blog_96c27a0e0102w67q.html

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