江西水稻清潔生產理論與技術實踐

黃慶海,李大明*,柳開樓,丁小滿,葉會財,胡志華,余喜初,胡秋萍,胡惠文,徐小林

(1.江西省紅壤研究所/國家紅壤改良工程技術研究中心/農業農村部 江西耕地保育科學觀測實驗站,江西 南昌 330046;2.南昌市新建區農業農村局 農產品質量檢測站,江西 南昌 330100)

江西是我國13個糧食主產區之一,全省耕地面積308.9萬hm2,其中水田面積251.1萬hm2,水稻播種面積居全國第三,近年穩定在333萬hm2以上;總產已穩定在200億kg以上,居全國第三位[1-2]。江西稻谷產量占糧食總產的95%以上,而雙季稻的種植面積又占水稻播種面積的89%,居全國之首。然而,在水稻生產中,不合理的施肥管理和耕作栽培措施等導致了氮磷養分大量淋失,化肥、農藥利用率低下,在造成資源浪費的同時,造成潛在的農業面源污染風險[3-4];受成土母質、土壤酸化和不適當耕作管理措施等因素的影響,土壤重金屬的危害風險日益顯現,稻米重金屬含量超標事件時有發生[5-7]。再加上水稻生產過程中的淹水、干濕交替等水分管理措施和不合理的耕作措施,可誘導溫室氣體排放量增加[8-11]。要破解這些問題,進一步凸顯江西省水稻種植特色,提升水稻品牌價值,必須探索更為科學高效的雙季稻栽培管理技術模式。

清潔生產是以實現物質循環利用、資源高效利用、污染物阻斷減毒等為目的的生產技術模式。在當前資源緊缺、環境優先的背景下,清潔生產具有明顯的優勢。清潔生產技術已在其它行業得到了較為廣泛的應用,其指導思想符合當前綠色生態農業的發展理念,也是破解當前江西省雙季稻發展遇到的實際困難的有效途徑。目前對雙季稻清潔生產的內涵和技術路徑尚缺乏系統總結和實踐,因此本文在歸納有關清潔生產技術原理的基礎上,結合近年來水稻清潔生產技術研究和應用的實際,分析了雙季稻清潔生產技術的背景意義,初步探討了江西省雙季稻清潔生產的內涵、技術原理、控制路徑和主要技術,并結合生產實踐比較了水稻清潔生產技術的應用效果和前景,旨在為推動江西雙季稻安全高效可持續發展提供理論依據和技術支撐。

1 水稻清潔生產的需求與意義

1.1 水稻清潔生產是建設秀美鄉村、實現鄉村振興的迫切需求

打造美麗中國“江西樣板”。綠色生態是江西最大的品牌,水稻生產必須要以維護江西優美的生態環境為前提。當前,江西省在大力發展畜禽綠色養殖和糧食豐產的背景下,采用清潔生產技術實現養殖廢棄物的循環利用將可以實現畜禽養殖廢棄物處理與糧田地力提升的雙贏,對獲得江西糧食持續穩產豐產、減輕農業面源污染、提升農田肥力水平有重要的推動作用,可為建設秀美鄉村、實現鄉村振興提供重要保障。2018年中央1號文件《中共中央、國務院關于實施鄉村振興戰略的意見》明確指出了鄉村振興戰略的總要求“產業興旺、生態宜居、鄉風文明、治理有效、生活富裕”；《中共江西省委、江西省人民政府關于實施鄉村振興戰略的意見》也明確指出了江西省鄉村振興戰略的發展目標“農業穩糧、優供、增效,農村整潔美麗、和諧宜居,農民脫貧、致富、文明”；要實現這些目標也迫切需要在江西省主要的農田利用類型——稻田生產管理中應用清潔生產技術。

1.2 水稻清潔生產是實施國家“減肥減藥”戰略的主要路徑

農業生產是人類通過對環境的投入而不斷獲取相應回報的過程。我國以高資源消耗換取糧食高產的水稻生產方式將難以持續,隨著農業供需關系的轉變,環境問題及食品安全問題已成為關注焦點,農業生產方式必須要轉變,農業供給側結構性改革勢在必行。在2015年,農業部印發了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》和《到2020年農藥使用量零增長行動方案》；水稻作為江西省種植面積最大的作物,其生產也必須應時而發,順勢而為,采用清潔生產技術,合理降低種植過程中化肥和農藥的投入量,從而實現國家“減肥減藥”的戰略目標。

1.3 水稻清潔生產是農產品質量安全的重要保障

“鎘大米”等農產品質量安全問題的發生為我國水稻生產管理敲響了警鐘。水稻產業發展從土壤選擇、施肥、灌溉、水稻栽培、收獲到稻谷的保存、加工,每一個環節都與食品安全密切相關。采用水稻清潔生產技術實現種植過程的全程清潔化管控,將污染物阻斷在食物鏈之外,將可為農產品質量安全提供重要保障。

1.4 水稻清潔生產是貫徹落實江西省綠色生態農業發展十大行動的重要支撐

習總書記于2016年春節前在江西視察中指出:綠色生態是江西的最大財富、最大優勢、最大品牌。在2016年,江西省政府發布了化肥零增長行動、農藥零增長行動、養殖污染防治行動、農田殘膜污染治理行動、秸稈綜合利用行動、農業資源保護行動等綠色生態農業發展十大行動工作要點,這是實現江西省農業綠色生態發展、建設現代農業強省的全面部署,水稻產業發展必須要貫徹落實,實施水稻清潔生產技術將是必然選擇。

1.5 水稻清潔生產技術的推廣應用符合我國糧食安全的新需求

近年來,我國的糧食安全觀已從以往的單純追求糧食不斷高產向糧食高產優質高效轉變,從單純的糧食高總量向提高耕地的糧食產能轉變,即由“藏糧于倉”向“藏糧于地、藏糧于技”轉變,減庫存、擴產能、優結構、增效益是新時代水稻產業發展的戰略路徑,而清潔生產技術提倡的綠色高產高效可持續契合我國糧食安全的新要求。

2 水稻清潔生產的內涵

水稻清潔生產是指通過合理控制和調節水稻生產的全過程管理,協調稻田生態系統內各生態因子的關系,增強生態系統自我循環和凈化的功能,盡可能減少對其他生態系統的負面影響,實現水稻的持續、安全、高效生產。水稻清潔生產的基本內涵可以概括為“環境清潔-生產保潔-物質循環-安全高效-持續豐產”。

2.1 環境清潔

環境清潔是水稻清潔生產的前提條件。沒有符合水稻生產標準的土壤、灌溉水等產地環境條件,就無法保障水稻的質量安全。水稻生產應優先選擇無障礙因子、無污染的土壤,確保灌溉水源清潔無污染。受污染土壤的修復利用不應是清潔生產的主要范疇。

2.2 生產保潔

生產保潔是水稻生產的過程控制。生產保潔要求在水稻生產過程中避免人為帶入或盡可能少帶入污染物，實現生產投入品的高效利用，避免對環境的負面影響,不輸入稻田生態系統的負能量。亦即合理施用農藥、化肥，合理利用農業廢棄物等,避免外源污染物隨生產活動進入生態系統,保持和維護稻田生態系統的能量平衡和穩定性。

2.3 物質循環

物質循環是水稻清潔生產的技術路徑,在水稻生產過程中實現本身生產過程產生的廢棄物料的循環利用,增強稻田生態系統內自我循環與凈化功能,提高稻田生態系統能量儲蓄能力和系統的生態穩定性。同時,消納稻田周邊地區農村養殖及生產生活的無害化廢棄物,盡可能減少對其他生態系統的污染承載。常見的模式有:水稻秸稈還田、將稻殼粉碎后作為飼料喂養畜禽類、將畜禽糞便作為有機肥施入農田、就近消納養殖場的畜禽糞便等。

2.4 安全高效

安全高效是水稻清潔生產的總體目標,實現資源的高效利用,生產安全的糧食產品,不過分單一追求經濟效益,而是達到經濟效益、社會效益、生態效益的統一綜合目標；不僅要經濟高效,更要資源利用高效、生態高效；不僅要農產品質量安全,更要生態安全。這是水稻清潔生產的特色和優勢,也是水稻產業發展的潛力和生命力所在。

2.5 持續豐產

持續豐產是水稻清潔生產的基本要求,在實現水稻相對合理的高產量的同時,實現土壤質量的提升與保持,穩定當前糧食產量,增加土地糧食產能,將水稻產量短期目標和長遠目標有機統一起來,既保障糧食安全,又達到“藏糧于地”的目的。但盲目追求生態環境的改善,從而嚴重降低水稻產量不符合我國的基本國情。因此,既要實現水稻適度豐產,保持糧食產量穩定,更要注重逐步提升土壤質量,提高土地的糧食產能,保持糧食長期可持續優質豐產。

3 水稻清潔生產的基本理論

水稻清潔生產控制路徑包括:源頭阻控、過程削減和末段治理等,這與“環境保潔、生產清潔、物質循環、安全高效”等清潔生產的內涵是一致的。常規的技術措施主要包括:減少污染源投入、施用改良劑、選擇合理的水稻品種和調控水稻生產的水肥管理等農藝措施,以及通過物理、化學和生物學手段對污染場地進行修復治理等。

3.1 源頭阻控

源頭控制是減少農業面源污染最有效的技術途徑。主要是通過科學制定水稻生產管理技術方案,合理的作物營養及病蟲害防治管理,減少化肥、農藥等的施用量,減少化學污染源，促進農業廢棄物資源的循環利用,從源頭上削減污染源,以達到減少農業面源污染的目的。

3.2 過程阻斷

主要是在農業面源污染輕度產生后,根據污染物質的產生源頭和遷移、變化規律,因地制宜,制定科學合理的阻控措施,在其遷移過程中進行攔截、吸附、降解、削減,制止污染源流出農業生態系統而污染環境或在農產品中累積,達到控制污染物質轉移或擴散的目的。這是清潔生產的過程控制理論。

3.3 末端治理

末端治理是按點源的方式對已污染的水體與土壤通過工程方法、生物方法、化學方法進行治理。對受污染的土壤可以采取施肥等措施來影響污染物在土壤中的環境行為或降低其生物有效性,從而減少作物對污染物質的吸收和富集,達到生產出安全農產品的目的。是安全高效的補救性措施。

4 水稻清潔生產的技術原理和實踐

4.1 報酬遞減規律

邊際報酬遞減規律:又稱邊際收益遞減規律,是指在其他條件不變的前提下,如果一種投入要素不斷地等量增加,增加到一定產值后,其提供的產品和增量就會下降,即可變要素的邊際產量會遞減,是經濟學著名的邊際報酬遞減規律,并且是短期生產的一條基本規律。

土地報酬遞減規律:是指在技術不變和其他要素不變的前提下,對相同面積的土地不斷追加某種要素的投入所帶來的報酬的增量(邊際報酬)遲早會出現下降。

總報酬,即總產量,可視為tP；平均報酬,即總報酬除以某種要素的投入量,可視為mP；某要素(例如化學肥料)的投入量,可視為F；邊際報酬,即對同一塊土地不斷追加某種要素(F)的投入,最后一單位追加要素所帶來的總報酬的增量，可視為mP=△tP/△F或tP/F。

水、肥、氣、熱等資源的利用均存在報酬遞減的規律(圖1),當資源投入達到一定的閾值后,再增加資源的投入時收益會明顯下降,而過分高投入非但不能實現作物高產,反而會導致作物產量下降,起到負面作用。

圖1 水稻生產中的報酬遞減率

通過在不同點位進行的氮磷肥梯度試驗結果(圖2～圖3)也表明,隨著氮、磷肥用量的增加,早、晚稻季的產量均呈現出先增加后穩定的趨勢；通過擬合方法研究表明,氮、磷肥的合理用量分別為150～180 kg/hm2和50～60 kg/hm2。

4.2 基礎地力貢獻率

土壤基礎地力的高低會顯著影響水稻的產量。高基礎地力的農田可以在較低施肥水平情況下取得較高的產量,肥料利用率明顯偏高。基于長期定位監測的研究結果(圖4)表明,土壤基礎地力較高稻田(以土壤有機碳含量為依據)可在施肥水平一致的情況下,提高產量10%～15%[15]。大量研究[13-14]證實,有機無機肥配施是提高土壤基礎地力和維持持續增產的有效措施。

圖4 施肥對土壤基礎地力和作物產量的影響

4.3 物質循環利用

江西省紅壤研究所于1981年進行了綠肥(紫云英)、畜禽糞便(豬糞)和秸稈(水稻秸稈)等南方3種主要有機肥料施用的定位試驗研究。結果(表1)表明,紅壤稻田不僅可以實現生產中的物質循環利用,減少化肥施用量,還可以增加水稻產量的穩定性,保持水稻持續豐產[12]。

表1 不同有機肥、化肥配施比例對水稻產量的影響

注:T1、T2、T3、T4、T5和NPK處理分別為綠肥、2倍綠肥、綠肥+晚稻豬糞、綠肥+晚稻豬糞+冬季秸稈、綠肥+冬季秸稈以及化肥。其中NPK處理的氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥用量分別為90、45和75 kg/hm2；綠肥、豬糞的用量均為22500 kg/hm2；秸稈的用量為4500 kg/hm2。為了保障水稻的正常生長,在1981～1988年,各有機肥處理每季補施化肥N 45 kg/hm2、P2O530 kg/hm2;在1989～1995年,各有機肥處理在施用上述化肥的基礎上,每季補施K2O 37.5 kg/hm2;從1996年早稻開始,各有機肥處理每季N、P2O5、K2O的施用量分別增至69.0、30.0、67.5 kg/hm2。圖5與此相同。

實現有機物料的循環利用可以顯著提高紅壤雙季稻田化肥氮肥的農學利用率,減少化肥施用量。長期定位監測的試驗結果(圖5)表明,單施化肥處理的氮肥農學效率僅為17.33%,且顯著低于有機培肥處理。在不同有機物料處理中,以綠肥+豬糞+秸稈(T4)處理的化學氮肥農學利用率最高,其次為綠肥+豬糞(T3)處理,再次為2倍綠肥(T2)和綠肥+秸稈(T5)處理,最低為綠肥(T1)處理。因此,采用合理的有機物料循環利用模式可以在減少化肥用量的前提下,實現水稻高產穩產,提高化學氮肥利用率,同時提高稻田生態系統的凈碳匯效應[17]。

圖5 不同有機物料循環利用模式下化學氮肥利用率

4.4 稻田生態系統的自我調節功能限制規律

稻田生態系統具有自我調節的能力,在合理的外源物質投入下,稻田生態系統可以通過自我調節功能實現系統穩定(圖6)。但是,如果外源物質投入過多或擾動過大,超出稻田生態系統的自我調節容量(能力)范圍,則系統的穩定性會明顯下降,形成系統能量外溢,易對其他系統產生不良影響。

項目組基于長期定位試驗開展的長期施用豬糞對稻田土壤重金屬含量影響的研究結果表明,按照鮮豬糞22.5 kg/(hm2·a)的施用標準,紅壤稻田的Cu、Zn、Cr和As含量將分別在21.6年、66.5年、43.8年和14.2年后達到國家土壤環境質量二級標準(GB 15618─1995)臨界值[15],這說明稻田生態系統對外源投入品有較強的自我調節能力,但持續高投入也會造成系統崩潰(土壤重金屬含量超標)。

圖6 稻田生態系統的自我調節能力

水稻清潔生產技術是以實現資源高效利用、物質循環利用、污染物阻斷減毒等為目的的生產技術模式,因而化肥減量增效、水熱資源高效利用、水稻秸稈循環利用、稻田面源污染控制、稻田污染物源頭阻截、稻田病蟲害綠色防控、稻田綜合種養等技術都是水稻清潔生產常用的單項技術,在水稻生產過程中可依據實際情況按照“環境保潔-生產清潔-物質循環-安全高效-持續豐產”的路徑要求采用清潔生產單項技術或集成應用水稻全程清潔生產技術模式。農業廢棄物循環利用和化肥高效利用技術是水稻清潔生產的主要技術,其在維持水稻高產穩產、提高農田生態系統的凈碳匯效應和提高化肥的利用效率等方面有顯著作用。

總之,清潔生產是適應當前農業發展新趨勢的一種理念轉變,是將以往的過分追求產量的提高轉變為通過培肥土壤和綠色高效生產實現生產潛能的提升和農產品品質的改善,是實現藏糧于土、持續豐產、鄉村振興、農產品質量安全的有效途徑和重要保障。