南方丘陵区循环农业发展问题的探讨

蔡立湘，彭新德，纪雄辉，李明德

（1.湖南省农业科学院，湖南 长沙 410125；2.湖南省农业科学院科技情报研究所，湖南 长沙 410125;3.湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125）

1 南方丘陵区循环农业发展的意义

1.1 循环经济是21世纪经济发展的主导模式

循环经济的思想起源于20世纪60年代。1962年卡尔逊发表了《寂静的春天》，告诫世人：人类目前选择的发展模式，将给地球的自然生物、生态系统和人类本身带来灭顶之灾。后来，K·波尔丁首先提出了“循环经济”的概念，他认为在人、自然资源和科学技术的大系统内，在资源投入、企业生产、产品消费及其废弃的全过程中，把传统的主要依赖化石能消耗的线型增长经济，转变为依靠生态型资源循环来发展的经济。

考虑到人类面临越来越严重的气候问题及对全球未来可能产生的影响，世界气象组织（WMO）和联合国环境规划署（CINEP）于1988年建立了政府间气候变化专门委员会（IPCC），为联合国和WMO的全体会员提供在全面、客观、公开和透明的基础上，评估与理解人为引起的气候变化、这种变化的潜在影响以及适应和减换方案的科学基础有关的科技和社会经济信息。

20世纪90年代，随着我国改革开放步伐的不断加快，我国发展知识经济和循环经济的思想基本与国际同步，为了尽量避免重蹈发达国家先污染，后治理的覆辙，提高我国整体的资源利用效率，保护和改善生态环境，实现经济和社会的可持续发展，《中华人民共和国循环经济促进法》于2009年1月1日在我国正式实施。

1.2 循环农业是我国循环经济发展的战略重点

循环农业是循环经济的发展理念在农业产业领域的一个具体化过程。人类活动最先直接影响到自然环境的是农业；农业的生产过程也是一个人类利用自然生态原理，进行再生产的过程。在农业生产过程中，应用循环经济的原理和方法去完善农业的产业规划和生产技术选择及设计，去指导农产品生产和消费，在满足社会日益增长的农产品消费需求的同时，实现农业的自然环境日益优化、生态质量不断升级的社会发展目标。

1.2.1 我国农村环境问题日益突出 突出表现为生活污染加剧，面源污染加重，工矿污染凸现，饮水安全存在隐患，呈现出污染从城市向农村转移的态势。农业四大生态环境问题形势严峻。耕地数量剧减、质量下降，渔业环境恶化，草原破坏严重。根据2008年我国环境状况公报，全国现有耕地1.22亿hm2，比上年净减少1.93万hm2；现有水土流失面积356.92万km2，占国土面积的37.2%。

地表水污染依然严重。200条河流409个断面中，一类至三类、四类至五类和劣五类水质的断面比例分别为55.0%、24.2%和20.8%。珠江、长江总体水质良好，松花江为轻度污染，黄河、淮河、辽河为中度污染，海河为重度污染。28个国控重点湖（库）中，满足II类水质的4个；III类的2个；IV类的6个；V类的5个；劣V类的11个。主要污染指标为总氮和总磷。全国近岸海域水质总体为轻度污染，四大海区近岸海域中，黄海、南海水质良，渤海水质一般，东海水质差。

全国受不同程度污染的耕地面积近2 000万hm2；畜禽养殖、水稻种植、农药与化肥施用以及农作物秸秆焚烧等活动还在向大气排放大量的温室气体。据测算，农业源排放甲烷占我国甲烷排放总量的80%，氧化亚氮占我国排放总量的90%；在黄浦江流域畜禽粪便中COD、总磷、总氮等污染，占了全流域污染负荷的36%；2001年北京近郊畜禽养殖排放的有机物污染，相当于全年工农业生产污水和生活废水中所含有机污染物的2～3倍。

我国目前是世界第一化肥、农药生产大国、进口大国和消费大国，化肥的使用量达4 124万t，平均施用量高达400 kg/hm2以上，远远超过发达国家的225 kg/hm2的安全上限，且利用率仅为30%～40%，每年造成超过1 000万t以上的氮流失，直接经济损失约300亿元。每年农药使用量达120万t以上，有907万hm2农田遭受到不同程度的农药污染，农药浪费造成的经济损失约达150亿元以上。仅淮河流域农田因大气污染造成的损失每年就达1.7亿元。而且污染对人体和农产品质量造成的损害，目前无法估量。

我国是世界上13个“贫水”国家之一，目前我国农业用水量占总水量的70%，灌溉用水占农用水的92%。同时，农用水浪费十分严重，作物大水漫灌和串灌现象相当普遍。在水资源奇缺的西部，667 m2耕地年灌水量可达1 600 m3以上。当今我国的农用水利用率只有30%～40%，个别省份仅为20%，耕地自然降水利用率仅为45%，单方水粮食生产率为1.0 kg左右。据调查，现在养殖一头牛，排放的废水超过22个人形成的生活废水，喂养一头猪产生的污水相当于7个人的生活废水。发达国家农用水效率为70%～80%，单方水粮食生产率达2.0 kg。

目前，全国5 333万hm2农田有效灌溉面积中，按低标准节水灌溉的近2 000万hm2，只占36%。我国的玉米秆、麦秆、油菜秆、稻草、向日葵秆、棉秆和棉籽壳、稻谷壳、甘蔗渣等，年产量约7.8亿t，堆放需占用大量土地，也给农村居民带来许多生活不便。若将这些丰富的“绿色纤维”扔掉或焚烧，会污染环境；若将这些作物秸秆水解，至少可以生产饲料酵母、木糖、木糖醇、糖醛、糖醇等40多种化工产品，形成的产值，可能是现在第一产业的3～4倍，可促进我国以葡萄糖为基础原料的生物化学产业的发展，还可为社会提供至少800万～1 000万个新的就业机会。新近国内外研究成果表明，作物及废弃物用途广泛。

1.2.2 我国循环农业发展难度大 一是耕地资源的制约。我国人均耕地面积仅0.1 hm2，不足世界人均耕地的一半，不到俄罗斯的1/8、美国的1/6、印度的2/3。同时分布极不均衡。人均耕地大于0.13 hm2的12个省（区），全国有近1/3的县人均耕地低于0.053 hm2，低于联合国粮农组织确定的警戒线。耕地质量不高。现有耕地中有607万hm2属于25°以上的坡耕地，有水源保证和灌溉设施的耕地只有5 237万hm2，不到40%。耕地地力退化严重。全国30%以上的耕地受不同程度的水土流失危害。耕地负荷较重。我国耕地垦殖率平均为14%，北方地区高达32.6%，不利于耕地的休养生息和培肥地力；而世界平均的耕地垦殖率只有11%。

二是生态环境的制约。随着我国经济社会快速发展，特别是城市化建设步伐加快，农业生态环境问题日益突出。目前我国受镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积近2 000万hm2，其中工业“三废”污染的耕地1 000万hm2。全国水土流失面积没有得到有效遏制，仅水蚀全国每年就损失粮食18亿～23亿kg。全国受其他污染的农田已达330万hm2以上，用受到污染的水灌溉导致的经济损失，难以估算。另外，农业受大气污染和固体污染物的影响也相当严重。

三是发展资金的制约。资金是循环农业发展中不可缺少的“血液”，尤其是在循环农业发展前期，必须有较大的资金投入和基础设施建设，才能满足循环农业发展的基本要求。目前，循环农业的实施者和受益者都是资金缺乏、信息闭塞、技术落后的农户，不仅投资基础薄弱，而且也无法满足中长期循环农业发展对资金的需求。即使是“先行一步”的地区，也由于自身积累不足、地方公共财政收入及投入有限，难以对循环农业发展给予强力的资金支持，从而制约着循环农业的发展。

四是技术创新的制约。循环农业建设是一项复杂的系统工程，它需要包括农学、林学、畜牧学、水产养殖、生态学、资源科学、环境科学、经济学、加工技术以及社会科学等在内的多学科知识的融合。科学技术创新的程度决定着循环农业发展的速度。而且循环链越长，所需要的技术就越多、越广、越复杂、越精细。我国现有的技术无法满足循环农业发发的需求；同时，现有的技术应用力度也十分有限。

五是农民素质的制约。农民素质是影响循环农业发展的关键因素。只有有文化、懂技术、会经营的新型农民，才能胜任循环农业发展的需要。我国目前的农村就业人口还没有达到这个要求。据全国农业普查办公室的调查统计，我国纯农户劳动力文化程度最低，受教育年限仅为6.23 a，文盲、半文盲所占比重高达14.8%。而我国农村劳动力中，接受过短期职业培训的只占20%，接受过初级职业技术教育培训的占3.4%，接受过中等职业技术教育的占0.13%，没有接受过技术培训的76.4%。

2 南方丘陵区循环农业发展的技术重点

与传统的农业生产方式不同，循环农业以农业生态系统能量高效利用、物质的科学、充分循环为目标，按照“资源—农产品—农业废弃物—再生资源”反馈式流程组织农业生产，使生产过程中上一环节所产生的副产品成为下一环节的“原料”，形成范围大小不同、层次高低不同的循环利用途径[1]。由此而对农业技术的创新与运用提出新的要求。从南方丘陵区自然条件看，“十二·五”或更长时期循环农业的发展，应在遵循“4R”原则的基础上，着重解决以下三个循环层级的技术关键，构建南方丘陵区循环农业发展的技术支撑体系。

2.1 不同循环层级的关键技术

2.1.1 稻田系统循环 稻田生态系统是我国南方最重要的农业生态系统，也是该区循环农业发展最基本的“循环”单元。然而该区域近年农业生产投入高度依赖于化肥，大量的稻草被露天堆放、废弃或就地焚烧，一方面，造成资源浪费和生态环境破坏；另一方面，也阻断了以秸秆为纽带的稻田生态系统中物质和能量的正常循环。据初步调查，2008年湖南省稻草直接还田量只有39.7%。同时，在生产过程中稻田还产生CO2、N2O等温室气体以及化肥、农药等污染物排放。因此，稻田系统物质循环，关键在突破稻草等秸秆的资源化利用技术，直接或间接还田，通过稻草的循环利用，形成新的稻田生态系统内物质与能量循环链。同时，加强水稻固碳栽培技术、稻田复合系统生物多熟种植与光热资源周年高效循环利用技术、地力保育技术、污染物生物消减技术等的研究，从而建立起配套化、规范化的稻田循环生产技术体系。

2.1.2 稻田系统外循环 稻田系统外循环属于中尺度循环系统，涉及稻田生态系统与旱地生态系统、水域生态系统等之间，以及种植业与养殖业、加工业之间的物质与能量循环，还涉及到由多系统复合而形成的诸如在一个村落或社区系统内的物质与能量循环等。这一尺度系统内循环农业的发展，关键应解决好农业产业间关联循环生产技术，将农业的种、养、加产业体系紧密衔接起来，重点研究开发农牧结合、农产品精深加工、可再生资源的循环利用技术等[2]。同时，要在以农作物及秸秆资源化利用的技术原理基础上，以纤维素、木质素的糖化技术创新为突破口，在各产业之间增加可再生资源利用的产业链条，形成各系统间、产业间的物质与能量循环体系，构建多因素链接、多产业耦合型循环农业模式及其技术体系。

2.1.3 区域系统循环 以区域为整体单元的宏观尺度循环农业系统，是人类活动对区域生态系统影响最大的一个重要的子系统，涉及区域内种、养、加、服务、消费等相关产业链条间的耦合关系，涉及区域内气候变化与物质、能量循环的相关关系，涉及区域内城市与乡村之间以及区域与区域之间的物质与能量的大循环。这一尺度内循环农业的发展，重点应加强技术集成，强调通过整体的生态设计，理顺各产业链间的关系，建立生态整合与产业共生机制，构建区域循环农业闭合圈，形成资源、产品、消费品与废弃物之间的转化与协调互动，从而构建起区域范围内人们共同参与的循环农业体系[3]。

2.2 主要产业链环的接口技术

2.2.1 提高能量利用率技术 太阳光是作物产量形成的基础，提高农作物的光能利用率对发展农业生产，提高作物单产和总产都具有十分重要的意义[4]。最大限度的利用光能一方面可以从品种选育技术入手，选育适合高密度种植而抗倒伏且熟期适宜的高光效品种，群体互相荫蔽少，耐肥抗倒，生育期短，形成最大叶面系数，叶绿素含量高，且累积光合作用时间能满足生物产量需求。另一方面从栽培管理技术入手，选择最佳种植制度和种植方式（主要包括作物合理间作、套种和复种），南方丘陵区热量条件较好，生长期较长，一年可种多季作物。通过提高管理水平，合理施肥，适时灌水，及时防治病虫害等也能有效的提高光能利用率。另外还可以通过抑制光的呼吸作用、适当提高CO2浓度、人工光源补充田间光照等提高叶绿体的光合效能，达到提高光能利用率的效果[5]。

节能是循环农业各项技术实施的首要原则，作物生长中除了吸收太阳光外还需水、肥等资源和劳动力的投入，因此，节水、省肥、省工等技术的创新是节能的关键。目前我国农田水利设施不配套，栽培技术落后、管理粗放，农业生产中浪费水资源的现象十分严重[6]。保护性栽培，畦灌、喷灌、滴灌，按农作物需水规律灌溉等技术的创新和推广势在必行。化肥在粮食和经济作物增产中起了举足轻重的作用，但是由于农业中长期过量、盲目的施用化肥，不但造成浪费还带来严重的环境污染[7]。测土配方施肥、因地施肥、因作物时期施肥、因作物施肥等科学施肥方法，在保障农产品生产和供应的前提下减量施肥；研究高效、低污染的肥料增效材料；争取在控释肥料的材料和工艺上有所突破，可能较好的解决这一问题。传统的农业耕作方式以人力为主，劳动力成本高，而免耕栽培是将免耕、秸秆还田及机播、机收等技术综合在一起的配套技术体系[7]，对免耕栽培配套技术的创新和完善能起到节能、节水、增肥、尤其是省工的效果。

2.2.2 提高饲料报酬率技术 随着科技水平和人民生活水平的不断提高，我国南方丘陵区种植业发展的同时，养殖业也飞速发展，畜禽养殖数量猛增。按照循环农业的发展要求，提高饲料报酬率自然也成了种、养业协调发展的重要接口环节，关键在于提高饲料报酬率技术的创新和集成，具体可以从提高饲料转化利用率、提高畜禽生长速度技术、提高畜禽肉制品质量技术、提高对畜禽排泄物资源化利用技术等方面突破。

畜禽不同品种的生长速度、肉质等均不同，所以选育出生长快、肉质好的良种畜禽是提高饲料报酬率的重要基础。提高饲料报酬率的关键在于针对不同畜禽研究开发高效、安全混合型饲料，这类饲料转化率高，既能提高畜禽生长速度，又能提高畜禽的肉质，获得较高的产值，还能改善消化系统，降低排泄物对环境的污染。在饲料中添加生物制剂是当前国内外饲料业发展的趋势，随着生物技术的发展，人们发现了一系列的生物制剂能提高日粮的转化率，提高畜禽的生长速度，其中有些还具有改善消化道微环境，减少排泄物对环境污染的作用，其中包括酸制剂、酶制剂、益生素、矿物质生物盐、螯合氨基酸等[8]。市场上添加剂的品种繁多，但激素类等有害种类偏多[9]。要使饲料报酬率得以提高，且符合“节能、减排、省工、环保”的技术要求，就必须加强对高效、安全添加剂的研究和应用及对有害添加剂的限制，对不同种类、不同品种的畜禽研发不同的饲料及不同的添加剂。另外，对畜禽排泄物有效合理的利用也是提高饲料报酬率的重要部分，排泄物含有丰富的作物需要的营养物质，同时又可以作为饲料、沼气、菌类等的原料。因此，对排泄物的利用技术的突破对循环农业的发展尤为重要。

2.2.3 降低污染物排放技术 随着经济社会的发展，农业中污染物种类和排放量不断的增加，降低污染物排放任务艰巨，形势严峻[10]。南方丘陵区农业污染物主要有化肥、农药、塑料农膜、秸秆、人和畜禽排泄物等，合理有效的降低这些污染对农业生态环境及人们身体健康的危害是循环农业和可持续发展的重要任务，重点在对农业生产过程中控制污染源、提高农作物自身品质、农业废弃物资源化利用等技术的集成创新。

消除或控制污染源是降低污染的根本，目前农业中化肥、农药的大量使用，给大气、土壤、水体等整个生态环境带来了严重的污染。科学合理施用化肥，尤其是氮、磷的减量化施用，开发有机肥及微生物肥等技术是当前降低肥料污染的突破口。如推行测土配方施肥，利用城市垃圾堆肥、发展豆科绿肥、推广秸秆还田，开发不同种类的菌肥改良土壤、提高土壤生产能力等。开发高效低毒农药，改善农药性能，改进使用方法，研究生物、物理等无公害农药等，是控制农药污染源的有效途径[11]。

合理利用农业废弃物，在降低污染物排放发展中存在较大的空间。秸秆、塑料农膜、人和畜禽排泄物是人口密集的南方丘陵区主要的污染物，如何变废为宝是该区循环农业的努力方向。秸秆综合利用包括秸秆还田技术、秸秆饲料生产技术、秸秆基食用菌生产工艺技术、秸秆沼气生产技术等[12]。人和畜禽排泄物有丰富的有机物质，一方面可以加工为有机肥料，另一方面可以用于发展沼气工程[13]；有条件的可以适度发展蝇蛆养殖业。塑料农膜通过回收再利用，在减少污染的同时，又可弥补石化资源短缺的不足。

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