基于控制论的农业低碳发展方略

骆世明

(华南农业大学热带亚热带生态研究所 广州 510642)

人类社会的行动潜力随着19世纪60年代开始的工业化过程得到大幅提升, 生产力快速发展, 社会总的物质生活持续改善, 然而生态环境质量却不断下滑。直到20世纪60、70年代, 人类生态环境意识猛然觉醒。通过持续努力, 一些短期和局部问题已经和正在得到有效应对, 如水体富营养化和食品农药污染, 自然保护与生态恢复, 濒危生物认定与救助等。然而, 涉及全球变暖的温室气体排放却还是越来越严重, 已经开始危及人类自身生存基础。这是一个需要全球合作才能解决的紧迫议题。尽管中国还是发展中国家, 然而作为一个负责任的大国, 我们提出了2030年“碳达峰”, 2060年实现“碳中和”目标。实现这个目标涉及到社会经济发展模式和生活方式的改变, 农业生产方式的转变也势在必行。农业如何协同推进国家低碳目标? 为此人们提出了各种思路和各种技术措施, 实际上这些途径都围绕着调节控制农业生态系统的碳库存与碳流动这个关键。为此, 分析农业生态系统结构功能的调控机制和调控路径, 有助于从总体上把握农业的低碳发展方略。

1 农业生态系统调控机制

农业的作业对象是农业生态系统。农业生态系统是一个包含了自然调控和人为调控机制在内的控制论体系。研究和揭示农业生态系统的结构功能及其调节控制机制构成了农业生态学的学科核心,为农业的生态转型提供了科学基础。农业生态系统从自然继承了众多生物相生相克、能物流串联制约、景观环境纵横分合等自然调控过程。农业生产者开展的农业实践是对农业生态系统进行的人为直接调控。对于生态农业的国家激励措施与民间互动行为构成了推进农业生态转型的社会运动。国家的农业财政、金融、市场、教育、宣传等措施, 民间参与以及产销间信任与互助的关系建立能够深刻影响农业生产者的行为, 因而是对农业生态系统的人为间接调控。

生态农业是通过采纳生态友好方法, 全面提升农业生态系统多功能服务的一种可持续的农业方式。在这个意义上, 为实现低碳目标的农业必然要走生态农业之路。生态农业有别于以往一些农业方式的最主要特点在于认识到农业是一个复杂系统,农业提供的不仅仅是农畜产品和经济收益, 还有服务于人类的生态环境功能与社会文化功能。为此,生态农业尽量采用生态友好方式, 开展生物多样性体系构建、循环体系构建、区域合理景观体系构建,创新资源的节约、替代和增值技术, 以及清洁生产技术, 减少直接与间接温室气体排放, 增大碳吸收存储。

2 人为直接调控路径

生态农业实现低碳发展的直接调控的路径有3个来源, 分别是传统和民间的农业实践探索, 跨学科的现代农业科学研究, 以及生态友好的高新技术。

2.1 传统和民间农业实践来源

传统和民间的农业实践是农民通过成百上千年的长时间, 或者千家万户的大范围内对农业生态系统进行农事操作, 通过不断试错, 不断改善, 不断优化的演进过程才获得的成功“处方”。传统农业实践中几乎完全不依赖化石能源, 传统模式与技术的发掘、研究、改进和利用, 有利于碳中和目标的实现。例如传统农家作物品种通过长期的筛选, 普遍适应当地气候、土壤、生物环境, 并且品质优异。这与现代普遍在高肥水无病虫的“高碳”优越环境中“娇生惯养”出来的作物品种对“碳需求”很不一样。农民通过传统的堆肥、厩肥、绿肥、草木灰、农家肥就可以在还没有化肥的年代获得相当高的产量, 作物自身抗性叠加健身栽培、轮间套作、农区生物多样性等方法就曾在没有农药的年代获得过稳产。浙江青田的稻田养鱼在完全不依赖外部投入的条件下靠稻鱼共生和农民劳作, 滋养了当地群众上千年, 并留存至今。云南元阳梯田通过山区上部森林与下部梯田的景观布局所形成的上部“绿色水库”经受了上千年气候波动考验, 让哈尼族民众实现了旱涝保收的愿望。长三角和珠三角的基塘系统通过自身循环体系的构建, 实现了“桑茂、蚕壮、鱼肥大, 塘肥、基好、蚕茧多”的良性互动。这些成功方法的背后包含了对农业生态系统各种自然调控关系的巧妙顺应、精明调度和适度点拨。不少传统农耕方式的“奥秘”通过近年深入研究后才被逐步揭示。例如, 青田稻田养鱼体系中的田鱼“懂得”撞击稻株而“帮助”水稻减少稻飞虱危害, 稻田养鸭体系中的鸭子通过在稻丛间走动能“帮助”水稻降低株高、增强茎秆、抗风抗倒。发掘、研究与利用丰富多彩的传统与民间农业方法是寻求生态农业低碳发展的一条重要路径。

2.2 现代农业科研来源

各学科的经典研究重视“单兵深入”, 容易出现“只见树木不见森林”的现象, 因而出现诸如防治病虫却引起了农药对天敌毒害、供应作物养分却引起水体污染、增加禽畜饲养料肉比却引起产品激素残留等问题。目前系统思维已为更多研究人员接纳, 生态低碳理念逐步得到普及, 很多传统的农业分支学科研究已经注意到了生态环境制约和农业生态系统巧妙的自然调控过程, 从而催生了很多与生态农业低碳方向相匹配的研究成果。例如, 避免环境和食物污染的病虫草害综合防治手段, 减少环境污染的作物养分供给手段, 综合高产、优质、高抗特点的作物新品种, 生物质转化利用技术, 生物碳制作与利用技术, 农业污染防控技术与种养业甲烷减排技术等。在生态农业低碳发展中, 需要根据具体农业生态系统, 因地制宜去选择现代农业科研成果, 评估新技术碳排放特点与生态环境效应, 重视那些在农业生态系统中能够巧妙利用自然相互作用的技术,避免采用逆自然过程而产生负效应的技术。

2.3 高新技术来源

高新技术主要包括生物技术、信息技术和新材料技术等。生物技术已经被现代农业科学技术广泛应用, 在揭示农业生态系统各种复杂关系方面获得了丰硕成果。例如, 通过生物技术可以探究稻田养鱼体系中鱼的基因多样性, 解密作物-杂草化感效应的机制, 揭示害虫-作物-天敌三重关系中的信息传递途径与诱导抗性效应。目前生物技术也在揭示土壤丰富的生物结构与生物多功能方面得到了应用。纳米材料和生物材料等新材料在农情监测、节水、节肥、控病、环境保护等方面已经获得了一些成果。利用信息技术, 农业生态系统的复杂相互关系可整合和重现在一个对应虚拟体系中, 从而有利于进行更加及时和精确的调控。信息技术在农情监测、系统诊断、精确操作、实时管理方面已经取得重大进展和良好效果。高新技术及其产品是生态农业低碳发展中值得注意的一个重要技术来源, 然而并非所有高新技术都与农业低碳目标相吻合, 只有经过评估后符合生态低碳标准并与整个体系相匹配的那些高新技术才能被采纳。

2.4 多来源技术的系统组合

民间和传统途径更多采用耗时达数代人甚至上十代人的观察与互动, 通过系统输入输出的“黑箱”方法来采集信息和了解系统。传统农业的调控手段基本依赖人力畜力。现代农业科技更多采用“白箱”方法, 通过畜牧兽医、农学植保、资源环境、园艺林学、基础生物、农业工程、农业经济等专业手段,通过一个或者数个生产周期, 获取生产环境数据、生产对象数据、不同种养措施的效果数据, 从而揭示系统结构功能以及获取高效措施。信息技术则把有关数据通过信息传输、存储、处理, 建立起与真实系统对应的虚拟系统和应用平台。农业的调控除了人力、畜力、机械, 已经可以通过智能机器人和自动化系统进行实时和精确的操作。

农业生态系统的自然调控机制包括生物间的各种互利、制约与适应关系、物质的循环流动和能量传递关系、区域自然景观的构建特色等。顺应自然、保护自然、借鉴自然才有可能取得“事倍功半”的效果和“四两拨千斤”的降耗目标。不管方法源自何方, 只要有利于利用和强化农业生态系统自然调控机制就可以考虑列入生态农业低碳方法的候选目录。值得重视的生态农业低碳途径包括:

1)提高绿色植物通过光合作用的碳吸收水平; 2)增加农村区域的水能、风能、太阳能、生物质能等再生能源的开发利用, 减少对化石能源依赖; 3)通过有机肥、生物炭、沼液、温室二氧化碳输入等固态、液态和气态方式增加系统的碳输入; 4)生态农业尽量选用制作过程碳排放低的生产资料。

1)制止植被破坏与农业生物质的野外无效燃烧; 2)减少稻田和反刍动物的甲烷排放和其他温室气体排放; 3)提倡产品近距离销售和新鲜销售, 以利于减少产后碳排放。

1)通过自然植被保护、植树造林绿化、退耕还林还草增加农区植被碳库; 2)通过增加土壤有机质和生物炭等方式增加土壤碳库。

1)通过生物多样性互动替代工业投入品的调控, 如豆科固氮替代化肥人工固氮, 天敌控制替代农药控制; 2)通过系统内物质循环替代外部物质投入, 如系统内副产物制作的堆肥、厩肥、沼渣、沼液替代外部养分输入; 3)通过农区内风能、太阳能、水能在种养、加工和生活中的直接利用,替代外部能源输入; 4)通过少耕、免耕替代全面翻耕作业。

不同来源的方法通过对特定系统的兼容性、协同性和有效性评估之后, 就可以对准备采纳的方法在系统内进行优化整合, 形成丰富多样的低碳生态农业模式及其技术体系。例如, 为了推进玉米生产的生态低碳发展, 采用民间的玉米蚕豆间作为基本种植制度, 再综合传统养猪和堆肥技术形成一个种养循环模式, 在外围构建农田防护林网, 栖息有益生物, 减少极端天气危害。在这个模式里, 采纳现代科研来源的优质高抗玉米品种和生猪品种、测土配方施肥技术和饲料配方技术、有害生物综合防控技术和猪病非药物防控技术, 沼气发酵技术和高温堆肥技术等, 减少对外部工业品依赖。在条件成熟时, 采用高新技术来源的多种田间传感器、作物生长模型、滴灌遥控平台、太阳能板等, 构成再生能源推动的水肥一体化精确滴灌系统, 进一步提升整个种植体系的资源节约和高效利用水平。

3 人为间接调控路径

能够影响农业生产者行为方向和行为积极性的社会调控措施属于农业生态系统的人为间接调控途径。人为间接调控措施根据其来源可以分为自上而下和自下而上两个方向。

的调控是指能够广泛影响生产者行为的国家和政府举措, 包括支持“碳达峰”和“碳中和”战略的国家立法、农业政策、财政政策、金融政策、贸易体系、宣传教育、科学研究、基础设施建设等。为了推进农业的低碳发展, 政府已经和正在采用的措施包括限制和废除依赖高工业品投入的农业高碳技术, 通过碳交易市场为低碳生态农业拓宽资金渠道, 为低碳农业科研立项投资, 开展低碳生态农业的科普教育, 补贴农村可再生能源产业, 财政支持植被建设与植被恢复, 实施退耕还林还草和自然保护区建设, 支持农业低碳技术信息交流平台构建, 组织开展生态农场评估和绿色有机产品认证等。农业通过低碳生态方式产生的生态环境效益属于社会公共产品, 国家政策措施的核心是通过生态补偿和产品认证等方式把传统市场不能够体现的效益适当返还给生产者。

的调控是指能够影响农业生产者行为的民间自发举措, 包括生态农业的生产者之间组建的合作组织和产业联盟, 生态农业生产者与产品消费者构建的产销合作组织、直销市场和信用制度,建立生态低碳农业的“产-学-研”和“产-供-销”多方交流合作平台等。目前, 在生态环境意识空前普及, 食品安全被广泛关注的背景下, 我国“社区支持生态农业”已经获得相当好的发展, 各区域实践生态农业的“新农人”队伍也越来越壮大。农民合作社和农业企业希望其产品能够贴上生态标签的愿望也越来越强烈。未来如果能够获得进一步的政策激励与技术指导, 广大新农人、农民组织和农业企业就会更加积极饯行农业的生态低碳发展。

4 结论

为配合国家实现“碳达峰”和“碳中和”目标, 在农业方面把握好作为控制论体系的农业生态系统调控途径, 一方面在全社会凝聚共识, 让自上而下的激励与自下而上的努力相结合, 另一方面在传统、民间、现代和高新技术中广开渠道、严格筛选、择优组合、整体优化, 就能形成适合各地的生态农业低碳模式及其技术体系, 推进我国农业低碳发展。