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王小芬 | 如何利用废物调控农田健康,实现有机、保产又保碳

2022-9-13 15:13

来自: 原创
导语

今年以来,全球多地出现的高温热浪对农业生产造成了严重威胁。欧盟旱情观测站图显示,由于极度高温和大面积干旱,欧盟的47%的土地处于红色预警状态。而我国西北、西南、华北及华南都发生了大范围持续性高温干旱天气,8月21日水利部发布的数据显示,四川、重庆、湖北、湖南、安徽、江西等9个省(市)耕地受旱面积已经达到3299万亩,246万人、35万头大牲畜因旱供水受到影响。面对这样的极端气候,我国的农业生产模式是否急需做出调整呢?带着这样的关切,人民食物主权网络和心•田计划于2022年9月2日联合主办了《全球气候变化与农业应变之道》的专题研讨会。

此次研讨会上,既有来自一线生产者的观察、实践和体会,也有长期关注和研究农业生产条件的专家学者发言。

来自四川的王志强是一名回乡创业的八零后,他在村中实践并推广使用酵素生态种植方法种植柑橘。在会上,他给大家分享了今年生态种植的实际情况——在今年极端高温天气条件下,采用传统农业方式种植的柑橘大量减产,而采用酵素种植的柑橘地则并未受到影响。生态柑橘不但没有出现“太阳果”,而且产量还有一定提高。

来自河南信阳息县青禾农场的张涛采用“酵素+微生物堆肥”进行生态种植已经有5-6年的时间了。她重点分享了自己的实践体会。相比于传统的农药化肥种植,生态农业的产品有几个优点:病虫害少,抗倒伏,耐储存。最后,张涛指出,为了生态农业更好地发展,我们要注意收集传统农业生产、储存技巧,转变思想,避免资本运作。这是一个需要大家广泛参与的事业。

中国农业大学校外实践基地研究生导师刘小平老师以四川连续22天的高温伏旱为例,和大家分享了极端高温天气对人和作物的影响。他指出农业要从土壤培育、有机生产、设施投入和水电供应四个方面来应对极端天气变化。他还强调了极端天气频繁化背景下农业保险对减少生产损失的重要性。最后,他倡议有机生态农业要有一个系统处理应对极端气候变化和灾难性变化的预警。

同样来自中国农业大学的胡跃高老师为大家带来了主题为“气候模式变轨之下我国农业调整的基本战略”的分享。胡老师分享的详细内容可点击文末“阅读原文”了解。

今天的推文则是来自中国农业大学农学院王小芬教授在会上的分享。王老师分享的主题是“农用酵素管理的有机农业潜力巨大”。王老师从城乡废弃物资源和农田生产结合的必要性出发,结合微生物工程这项重要的技术,试图从源头系统化提出解决方案,以构建微生物工程支撑的种养循环农田健康调控模式。这是王老师带领团队和多个地方农户联合实践数十年的成果,农业生产效果明显,实践和学术成果丰硕。

未来几天我们还会陆续推送来自中国土壤学会科普工作委员会的陈能场老师和食通社的小伙伴在研讨会上的分享内容,敬请期待!

作者|王小芬  中国农业大学农学院教授、博士生导师,中国生物发酵协会酵素分会理事
责编|侯泓
校对|侯娣
后台编辑|荆吉

正文

非常高兴有这样的机会和大家来分享我们这个团队做的工作。今天看到了非常多的大学生来参加我们的会议研讨,我感到特别高兴。

我这次分享的题目是“农用酵素管理的有机农业潜力巨大”。我将从以下三个方面和大家交流:
1、城乡废弃物资源和农田生产结合的必要性;
2、构建微生物工程支撑的种养循环农田健康调控模式——从源头系统化解决方案;
3、构建有机种植技术集成体系。

01、城乡废弃物资源和农田生产结合的必要性

我们现在经常在农村看到这样一些现象:大量的蔬菜瓜果废弃物、大量的废弃农膜、大量的除草剂和农药废弃包装物,还有大量农作物秸秆和畜禽的粪便。这些废弃的资源给我们生活工作带来巨大的环境压力。

那么我们以前的农业生产是什么样的呢?通过下面这张图我们来了解一下以前农业废弃资源是怎么利用的。

图3:种养结合、农牧循环的传统农业——闭链循环 | 图片来源:讲者PPT

土壤通过种植植物,吸收太阳能后提供谷物、水果、蔬菜等碳水化合物,供人类生存。其中废弃的秸秆、果皮、麸糠,以及食物加工废弃物、杂草和厨余进入到养殖环节,从而获得肉蛋奶。通过这样两条途径人们获得了谷菜果和肉蛋奶。在这个系统里面人和动物粪便通过堆肥重新回到了土壤中,又开始了新的一轮的种植。这是我们传统农耕条件下,人类和自然和谐相处必要的循环,是健康的生态系统。

那么现代农业是什么情况呢?现代农业追求成本最大化,生产中大规模种植和养殖,做不到种养循环。在这个系统中,1、2、3、4等环节都发生了断裂(见图4)。这些断裂导致大量的废弃物资源和粪便等有机质没有循环到土壤,使得农田产出的质和量下降。此外,包括陈能场老师在内的研究者也证明,这些废弃物资源如果没有通过循环回到土壤中,土壤的质量就会逐年下降。

图4:种养分离、功能分化的现代农业——闭链断裂 | 图片来源:讲者PPT

土壤质量下降后,作物就会生病,就需要使用大量的农药。农药的大量使用会严重影响食品的健康,食品通过土壤吸收的养分严重不足,也会威胁人体健康。这就是当前种养模式下种养分离的不良后果(见图5)。

图5:种养分离、功能分化的现代农业——不良后果 | 图片来源:讲者PPT

中国农业大学校外实践基地研究生导师刘小平老师分享了今年南方高温干旱背景下土地的现状(见图6)。在下图中,我们明显看到,现在的不可持续农业生产方式使我们农田系统越来越脆弱了。一方面,碳排放导致高温、干旱这样的极端气候越来越频繁;另一个方面,很多农民还没有重视将废弃物资源循环利用到农田。

图6:中国南方在高温干旱天气下土地的状况 | 拍摄:刘小平

既然原因找到了,我们能做的工作有哪些呢?

02、构建微生物工程支撑的种养循环农田健康调控模式——从源头系统化解决问题

我们团队当前研究的主要内容是构建微生物工程支撑的种养循环、农田健康调控模式,也就是从源头系统化的一个解决方案。图7描述了从种植到人的消费,最后到各类废弃物再循环整个的环节,它涉及和我们人类紧密相连的种植和养殖环节。这个系统在产前、产后,以及餐前、餐后都会出现大量的废弃物资源。这些资源通过微生物发酵,例如沼气发酵、堆肥发酵、酵素发酵、饲料发酵等环节,重新又循环到养殖和种植中去。

图7:农用酵素调控的种养循环可持续食物系统 | 图片来源:讲者PPT

这其中有个非常重要的环节就是微生物发酵。这个过程需要大量的微生物,所以微生物工程就是非常重要的关键技术。农用酵素是有科学支撑的技术,酵素生产可结合堆肥和沼气等发酵工艺,提高发酵体系的效率,是一项有机农业的实用技术。我们中国农业大学的团队专注农用酵素技术多年,在利用废弃物通过微生物发酵、微生物工程和农业生产结合上取得了非常多的研究成果,并发表了一系列的论文,论文涉及微生物菌剂、筛选肥料、饲料以及沼气发酵等方面。五六年前我们发现了农用酵素在农业生产中的潜力,特别是在四川泸州对刘小平老师的基地调研后,我们发现了农用酵素和农业生产结合的巨大前景。

我们团队的博士生、硕士生和本科生在农用酵素方面做的系列科研工作逐步揭开了农用酵素的神秘面纱。2020年在考察完刘小平老师的基地后,结合国内发表的75篇文献,我们团队发表了《农用酵素的生态效应研究进展》的综述论文。在综述中我们总结了农用酵素对于抑制真菌病害、促进作物生长、提高堆肥腐熟度、改良土壤、平衡土壤pH值等方面的作用。之后我们继续安排了团队中的硕士、博士和本科生对这些问题进行了系列的科学研究。多种农用酵素微生物群落和理化性质分析结果表明:农用酵素是富含多种有益微生物及有机酸等代谢产物的微生态系统。

在农用酵素抑制真菌病害的作用方面,我们发表了一篇SCI论文,并且在这篇论文中首次定义了农用酵素的概念,中央电视台当时对这个内容也做了专题采访。在农用酵素和堆肥结合方面,我们发现农用酵素可以显著地降低堆肥氮的损失,而且在后期促进作物生长方面也有非常好的作用。

图8:低成本微生物保氮工艺。通过微生物保氮工艺,氮损失降低31.4%.产品为4000-6000元/吨生物有机肥,已申请国家发明专利 | 图片来源:讲者PPT

酵素有机肥也就是将酵素加到堆肥腐熟后产生的有机肥中,再用于作物种植。我们发现这种肥料对于作物的促生效果也是非常明显的,于是我们将这项技术和产业化结合,在山阴建设生物有机肥生产工厂。这个生产成本非常低,因为合作伙伴是一个养牛场,将养牛场的粪便和当地的最大废弃物资源——蘑菇渣——相结合,形成了一套生物有机肥的发酵工艺。我们团队安排了一位硕士生对这个发酵工艺进行了优化。目前生产的酵素有机肥质量非常好,且富含了大量的有益菌群。

图9:2020年建设的山阴生物有机肥厂|图片来源:讲者PPT

我们把农用酵素技术又应用在中药材种植上,重点研究了黄芪。用化学方式种植的黄芪,基本上在土壤里面最多生长两年,到第三年就会大面积爆发根腐病(见图10),生产中使用大量的抗真菌农药来预防根腐病。传统中医对黄芪的要求是种植五年以上,这样的黄芪才有药效。目前黄芪的生产方式是不可持续的,农化种植的两年生黄芪达不到该有的药效。

图10:化学方式种植黄芪的根腐病|图片来源:讲者PPT

我们构建了通过有机肥、有机种植来生产有机中药材(黄芪)的技术方案。具体方法就是把秸秆、粪便混合后进行发酵,形成生物有机肥。再把废弃的果蔬发酵成农用酵素,用农用酵素管理黄芪的种植,对黄芪根腐病的防治效果很好。

图11:2018年灵丘县落水河乡有机黄芪生产试验 | 图片来源:讲者PPT

在灵丘白马寺和下野窝村的有机黄芪实验中,我们取得了使用农用酵素对于黄芪抗病性的调查数据。通过两年有机黄芪种植的实验结果,我们发现喷施了农用酵素后,黄芪的发病率几乎是零(见图12)。我们还发现喷施农用酵素处理后,相比用普通有机肥,黄芪的地上部和地下部都有非常明显的差异。图13是一个连续三年生的黄芪施用有机肥和添加农用酵素后的比较。我们还发现通过施用农用酵素,黄芪的产量也比用化肥高了两倍多。由于化肥处理的黄芪在生长到三年的时候,很多都会得根腐病。但通过农用酵素结合的种植方式,我们找到了有机种植不减产的方法。

图12:黄芪的抗病性调查数据。施用农用酵素后黄芪几乎都没有得病 | 图片来源:讲者PPT

图13:在灵丘白马寺种植的两年生有机黄芪肥料对比实验,100%OME产量最高

图14:不同肥料处理对黄芪经济效益的影响,其中缩写字母的含义是:不施肥(CK)、化肥(C)、有机肥(O)、有机肥+矿物肥(OM)、有机肥+矿物肥+微生物肥(OMD)、有机肥+矿物肥+酵素(OME)。我们发现有机黄芪的经济效益是常规黄芪的2-3倍。其中三年生黄芪OME处理经济效益最高,分别是C处理、O处理、OM处理、OMD处理的2.63倍、1.45倍、1. 67、1.32倍 | 图片来源:讲者PPT

我们也将利用农用酵素防治黄芪根腐病机制的研究成果发表了国际论文,基本原理就是我们把黄芪的地上部制作成酵素,然后用于黄芪根腐病的防治。它不但可以改良土壤的微生物菌群,还可以抑制病原菌。除了黄芪,这种农用酵素有机种植的方式也在全国其他基地开展了应用,取得了很多成果。例如我们发现用了农用酵素之后,作物植株的木质部纤维素部分会特别有韧性。图15是2020年在黑龙江五常大米慧莲农场基地的照片。左边是酵素种植的,右边是用常规肥料。在一场大风大雨后常规肥料种植的稻子有大面积倒伏,而农用酵素种植的稻子可以抵抗风雨。我们在北京良之悦品有机农场用农用酵素进行西红柿有机种植的比较,效果也非常明显(见图16)。

图15:黑龙江慧莲五常大米酵素种植和常规肥料抗倒伏对比 | 图片来源:讲者PPT

图16:西红柿酵素蘸根的差异——北京-良之悦品有机农场 | 图片来源:讲者PPT

我们团队在山西长治沁源做的黄瓜有机种植实验还发现,使用农业酵素的黄瓜产量不仅不会降低,而且口感甜脆,销量自然就更好。而且,酵素种植黄瓜更具备生命力,能一直采收到九月中旬,延长两个月。近日和长治种植户田村长沟通时他告诉我,他的黄瓜现在还在采收,而其他用化肥种植的黄瓜在七月份就结束采收。在种植成本上,酵素处理的黄瓜每亩地只需要九百块钱,而之前的种植方式每亩地要一千二百块。因此我们也验证了用酵素种植的可行性、可推广性。

图17:山西长治沁源龙头村有机种植试验。黄瓜苗于2022年2月9日移栽,4月2日第一次采摘;在管理上,酵素堆肥基施每亩2立方,每周根灌和喷施酵素水1次;在效果上,亩产1.5万斤,口感脆甜不愁卖,采收期比化肥种植延长2个月;在成本上,种植成本每亩只需要900元,而之前的种植方式每亩需要1200元 | 图片来源:讲者PPT

03、构建有机种植技术集成体系

首先,有机种植不仅仅是一个技术,而是多项技术的集成。在种植过程中,需要有微生物菌种和发酵的技术,比如说堆肥技术以及菌种筛选技术。农用酵素结合土壤微生物菌种的筛选是一个非常重要的研究方向。

其次,我们需要有高质量、低成本的生物有机肥工厂化的腐熟技术,将固废物资源化。在这方面我们需要把这些废弃物变废为宝的技术,也就是酵素的制作以及有机肥的生产。

第三,我们需要作物有机种植技术,包括轮作、具体的田间管理、育苗等等,我们需要考虑各个环节。此外还有多样化种植对于作物根系和土壤恢复的促进作用,这是一个集成的技术体系。

在这个过程中,农业微生物工程是实现以上目标的关键技术。我们希望构建一个基于微生物工程的种养循环生态食物链。在这个系统中,区域内所有的废弃物资源都可以通过微生物发酵的方式让它进入到养殖和种植环节,包括将人粪、尿全部循环到我们的土壤中,这也是一项土壤保碳技术。

图18:构建基于微生物工程的种养循环生态食物链 | 图片来源:讲者PPT
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