黄彬香 ，潘志华 ，王 靖 ，胡 琦 ，徐 琳 ，潘学标
（1.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；
2.中国气象局-中国农业大学农业应对气候变化联合实验室，北京 100193；
3.农业农村部武川农业环境科学观测实验站，内蒙古 呼和浩特 011700）
农业生产以农业生态系统为依托。传统农业中，人们种养结合以及有机肥的施用有效维护了农田土壤平衡，对农业可持续发展起到了关键作用[1]。然而，20 世纪中叶，特别是80年代以来，人口增长迅速，迫切需要改良品种、增加灌溉、施用化肥、喷洒农药、改进耕作，以利用更多的气候、水、土等资源，生产更多的粮食，这也就推动了我国农业集约化的发展。以农用物资的投入为例，我国化肥施用总量从1950年的0.6 万t（纯养分）增加到2018年的5 653.4 万t（国家统计局，下同），单位面积的化肥施用量达到340.8 kg/hm2；
2018年的农药使用量 达 到150.4 万t（9.1 kg/hm2），农 膜 使 用 量 达 到2 466 795.4 t（14.9 kg/hm2），农 机 总 动 力 达 到102 707.7 万kW（6.2 kW/hm2）。正是农用化学品的大量投入，极大地提高了农业资源利用程度与粮食产量，2018年全国平均粮食单产为5 621.2 kg/hm2，比新中国成立初期增长了近5 倍。综合来看，农业资源的高强度利用是我国集约农业生产活动的最主要特点。从我国的国情看，在未来一段时间内，为保障粮食安全，高强度利用农业资源仍然不可避免。
农业资源的过度利用势必会破坏生态平衡，对生态环境产生影响[2]。农业生产中过量的化学成分会引起营养失衡，影响土壤土质；
选用作物品种不当、不合理的种植方式与养地方式等都会加快土壤水分、土壤养分的消耗，引起土壤日趋贫瘠与干旱。当前，伴随着资源的持续高强度利用，农业生产面临着一系列问题。第一，养分失衡，土壤变瘦。由于氮肥用量迅速增加，农家肥用量迅速减少。目前，我国东部地区的农田氮素普遍盈余[3-4]。而且氮、磷、钾结构不合理，农田土壤养分失衡现象明显[4-7]。第二，污染物质积累，农业面源污染加剧。农药、化肥及农膜等农业物资的不合理使用，土壤中污染物积累日益增多。研究表明，几乎80%的环境污染直接来自于N、P 肥的不当施用[8-9]。第三，土壤酸化、盐渍化倾向及土壤变薄现象严重。一方面，土壤耕作不合理，风蚀水蚀严重；
另一方面，尿素、钾肥、铵肥的施用，使得土壤酸度不同程度地增大[10-11]，同时养分和盐分不断积累，盐渍化现象严重。第四，土壤干旱化现象明显。研究表明，农作物能增大蒸散量，农业生产活动能减少降雨径流[12]，覆膜栽培、肥料施用等技术措施的使用增加了土壤水分消耗，引起土壤水分含量下降[13-16]。近年来，包括东北、华北、西北在内的我国北方地区出现了明显的土壤干旱化趋势[17-25]。研究认为，以肥调水等抗旱技术的应用，促进了农田土壤水分的高效利用，增加了粮食产量，但导致了农田土壤干燥化[26]。农田生产力水平越高，作物耗水量越大，土壤含水量下降会越快[27]。近几十年来，随着气候暖干化趋势与人类活动的加强，北方土壤干旱化趋势明显加快。
综上所述，高强度的农业生产导致农田土壤变瘦、变薄、变酸、变干，引起了一系列生态环境问题，对农业可持续发展产生了重大影响。切实转变农业发展方式，加快发展生态保育型农业，促进耕地休养生息是我国农业可持续发展面临的紧迫任务。《全国农业可持续发展规划（2015—2030）》《关于创新体制机制推进农业绿色发展的意见》以及近几年的中央一号文件等都从不同角度提出要通过实施藏粮于地战略，实施耕地休养生息规划，探索实行耕地轮作休耕制度试点，从根本上改变开发强度过大、利用方式粗放的状况，推动农业发展向绿色生态可持续转变。
国外与农田生态保育相关的工作开始于美国的休耕制度。由于土地过度开垦导致中西部连续遭受毁灭性的沙尘暴、干旱的袭击，1933年美国出台相关法律，把土地休耕上升到了制度层面，此后土地休耕成为美国一项农业基本政策；
1956年“Agricultural Act”和1965年“Food and Agricultural Act”相继出台，建立了土壤银行，通过在休耕的农地上种植保护性植被，以控制粮食供给，完善了土地休耕制度，其农田休耕期限为3～10 a。1961年美国规定农场主至少停耕20%的土地[28]；
1985年美国国会通过农业法案，实施了美国最大的土地休耕项目CRP（Conservation Reserve Program），减少土壤侵蚀。受其影响，1992年欧盟进行“Ray Macsharry”改革，鼓励农民休耕，以改善土壤质量[29]。日本二战后也实施了“环境保护型农业”发展战略，对大面积的坡耕地进行退耕，同时在必要时进口农产品和原材料，促进农田生态建设。伴随着国家相关政策的实施，国外科学家们积极围绕农作方式、土壤健康、人类活动影响及休耕计划等开展了众多研究，有效促进了土壤健康与生态保育[30-31]。
我国农田保育历史悠久。北魏《齐民要术》中就有相关记载，如“谷田必须岁易”、“凡谷田，绿豆、小豆底为上，麻、黍、胡麻次之，芜菁、大豆为下”等，表明我国古代就非常重视耕地的轮作休耕。建国以来，我国大规模扩大农田有效灌溉，改良中低产田，开展农田整地等，这些耕地保育活动极大地促进了农业增产增收。与此同时，农田生态保育方面的科学研究也有了很好的积累，其内容主要体现在土壤肥力演变与土壤养分管理、保护性耕作、作物布局、轮作间作等方面。然而，近30 多年来，由于人口的急剧增加，粮食需求迫切，片面追求高强度——高投入高产出，重用轻养，农田培育在应用中被忽视，农业可持续发展的基础受到冲击。
面对日益严重的农田生态环境问题，早在20 世纪末、21 世纪初就有学者提出对部分农田实施休耕的建议[32-33]。杨正礼等[34]明确提出中国农田要实施生态保育的思想，建议通过积极的农田生态抚育与建设，稳步提高基础地力，维护和改善我国农田用养关系。近年来，农田生态退化引起了众多学者及社会各界的关注，农田生态保育逐渐受到重视。首先学者们从不同的角度揭示农田生态退化现象，研究生态保育措施。揣小伟等[35]从耕地储备的角度进行了理论探讨；
赵雲泰等[36]探讨了区域虚拟休耕规模与空间布局的方法；
张慧芳等[37]提出了季节性休耕、流转性休耕与计划性休耕3 种模式；
杨邦杰等[38]提出以科学休耕为主要手段，恢复京津冀水土资源支撑能力。这其中，保护性耕作因针对性强而得到了比较多的关注与重视，取得了很好的进展[39-40]，有力推动了农田生态保育理论与技术体系的丰富与完善。特别值得一提的是，黑土地退化问题尤为突出，国家出台了一系列文件对黑土地利用提出了一系列措施[41-42]，这也说明农田生态保育工作迈开了重要步伐。
以上研究表明，尽管古代我国具有丰富的农田保育技术，有效维持了“地力常新”，但新的形势下，由于粮食需求的快速增加以及现代技术的快速发展，人们追求高投入高产出，农田保育未受到重视。虽有不少科学家呼吁开展并研究了一些保育技术，但非常薄弱。针对当前我国农田普遍出现的生态环境问题，尽管我国已经出台了《全国农业可持续发展规划（2015—2030）》《关于创新体制机制推进农业绿色发展的意见》等相关文件，但由于实施的理论基础非常薄弱，加强生态保育的理论与技术研究是我国农业可持续发展面临的紧迫任务。值得注意的是，由于巨大的人口压力，保证一定的粮食生产水平不可放松。在这种背景下，研究农田生态保育理论与技术具有巨大的挑战性。
生态保育一词起源于生态学，“保育”二字包含“保护（Protection）”与“复育（Restoration）”2 个内涵，前者是针对生态环境的保存与维护，后者则主要针对退化生态系统的恢复、改良和重建。从字面上看，生态是指生物与环境之间的相互关系，生态保育是指生物与环境之间相互关系的保护与复育。正常状态下，生物与环境之间保持一定的平衡关系，环境资源的数量与生物产量保持相对稳定，生物对环境资源的利用处于动态平衡状态。但是，如果某一自然要素变得有利或人为投入增加，生物产量将增加，其对环境资源的利用量将增加，生物与环境之间的平衡关系将被打破，时间一长，环境资源对生物产量产生胁迫作用，生产力将趋于下降。这种情况下，环境资源就需要进行保育，一方面避免进一步退化，另一方面尽可能补充亏缺的环境资源，以恢复原来的状态或重建一个新的状态，维持或增加生态系统生产力。在农田生态系统中，如果农业生产强度过大，利用消耗的环境资源过多，将会引起资源减少、生态退化。这时，农田将会变瘦、变薄、变酸、变干，生产力下降，农业可持续发展受到威胁。
由此，为了避免农田生态退化或逆转农田生态退化趋势，就需要改变农业生产方式，减少过度投入或增进短缺资源，改变生产过程，改善生态平衡，维持或提高农田生产力。生态保育就是在明确农田生态退化机理的基础上，遵循生态学原理，利用现有的经济技术条件，人为地改变和切断农田生态退化的主导因子或过程，通过降低过度投入要素，或优化与补充农田生态相对缺乏的环境资源要素，使得农田生态系统的环境资源要素及其结构与功能尽快恢复到正常或较高水平，促进农田生态平衡水平不断提升的农业生产制度与技术体系。生态保育型农业是在当今农田退化形势下，为了实现农业可持续发展而发展的新型农业耕作制度和技术体系。简单地说，农田生态保育就是针对农田环境资源减少、生态退化问题，为了保护、培育环境资源所采取的促进资源增进、生态改善、农田生产力提高、农业可持续发展的一系列生产制度与技术措施。张维理等[43]认为，现代耕地保育技术是对施肥、耕作、轮作与间套作、障碍农田治理、土壤质量调控技术的统称。
以上分析表明，随着人口增加，粮食需求增加，人们长期通过连续耕种，过度投入，过度利用环境资源要素，引起了农田生态的退化。为解决这一问题，迫切需要发展生态保育型农业，扭转不持续的农业生产方式。生态保育型农业有如下特点，第一，关注环境资源要素之间的平衡关系。第二，关注适度投入与合理利用。当今，维持一定的产量水平是维持当今人口（仍在继续增加）生存的需要，只有适度投入才能保证一定的粮食供应。需要注意的是资源利用限度以资源承载力为前提。第三，关注生产能力与资源高效利用。有限的资源必须得到高效利用，避免浪费。第四，关注生态平衡与生态改善，特别是生态改善。当前，相当一部分的农田已经退化或出现退化态势，需要人们采取立即措施，阻断生态退化，并逐步恢复与改善生态。需要强调的是，生态保育型农业以维护农田生态平衡为根本特征，并不禁止使用化学物品的投入。适量施用化肥是生态保育型农业的一个重要组成部分，前提是适量施用，避免造成农田其他要素的减少，引起农田污染或生态退化。
农业自然资源虽然具有再生产性与可更新性的显著特点，但需要注意的是，农业自然资源同时也具有另外一个特点，即一定的再生产极限与利用极限，如果其利用超过了极限，就会破坏农作物生产与自然资源因子之间的平衡关系，导致土壤变瘦、变薄、变酸、变干，从而也就破坏了农田系统整体功能，导致生产力下降。农田资源的利用只有在再生产极限（资源环境承载力）范围内按照自然规律去开发，才可能得到更新改善。过度利用耕地资源，农田水肥流失严重，土壤有机质含量、蓄水能力持续下降，同时，土壤重金属、有害物质残留持续升高，所有这些，意味着资源利用超过了资源环境承载力，生态平衡被打破，生态趋于恶化。
为此，要扭转恶化的趋势，就需要扭转生态平衡的方向。当前，对已经过度利用的耕地要分情况进行生态保育：对利用不合理的土地要逐步还林还草，保水保土；
对于可以继续利用的土地要从作物布局、耕作、轮作、施肥等方面着手，把用地和养地结合起来，不断提高保土蓄水保墒能力，不断提高土壤肥力水平。具体来说，生态保育可包括水分保育、养分保育、固沙保育、适度投入、综合保育等途径。
第一，水分保育。长期种植高耗水作物会导致土壤水分下降，农田退化。针对这类问题要调整种植作物种类，实施轮作间作，增施有机肥，不断提高土壤的保水性能与持水能力，促进农田水分恢复。第二，养分保育。如果长期只种不养，土壤有机质等养分减少，农田生产力将下降。针对这类问题要采取增施有机肥、轮作休耕、留茬免耕或降低种植强度等措施，扩大农田系统的物质循环，逐步积累农田系统内的有机质，提高养分的输入和输出之间的平衡水平。第三，固沙保育。地表裸露则容易遭受风蚀。针对这类问题要采取留茬免耕、地表覆盖等技术，防风固沙，减少地面径流，防止土壤水蚀、风蚀，保育土壤。第四，适度投入。农药、化肥的过量使用，会导致农田污染，引起环境退化；
化肥的过度施用，还会降低水肥利用效率。针对这类问题要采取适度投入、合理施用等方式，一方面避免污染，另一方面提高利用效率。第五，综合保育。光、温、水、肥等因素之间相互影响、相互作用，一个因素的变化可能会导致另一因素的相应变化。如在旱地，当水分是主要制约因素时，施用化肥则不但没有效果，还会进一步制约水分的利用效果。实际生产中要针对具体情况，合理施策，协同保育。
对应以上途径，相应有如下技术体系。
第一，合理布局作物及品种，科学种植。基于某个地区的实际情况，依照光、温、水、肥条件，遵循生态规律，合理选择作物及品种，合理布局；
增加固氮作物品种种植，改善土壤状况。第二，实施轮作、休耕、免耕、少耕等耕作措施，蓄水保墒，保土保肥。轮作能够实现土壤养分的均衡利用，避免片面消耗；
能够改善土壤理化性状，调节土壤肥力；
也可促进土壤有益微生物的繁殖。休耕能够有效避免环境资源的过度利用，让农田休养生息；
免、少耕能够通过不翻动土层，减少水分蒸发和水土流失，提高土壤蓄水和保墒能力；
能够减缓有机质分解速度，增加有机质积累；
同时也能减少耕作次数和机具对土壤结构的破坏，改善土壤结构。第三，科学施肥。多施用农家肥、种植绿肥，实施秸秆还田，能够增加土壤有机质，培肥土壤。依据生态平衡规律，在资源环境承载力范围内合理使用化肥、农药，促进水肥相互作用，提高水肥施用效果。第四，增加地表覆盖。一方面，地表覆盖可使土壤避免风吹雨淋造成土壤板结与流失；
另一方面地表覆盖也可通过秸秆及其残茬的投入，在地表形成有机质丰富的疏松土壤，有利于有机质积累，还可以切断蒸发面与下层土壤的毛管联系，有效抑制土壤蒸发。
一段时期以来，我国农业生产偏重于高产高效，忽视了农田保育与可持续发展。面对农田生态出现的新问题，迫切需要进行生态保育。然而，相应的理论与实践基础非常缺乏。当前最为紧迫、最为现实的问题是如何进行生态保育？具体一点，什么情况下需要进行水分保育，什么情况下需要进行养分保育，什么情况下需要进行综合保育？再具体一点，就是何种土地需要轮作，何种土地需要休耕？如何休耕能使耕地得以休养生息？休耕期限如何确定？以上这些问题已成为我国农业可持续发展面临的重大科学问题，迫切需要研究解决。要实施好农田生态保育战略，以下问题亟待研究。
第一，农业生产的资源利用、环境影响机理及农业生产与生态系统的互馈机制研究。纵观前人的研究可以发现，因为提高粮食产量的需要，对农业生产系统要素及其调控技术研究非常深入。然而，这些研究偏重于对资源的利用，缺乏环境影响机理研究；
另一方面，没有考虑生态系统中生态要素对农业生产的反馈，最终影响了生态平衡。这是造成生态环境问题的根本原因。为此，加强系统性的农业生产的资源利用、环境影响机理和农业生产系统与生态系统的互馈机制研究非常迫切。这是当前农业可持续发展面临的重大科学问题。
第二，农业生产能力与区域资源环境承载力协同提升的理论与技术研究。研究提出，农业生产强度不能超出区域资源环境承载力。然而，有关区域资源环境承载力的研究非常薄弱。资源环境承载力是生态系统的最大供给能力，但其大小受到技术因素的影响。合理确定和调控生态供给能力是保障生态安全的根本要求，也对农业生产产生直接的影响。在当今人口压力较大的情况下，在资源环境承载力范围内合理安排农业生产，对促进农业生产发展、保障生态安全意义重大。为此，开展提升区域资源环境承载力，同时提升区域农业生产能力（协同提升）的理论与技术研究具有特别重要的科学与现实意义。
第三，生态保育机制及其区域化途径研究。一段时期以来，由于对粮食安全问题的担心，人们偏重了农业资源的高强度利用，一定程度上忽视了农田保育。面对日趋严重的生态环境问题，我国作出了藏粮于地的战略决策，要通过轮作休耕进行耕地保育，但如何实施，如何根据资源环境承载力合理安排农业生产强度，如何在保证一定数量粮食产量的基础上合理休耕等等，生态保育机制是当前急需研究的重大科学问题。尽管我国历史上关于生态保育的传统技术非常丰富，但在人口数量巨大的今天如何进行生态保育是我国农业可持续发展面临的重大科学任务。由于各个区域的自然环境与社会经济条件不同，对资源环境的利用和影响程度及需求不同，为此，研究生态保育机制的区域化途径是推进区域生态环境整体改善的内在与迫切需求。
第四，以北方农牧交错带等生态脆弱地区为重点，优先开展生态保育型农业前沿研究。北方农牧交错带地处我国半干旱地区，联接着我国东部农耕区与西部草原牧区，是我国东、中部地区的重要生态屏障。历史上，北方农牧交错带以草地畜牧业为主，但到了近代，由于我国特殊的国情——人口压力，不得不在这类生态环境脆弱地区进行相当强度的农业生产，并努力提高其系统生产力。随着土地利用强度的不断增加以及只用不养等不当利用方式，土壤日趋贫瘠与干旱化，生态系统生产力趋于下降[12-16,44-49]。尽管1999年后实施了退耕还林还草政策，但涉及面积小，对整体生态环境的改善有限。2016年11月，农业部出台了《关于北方农牧交错带农业结构调整的指导意见》，提出要依据区域水资源承载力和环境消纳能力，有计划地调整种植制度。为此，开展北方农牧交错带农业生产的资源利用与环境影响与耕地保育研究更为紧迫，对促进北方农牧交错带可持续发展具有十分重要的科学与现实意义。
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