王 琦,師尚禮,曹文俠
(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院,甘肅 蘭州730070)
草田定義為利用禾本科植物和其他植物發(fā)展農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn),保持人類生存可持續(xù)生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,是農(nóng)、林、牧三位一體的農(nóng)牧業(yè)體系,同時(shí),給人類提供運(yùn)動(dòng)、休閑、娛樂和競(jìng)技場(chǎng)所[1-2]。草田耕作制度是介于休閑制與常年耕作制之間的一種粗放耕作制,在地廣人稀土地上進(jìn)行的一種牧草和作物輪作、混作和間作、休閑等種植方式[3-4]。世界草地面積約占世界陸地面積(不包括冰川和河流)的54%[5],世界約25%的人口生活在草地上或草地周圍,約10%的人口依賴動(dòng)物產(chǎn)品,約33%的動(dòng)物依賴草地生活,并且這種趨勢(shì)逐年上升[6]。澳大利亞草地面積約占陸地面積的60%,草地是澳大利亞最重要的生態(tài)系統(tǒng)[7]。草田提供人類和動(dòng)物食物以及野生動(dòng)物庇護(hù)場(chǎng)所,具有涵養(yǎng)水源、保護(hù)生態(tài)多樣性和地貌景觀、減緩氣候變化和維持地區(qū)可持續(xù)發(fā)展等作用[8]。草地植物和草地上生存的動(dòng)物對(duì)維持地貌特征、生態(tài)經(jīng)濟(jì)、畜牧業(yè)等可持續(xù)發(fā)展具有關(guān)鍵作用。未來人類發(fā)展主要依靠對(duì)草田概念、草田耕作管理和草田可持續(xù)發(fā)展等的理解。
在大部分亞洲國(guó)家,如俄羅斯和中國(guó)采用大面積固定式和機(jī)械化農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)技術(shù),部分地區(qū)草田出現(xiàn)不同程度退化,但蒙古國(guó)大部分地區(qū)采取游牧和少免耕等保護(hù)性耕作措施,有利于保持草田穩(wěn)定性和防除雜草。草田耕作應(yīng)該是用地和養(yǎng)地結(jié)合,實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)糧食/牧草2元結(jié)構(gòu)向糧食/牧草/家畜養(yǎng)殖3元結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化[8]。Millar和 Connell[9]研究表明新技術(shù)是提高亞洲農(nóng)牧民生產(chǎn)能力和謀生能力的重要手段,調(diào)整牧草與農(nóng)田和家畜比例,從而使其適應(yīng)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)狀況,達(dá)到擴(kuò)大生產(chǎn)的目的,這些技術(shù)包括尋找和發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)易培養(yǎng)不同環(huán)境農(nóng)牧民的培訓(xùn)模式、改革當(dāng)?shù)夭萏锔髦贫?、培養(yǎng)有潛力的農(nóng)業(yè)技術(shù)人員、讓高收益農(nóng)牧民帶動(dòng)更多農(nóng)牧民從事新技術(shù)生產(chǎn)、進(jìn)行新技術(shù)交流和學(xué)習(xí),研究機(jī)構(gòu)和政府部門對(duì)新技術(shù)進(jìn)行扶持等工作。
中國(guó)西南部(西藏、青海、內(nèi)蒙古、新疆、四川和云南)草地退化嚴(yán)重,近些年具有加劇的趨勢(shì),通過調(diào)查顯示,氣候變化和人類經(jīng)濟(jì)發(fā)展是草地退化的主要原因。近些年,隨著我國(guó)西北地區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整,草田耕作模式在我國(guó)寧夏、甘肅、陜西、內(nèi)蒙、西寧等地區(qū)進(jìn)行大面積推廣[10-11]。通過環(huán)境綜合分析法,Tony等[12]研究表明,中國(guó)西部草地面臨主要問題是空氣溫度增加、地表溫度上升、土壤表層含水量提高和污染加重等。在2014年8月拉薩舉行的中科院和政府工作會(huì)上,專家們提出,從1960年至2012年,西藏人口增長(zhǎng)300%,年降雨量提高12%,氣溫增加1.7~4.6°C,每10年增加0.4°C,氣溫增加速度是全球的2倍,同時(shí),冰川退縮速度較快,近些年大約10%的多年凍土已經(jīng)出現(xiàn)凍融,湖水水位上漲14%,湖水水位上漲速度是全球的2倍(圖1)[13]。
家庭承包責(zé)任制(household tenure)是中國(guó)西部草地管理的主要形式,是一個(gè)不開放系統(tǒng)。如果中國(guó)西部草地管理將家庭承包責(zé)任制改為社團(tuán)管理制(community-based management),包括集體責(zé)任制(collective tenure)和小組責(zé)任制(small group tenure),可以減少圍欄等管理費(fèi)用,保護(hù)放牧資源,減輕環(huán)境污染,解決草地之間糾紛等問題。解決中國(guó)西部草地退化策略如下:(1)保持家畜需草量和飼草供應(yīng)量平衡;(2)提高牧草圍欄放牧管理和其他管理措施(連續(xù)放牧、季節(jié)放牧、休牧等);(3)提高家畜飼養(yǎng)管理,包括品種優(yōu)良化、生產(chǎn)機(jī)械化、生產(chǎn)專業(yè)化、飼養(yǎng)科學(xué)化等;(4)進(jìn)行草地病蟲害和鼠害控制;(5)進(jìn)行草地管理基礎(chǔ)建設(shè);(6)盡管技術(shù)指導(dǎo)和行政干預(yù)不能完全解決中國(guó)西部草地退化問題,但對(duì)解決草地退化至關(guān)重要;(7)保持草地面積、家畜數(shù)量和人口數(shù)量平衡[12]。Zhang等[14]通過4年放牧試驗(yàn)結(jié)果表明,中等放牧強(qiáng)度(550標(biāo)準(zhǔn)羊單位hm-2a-1)可以保持草地生產(chǎn)力和草地多樣性,提高牧民經(jīng)濟(jì)效益,減緩溫室氣體排放量。適宜存欄量(400標(biāo)準(zhǔn)羊單位hm-2a-1)可以保持草地羊草(Leymus chinensis)組成和較大羊日增重。初夏休牧有利于保護(hù)草地多樣性,但降低牧民收入。如果將放牧強(qiáng)度減少50%,可以提高草地系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)功能,減少溫室氣體排放量,提高草地多樣性和牧民收入。
圖1 1960-2012年西藏人口、家畜、降雨、湖水位和解凍多年凍土的增加Fig.1 The increase in population,livestock,precipitation,lake level and thawed permafrost from 1960to 2012in Tibet(Jane Q,2014)
歐洲土地主要分為無耕作半自然狀態(tài)草地和農(nóng)耕地。無耕作半自然狀態(tài)草地主要用于放牧,土地利用時(shí)間明顯高于農(nóng)耕地,為動(dòng)植物群落提供庇護(hù)場(chǎng)所;農(nóng)耕地主要用于種植農(nóng)作物、蔬菜、經(jīng)濟(jì)作物等,農(nóng)耕地管理主要采用精耕細(xì)作,包括灌溉、施肥、排水、耕作、播種、除草、病蟲害防治等。農(nóng)耕地管理引起動(dòng)植物群落棲息環(huán)境碎片化、退化和消失,從而減少生物多樣性、土地資源、水資源、經(jīng)濟(jì)效益等[15]。近些年,北歐[16]、西歐[17]、東歐[18]無耕作半自然狀態(tài)草地面積明顯減少。在美國(guó),為了滿足人口增加對(duì)食物和纖維產(chǎn)品的需求,緩解政治和經(jīng)濟(jì)壓力,將農(nóng)耕優(yōu)惠政策用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[19-20]。農(nóng)耕優(yōu)惠政策導(dǎo)致大量草地和林地變?yōu)檗r(nóng)耕地,從1920年至2009年,草地和林地?cái)?shù)目從6×106降低到2×106。Franzluebbers[21]通過對(duì)美國(guó)東部草田調(diào)查,發(fā)現(xiàn)草地尤其是多年生牧草地徑流量、土壤侵蝕量和土壤N、P損失量顯著降低(圖2)。與多年生牧草地相比,傳統(tǒng)耕作和免耕的徑流效率分別降低55%和0%,土壤侵蝕量分別降低1000% 和67%,土壤氮損失分別降低515% 和150%,土壤磷損失分別降低1200% 和350%。說明表層土壤條件對(duì)土壤水分和土壤養(yǎng)分循環(huán)產(chǎn)生顯著影響,多年生牧草地具有疏松表層土壤結(jié)構(gòu)和深厚枯草層,有利于降雨入滲和減少?gòu)搅?,從而減少土壤營(yíng)養(yǎng)元素?fù)p失。在過去20年,歐洲大約4×106ha無耕作半自然狀態(tài)草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)耕地[8]。無耕作半自然狀態(tài)草地是一種多元化和多功能系統(tǒng),而農(nóng)耕地是一種單一化和簡(jiǎn)單系統(tǒng),農(nóng)耕地必然引起物種資源多樣性減少[22]。例如,歐洲自然或半自然狀態(tài)草地棲息地改變引起約76%種鳥類數(shù)量下降[23],從1930年至今,英國(guó)和威爾士約97%濕地草甸消失[24]。Nikolov等[25-26]于2008-2009年研究了地中海灌木覆蓋度和放牧強(qiáng)度對(duì)鳥群落的影響,結(jié)果表明,鳥群落結(jié)構(gòu)與植被連續(xù)性和土地生產(chǎn)力具有顯著相關(guān)性,灌木的鳥豐富度明顯高于草地,高密度灌木群落鳥的多樣性明顯高于低密度灌木群落,建議在草地種植適宜灌木群落有利于保護(hù)草地鳥(grassland birds)和農(nóng)田鳥(farmland birds)的多樣性和地區(qū)可持續(xù)發(fā)展。同時(shí),研究發(fā)現(xiàn),粗放化管理草地的鳥數(shù)量和鳥種類遠(yuǎn)大于廢棄牧場(chǎng)和精細(xì)化管理牧場(chǎng),鳥棲息地異質(zhì)性與鳥種類之間存在顯著相關(guān)性。廢棄牧場(chǎng)增加維管植株(vascular plant)高度和中生植物(mesophyte)、闊 葉 植 物(leafy plant)和 受 威 脅 植 物(threatened species)的豐富度,放牧牧場(chǎng)增加物種豐度、異質(zhì)性、玫瑰花結(jié)形成物種(rosette forming species)和春天開花物種(spring-flowering species)的豐富度。Vladimir等[27]通過對(duì)歐洲草地進(jìn)行多年(2006-2010)調(diào)查,結(jié)果顯示,半自然狀態(tài)草地在歐洲分布較廣,由于農(nóng)業(yè)耕作優(yōu)惠政策,歐洲部分國(guó)家將半自然狀態(tài)草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)耕地、葡萄園和果園等,使半自然狀態(tài)草地面積逐年降低。Plieninger等[28]通過對(duì)歐洲農(nóng)林草地進(jìn)行調(diào)查,結(jié)果顯示,歐洲農(nóng)耕地面積增加6.8%(33ha·4.84 km2),半自然狀態(tài)草地面積減少6.2%(30ha·4.84 km2)。Vladimir等[27]建議取消農(nóng)耕優(yōu)惠政策或把農(nóng)耕優(yōu)惠政策用于種草和畜牧業(yè)發(fā)展,將有利于保護(hù)歐洲天然草地面積。
圖2 耕作措施對(duì)徑流效率、土壤侵蝕、氮損失和磷損失的影響Fig.2 Effects of tillage methods on runoff efficiency,soil erosion,nitrogen loss and phosphorus loss(Franzluebbers and Stuedemann,2008)
由于近30年國(guó)際市場(chǎng)對(duì)乙醇的需求,南北美洲土地大量用于連作經(jīng)濟(jì)作物的種植,如甘蔗(Saccharumofficinarum)等。近些年南北美洲1年生牧草和多年生牧草種植面積分別減少12%和15%,單位草地面積產(chǎn)奶量提高32%[29-30]。巴西是世界生產(chǎn)甘蔗量最大的國(guó)家,巴西甘蔗產(chǎn)量(6.35×1011t)約是世界甘蔗產(chǎn)量的33%。在巴西熱帶南部地區(qū),約90%的土地用于甘蔗種植,大部分草地和農(nóng)耕地用于甘蔗生產(chǎn),導(dǎo)致肉、谷物和蔬菜產(chǎn)量降低[30]。在自然牧場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)耕生態(tài)系統(tǒng)過程中,森林砍伐和生物質(zhì)燃燒導(dǎo)致CO2和其他溫室氣體釋放[31-32]。經(jīng)濟(jì)作物,如甘蔗,連作種植引起土壤質(zhì)量下降、水體富營(yíng)養(yǎng)化(富含營(yíng)養(yǎng)元素、殺蟲劑、病原體等)和溫室氣體增加,使人類再次關(guān)注南北美洲草田耕作制度。將甘蔗連作種植改為蔬菜-牧草-甘蔗草田輪作種植,可以提供人類更多的食物和纖維產(chǎn)品[33]。草田耕作制度關(guān)系人類政治、管理、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等問題。Carvalho等[34]在巴西研究不同耕作制度對(duì)土壤碳和溫室氣體排放等影響,結(jié)果表明,將當(dāng)?shù)夭莸剞D(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)耕地,明顯降低土壤碳貯存量,土壤碳損失量約為0.25~0.64Mg C·ha-1·a-1,碳釋放量約為0.54~0.72Mg C·ha-1·a-1,草田輪作提高碳貯存量為0.60Mg C·ha-1·a-1。草田輪作的N2O釋放量高于傳統(tǒng)草地,與傳統(tǒng)耕作相比,草田輪作可以減少溫室氣體排放[35]。Franzluebbers等[36]通過對(duì)南北美洲蔬菜-牧草-甘蔗輪作模式進(jìn)行調(diào)研,發(fā)現(xiàn)草田輪作(如菜-牧草-甘蔗)具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)提高谷物、肉和奶等的產(chǎn)量;(2)提高表土層土壤養(yǎng)分含量,尤其有機(jī)質(zhì)含量,降低土壤酸性;(3)提高土壤滲透性和土壤含水量;(4)使草、糧、畜協(xié)同發(fā)展,能更好提高農(nóng)牧產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量。
非洲大部分草田處于熱帶雨林和熱帶草原氣候地帶,夏天炎熱,冬天氣候涼爽,年降雨量為250~750 mm,干旱季節(jié)主要出現(xiàn)在冬季,降雨季節(jié)主要出現(xiàn)在夏季。非洲大約65%草田位于干旱和半干旱地區(qū),降雨量少和降雨量變頻較大,導(dǎo)致非洲草田生產(chǎn)力低且不穩(wěn),尤其東非和北非人口密度較大,草地資源碎片化、退化和消失較為嚴(yán)重,可耕作土地日益縮減[37]。在東非、中非和北非,小型家庭式農(nóng)牧系統(tǒng)占主要市場(chǎng),是農(nóng)作物(玉米、水稻、高粱、糜子等)生產(chǎn)和家畜(反芻動(dòng)物和非反芻動(dòng)物)養(yǎng)殖結(jié)合體。小型家庭式農(nóng)牧系統(tǒng)是非洲國(guó)家農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的脊梁,給非洲提供了70%~90%的肉產(chǎn)品和75%的奶產(chǎn)品,養(yǎng)活70%的人口。在非洲食物安全、人類健康和家庭生計(jì)等方面,小型家庭式農(nóng)牧系統(tǒng)扮演著重要角色[38]。非洲放牧土地和耕作土地日益縮減和奶產(chǎn)量需求日益增加,東非、中非和北非農(nóng)場(chǎng)圈養(yǎng)飼喂(零放牧)家畜趨勢(shì)日益增加。在小型家庭式農(nóng)牧系統(tǒng)中,婦女從事大量體力勞動(dòng)[38]。例如在盧旺達(dá),超過60%家庭放牧土地和耕作土地面積小于0.7hm2,在農(nóng)場(chǎng)圈養(yǎng)飼喂家畜的養(yǎng)殖過程中,飼料主要為象草(PennisetumpurpureumSchum)和作物秸稈等。東非和北非水資源匱乏,氣候干燥,同時(shí)受海水位上漲威脅。氣候變化容易使草田、家畜和水資源受到嚴(yán)重威脅[39]。在許多非洲國(guó)家,禾本科和豆科牧草、灌木和樹枝作為動(dòng)物主要飼料,為了提供更多食物,養(yǎng)活不斷增長(zhǎng)的人口和減緩氣候變化,非洲將部分草地改用于農(nóng)業(yè)耕地。較高的家畜量和落后的放牧管理(輪牧、休牧等)導(dǎo)致草地資源碎片化、退化和消失[40]。ElShaer[40]研究結(jié)果表明,通過以下措施可以減緩草地資源碎片化、退化和消失:(1)發(fā)展灌溉系統(tǒng)和少免耕耕作系統(tǒng),提高土壤碳貯存量和土壤貯水量;(2)利用夏天雨季洪水,做好洪水漫灌管理;(3)引進(jìn)太陽能系統(tǒng),減少對(duì)自然資源的開發(fā);(4)栽培抗干旱和抗鹽堿沙生植物;(5)提倡植樹造林;(6)提高草田放牧管理,促進(jìn)農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)量和質(zhì)量;(7)發(fā)展海洋生物養(yǎng)殖業(yè),栽培利用太陽能和海水中的魚類、海帶和海藻等;(8)根據(jù)候鳥遷徙習(xí)性和動(dòng)物棲息環(huán)境特征,恢復(fù)沙漠瀕危哺乳動(dòng)物數(shù)量,推廣生態(tài)旅游;(9)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)草田資源的干旱、沙漠化和自然災(zāi)害等;(10)加強(qiáng)自然資源保護(hù),使自然資源可持續(xù)發(fā)展;(11)長(zhǎng)期使用生態(tài)控制網(wǎng)絡(luò);(12)利用地理信息系統(tǒng)(GIS),做好灌溉水和牧場(chǎng)管理;(13)建立長(zhǎng)期觀測(cè)試驗(yàn)站和區(qū)域化數(shù)據(jù)庫(kù)。改變耕作措施、提高灌溉技術(shù)和方法、引進(jìn)適宜家畜-飼料-作物生產(chǎn)系統(tǒng)等能夠提高水分利用效率和減輕草地資源碎片化、退化和消失。
人口增加、氣候變化、食物安全危機(jī)、水資源和能源資源短缺對(duì)國(guó)際草田資源和管理帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。與1980-1999年相比,21世紀(jì)末全球氣溫上升1.5~4℃,CO2濃度上升550~900umol·mol-1,同時(shí)伴隨極端氣候(干旱、洪澇、高溫?zé)崂撕偷蜏乩浜Γ┏霈F(xiàn)頻率增加,環(huán)境和氣候變化對(duì)國(guó)際草田耕作產(chǎn)生較大影響[41-42]。為了適應(yīng)環(huán)境變化,草田耕作應(yīng)該多播種C4植物和1年生牧草,盡量采用禾本科牧草和豆科牧草混播技術(shù)。根據(jù)氣候變化,調(diào)整草田耕作模式和推動(dòng)傳統(tǒng)草地放牧業(yè),從而提高草地生產(chǎn)力(食物和皮毛)和草地環(huán)保作用,縮短發(fā)展國(guó)家與發(fā)達(dá)國(guó)家草地管理水平差距,發(fā)揮基因工程在草田育種和管理中的作用。少免耕和覆蓋草田耕作技術(shù)可減少溫室氣體排放和緩解全球氣候變化。
施加化肥、除草劑、殺蟲劑和殺菌劑成為世界大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)在草田耕作中采取的主要管理措施,這些措施不僅破壞草田土壤結(jié)構(gòu),打破土壤微生物環(huán)境,而且引起土壤生產(chǎn)力下降、土壤干旱、鹽堿化、酸化等,對(duì)人類、動(dòng)物和土壤健康造成嚴(yán)重威脅。人類應(yīng)該尋求新的草田耕作方法,該方法不會(huì)摧毀草田土壤結(jié)構(gòu)和土壤環(huán)境,但能提高土地生產(chǎn)力和養(yǎng)活不斷增加的人口[43-44]。
隨著人類對(duì)農(nóng)畜產(chǎn)品質(zhì)量、資源高效利用和生物多樣性保護(hù)等需求的提高,保護(hù)草田作用和增加草田生產(chǎn)不能僅限于幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家或發(fā)展中國(guó)家,而應(yīng)該是全球性責(zé)任。荷蘭、新西蘭和澳大利亞是保護(hù)草田和增加草田生產(chǎn)的成功典范。他們通過外在力量(培訓(xùn)、參觀和模擬學(xué)習(xí))和法律法規(guī),提高了草地生產(chǎn)力并減少了勞動(dòng)力投入。從某種程度講,草田精耕細(xì)作導(dǎo)致肥料損失和溫室氣體排放量增加,但降低單位產(chǎn)品的肥料損失和溫室氣體排放量。草田精耕細(xì)作導(dǎo)致資源集中高效利用,從而有利于維護(hù)草地可持續(xù)發(fā)展。如果草田耕作離開集約化管理,資源效率利用低、生產(chǎn)力低、過度開發(fā)和無規(guī)律運(yùn)營(yíng)將對(duì)草田管理產(chǎn)生更大壓力[45]。
草、糧和畜結(jié)合是荷蘭、新西蘭、澳大利亞和美國(guó)草田發(fā)展的成功道路,不僅達(dá)到了提高生產(chǎn)的目的,而且有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境。草、糧和畜結(jié)合具體實(shí)施措施是進(jìn)行草田輪作、覆蓋農(nóng)作物、糧草間套作、少免耕和保護(hù)性耕作等。草田輪作可以控制病蟲害和恢復(fù)土壤有機(jī)質(zhì),而土壤有機(jī)質(zhì)是土壤和植物健康的重要標(biāo)志。盡管秸稈覆蓋和留茬覆蓋產(chǎn)生較低經(jīng)濟(jì)效益,但可以減少土壤和地下水惡化,有利于農(nóng)牧業(yè)發(fā)展和產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益。
參照國(guó)際生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)估的思路、觀點(diǎn)和方法,草田耕作生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)該考慮生產(chǎn)力(productivity)、可持續(xù)性(sustainability)、利潤(rùn)(profitability)、社會(huì)福利(social wellbeing)和政治接收能力(political acceptability)。這要求緊緊圍繞草田耕作生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)品、服務(wù)與人類福利的關(guān)系,進(jìn)行豆科牧草和禾本科牧草間作套作,達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和資源保護(hù)的目的,解決企業(yè)專業(yè)化和生產(chǎn)多樣化之間的矛盾。今后草田耕作發(fā)展方向是更多關(guān)注社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政治等問題,而不是僅僅關(guān)注農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)力和可持續(xù)發(fā)展[43-44]。關(guān)注動(dòng)物福利是許多發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展草田耕作的重要特征,使動(dòng)物在無痛苦、無疾病、無異常行為、無心理緊張的狀態(tài)下生活和生長(zhǎng)發(fā)育。