江西水稻清洁生产理论与技术实践

黄庆海,李大明*,柳开楼,丁小满,叶会财,胡志华,余喜初,胡秋萍,胡惠文,徐小林

(1.江西省红壤研究所/国家红壤改良工程技术研究中心/农业农村部 江西耕地保育科学观测实验站,江西 南昌 330046;2.南昌市新建区农业农村局 农产品质量检测站,江西 南昌 330100)

江西是我国13个粮食主产区之一,全省耕地面积308.9万hm2,其中水田面积251.1万hm2,水稻播种面积居全国第三,近年稳定在333万hm2以上;总产已稳定在200亿kg以上,居全国第三位[1-2]。江西稻谷产量占粮食总产的95%以上,而双季稻的种植面积又占水稻播种面积的89%,居全国之首。然而,在水稻生产中,不合理的施肥管理和耕作栽培措施等导致了氮磷养分大量淋失,化肥、农药利用率低下,在造成资源浪费的同时,造成潜在的农业面源污染风险[3-4];受成土母质、土壤酸化和不适当耕作管理措施等因素的影响,土壤重金属的危害风险日益显现,稻米重金属含量超标事件时有发生[5-7]。再加上水稻生产过程中的淹水、干湿交替等水分管理措施和不合理的耕作措施,可诱导温室气体排放量增加[8-11]。要破解这些问题,进一步凸显江西省水稻种植特色,提升水稻品牌价值,必须探索更为科学高效的双季稻栽培管理技术模式。

清洁生产是以实现物质循环利用、资源高效利用、污染物阻断减毒等为目的的生产技术模式。在当前资源紧缺、环境优先的背景下,清洁生产具有明显的优势。清洁生产技术已在其它行业得到了较为广泛的应用,其指导思想符合当前绿色生态农业的发展理念,也是破解当前江西省双季稻发展遇到的实际困难的有效途径。目前对双季稻清洁生产的内涵和技术路径尚缺乏系统总结和实践,因此本文在归纳有关清洁生产技术原理的基础上,结合近年来水稻清洁生产技术研究和应用的实际,分析了双季稻清洁生产技术的背景意义,初步探讨了江西省双季稻清洁生产的内涵、技术原理、控制路径和主要技术,并结合生产实践比较了水稻清洁生产技术的应用效果和前景,旨在为推动江西双季稻安全高效可持续发展提供理论依据和技术支撑。

1 水稻清洁生产的需求与意义

1.1 水稻清洁生产是建设秀美乡村、实现乡村振兴的迫切需求

打造美丽中国“江西样板”。绿色生态是江西最大的品牌,水稻生产必须要以维护江西优美的生态环境为前提。当前,江西省在大力发展畜禽绿色养殖和粮食丰产的背景下,采用清洁生产技术实现养殖废弃物的循环利用将可以实现畜禽养殖废弃物处理与粮田地力提升的双赢,对获得江西粮食持续稳产丰产、减轻农业面源污染、提升农田肥力水平有重要的推动作用,可为建设秀美乡村、实现乡村振兴提供重要保障。2018年中央1号文件《中共中央、国务院关于实施乡村振兴战略的意见》明确指出了乡村振兴战略的总要求“产业兴旺、生态宜居、乡风文明、治理有效、生活富裕”；《中共江西省委、江西省人民政府关于实施乡村振兴战略的意见》也明确指出了江西省乡村振兴战略的发展目标“农业稳粮、优供、增效,农村整洁美丽、和谐宜居,农民脱贫、致富、文明”；要实现这些目标也迫切需要在江西省主要的农田利用类型——稻田生产管理中应用清洁生产技术。

1.2 水稻清洁生产是实施国家“减肥减药”战略的主要路径

农业生产是人类通过对环境的投入而不断获取相应回报的过程。我国以高资源消耗换取粮食高产的水稻生产方式将难以持续,随着农业供需关系的转变,环境问题及食品安全问题已成为关注焦点,农业生产方式必须要转变,农业供给侧结构性改革势在必行。在2015年,农业部印发了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》和《到2020年农药使用量零增长行动方案》；水稻作为江西省种植面积最大的作物,其生产也必须应时而发,顺势而为,采用清洁生产技术,合理降低种植过程中化肥和农药的投入量,从而实现国家“减肥减药”的战略目标。

1.3 水稻清洁生产是农产品质量安全的重要保障

“镉大米”等农产品质量安全问题的发生为我国水稻生产管理敲响了警钟。水稻产业发展从土壤选择、施肥、灌溉、水稻栽培、收获到稻谷的保存、加工,每一个环节都与食品安全密切相关。采用水稻清洁生产技术实现种植过程的全程清洁化管控,将污染物阻断在食物链之外,将可为农产品质量安全提供重要保障。

1.4 水稻清洁生产是贯彻落实江西省绿色生态农业发展十大行动的重要支撑

习总书记于2016年春节前在江西视察中指出:绿色生态是江西的最大财富、最大优势、最大品牌。在2016年,江西省政府发布了化肥零增长行动、农药零增长行动、养殖污染防治行动、农田残膜污染治理行动、秸秆综合利用行动、农业资源保护行动等绿色生态农业发展十大行动工作要点,这是实现江西省农业绿色生态发展、建设现代农业强省的全面部署,水稻产业发展必须要贯彻落实,实施水稻清洁生产技术将是必然选择。

1.5 水稻清洁生产技术的推广应用符合我国粮食安全的新需求

近年来,我国的粮食安全观已从以往的单纯追求粮食不断高产向粮食高产优质高效转变,从单纯的粮食高总量向提高耕地的粮食产能转变,即由“藏粮于仓”向“藏粮于地、藏粮于技”转变,减库存、扩产能、优结构、增效益是新时代水稻产业发展的战略路径,而清洁生产技术提倡的绿色高产高效可持续契合我国粮食安全的新要求。

2 水稻清洁生产的内涵

水稻清洁生产是指通过合理控制和调节水稻生产的全过程管理,协调稻田生态系统内各生态因子的关系,增强生态系统自我循环和净化的功能,尽可能减少对其他生态系统的负面影响,实现水稻的持续、安全、高效生产。水稻清洁生产的基本内涵可以概括为“环境清洁-生产保洁-物质循环-安全高效-持续丰产”。

2.1 环境清洁

环境清洁是水稻清洁生产的前提条件。没有符合水稻生产标准的土壤、灌溉水等产地环境条件,就无法保障水稻的质量安全。水稻生产应优先选择无障碍因子、无污染的土壤,确保灌溉水源清洁无污染。受污染土壤的修复利用不应是清洁生产的主要范畴。

2.2 生产保洁

生产保洁是水稻生产的过程控制。生产保洁要求在水稻生产过程中避免人为带入或尽可能少带入污染物，实现生产投入品的高效利用，避免对环境的负面影响,不输入稻田生态系统的负能量。亦即合理施用农药、化肥，合理利用农业废弃物等,避免外源污染物随生产活动进入生态系统,保持和维护稻田生态系统的能量平衡和稳定性。

2.3 物质循环

物质循环是水稻清洁生产的技术路径,在水稻生产过程中实现本身生产过程产生的废弃物料的循环利用,增强稻田生态系统内自我循环与净化功能,提高稻田生态系统能量储蓄能力和系统的生态稳定性。同时,消纳稻田周边地区农村养殖及生产生活的无害化废弃物,尽可能减少对其他生态系统的污染承载。常见的模式有:水稻秸秆还田、将稻壳粉碎后作为饲料喂养畜禽类、将畜禽粪便作为有机肥施入农田、就近消纳养殖场的畜禽粪便等。

2.4 安全高效

安全高效是水稻清洁生产的总体目标,实现资源的高效利用,生产安全的粮食产品,不过分单一追求经济效益,而是达到经济效益、社会效益、生态效益的统一综合目标；不仅要经济高效,更要资源利用高效、生态高效；不仅要农产品质量安全,更要生态安全。这是水稻清洁生产的特色和优势,也是水稻产业发展的潜力和生命力所在。

2.5 持续丰产

持续丰产是水稻清洁生产的基本要求,在实现水稻相对合理的高产量的同时,实现土壤质量的提升与保持,稳定当前粮食产量,增加土地粮食产能,将水稻产量短期目标和长远目标有机统一起来,既保障粮食安全,又达到“藏粮于地”的目的。但盲目追求生态环境的改善,从而严重降低水稻产量不符合我国的基本国情。因此,既要实现水稻适度丰产,保持粮食产量稳定,更要注重逐步提升土壤质量,提高土地的粮食产能,保持粮食长期可持续优质丰产。

3 水稻清洁生产的基本理论

水稻清洁生产控制路径包括:源头阻控、过程削减和末段治理等,这与“环境保洁、生产清洁、物质循环、安全高效”等清洁生产的内涵是一致的。常规的技术措施主要包括:减少污染源投入、施用改良剂、选择合理的水稻品种和调控水稻生产的水肥管理等农艺措施,以及通过物理、化学和生物学手段对污染场地进行修复治理等。

3.1 源头阻控

源头控制是减少农业面源污染最有效的技术途径。主要是通过科学制定水稻生产管理技术方案,合理的作物营养及病虫害防治管理,减少化肥、农药等的施用量,减少化学污染源，促进农业废弃物资源的循环利用,从源头上削减污染源,以达到减少农业面源污染的目的。

3.2 过程阻断

主要是在农业面源污染轻度产生后,根据污染物质的产生源头和迁移、变化规律,因地制宜,制定科学合理的阻控措施,在其迁移过程中进行拦截、吸附、降解、削减,制止污染源流出农业生态系统而污染环境或在农产品中累积,达到控制污染物质转移或扩散的目的。这是清洁生产的过程控制理论。

3.3 末端治理

末端治理是按点源的方式对已污染的水体与土壤通过工程方法、生物方法、化学方法进行治理。对受污染的土壤可以采取施肥等措施来影响污染物在土壤中的环境行为或降低其生物有效性,从而减少作物对污染物质的吸收和富集,达到生产出安全农产品的目的。是安全高效的补救性措施。

4 水稻清洁生产的技术原理和实践

4.1 报酬递减规律

边际报酬递减规律:又称边际收益递减规律,是指在其他条件不变的前提下,如果一种投入要素不断地等量增加,增加到一定产值后,其提供的产品和增量就会下降,即可变要素的边际产量会递减,是经济学著名的边际报酬递减规律,并且是短期生产的一条基本规律。

土地报酬递减规律:是指在技术不变和其他要素不变的前提下,对相同面积的土地不断追加某种要素的投入所带来的报酬的增量(边际报酬)迟早会出现下降。

总报酬,即总产量,可视为tP；平均报酬,即总报酬除以某种要素的投入量,可视为mP；某要素(例如化学肥料)的投入量,可视为F；边际报酬,即对同一块土地不断追加某种要素(F)的投入,最后一单位追加要素所带来的总报酬的增量，可视为mP=△tP/△F或tP/F。

水、肥、气、热等资源的利用均存在报酬递减的规律(图1),当资源投入达到一定的阈值后,再增加资源的投入时收益会明显下降,而过分高投入非但不能实现作物高产,反而会导致作物产量下降,起到负面作用。

图1 水稻生产中的报酬递减率

通过在不同点位进行的氮磷肥梯度试验结果(图2～图3)也表明,随着氮、磷肥用量的增加,早、晚稻季的产量均呈现出先增加后稳定的趋势；通过拟合方法研究表明,氮、磷肥的合理用量分别为150～180 kg/hm2和50～60 kg/hm2。

4.2 基础地力贡献率

土壤基础地力的高低会显著影响水稻的产量。高基础地力的农田可以在较低施肥水平情况下取得较高的产量,肥料利用率明显偏高。基于长期定位监测的研究结果(图4)表明,土壤基础地力较高稻田(以土壤有机碳含量为依据)可在施肥水平一致的情况下,提高产量10%～15%[15]。大量研究[13-14]证实,有机无机肥配施是提高土壤基础地力和维持持续增产的有效措施。

图4 施肥对土壤基础地力和作物产量的影响

4.3 物质循环利用

江西省红壤研究所于1981年进行了绿肥(紫云英)、畜禽粪便(猪粪)和秸秆(水稻秸秆)等南方3种主要有机肥料施用的定位试验研究。结果(表1)表明,红壤稻田不仅可以实现生产中的物质循环利用,减少化肥施用量,还可以增加水稻产量的稳定性,保持水稻持续丰产[12]。

表1 不同有机肥、化肥配施比例对水稻产量的影响

注:T1、T2、T3、T4、T5和NPK处理分别为绿肥、2倍绿肥、绿肥+晚稻猪粪、绿肥+晚稻猪粪+冬季秸秆、绿肥+冬季秸秆以及化肥。其中NPK处理的氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥用量分别为90、45和75 kg/hm2；绿肥、猪粪的用量均为22500 kg/hm2；秸秆的用量为4500 kg/hm2。为了保障水稻的正常生长,在1981～1988年,各有机肥处理每季补施化肥N 45 kg/hm2、P2O530 kg/hm2;在1989～1995年,各有机肥处理在施用上述化肥的基础上,每季补施K2O 37.5 kg/hm2;从1996年早稻开始,各有机肥处理每季N、P2O5、K2O的施用量分别增至69.0、30.0、67.5 kg/hm2。图5与此相同。

实现有机物料的循环利用可以显著提高红壤双季稻田化肥氮肥的农学利用率,减少化肥施用量。长期定位监测的试验结果(图5)表明,单施化肥处理的氮肥农学效率仅为17.33%,且显著低于有机培肥处理。在不同有机物料处理中,以绿肥+猪粪+秸秆(T4)处理的化学氮肥农学利用率最高,其次为绿肥+猪粪(T3)处理,再次为2倍绿肥(T2)和绿肥+秸秆(T5)处理,最低为绿肥(T1)处理。因此,采用合理的有机物料循环利用模式可以在减少化肥用量的前提下,实现水稻高产稳产,提高化学氮肥利用率,同时提高稻田生态系统的净碳汇效应[17]。

图5 不同有机物料循环利用模式下化学氮肥利用率

4.4 稻田生态系统的自我调节功能限制规律

稻田生态系统具有自我调节的能力,在合理的外源物质投入下,稻田生态系统可以通过自我调节功能实现系统稳定(图6)。但是,如果外源物质投入过多或扰动过大,超出稻田生态系统的自我调节容量(能力)范围,则系统的稳定性会明显下降,形成系统能量外溢,易对其他系统产生不良影响。

项目组基于长期定位试验开展的长期施用猪粪对稻田土壤重金属含量影响的研究结果表明,按照鲜猪粪22.5 kg/(hm2·a)的施用标准,红壤稻田的Cu、Zn、Cr和As含量将分别在21.6年、66.5年、43.8年和14.2年后达到国家土壤环境质量二级标准(GB 15618─1995)临界值[15],这说明稻田生态系统对外源投入品有较强的自我调节能力,但持续高投入也会造成系统崩溃(土壤重金属含量超标)。

图6 稻田生态系统的自我调节能力

水稻清洁生产技术是以实现资源高效利用、物质循环利用、污染物阻断减毒等为目的的生产技术模式,因而化肥减量增效、水热资源高效利用、水稻秸秆循环利用、稻田面源污染控制、稻田污染物源头阻截、稻田病虫害绿色防控、稻田综合种养等技术都是水稻清洁生产常用的单项技术,在水稻生产过程中可依据实际情况按照“环境保洁-生产清洁-物质循环-安全高效-持续丰产”的路径要求采用清洁生产单项技术或集成应用水稻全程清洁生产技术模式。农业废弃物循环利用和化肥高效利用技术是水稻清洁生产的主要技术,其在维持水稻高产稳产、提高农田生态系统的净碳汇效应和提高化肥的利用效率等方面有显著作用。

总之,清洁生产是适应当前农业发展新趋势的一种理念转变,是将以往的过分追求产量的提高转变为通过培肥土壤和绿色高效生产实现生产潜能的提升和农产品品质的改善,是实现藏粮于土、持续丰产、乡村振兴、农产品质量安全的有效途径和重要保障。