自然界最基本循环和微生物农业

The Basic Cycles in the Nature and Microbial Agriculture

        曹志强(中国科学院地理科学与资源研究所)

         最基本循环;微生物农业;堆肥;有机废弃物

        the basic cycles in the nature;microbial agriculture;compost;organic waste

        为解决当前农业和环境面临的难题,文章讨论了有机物质在植物、动物、土壤和微生物这4个系统中的运动,指出这些运动形成了两个稳定的基本循环,我们称之为自然界的最基本循环。近100多年来,人类忽视了微生物在有机物质的转化和循环过程中的重要作用,结果使微生物系统受到伤害,最基本循环遭到严重破坏,导致农业和环境出现了一系列严重问题。文章提出了恢复微生物系统和最基本循环的具体方案,希望通过发展微生物农业使中国农业走上高效、可持续发展的道路。

        To meet the serious challenges of agricultural and environmental problems in China,this paper discusses the movement and transfer of organic materials among the four essential systems: Plants,Animals,Soils and Microorganisms were studied in this paper.Our studies revealed that the movement and transfer lead to two cycles,and each of them has its own steady direction.We called them the basic cycles of the nature.In the recent 100 years of industrial booming,the functionalities of microorganisms among the four systems have been ignored.The microorganism system has been damaged and the two basic cycles in the nature are severely tipped,which caused many serious problems in the agriculture and the environment all around the world,especially in China.This article provides a proposal for restoring the microorganism system and the basic cycles in the nature.It is our hope that,China will adopt "Microbial Agriculture" so that Chinese agriculture will have a highly efficient and sustainable growth in the future.

         全国各地存在的农业问题和环境问题基本一致,例如:秸秆还田困难、畜禽粪便成灾、土壤严重板结、农作物病虫害严重、瓜果品质下降、水体富营养化日益严重。大家都在思考,粮食能否继续增产?都在担心,不断增加化肥和农药用量的这条路还能走多久?如何保证中国的粮食安全和农业持续增长?

        #$TAB中国的这些问题,也同样发生在许多其他国家。原因何在?

        #$TAB这些问题其实源自同一原因。即,人类长期以来忽视了大自然中的微生物系统,不了解微生物系统的重要作用,不了解最基本循环的重要性,有意无意地阻塞了最基本循环的正常进行,导致农业和环境出现了一系列严重问题。

        #$TAB为了讲清楚上述问题,本文将用系统科学的方法来讨论与土壤相关的4个系统:土壤、植物、动物和微生物。

        #$TAB首先,什么叫做“系统”?在实际应用中,我们可以简单地把“系统”理解为“归类”,只要我们能够把某一类东西清楚地归到一起,那么这一类东西的总称就是“系统”。

        #$TAB我们讨论农业问题,可将土壤看作一个系统,称为土壤系统。在土壤中生长的植物归为一类,称为植物系统。同样,可以定义与这些植物相关的动物系统,以及和这3个系统都相关的微生物系统。

        #$TAB在此,我们只专注于研究系统之间的相互关系,而暂不关心每个系统内部的具体状态和复杂变化。图1 描述了土壤、植物、动物和微生物这4个系统之间是如何传递有机物质的。图中,每个系统用黑粗线框起来,框内的称为系统内,框外的称为系统外。当系统内的任何东西离开该系统,就将这些东西称为该系统的输出,反之为输入。

        

        #$TAB以植物系统为例,它通过两条途径将系统内的有机物质输送到其他系统。第一条途径是作为动物的食物,从植物系统输出,作为动物系统的输入;第二条途径是枯枝、落叶、秸秆和死亡了的植物落入土壤,成为土壤系统的输入。不过,对于这些有机物质来说,土壤系统只是它们暂存的地方。土壤中有许多微生物,微生物接触到这些落叶和秸秆等等后,会立即把它们作为自己的食品,于是,这些具体的枯枝、落叶或秸秆一旦离开母体,实际上就输入了微生物系统。在下图中,直接将植物系统的这部分有机物质的输出看作微生物系统的输入。图中,每个箭头都描述了两个系统之间的一种输入和输出关系。

        #$TAB图1中的4个系统和它们之间的所有关系综合起来即为一个大系统,其实际上概括了几乎所有与土壤相关的有机物质的运动情况。

        #$TAB图1中可以清楚地看到,有机物质在这个大系统中有两个循环,一个是与动物无关的有机物质的循环,另一个是动物系统参与的有机物质的循环。这两个循环的方向非常稳定,在地球上还没有人类的时候,这个大系统以及这两个循环就已存在了。据此,本文称其为“最基本循环系统”和“最基本循环”。

        #$TAB需要特别指出,“最基本循环系统”不是一个封闭的系统,它和周围其他系统还存在着数量巨大的输入和输出交换,其中最重要的是太阳、水和空气。由于太阳、水和空气提供的不是有机物质,因此,我们没有把它们列入最基本循环系统。但是,太阳、空气和水把能量和组成有机物质的重要元素源源不断地输入最基本循环系统,使它具备了生产制造有机物质的条件,因此,大系统中的有机物质不仅在循环,而且,在绝大多数情况下,每次循环都导致了系统内有机物质数量的增加。大自然用这种方式,保证了最基本循环系统中有机物质总量的增加,使最基本循环逐渐走向繁荣,从而造就了地球上植物、动物和微生物的繁衍、昌盛和发展,其中包括人类的繁衍和发展。

         我国古代,人们已认识到人类的渺小,因此,把自己看作为大自然中的一部分,图2描述了人类农业活动和大自然的关系,显示了人类对最基本循环的尊重,也正因为如此,中国古代农业得到了其他国家的高度评价:“较成功地做到了(耕种)数千年而土壤肥力不减” [1]。先人们将养殖业和农业紧紧地结合在一起,研究堆肥,并写成了书教育后代。《沈氏农书》记载:“养胡羊十一只,……垫柴四千斤”,“养山羊四只,……垫草一千斤”,“养猪六口,……垫窝草一千八百斤”。认真记述了堆肥中畜粪和秸秆的比例。 “其制粪亦有多术,有踏粪法。……南方农家凡养牛羊豕属,每日出灰于栏中,使之践踏。有烂草腐柴,皆拾而投之足下,粪多而栏满则出而叠成堆矣”。踏粪法不仅是在讲踏以牛足,实际上是在强调,堆肥的制作过程中应充分搅拌使其成功腐熟。400年前的记载,已将配方和工艺描述得如此清楚,虽然那时的人们还不知道微生物,但是,他们的做法完全符合微生物堆肥的科学要求,可以看出,我们的祖先对堆肥的研究是多么深入和重视。

        

        #$TAB最近,我们在向各地农民进行堆肥推广时发现,40岁以下的农民基本上不会堆肥,原因很多,但有一点是共同的:不重视堆肥,也不去弄清楚堆肥的原理。

        #$TAB中国和全世界的现状告诉我们,现在,人类已经将图2中的系统结构进行了重大改变。人类对于自己的能力过于自信,片面地依赖化肥*[2],毫不关心微生物在农业生产方面所做的贡献,以致于将图2中的微生物系统完全忽视。例如:为增加土壤肥力,可以采用秸秆还田。但是,应将秸秆和牲畜的粪便按一定的比例制成堆肥,这样做的效果比秸秆直接还田要好很多。又例如,许多人使用豆饼之类的有机物直接作为肥料生产有机蔬菜,这是有风险的,因为这些有机物可能会给农作物带来病虫害。这些例子说明,许多人并不知道,秸秆和豆饼本身不是肥料,需要通过优秀的微生物和正确的发酵才能有如愿的结果。可惜,由于超量使用化肥,现在绝大多数农田里,好的微生物已经不多了,已不能使秸秆和豆饼得到很好的腐熟。人们对农业生产中的微生物知之甚少,事实上,已经在图2中把微生物系统去掉了,而且将人类放在了控制土壤、植物和动物的位置上,农业生产形成了图3所示的结构。图3中最醒目的特点是:系统中出现了5个粗大的深色箭头,它们是这个新系统的输出,是数量巨大的有机废弃物质和化学废弃物。但是,却没有适当的系统承接这些输出。中国的现实情况正是这样,世界各国也大同小异。

        #$TAB人类构建图3这样的新系统,是花费了巨大的资金、物质和能量的,而且,这个系统的运转同样非常耗费资金、物质和能量。为此,不得不消耗大量的石油和电力(煤炭)。地球上的石油和煤炭,正是依靠大自然的最基本循环,经历了亿万年积累下来的。今天,却被人类用来破坏最基本循环。化肥和农药的过度施用就是其中的典型事实,它们使得土壤中微生物的生态环境变得日益恶劣,微生物的数量和种类也同过去有了极大差别,农田中的微生物已无法正常地承担最基本循环重任了。

        

        #$TAB农村的实际情况是,从植物和动物系统输出的大量有机废弃物本应直接输入微生物系统,进入最基本循环。但是,由于土壤中的微生物系统已无能力胜任它原来的工作,因而出现了畜禽粪便堆积成灾,无法处理;秸秆还田无法分解;土壤严重板结,无计可施;农业病虫害严重,只得继续追加农药的投放;瓜果蔬菜由于缺少微生物的帮助,许多营养无法吸收,口感改变;无法完全被植物吸收的化肥污染了地下水和周围水体,富营养水体泛滥。

        #$TAB扶沟是河南省蔬菜种植的模范县,现在,许多菜地都出现了根腐病和其他土壤病,蔬菜常常大片死亡或减产,无计可施。农民甚至担心能否在该地继续种菜。众多诸如此类的事件使得我们不得不冷静思考,这样下去农业还能持续增产吗?仅依靠增加化肥施用量能长期保证中国的粮食安全吗?

         这一切告诉我们同一个事实:微生物系统被严重破坏了,最基本循环被阻塞了。必须采取措施恢复最基本循环,重建微生物系统。

        #$TAB恢复和保持最基本循环是一项具体的工程,是一项长期的产业,应成为一个国家的国策和人类应履行的一项基本行为。本文仅讨论当前需要启动的两项具体工程,这两项工程不仅能够恢复微生物系统和最基本循环,而且能够使农业长久地持续高产。

         2011年5月17—18日,中科院在山东禹城举办了“现代农业发展与国家粮食安全暨‘渤海粮仓’与资源节约型高效农业战略高峰论坛”,会议特意安排与会者参观当地养牛场边上的一个小型堆肥场,目的是让大家了解以下几个要点: (1)牛粪和秸秆需要按一定比例混合,并加上适当的细菌可以堆制成为看不见秸秆、闻不到臭味的有机堆肥;(2)堆肥的过程是一个对有机物的分解过程,需要正确地选择细菌,细菌在把粪便和秸秆等废弃物转化为养分的过程中起着决定性的作用,并直接影响养分的成分和质量;(3) 堆肥过程实质是有益微生物的培养和繁殖过程,利用牛粪和秸秆作为微生物的培养基,要精心选择和设计培养基的最佳配方;(4)需要控制好整个发酵过程的温度、水分和氧气;(5)优秀的农用微生物,不是一两种细菌组成,而是一个细菌群,其种类可能多达几十种,甚至更多,因此,堆肥的发酵过程非常复杂; (6)堆肥中的优秀细菌群进入土壤,它们在土壤中形成一个数量惊人、能力强大的微生物团队。

        #$TAB正是这个强大的微生物团队能够将被人类伤害了的微生物系统恢复起来。如此重要、强大的功能是化肥永远无法做到的。把“堆肥”作为中科院举办的高峰论坛上的重要话题,绝非偶然,它将被证实是恢复微生物系统的最有效武器,它将改变全世界的农业。

         许多研究指出:秸秆直接还田对土壤有机质提高的效果很差,并造成了CO2和CH4温室气体排放[3]。造成这种结果的原因是:人类长期大量施用化肥、农药,已破坏了土壤及其周围环境中微生物的生态环境,致使没有很好的微生物团队来帮助秸秆进行分解。而采用科学的微生物堆肥方法实施秸秆还田,其效果远好于秸秆直接还田。秸秆可被作为培养基的组成部分,它增加了培养基中的碳元素,可改善堆肥过程中的透气性。实验证明,经过40多天的堆制,秸秆便可充分分解。不仅如此,含有大量分解菌的堆肥送入土壤后,细菌还将继续对土壤中残留的其他有机物和秸秆进行分解。持续使用这样的堆肥方法,秸秆不仅可以还田,还提高了土壤有机质含量,减少了温室气体排放。研究表明,根据畜禽粪便的种类不同,秸秆的比例应在25%—40%之间,相对于中国目前每年26多亿吨畜禽粪便资源来说,利用7亿吨秸秆即可通过微生物堆肥方法将其转化为肥料,用以提高粮食产量,提升土壤肥力,参与重建微生物系统,进而促进最基本循环的良性发展。

         据不完全统计,全国可用于堆肥的有机废弃物(畜禽粪便,秸秆,部分农产品畜产品、加工业的废弃物,部分乡镇生活垃圾等)约40亿吨[4]。为保证堆肥的质量,满足微生物、植物和动物的健康生长,还需在堆肥的配方中添加矿物质和其他辅助材料。依此计算,我国农田平均每亩获得1吨左右的堆肥是有可能的。认真做好堆肥,并配合下文所述的液体菌剂一起使用,其给农作物提供的养分总量、养分的品质及功效超过化肥。

         试验表明,利用我们选择的菌种,将秸秆和牲畜粪便堆制成有机肥料,每亩施用500公斤,并配2升液体菌剂,可使化肥施用量减少 30%,且平均亩产增幅10%以上。依据该数据,若中国每年的废弃有机物资源和农产品加工业的废水资源经堆肥用于农业生产,不但能带来农业增产,而且使土壤中的有机质含量能得到逐年提高,并使土壤的团粒结构、透气性和保水性得到显著改善;使化肥和农药的使用更加科学、施用量不断减少,从而真正实现恢复和重建土壤中的微生物系统,最终使中国的农业和环境走上一条健康的、可持续发展的新路。

        #$TAB为恢复农田中的微生物系统,除堆肥外,还可直接将菌剂施到农田中,包括固体菌剂和液体菌剂。我们在许多地方的作物上试验过一种农民俗称为“黑白液”的液体菌剂,效果非常好,可促进植物根茎叶的生长,提高农作物的产量和质量,减少土壤病虫害,帮助秸秆还田,很受农民欢迎。

        #$TAB山东江口生物科技公司是一家小麦深加工厂,同类行业的废水是采用普遍的厌氧-耗氧方法处理,即将废水处理至达标,然后排放。我们则利用工厂的废水,通过液体发酵的方法,大规模地生产液体菌剂[5]。将菌剂施入农田,提高了土壤中有益微生物的含量,既降低了成本,又满足了农田需要,从而提高了推广的速度,使微生物农业的思路更容易被农民接受和认可。图4表述了“江口模式”的结构。

        

        #$TAB当然,并不是所有的农用有益菌都可采用液体发酵方法生产,也不是所有的液体菌剂都能利用工业废水培养。而且,液体菌剂不同于堆肥,它的功能主要是直接提供土壤微生物,这些微生物将会帮助土壤形成更多的植物可吸收的营养,而不是直接提供有机物质和养分。

        #$TAB什么是微生物农业?主要依靠微生物来提供农作物所需要的营养的农业称之为微生物农业。

        #$TAB近100年来,人类一直在努力实现化学农业,即主要依靠化学工业来提供农作物所需要的营养,其与微生物农业是两个完全不同的方向。微生物农业是我们未来100年要致力完成的大事业。

        #$TAB人们在农作物的生产中采用微生物解决了某种病虫害问题,这是微生物在农业上的应用,是化学农业和微生物农业都能够接受的。同样,微生物农业也需要化学工业为农作物提供部分营养,但是,农作物需要的主要营养必须由微生物来提供。

        #$TAB对于中国来说,微生物农业是与提升国家实力和粮食安全关系最为密切的战略性新兴产业。它能够解决一系列当前亟待解决的农业问题和环境问题。

        #$TAB建议我国动员相关领域的人才和资源,深入开展微生物农业的各项研究和实验,通过大量的实验和数据分析,用科学的方法,论证和辨别微生物农业发展的方向和措施,为中国和全世界的微生物农业发展做出贡献。

        #$TAB目前,日本在微生物农业方向上走在了世界各国的前面,作者从系统科学的角度先有了“江口模式”的思路和“最基本循环”的理念,后来,找到了日本的ETS菌,并有幸参与了ETS菌的应用试验和研究。得益于ETS菌的帮助,山东江口生物科技公司试车获得成功,使“江口模式”有了第一个成功的案例。感谢为ETS菌在中国的应用做出重大贡献的刘长生先生、日本朋友南初昭夫、佐藤忍和佐藤健一先生。

        #$TAB 作者在完成了山东江口生物科技公司的建设和试车后,向原中科院副院长胡启恒院士做了汇报,她坚定地支持这一探索,并明确指出:“要努力发展中国的微生物农业。”原中科院副院长、小麦育种专家李振声院士多次听取汇报,多次叮嘱:“一定要把这个事业做下去,把它做成功。要用系统科学的方法把农业系统讲清楚”。受两位老科学家的重托,欧阳竹研究员主持成立了相关的研究中心,邀请作者回到中科院工作。本文能够成文发表,感谢他们的支持和帮助。