生态有机蔬菜种植基地(有机蔬菜养殖基地)

生态农业的科学原理与应用

蒋高明

生态学经历了100多年的发展之后，今已日益成熟，生态学基本原理广泛应用到农业领域，并发挥出越来越重要的作用。现代生态农业不仅突破了人们所担心的产量低问题，而且在生态环境保护、气候变化遏制、全民大健康工程实施、乡村振兴、城乡和谐发展、生态文明建设等方面，发挥着主导作用。

生态农业，顾名思义农业生产方式是生态的，是在健康的生态环境之下，用健康的理论及方法进行管理的农业，以种植谷物、油料作物、中草药、蔬菜、果树、烟草等经济作物为主，动物饲养尽可能采取仿生态养殖。生态农业所需要的原料均来自自然界，尽量就地取材，不使用农药、农膜、植物生长添加剂和转基因种子，尽量不用或使用少量化肥，满足植物对水、热、矿物质的需求，使其产量不低于或高于常规农业。生态农业具有较高的生物多样性，尤其土壤微生物多样性，生态相对平衡；在必要的时候使用物理+生物方法控制虫害，但不使用化学农药灭杀；对于杂草，则采取机械处理与人工处理相结合的办法，尽量避免使用除草剂。生态农业不仅需要建构人与自然共生、循环关系，而且需要构建人与人之间的合作关系。

由于生态农业边界不清楚，很多非生态农业的元素如农药、化肥、地膜、激素、反季节种植与养殖，都混在生态农业中，造成了概念混乱。由于对生态农业的原理不清楚，人们将生态农业简单等同于原始农业。在错误的理论指导下，生态农业所使用的科学技术被忽略，转而使用现代化学农业技术。上述问题严重阻碍了生态农业发展与生态文明建设，下面谈谈生态农业相关的概念、边界、科学原理与应用技术等热点问题。

生态农业的概念

传统生态农业概念，是从系统理论出发，以生态学理论为依据，综合运用现代科学技术成果和管理手段，在一定区域范围内，因地制宜地组织、规划进行的农业生产活动。这种农业生产方式包括农、林、牧、副、渔等方面，采取无机和有机投入物相结合办法，用生态学的原则来管理农业生态系统，使其实现自我维持，低输入、高产出，且经济可行。因此，生态农业是一种低能耗农业，主要靠对太阳能和生物质资源的充分利用，以尽可能少的能源、化肥、农药投入，求得尽可能多的深加工原料；对土地精耕细作，使农工贸一体化、产供销一体化，较为理想地实现农业现代化、生态环境保护、能源的节约和再生利用、社会经济效益等综合统一，实现社会效益和经济效益双赢，促进生产和环保协调发展，为农业生产的现代化进一步发展开辟了新的前景。

现代生态农业是在生态科学理论指导下，所开发的环境友好型、耕地固碳增氮型农业，是在不使用农药、化肥、除草剂、地膜、激素、转基因种子前提下，满足植物健康生长需要的一种农业生产方式。长期坚持下去，耕地生产力会不断提高，生产出来的食物为绿色食物或有机食物，在市场上价位高于常规农产品。

从生态农业的特点来看，生态农业并不是为落后、低产、低效的代名词，而具有十分明显的生态效益、社会效益和经济效益。生态农业是在传统农业智慧基础上，利用现代生态学原理和技术提升的一类环境友好型农业模式。

生态农业的科学原理

水热耦合原理 农田生态系统由气候、土壤、生物等因子所组成。其中, 气候中的大气温度和降水占主导地位，对其他因子产生重大影响。农田是由改造自然生态系统而来的，不同植被地理背景下农田生产力或产量受水热组合影响最大。自然界中，最高生产力是热带雨林，干物质生产量(即生物量)约45吨/公顷/年，是在不施肥不打药基础上实现的。热带雨林的水热条件最好，元素循环快。在农田中，光照、CO2都不是限制因子，而水热条件，尤其水热组合，最能反应农田生态状况。我国即使有些农田面临季节性干旱胁迫问题，依然比地中海荒漠地区的农田具有十分有利条件。中国草原是雨热同期，而地中海附近、非洲的部分草原，雨热出现的最佳时期是冬夏季分离的。水利是农业的命脉，在不同气候带上水热组合决定了生态系统生产力。生态农田尽量利用天然降水，适度利用客水或地下水，做到“旱能浇、涝能排”，所形成的土壤团粒结构具有水分吸附能力，土壤毛细管悬浮水还能发挥水源涵养功能。热即热量，地球上的一切热量来自太阳，热对植物生长发育乃至群落分布有重要的作用。在阳光不缺少的地方，热量尤其与水的耦合对农业增产的作用大于化学肥料。生态农田利用自然界的热量，顺反季节种植，充分利用水热同期优势，因地制宜发展适合的农作物。高温的夏季杂草生长也很繁茂，如将杂草作为资源利用起来改良土壤，也是在生态农田利用热量资源的有效途径之一。

土壤碳氮库增长原理 碳表现在土壤中即有机质。目前我国耕地有机质普遍偏低，平均1%左右。通过有机肥养地，可大幅度提高土壤含碳量。这里的有机肥，指自然界中的所有光合产物及其衍生物，不仅仅是传统理解的人粪尿和动物排泄物。生态农业中的有机肥，以植物源肥料如绿肥、秸秆肥、杂草肥为主，最大限度地利用人与动物排泄的粪尿。研究发现，在暖温带湿润地区，当生态农田有机质提高到5%时，土壤肥力就可以大幅度提升，空白对照(不施肥)的农作物产量也能超过吨粮（小麦玉米周年产量）。氮是植物光合生长必须的元素。自然界可以利用的氮都来自空气，空气中氮气含量约占78%。生物固氮、雷电固氮、干湿沉降都可以为植物生长提供氮源。在种植过程中，用以上培育碳库的办法，培育土壤氮库，通过微生物活动固定空气中的氮，并活化土壤中的氮。碳与氮之间的比例为10：1～12：1，当土壤含碳量增加到5%时，即使按照碳氮比10：1，也意味着每亩土壤20厘米耕作层中有相当数量的活性氮可供作物利用，这些氮不会像化肥那样流失。因此，人类离开化肥厂，也能够满足农作物需要的氮。解决了氮的问题，适量补充每年收获从土壤中携带出的矿物质，可以实现每年将籽粒带走的氮双倍还回土壤，使土壤可利用氮不断增加。因此，合理的碳氮比，对生态农田非常重要。

增加土壤碳库和氮库的办法有很多，除每年添加有机肥外，秸秆还田、种植或施加绿肥、利用杂草肥都是很好的办法。生态农田必须每年添加碳和氮。山东河南一带农田使用了4 000～5 000年没有出现退化，就是有机肥和土壤生物对土地滋养的结果。如今通过培育土壤碳库、氮库增产技术已非常成熟。

生物多样性原理 生态农田具有丰富的生物多样性，尤其是土壤生物多样性。农田生物多样性包括种植物种（植物、菌物）与养殖物种（动物）多样性。在一个多样性丰富的农田生态系统中，其生态系统稳定性高，抗自然灾害能力强，同时延长了农产品货架期，避免集中上市带来的农产品滞销。以在10亩农田基础上发展起来的弘毅生态小院为例，经济物种有73余种，包括植物、动物与微生物三大类。在这个系统中，害虫与杂草都转变为资源得以利用；同时，由于土壤健康，农田生态系统健康，植物病害基本消失。害虫与杂草本身就是自然界存在的物种，它们的作用也是辩证的。害虫会吃植物，但也会给一些虫媒植物授粉，害虫是益虫的食物，害虫死亡后其尸体可以参与构造土壤中的团粒结构；杂草会与庄稼争养分，但也会增加土壤碳、氮等营养。杂草根系及其分泌物对于土壤中的生物多样性维持及良好土壤结构的保持也起到正向的作用。当然，对于害虫和杂草必须进行管理，农民付出的辛勤工作是管理它们，不使其危害，并且达到变害为宝的目的。

生态位原理 农田生态系统中，不同物种都有自己的生态位，在时间空间上所占据位置不同，大部分时间物种相安无事，只有到生态位重叠时，才会发生激烈的竞争或对抗。生态位是生态系统中每种生物生存所必需的生境最小阈值。拥有相似功能生态位、但分布于不同地理区域的物种，在一定程度上称为生态等值生物。生态位与资源利用谱相对应，生态位宽度是指被一个生物所利用的各种不同资源的总和。

在农田中，因种间竞争，一种生物不可能利用其全部原始生态位，所占据的只是现实生态位。农作物的生态位是人为保护的，往往为了高产，人工除草或机械除草，去除竞争者。土壤表层一定深度，是土壤微生物、蚯蚓、线虫等动物的生态位，一些害虫的幼虫也分布在此。利用生态位的空间差异，可以减少杂草控制成本，如果园和葡萄园生草，就是利用乔木（藤本）与草本植物生态位不同的原理；种植高粱也可以控制杂草，因为高粱为高秆作物；利用生态位时间差异可以控制害虫，如诱虫灯捕杀的往往是夜行害虫，而益虫因为多在白天捕食较少受害。夏季的杂草很难在春季生长，因此可以利用夏季高温多雨生长杂草，混播豆科植物养地，然后种植越冬小麦产量可以提高。这是利用小麦与杂草的时间生态位原理，在北方农田，玉米夏季农田杂草以牛筋草等为主，小麦以播娘蒿为主。

生态系统原理 生态系统指在自然界的一定的空间内，生物与环境构成的统一整体，在这个统一整体中，生物与环境之间相互影响、相互制约，物种间的相生相克所产生的化感物质，可以使农田生态系统在一定时期内处于相对稳定的动态平衡状态之中。生态系统能够自我维持、自我更新，并且具有一定的恢复能力。掌握了农田生态因子的变化特点、物种组成及其相关关系，人类就可以利用所掌握的生态学知识进行农田生态系统设计，力求获得最大的产量、生物量或者最高的经济效益。间作套种、林禽互作，果禽互作、林粮互作，药粮互作、稻田养鸭、稻田养鱼、莲鱼共生、鱼菜共生，等等，都是利用生态学原理进行的农田生态系统设计。在该类设计中，最重要的因素是种子。种子是农业的“芯片”，人类造不出种子来，只能收集和改良种子。除为动物生产饲料利用一部分杂交种(如杂交玉米)外，生态农业基本使用老种子，鼓励农户自留种。长期坚持生态育种，产量也有增加的趋势。

在生态农业生态系统中，农业不是现代化学污染源，不是温室气体排放源而是温室气体库，从源头解决了面源污染问题；农田生态环境大幅度改善；农田生物多样性逐渐恢复；农产品不再含有人为添加的有害化学物质，可以提供的优质健康能量，将使得人类重大疾病发生率大幅度下降；农业将成为附加值很高的产业；优良种质资源可以长期保留和使用；病虫草害发生率基本可控，土壤越养越肥，耕地生产力将得到稳定提高。

生态农业主要应用技术

从理论上讲，从小范围实践成功的案例来看，完全不用化肥农药等是能够生产足够的食物，来满足人类可持续生存需要的。生态农业绝对不是落后、低产、低效的代名词，而是高效、高产、高附加值的现代农业，能够带动农民与农二代、大学生二代就业。生态农业除使用机械、电力和燃油外，其余石化类农资已基本停用，其主要的投入是劳动力。资本市场下，劳动力就是金钱，是最安全的生物生产力。生态农业不是不需要现代科学技术，而是需要很多环境友好型的科学技术。生态农业是对现代农业的革命，革命就需要武器，农民是不可能回到“原始社会”去出“傻”力气，他们需要学习和使用新的、现代的、高效的“武器”开展生产活动，这些“武器”就是生态农业中的关键技术，具体如下。

物理+生物防虫技术 这是中国人自主发明的技术，它利用害虫的趋光特点吸引害虫进行诱捕，同时恢复天敌控制害虫。该技术来自物理学和生态学的贡献，即从源头控制雌虫数量，将交配后的雌虫连同雄虫通过物理方法控制，因害虫雌虫不能回到土地产卵，留下的后代越来越少，再加上天敌恢复，害虫不至于产生危害。害虫这些物种还在，但危害却基本得到控制了。

有机肥养地技术 这是来自生态学的直接贡献。地球上所有的光合产物及其衍生物均可以做肥料，这些物质包括植物枯落物、秸秆、人类和动物排泄物、动植物死亡物、农产品加工废弃物、菌类养殖废弃物、可降解生活垃圾，等等。我国仅大型养殖场粪便折合成化肥高达7 000万吨以上，超过化肥使用量5 900万吨，秸秆、可降解生活垃圾、餐余中含有的养分数量也很大。停止向农业生态系统投入化肥、农药、除草剂、地膜等之后，土壤微生物和动物得到休养生息、物种消失得到遏制；持续投入有机肥、绿肥、杂草肥等生物质肥料，可实现耕地碳库与氮库同时增加，人类担心的产量问题也会得到合理解决。

生物与机械控草技术 这是来自生态学与物理学的贡献。除草是农业生产中最辛苦的环节，采用生物、机械、人工等办法，根据不同生态位，该除草的除草，该养草的养草，利用动物和草治草，发展小型除草机械。鼓励农民多付出劳动，其劳动强度比在城市打工低，但收入却高于在城市打工。当农业管理的收入超过进城打工的收入时，年轻农民将陆续回乡，农业后继有人，一些传统农艺也就有人继承了。

生物控病技术 这是来自生态学的贡献。自然界中的生物都遵循适者生存的原理，植物在亿万年的进化中已经学会在逆境胁迫到来之时开启次生代谢途径，产生与环境协调的物质，这一过程多次重复就形成植物体内的具有物理屏障和化学屏障作用的防御系统，植物的抗病能力源于此。我们的祖先发明的各种农田管理措施是一种人造胁迫，就是尽量不让庄稼、蔬菜、果树生病。该技术与有机肥养地技术配合，将会发挥更重要的作用。在自然界中，热带雨林、草原、湿地、海洋、森林都是不生病的，都有自我调节的功能。在生物控病技术中，用螯合态矿物质液肥、有益微生物制剂、中草药提取液、沼液等，也可起到“外在补充、内在激活”的生物防治作用。

动力与灌溉技术 这是来自物理学的贡献。为了降低劳动强度，收获、储存、运输、灌溉、尽量采取机械措施，农业机械部门应多研发一些实用型农业机械。目前的动力很足，大型设备可用作整地、耕地和中耕除草，自动喷灌设备可布局到田间地头，大幅度提高劳动效率，同时减少劳动强度，让农业变得不那么辛苦。

农产品加工技术 农产品加工是使农产品升值的重要渠道。利用物理或生态的办法，进行生态种植的农产品加工，提升农产品附加值。农产品加工应以小型化、家庭化、多元化为主，带动农民专业化分工，带动更大范围内的就业。尽量不采用规模化做法，从而避免市场竞争风险。传统的食品加工工艺，在高效生态农业体系中将发挥巨大的作用。以白酒为例，那些动辄上百、上千甚至上万的白酒，其实粮食和瓶子等成本只有区区十几元或几十元。生态农业食品加工，要禁止使用防腐剂和形形色色的工业食品添加剂。

互联网技术 又称为信息技术，是来自数学的贡献。没有销售渠道的农业要少搞，优质农产品销售是关键，高效生态农业必须有自己的定价权。要发挥互联网与物联网优势，线上与线下相结合，网上购买与现场体验相结合，将优质农产品以优质价格销售出去。互联网技术保障了顺季节多种经营，延长了货架期，避免集中上市带来的农副产品滞销风险。

物流技术 目前物流技术在我国已经非常成熟。该技术可使所有适合人类食用的生态产品，无论是来自海南岛还是黑龙江，无论是来自深山老林还是远渡重洋，送到任何地方，满足人们日益增长的对营养丰富的生态产品的需求。当然收获或捕捞各种自然来源（如海洋、草原、森林、湿地、荒漠等）的食物都是生态农业的范畴，并且提供的是无需认证的有机食品。物流技术让生态农业的优质产品实现了从产地到餐桌的直接分享。

中国共产党把生态文明建设写入了党章，提出了加快构建生态文明体系的战略构想。山水林田湖草沙是生命共同体，全面建设社会主义现代化强国。我国是第一个举旗走生态文明道路的国家，将引领全世界。生态农业是生态文明建设的重要组成部分，本手册推出的“四位一体”生态农业体系，符合生态农业基本的科学原理，并具有一定的实操性。本手册的发布对我国的生态农业有重要的推动作用，很高兴为手册出版写上述体会。是为序！

（作者为中国科学院植物研究所研究员、中国科学院大学资源与环境学院教授)

2021年5月31日