曹志強

（中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 北京 100101）

1 引言

全國各地存在的農(nóng)業(yè)問題和環(huán)境問題基本一致，例如：秸稈還田困難、畜禽糞便成災(zāi)、土壤嚴重板結(jié)、農(nóng)作物病蟲害嚴重、瓜果品質(zhì)下降、水體富營養(yǎng)化日益嚴重。大家都在思考，糧食能否繼續(xù)增產(chǎn)？都在擔心，不斷增加化肥和農(nóng)藥用量的這條路還能走多久？如何保證中國的糧食安全和農(nóng)業(yè)持續(xù)增長？

中國的這些問題，也同樣發(fā)生在許多其他國家。原因何在？

這些問題其實源自同一原因。即，人類長期以來忽視了大自然中的微生物系統(tǒng)，不了解微生物系統(tǒng)的重要作用，不了解最基本循環(huán)的重要性，有意無意地阻塞了最基本循環(huán)的正常進行，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)和環(huán)境出現(xiàn)了一系列嚴重問題。

2 最基本循環(huán)

為了講清楚上述問題，本文將用系統(tǒng)科學(xué)的方法來討論與土壤相關(guān)的4個系統(tǒng)：土壤、植物、動物和微生物。

首先，什么叫做“系統(tǒng)”？在實際應(yīng)用中，我們可以簡單地把“系統(tǒng)”理解為“歸類”，只要我們能夠把某一類東西清楚地歸到一起，那么這一類東西的總稱就是“系統(tǒng)”。

我們討論農(nóng)業(yè)問題，可將土壤看作一個系統(tǒng)，稱為土壤系統(tǒng)。在土壤中生長的植物歸為一類，稱為植物系統(tǒng)。同樣，可以定義與這些植物相關(guān)的動物系統(tǒng)，以及和這3個系統(tǒng)都相關(guān)的微生物系統(tǒng)。

在此，我們只專注于研究系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，而暫不關(guān)心每個系統(tǒng)內(nèi)部的具體狀態(tài)和復(fù)雜變化。圖1描述了土壤、植物、動物和微生物這4個系統(tǒng)之間是如何傳遞有機物質(zhì)的。圖中，每個系統(tǒng)用黑粗線框起來，框內(nèi)的稱為系統(tǒng)內(nèi)，框外的稱為系統(tǒng)外。當系統(tǒng)內(nèi)的任何東西離開該系統(tǒng)，就將這些東西稱為該系統(tǒng)的輸出，反之為輸入。

以植物系統(tǒng)為例，它通過兩條途徑將系統(tǒng)內(nèi)的有機物質(zhì)輸送到其他系統(tǒng)。第一條途徑是作為動物的食物，從植物系統(tǒng)輸出，作為動物系統(tǒng)的輸入；第二條途徑是枯枝、落葉、秸稈和死亡了的植物落入土壤，成為土壤系統(tǒng)的輸入。不過，對于這些有機物質(zhì)來說，土壤系統(tǒng)只是它們暫存的地方。土壤中有許多微生物，微生物接觸到這些落葉和秸稈等等后，會立即把它們作為自己的食品，于是，這些具體的枯枝、落葉或秸稈一旦離開母體，實際上就輸入了微生物系統(tǒng)。在下圖中，直接將植物系統(tǒng)的這部分有機物質(zhì)的輸出看作微生物系統(tǒng)的輸入。圖中，每個箭頭都描述了兩個系統(tǒng)之間的一種輸入和輸出關(guān)系。

圖1 最基本循環(huán)系統(tǒng)中的有機物質(zhì)運動

圖1中的4個系統(tǒng)和它們之間的所有關(guān)系綜合起來即為一個大系統(tǒng)，其實際上概括了幾乎所有與土壤相關(guān)的有機物質(zhì)的運動情況。

圖1中可以清楚地看到，有機物質(zhì)在這個大系統(tǒng)中有兩個循環(huán)，一個是與動物無關(guān)的有機物質(zhì)的循環(huán)，另一個是動物系統(tǒng)參與的有機物質(zhì)的循環(huán)。這兩個循環(huán)的方向非常穩(wěn)定，在地球上還沒有人類的時候，這個大系統(tǒng)以及這兩個循環(huán)就已存在了。據(jù)此，本文稱其為“最基本循環(huán)系統(tǒng)”和“最基本循環(huán)”。

需要特別指出，“最基本循環(huán)系統(tǒng)”不是一個封閉的系統(tǒng)，它和周圍其他系統(tǒng)還存在著數(shù)量巨大的輸入和輸出交換，其中最重要的是太陽、水和空氣。由于太陽、水和空氣提供的不是有機物質(zhì)，因此，我們沒有把它們列入最基本循環(huán)系統(tǒng)。但是，太陽、空氣和水把能量和組成有機物質(zhì)的重要元素源源不斷地輸入最基本循環(huán)系統(tǒng)，使它具備了生產(chǎn)制造有機物質(zhì)的條件，因此，大系統(tǒng)中的有機物質(zhì)不僅在循環(huán)，而且，在絕大多數(shù)情況下，每次循環(huán)都導(dǎo)致了系統(tǒng)內(nèi)有機物質(zhì)數(shù)量的增加。大自然用這種方式，保證了最基本循環(huán)系統(tǒng)中有機物質(zhì)總量的增加，使最基本循環(huán)逐漸走向繁榮，從而造就了地球上植物、動物和微生物的繁衍、昌盛和發(fā)展，其中包括人類的繁衍和發(fā)展。

我國古代，人們已認識到人類的渺小，因此，把自己看作為大自然中的一部分，圖2描述了人類農(nóng)業(yè)活動和大自然的關(guān)系，顯示了人類對最基本循環(huán)的尊重，也正因為如此，中國古代農(nóng)業(yè)得到了其他國家的高度評價：“較成功地做到了（耕種）數(shù)千年而土壤肥力不減”[1]。先人們將養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)業(yè)緊緊地結(jié)合在一起，研究堆肥，并寫成了書教育后代。《沈氏農(nóng)書》記載：“養(yǎng)胡羊十一只，……墊柴四千斤”，“養(yǎng)山羊四只，……墊草一千斤”，“養(yǎng)豬六口，……墊窩草一千八百斤”。認真記述了堆肥中畜糞和秸稈的比例。 “其制糞亦有多術(shù)，有踏糞法?！戏睫r(nóng)家凡養(yǎng)牛羊豕屬，每日出灰于欄中，使之踐踏。有爛草腐柴，皆拾而投之足下，糞多而欄滿則出而疊成堆矣”。踏糞法不僅是在講踏以牛足，實際上是在強調(diào)，堆肥的制作過程中應(yīng)充分攪拌使其成功腐熟。400年前的記載，已將配方和工藝描述得如此清楚，雖然那時的人們還不知道微生物，但是，他們的做法完全符合微生物堆肥的科學(xué)要求，可以看出，我們的祖先對堆肥的研究是多么深入和重視。

圖2 古代中國農(nóng)業(yè)對最基本循環(huán)系統(tǒng)的參與方式

最近，我們在向各地農(nóng)民進行堆肥推廣時發(fā)現(xiàn)，40歲以下的農(nóng)民基本上不會堆肥，原因很多，但有一點是共同的：不重視堆肥，也不去弄清楚堆肥的原理。

中國和全世界的現(xiàn)狀告訴我們，現(xiàn)在，人類已經(jīng)將圖2中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了重大改變。人類對于自己的能力過于自信，片面地依賴化肥*[2]，毫不關(guān)心微生物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面所做的貢獻，以致于將圖2中的微生物系統(tǒng)完全忽視。例如：為增加土壤肥力，可以采用秸稈還田。但是，應(yīng)將秸稈和牲畜的糞便按一定的比例制成堆肥，這樣做的效果比秸稈直接還田要好很多。又例如，許多人使用豆餅之類的有機物直接作為肥料生產(chǎn)有機蔬菜，這是有風(fēng)險的，因為這些有機物可能會給農(nóng)作物帶來病蟲害。這些例子說明，許多人并不知道，秸稈和豆餅本身不是肥料，需要通過優(yōu)秀的微生物和正確的發(fā)酵才能有如愿的結(jié)果。可惜，由于超量使用化肥，現(xiàn)在絕大多數(shù)農(nóng)田里，好的微生物已經(jīng)不多了，已不能使秸稈和豆餅得到很好的腐熟。人們對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的微生物知之甚少，事實上，已經(jīng)在圖2中把微生物系統(tǒng)去掉了，而且將人類放在了控制土壤、植物和動物的位置上，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形成了圖3所示的結(jié)構(gòu)。圖3中最醒目的特點是：系統(tǒng)中出現(xiàn)了5個粗大的深色箭頭，它們是這個新系統(tǒng)的輸出，是數(shù)量巨大的有機廢棄物質(zhì)和化學(xué)廢棄物。但是，卻沒有適當?shù)南到y(tǒng)承接這些輸出。中國的現(xiàn)實情況正是這樣，世界各國也大同小異。

人類構(gòu)建圖3這樣的新系統(tǒng)，是花費了巨大的資金、物質(zhì)和能量的，而且，這個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)同樣非常耗費資金、物質(zhì)和能量。為此，不得不消耗大量的石油和電力（煤炭）。地球上的石油和煤炭，正是依靠大自然的最基本循環(huán)，經(jīng)歷了億萬年積累下來的。今天，卻被人類用來破壞最基本循環(huán)?；屎娃r(nóng)藥的過度施用就是其中的典型事實，它們使得土壤中微生物的生態(tài)環(huán)境變得日益惡劣，微生物的數(shù)量和種類也同過去有了極大差別，農(nóng)田中的微生物已無法正常地承擔最基本循環(huán)重任了。

圖3 人類構(gòu)建的新的有機物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)

農(nóng)村的實際情況是，從植物和動物系統(tǒng)輸出的大量有機廢棄物本應(yīng)直接輸入微生物系統(tǒng)，進入最基本循環(huán)。但是，由于土壤中的微生物系統(tǒng)已無能力勝任它原來的工作，因而出現(xiàn)了畜禽糞便堆積成災(zāi)，無法處理；秸稈還田無法分解；土壤嚴重板結(jié)，無計可施；農(nóng)業(yè)病蟲害嚴重，只得繼續(xù)追加農(nóng)藥的投放；瓜果蔬菜由于缺少微生物的幫助，許多營養(yǎng)無法吸收，口感改變；無法完全被植物吸收的化肥污染了地下水和周圍水體，富營養(yǎng)水體泛濫。

扶溝是河南省蔬菜種植的模范縣，現(xiàn)在，許多菜地都出現(xiàn)了根腐病和其他土壤病，蔬菜常常大片死亡或減產(chǎn)，無計可施。農(nóng)民甚至擔心能否在該地繼續(xù)種菜。眾多諸如此類的事件使得我們不得不冷靜思考，這樣下去農(nóng)業(yè)還能持續(xù)增產(chǎn)嗎？僅依靠增加化肥施用量能長期保證中國的糧食安全嗎？

這一切告訴我們同一個事實：微生物系統(tǒng)被嚴重破壞了，最基本循環(huán)被阻塞了。必須采取措施恢復(fù)最基本循環(huán)，重建微生物系統(tǒng)。

3 微生物系統(tǒng)的重建和最基本循環(huán)的恢復(fù)

恢復(fù)和保持最基本循環(huán)是一項具體的工程，是一項長期的產(chǎn)業(yè)，應(yīng)成為一個國家的國策和人類應(yīng)履行的一項基本行為。本文僅討論當前需要啟動的兩項具體工程，這兩項工程不僅能夠恢復(fù)微生物系統(tǒng)和最基本循環(huán)，而且能夠使農(nóng)業(yè)長久地持續(xù)高產(chǎn)。

3.1 全國范圍大規(guī)模地實施科學(xué)堆肥和秸稈還田

3.1.1 堆肥的科學(xué)問題

2011年5月17—18日，中科院在山東禹城舉辦了“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展與國家糧食安全暨‘渤海糧倉’與資源節(jié)約型高效農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略高峰論壇”，會議特意安排與會者參觀當?shù)仞B(yǎng)牛場邊上的一個小型堆肥場，目的是讓大家了解以下幾個要點：（1）牛糞和秸稈需要按一定比例混合，并加上適當?shù)募毦梢远阎瞥蔀榭床灰娊斩?、聞不到臭味的有機堆肥；（2）堆肥的過程是一個對有機物的分解過程，需要正確地選擇細菌，細菌在把糞便和秸稈等廢棄物轉(zhuǎn)化為養(yǎng)分的過程中起著決定性的作用，并直接影響?zhàn)B分的成分和質(zhì)量；（3）堆肥過程實質(zhì)是有益微生物的培養(yǎng)和繁殖過程，利用牛糞和秸稈作為微生物的培養(yǎng)基，要精心選擇和設(shè)計培養(yǎng)基的最佳配方；（4）需要控制好整個發(fā)酵過程的溫度、水分和氧氣；（5）優(yōu)秀的農(nóng)用微生物，不是一兩種細菌組成，而是一個細菌群，其種類可能多達幾十種，甚至更多，因此，堆肥的發(fā)酵過程非常復(fù)雜；（6）堆肥中的優(yōu)秀細菌群進入土壤，它們在土壤中形成一個數(shù)量驚人、能力強大的微生物團隊。

正是這個強大的微生物團隊能夠?qū)⒈蝗祟悅α说奈⑸锵到y(tǒng)恢復(fù)起來。如此重要、強大的功能是化肥永遠無法做到的。把“堆肥”作為中科院舉辦的高峰論壇上的重要話題，絕非偶然，它將被證實是恢復(fù)微生物系統(tǒng)的最有效武器，它將改變?nèi)澜绲霓r(nóng)業(yè)。

3.1.2 秸稈還田問題

許多研究指出：秸稈直接還田對土壤有機質(zhì)提高的效果很差，并造成了CO2和CH4溫室氣體排放[3]。造成這種結(jié)果的原因是：人類長期大量施用化肥、農(nóng)藥，已破壞了土壤及其周圍環(huán)境中微生物的生態(tài)環(huán)境，致使沒有很好的微生物團隊來幫助秸稈進行分解。而采用科學(xué)的微生物堆肥方法實施秸稈還田，其效果遠好于秸稈直接還田。秸稈可被作為培養(yǎng)基的組成部分，它增加了培養(yǎng)基中的碳元素，可改善堆肥過程中的透氣性。實驗證明，經(jīng)過40多天的堆制，秸稈便可充分分解。不僅如此，含有大量分解菌的堆肥送入土壤后，細菌還將繼續(xù)對土壤中殘留的其他有機物和秸稈進行分解。持續(xù)使用這樣的堆肥方法，秸稈不僅可以還田，還提高了土壤有機質(zhì)含量，減少了溫室氣體排放。研究表明，根據(jù)畜禽糞便的種類不同，秸稈的比例應(yīng)在25%—40%之間，相對于中國目前每年26多億噸畜禽糞便資源來說，利用7億噸秸稈即可通過微生物堆肥方法將其轉(zhuǎn)化為肥料，用以提高糧食產(chǎn)量，提升土壤肥力，參與重建微生物系統(tǒng)，進而促進最基本循環(huán)的良性發(fā)展。

3.1.3 堆肥的數(shù)量問題

據(jù)不完全統(tǒng)計，全國可用于堆肥的有機廢棄物（畜禽糞便，秸稈，部分農(nóng)產(chǎn)品畜產(chǎn)品、加工業(yè)的廢棄物，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾等）約40億噸[4]。為保證堆肥的質(zhì)量，滿足微生物、植物和動物的健康生長，還需在堆肥的配方中添加礦物質(zhì)和其他輔助材料。依此計算，我國農(nóng)田平均每畝獲得1噸左右的堆肥是有可能的。認真做好堆肥，并配合下文所述的液體菌劑一起使用，其給農(nóng)作物提供的養(yǎng)分總量、養(yǎng)分的品質(zhì)及功效超過化肥。

3.1.4 堆肥的肥效問題

試驗表明，利用我們選擇的菌種，將秸稈和牲畜糞便堆制成有機肥料，每畝施用500公斤，并配2升液體菌劑，可使化肥施用量減少30%，且平均畝產(chǎn)增幅10%以上。依據(jù)該數(shù)據(jù)，若中國每年的廢棄有機物資源和農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)的廢水資源經(jīng)堆肥用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，不但能帶來農(nóng)業(yè)增產(chǎn)，而且使土壤中的有機質(zhì)含量能得到逐年提高，并使土壤的團粒結(jié)構(gòu)、透氣性和保水性得到顯著改善；使化肥和農(nóng)藥的使用更加科學(xué)、施用量不斷減少，從而真正實現(xiàn)恢復(fù)和重建土壤中的微生物系統(tǒng)，最終使中國的農(nóng)業(yè)和環(huán)境走上一條健康的、可持續(xù)發(fā)展的新路。

3.2 大規(guī)模生產(chǎn)和使用液體微生物菌肥和菌劑

為恢復(fù)農(nóng)田中的微生物系統(tǒng)，除堆肥外，還可直接將菌劑施到農(nóng)田中，包括固體菌劑和液體菌劑。我們在許多地方的作物上試驗過一種農(nóng)民俗稱為“黑白液”的液體菌劑，效果非常好，可促進植物根莖葉的生長，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，減少土壤病蟲害，幫助秸稈還田，很受農(nóng)民歡迎。

山東江口生物科技公司是一家小麥深加工廠，同類行業(yè)的廢水是采用普遍的厭氧-耗氧方法處理，即將廢水處理至達標，然后排放。我們則利用工廠的廢水，通過液體發(fā)酵的方法，大規(guī)模地生產(chǎn)液體菌劑[5]。將菌劑施入農(nóng)田，提高了土壤中有益微生物的含量，既降低了成本，又滿足了農(nóng)田需要，從而提高了推廣的速度，使微生物農(nóng)業(yè)的思路更容易被農(nóng)民接受和認可。圖4表述了“江口模式”的結(jié)構(gòu)。

圖4 生態(tài)農(nóng)業(yè)循環(huán)系統(tǒng)的江口模式

當然，并不是所有的農(nóng)用有益菌都可采用液體發(fā)酵方法生產(chǎn)，也不是所有的液體菌劑都能利用工業(yè)廢水培養(yǎng)。而且，液體菌劑不同于堆肥，它的功能主要是直接提供土壤微生物，這些微生物將會幫助土壤形成更多的植物可吸收的營養(yǎng)，而不是直接提供有機物質(zhì)和養(yǎng)分。

4 結(jié)束語

什么是微生物農(nóng)業(yè)？主要依靠微生物來提供農(nóng)作物所需要的營養(yǎng)的農(nóng)業(yè)稱之為微生物農(nóng)業(yè)。

近100年來，人類一直在努力實現(xiàn)化學(xué)農(nóng)業(yè)，即主要依靠化學(xué)工業(yè)來提供農(nóng)作物所需要的營養(yǎng)，其與微生物農(nóng)業(yè)是兩個完全不同的方向。微生物農(nóng)業(yè)是我們未來100年要致力完成的大事業(yè)。

人們在農(nóng)作物的生產(chǎn)中采用微生物解決了某種病蟲害問題，這是微生物在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，是化學(xué)農(nóng)業(yè)和微生物農(nóng)業(yè)都能夠接受的。同樣，微生物農(nóng)業(yè)也需要化學(xué)工業(yè)為農(nóng)作物提供部分營養(yǎng)，但是，農(nóng)作物需要的主要營養(yǎng)必須由微生物來提供。

對于中國來說，微生物農(nóng)業(yè)是與提升國家實力和糧食安全關(guān)系最為密切的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。它能夠解決一系列當前亟待解決的農(nóng)業(yè)問題和環(huán)境問題。

建議我國動員相關(guān)領(lǐng)域的人才和資源，深入開展微生物農(nóng)業(yè)的各項研究和實驗，通過大量的實驗和數(shù)據(jù)分析，用科學(xué)的方法，論證和辨別微生物農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向和措施，為中國和全世界的微生物農(nóng)業(yè)發(fā)展做出貢獻。

目前，日本在微生物農(nóng)業(yè)方向上走在了世界各國的前面，作者從系統(tǒng)科學(xué)的角度先有了“江口模式”的思路和“最基本循環(huán)”的理念，后來，找到了日本的ETS菌，并有幸參與了ETS菌的應(yīng)用試驗和研究。得益于ETS菌的幫助，山東江口生物科技公司試車獲得成功，使“江口模式”有了第一個成功的案例。感謝為ETS菌在中國的應(yīng)用做出重大貢獻的劉長生先生、日本朋友南初昭夫、佐藤忍和佐藤健一先生。

作者在完成了山東江口生物科技公司的建設(shè)和試車后，向原中科院副院長胡啟恒院士做了匯報，她堅定地支持這一探索，并明確指出：“要努力發(fā)展中國的微生物農(nóng)業(yè)?！痹锌圃焊痹洪L、小麥育種專家李振聲院士多次聽取匯報，多次叮囑：“一定要把這個事業(yè)做下去，把它做成功。要用系統(tǒng)科學(xué)的方法把農(nóng)業(yè)系統(tǒng)講清楚”。受兩位老科學(xué)家的重托，歐陽竹研究員主持成立了相關(guān)的研究中心，邀請作者回到中科院工作。本文能夠成文發(fā)表，感謝他們的支持和幫助。

1 白曉慧.生態(tài)工程——原理及應(yīng)用.北京:高等教育出版社，2008.

2 劉學(xué)軍，張衛(wèi)峰，張福鎖.化肥與農(nóng)業(yè).中國科學(xué)院院刊，2011，26（增刊）：119-124.

3 李明德，吳海勇，聶軍等.稻草及其循環(huán)利用后的有機廢棄物還田效用研究.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010,43（17）：3572-3579.

4 孫振鈞，孫永明.我國農(nóng)業(yè)廢棄物資源化與農(nóng)村生物質(zhì)能源利用的現(xiàn)狀與發(fā)展.中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報，2006,8（1）：6-13.

5 曹志強.生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)循環(huán)系統(tǒng)的江口模式，科學(xué)網(wǎng)博客,2010年10月16日.