在大部分干旱和半干旱地区,土壤和地下水含有过多的盐分,不能种植传统的农作物。土壤层中水溶性盐如果超过一定的限度会对土壤的物理、化学和生物特性产生不利影响,从而导致土壤生产力的降低。
科技纵横土壤盐化是一个全球关注的严重问题,灌溉区的不当利用、乱砍滥伐、过度放牧以及其他人类活动导致了次生盐渍化,尤其是在亚洲、非洲和拉丁美洲的发展中国家的干旱和半干旱地区[1]。从传统农业观念看,咸水或者海水属于劣质水源,是阻碍农业发展的有害因素之一。但是,由于土壤对水中盐分具有不同程度的缓冲作用,耐盐作物具有一定的耐盐能力,只要采取适当措施,利用咸水甚至海水灌溉作物,达到抗旱增产的目的是可行的[2]。
人口不断增长、社会经济的快速发展、城镇化进程加快等诸多因素加剧了耕地资源和淡水资源的供给压力,提高农业生产能力、保障粮食安全是新时期人类所面临的重大挑战。除了依靠提高单产增加农业产出以外,拓展利用非传统耕地和水资源发展农业生产是缓解资源压力的根本途径。尚未充分开发利用、具有巨大潜力的咸水资源 (包括海水)、广袤的盐碱荒地的利用,已经被各国政府和学术界广泛关注。在资源约束条件下,科学技术的发展催生了以盐化为特征的新型现代化农业———生物盐化农业。
一、生物盐化农业的内涵与特征
生物盐化农业 (Biosaline Agriculture)是一类应对盐化这类特殊环境条件的现代农业,主要是运用先进的土壤管理和水分管理技术在盐化土壤上种植某些可以耐受一定盐度的植物,并用含盐的非传统农业灌溉水 (如地下咸水、海水、含盐废水等)进行灌溉,在收获作物的同时,还能够达到改良土壤、改善生态环境的效果。咸水资源、盐碱地及滩涂资源、耐盐植物资源都是以盐为特征的自然资源,生物盐化农业就是利用这些资源所具有的盐的共性和尚未被充分开发利用的特性,将这3类资源组合起来有效利用,创建以盐为特点的农业生产模式。生物盐化农业的目标有两个:一是耐盐经济作物产出可以接受的生物量,具有较好的经济效益、生态效益和社会效益。二是生态系统是长期可持续的,可以避免土壤次生盐渍化等生态环境问题。
生物盐化农业的显著特征是遵循资源农业原理,根据区域自然资源分布特点,按照生态学原理设计,依靠现代科学技术,充分利用区域自然资源,建立适应生态环境的高效农业体系。区别于传统开发盐碱地的一般路径,生物盐化农业无需改造盐化逆境,而是因地制宜地种植耐盐性作物,并充分利用地下咸水或者海水等进行灌溉,是对盐土农业概念的延伸。生物盐化农业属于资源节约型农业,主要体现在节约水资源方面,不仅不需要大量淡水淋洗排盐,灌溉作物采用的是非常规的含盐水源,而且由于耐盐作物生长的盐化特殊环境,往往不需要施肥或者施药。生物盐化农业还具有技术密集型特征,需要水利、土壤、农艺等多项技术措施的综合应用才能取得成效,其发展依赖于生物技术、工程技术、农艺技术和土壤管理技术等,依靠土壤学、生物学、植物生理学、农业工程等多学科的综合支撑,例如耐盐经济作物的筛选、咸水 (海水)高效安全灌溉技术、作物栽培管理、耕作制度等。
生物盐化农业 (图1)广泛适用于干旱地区的盐化土地、主要依赖地下咸水灌溉的农业系统、滨海盐碱滩涂以及其他类型的盐化荒地等,其基本思路是 “就地取材”利用地下咸水或者海水,混合一定淡水比例或者完全海水,通过改良的灌溉系统和技术灌溉适宜的耐盐经济作物,生产盐化的农副产品获取经济效益。其中,耐盐经济作物可从野生耐盐植物中筛选驯化而来,也可以通过生物工程技术提高传统淡土作物的耐盐性获得。耐盐作物的抗盐性可以使其在含盐的灌溉水中吸收水分和养分,并通过生物作用改良盐化土壤,从而达到生物盐化农业的生态效益。
二、生物盐化概念的提出及发展
在地中海干旱和半干旱地区,用地下咸水或者海水灌溉作物的历史由来已久,直到20世纪60年代,生态学家Hugo Boyko和园艺学家Elisabeth Boyko在以色列用地下咸水和海水直接灌溉植物,发现许多植物可以在超出传统盐度范围生长,并在此后发表了《盐度与干旱———老问题的新解决途径》一书。该书通过研究首次证实,许多植物能够利用地下咸水灌溉,对于沙土地甚至可利用海水灌溉[3],由此引起了国际学术界对咸水乃至海水灌溉耐盐植物的关注。
10多年后,美国国家科学基金会的3名成员Lewis May-field、James Aller和Oskar Zaborsky对生物盐化概念进行了定义,即 “在干旱地区普遍地区存在的贫瘠土地和咸水应该被视为有用的资源而非损失,可以用于粮食、能源和化学原料的非传统方式生产”[4]。在美国国家科学基金会的资助下,1977年首届国际生物盐化研究论坛在美国南卡罗来纳州举行,并出版论文集——— 《生物盐化概念:一种利用待开发资源的新途径》。此后生物盐化概念在学术界被广泛应用,第二届和第三届国际生物盐化研究论坛分别在墨西哥(1980)、以色列 (1984)举办,进一步为生物盐化相关领域的国际学术交流合作搭建了学术交流平台。
学术界对生物盐化农业的基础研究如植物耐盐机理、咸水安全灌溉等进行了更深入、细化的研究,并得到了联合国环境署、联合国教科文组织、国际原子能机构等国际组织的支持和合作,专门针对生物盐化农业的国际性研究组织或机构、跨地区合作项目逐渐成立。
1992年在肯尼亚首都内罗比联合国环境署总部召开了 “盐生植物在盐化荒地改良及其作为饲用资源的利用现状和开发前景的国际讨论会”,包括欧洲、亚洲、非洲、北美洲在内的19个国家和地区的代表参加了大会,中国有两名代表到会。会议围绕地球上内陆干旱区盐生植物在盐化荒地改良及其作为饲用资源的利用现状和开发前景进行探讨,并出版会议论文集 《盐生植物作为牲畜饲草和荒地修复的资源》[5]。1999年由伊斯兰发展银行和阿拉伯联合酋长国政府等单位资助的国际生物盐化农业中心 (International Center for BiosalineAgriculture,ICBA)在迪拜成立,该中心是一所致力于解决盐渍化和咸水灌溉的农业技术的国际化非营利性组织,由各国科学家组成一只科研队伍,迄今已与中东、撒哈拉以南的非洲国家、西亚、北非以及中亚地区的国家建立合作关系,致力于恶劣环境下的农业应用技术研究与推广。
进入21世纪以来,生物盐化农业逐渐受到各国学者和政府部门的重视,摩洛哥、阿尔及利亚、突尼斯、埃及、约旦、叙利亚、伊朗、阿拉伯联合酋长国等多个国家和地区相继建立了生物盐化农业示范田进行推广应用[6]。中国也于2000年首次引进可直接用海水灌溉的海篷子,在海南省三亚的荒滩上种植成功后陆续推广到江苏、山东等省的沿海滩涂,目前已作为高档海水蔬菜进入到规模化和产业化种植。迄今为止,生物盐化农业的种植对象已涵盖粮食作物、能源作物、油料作物等、蔬菜作物、纤维作物、牧草作物等,所利用的边际水资源包括地下咸水、海水养殖废水、市政废水和农业废水等。
三、生物盐化农业未来发展态势
美国著名未来学家托夫勒在 《第四次浪潮》一书中指出,21世纪将崛起海水灌溉陆上耐盐作物的生产模式和盐土农业,耐盐农作物将为人类创造巨额财富,他还预言 “以知识为基础资源”的 农业“可能发展成为明天在经济发展中占最大优势的部门”[7]。托夫勒的预言中所提到的 “海水灌溉”、“陆上耐盐植物”以及 “盐土农业”与生物盐化农业的基本内容不谋而合。生物盐化农业的显著优势在于大大拓宽了农业生产领域和增加了农业资源总量,因为在沿海地区咸水资源尤其是海水资源是取之不尽用之不竭的,这就决定了生物盐化农业发展的长远性和必然性。尽管现阶段生物盐化农业仍停留在初期研究阶段,许多关键技术、配套措施等尚未成熟,但是已有的成功案例,例如已经进入产业化种植并逐渐打开市场的海水灌溉作物海篷子,证明生物盐化农业并不仅仅是在理论上行得通。
清华大学陈争平教授认为,在人口众多、人均资源少的现实背景下,为突破耕地资源和淡水资源对未来农业发展的约束,应当将目光转向尚未充分开发利用的海洋资源、盐碱地、滩涂资源和耐盐作物资源,从战略角度将包涵盐水农业 (海水种养殖业)和盐土农业的耐盐农业作为新时期农业现代化的新路径[8]。随着人口增长对耕地和淡水资源造成的紧张压力愈演愈烈,为满足未来人类对食物不断增长的需求,除依靠提高单位土地产出率外,主要是通过开发土地资源来获得更多的耕地。在为改善生态环境而实施 “退耕还林” “退耕还草”的政策下,以及工业化、城镇化进程加快的宏观背景下,农业耕地资源扩张只能转向广袤的待开发的盐碱荒地。按照传统观念,要在盐碱地上进行农业生产,首先需要通过工程措施耗费大量淡水淋洗,以降低土壤中的盐分含量,这样做虽然可增加有效耕地面积,但是也同时付出了大量淡水资源和资金的投入。
而生物盐化农业以 “依靠科技合理配置资源”为原则,打破传统农业需要先洗碱脱盐的思维定势,在盐碱地上直接栽种耐盐经济作物,生产粮食、饲料、燃料、粪肥、工业原料等。因此,从传统农业资源开发的瓶颈和经济可行性角度来看,生物盐化农业必然成为未来农业开拓的重点领域。
目前,国内外对生物盐化农业的和基础研究大致分为两个方向:一是咸水灌溉与土壤之间的水盐运动规律。二是作物耐盐机理,主要研究作物对盐分的抵抗、吸收及其在作物体内的转移和积累。这些都为生物盐化农业的发展和应用奠定了坚实的基础。可以预计,日新月异的科技进步,尤其是随着现代农业科技带动生物盐化农业核心技术的发展和突破,以及相关基础研究的深入和科技成果的转化,生物盐化农业的种植种类将会不断增加,对劣质水源的利用效率和安全水平也会逐渐提高。较传统农业而言,生物盐化农业所依赖的技术体系更为复杂,现有的相关研究基础仍然非常薄弱。其中,有些技术是普通农业科技所未涉及的,需要克服的技术困难远远多于普通农业,从优良耐盐经济作物的筛选,到安全有效灌溉模式的探索,再到适宜的农艺管理研究等多个复杂环节都需要长期的、大量的研究试验作为保障。以优良耐盐经济作物筛选为例,美国亚利桑那大学自1978年开始经过十几年的研究,才从几百种野生耐盐植物中筛选培育出既具有经济价值又具有高耐盐性的海篷子、盐草、滨藜等作物。可见,生物盐化农业虽然是符合经济效益、生态效益和社会效益的理想生产模式,但是由于核心技术环节多,研发难度大,真正实现繁荣发展可能会经历一个相当长的时间周期。
参考文献： [1]Bill Wallin,Jorge Morales Pedraza.生命的种子———荒地如何变沃土 [J].国际原子能机构通报,2003(1):47-51. [2]郑九华.咸水灌溉 [M].北京:中国水利水电出版社,2010:58-76. [3]Boyko H.Salt-water agriculture[J].Scientific Ameri-can,1967,216:89-96. [4]HollaenderA.Thebiosalineconcept:An approach to theutilization of underexploited resources[C].PlenumPress,1979. [5]金启宏.International Workshop on Halophytes For Rec-lamation of Saline Wastelands and a Resource for Live-stock Peoblems and Prospects[J].植物生态学与地植物学学报,1993(2):132 [6]Bill Wallin,Jorge Morales Pedraza.生命的种子———荒地如何变沃土[J].国际原子能机构通报,2003(1):47-51. [7]约翰·托夫勒.第四次浪潮 [M].北京:华龄出版社,1996:71. [8]陈争平.新世纪农业现代化新路径探讨 [J].理论与现代化,2013(6):5-9.