土壤质量下降已经在一定程度上影响了粮食作物的数量和质量安全。本文针对土壤有机质不足、矿质元素不平衡、生物肥力下降等问题，我们总结秸秆耕层发酵技术，即充分利用秸秆、畜禽粪便和农业废弃物等有机资源，并合理配合矿质元素、有益复合菌等在进行耕层发酵的创新技术，该技术是调整土壤微生态平衡，改变化学农业现状的有效举措，也可解决长期困扰农业的有机质下降与矿物质缺乏等有关的土壤质量下降的问题，更好促进我国农业生产的持续发展。
耕层发酵 微生态平衡 理想土壤 醌系物质
化肥在促进我国粮食和农业生产的作用不容忽视，但过量或不合理施用化肥和农药也带来难题，我国有些地区农田土壤有机质含量下降、土壤酸化和土壤板结等问题凸显，例如，东北个别地区黑土有机质含量有一定的下降，与第二次土壤普查比，有机质含量下降了35% 左右[1]，且连续施用化肥部分黑土有机质也有一定的下降趋势[2]，华南、华北地区土壤酸化日益加重; pH小于5.5 的耕地面积由20% 扩大到40%[3]；农田的生物多样性下降、土壤矿质元素被耗竭，从而导致农产品污染物的超标和矿质元素的减少，严重影响百姓的健康。而我国秸秆等有机资源的利用率仅41%，存在着过度依赖化学投入品和对已有资源巨大浪费的双重问题。当前农业农村部正在推进在茶、果、蔬作物上推行有机肥全面替代化肥行动，可以说以往推行的化肥和农药双减、沃土工程、测土配方施肥等项目取得了不少成绩。如何有效利用有机资源、矿物资源和微生物资源，尽快降低化学农业带来的不良影响，依然是摆在我国农业上一道难题。秸秆耕层发酵技术或许可以破解我国农业面临的双重困境，并将在推进我国粮食安全进程中发挥作用。西方的化学农业历经了一二百年的时间，特别是100多年前人工合成氨（氮肥）的出现，改变了人类的食物结构，随着时间的推移，食品中对人类健康非常有益的矿物质和营养素在减少或消失，特别是农业生产上大量使用化肥、农药、除草剂和转基因技术，已经使全球的化学农业陷入困境，两度获得诺贝尔奖的Linus Pauling博士说，我们可以追溯人类的任何疾病、症狀与病痛的起因都来自矿物质的缺乏。人类的掠夺式经营让地球的生态系统猝不及防[4]。美国农业部土壤所所长、威斯康星州立大学土壤专家富兰克林.金教授很早就开始思考西方化学农业的弊端，他看到殖民者对美洲大陆进行开发不到100年的时间里，使北美大草原的肥沃土壤大量流失，严重影响了美国农耕体系的可持续发展，他萌生了研究东亚国家农业方式的想法，并于1908年访问中国、日本和朝鲜三个古老农业国，每到一地他都与当地的农民进行深入地交流，在中国他看到几乎每一寸土地都被用来种植作物，以提供食物、燃料和织物。每一种可以食用的东西都被认为是人类或者畜禽的食物，而不能吃的或者不能穿的东西则被用来做燃料。生物体的排泄物，燃料燃烧之后的灰烬以及破损的布料都回到土中。在处理这些废物之前，人们封装这些废物以免风化，凭借智慧，在一到六个月的时间内，将废物变成最有效的肥料。联想到美国城市利用发达的下水道系统将人类粪便和生活污水直接排入大海，造成北美海岸沿线水体因富营养化而形成的死海区域，更重要的是浪费了其中可用于农业生产的宝贵资源。他赞誉东方农耕是世界上最优秀的农业，东方农民是勤劳智慧的生物学家。1911年出版了《四千年农夫》，2016年由温铁军作序、程存旺和石嫣译的中文版上市，受到社会各界的广泛关注，截止到2019年8月已印刷四次[5]。日本二战失败后，这个具有传统农耕文化的国度也追随美国的化学农业，上世纪六十年代，就曾因过度使用农业化学品和外部工业污染而导致了严重的环境破坏，不得不彻底放弃以数量安全为主导的农业政策，转而提出兼顾数量安全、农村发展、质量安全和生态环境等多重目标的农业政策，很快传统农业生产模式得到恢复，并因融入现代科技而得到加强。特别值得一提的是小祝政明在总结前人成就的基础上，提出高品质、高产量、高营养精准高效有机农业种植技术，核心技术是从中熟堆肥中获取作物所需的有机碳（CH2O）与氨基酸（CH2O-N），同时强调对矿物质的平衡供应。这是东方色彩的有机农业理论，简称BLOF。此技术在日本已经得到快速发展，近年来BLOF技术也引入中国[6]。上个世纪70年代末，我国农业开始全面学习西方，到现在已有四十年，这几十年间，在连续丰收的背后却付出了巨大的代价，化肥和农药用量逐年递增，而对产量的贡献率却逐年递减。中国工程院院士北京林业大学教授林伟伦说，我国粮食产量占世界的16%，化肥用量占31%，每公顷用量是世界平均用量的4倍，过量的化肥很快被水冲到地下，影响土壤的营养平衡。而我国每年180万吨的农药用量，有效利用率不足30%，多种农药造成了土壤污染，甚至使病虫害的抗药能力增强。不断加剧的农药使用，对于环境、农地粮食和食品残留带来非常严重的问题。2010国家公布的《第一次全国污染源普查公报》显示，我国农业污染已经超过工业和生活污染成为污染水资源的最大来源。多年不合理投入高浓度肥料、农药、除草剂和激素等物资，给我国农业带来诸多难题，如，土壤有机质和矿物质被耗竭，土壤板结、盐渍化或酸化、普遍出现连作障碍、病虫草危害加重、农业面源污染、农产品品质下降，直接影响到百姓的生活。这一结果不幸被英国的兰塞斯卡·布雷女士言中，布雷女士1980年访华时说，“与14世纪《王祯农书》中描绘的那种生产力高度发展的中国农业制度相比，中世纪的欧洲农业尚处于原始状态；……中国采取现代西方农业特点时应该慎重从事，不适当的技术引进可能造成预料不到的严重后果。”我国农业还存在过度依赖化学投入品和对已有资源的巨大浪费双重问题，我国每年产生的有机资源50亿吨（其中包括秸秆9亿吨）的利用率约41％（黄鸿翔），其中畜禽粪便利用率为50%左右，农作秸秆还田率为35%。看来沿着化学农业的思路肯定是走不通的，我国的化学农业也到了必须转型的时期。受到土壤专家富兰克林.金教授等人的启发，我国农业应走东方传统农耕与现代技术相结合的生态农业之路，充分利用秸秆和有机资源并采取耕层发酵技术可解决我国农业的双重问题，再辅助添加土壤所需的矿物质和有益微生物，便可把被化学农业毁坏的土壤修复成理想的土壤。
世界粮农组织（FAO）描绘的理想土壤的结构是45%的矿物质、5%的有机质、25%的水份、25%的空气（见图1）25%的水份、25%的空气（见图1）。图1. 世界粮农组织描绘的理想土壤的结构（陈能场）与FAO所描述的理想土壤相比，我国目前的土壤状况还需要进一步完善，我国主要土壤有机质含量和质量相对较低，土壤矿物质的问题更多，一般来说岩石风化的成土母质是土壤形成的物质基础和植物矿质养分元素的最初来源（碳氢氧氮的来源另论），作物生长所需矿物质元素均来自土壤，众所周知，连年耕作的土地需要归还农作物带走的元素，而几十年的化学农业每年只补充氮、磷和钾，其他矿物元素并未得到及时补充，使土壤中二价阳离子（钙镁铁锰）匮缺，是导致土壤板结的主要原因，土壤团粒结构差，也难以保障土壤中有足够的空气和水。化学农业的现状在一定程度上打破了土壤微生态环境的平衡，土壤的有机质、矿物质、空气和水的平衡，盐指数、生理酸碱度、有益微生物等，都发生了变化，土壤的生态功能明显下降。中国农业科学院农业资源与农业区划研究所以刘立新研究员带领的团队，一直致力于土壤改良工作。2008年发现新绛农民的有机种植技术，并应用现代土壤、植物营养、植物生理学理论，总结出生态有机农业高产优质栽培技术，此技术可以促进土壤修复、可以实现我国从化学农业向生态农业转型的目标。2013年该技术成果在北京通过了以武维华院士为组长的专家组鉴定，被评为“国内领先行列水平”。生态有机农业高产优质栽培技术全程不用化肥、农药、除草剂、激素类等物资，在生产中巧妙地利用自然资源和源于自然的土壤有益微生物及其代谢产物，大量使用有机肥让碳源充足，具体的方法是用秸秆、牛粪等有机物与富含非豆科固氮菌的有益微生物组合、土壤调理剂进行有机物土壤耕层发酵，解决土壤碳饥饿等问题，为作物高产打下物质基础。作物所需的氮源主要来自微生物固氮和有机物降解的有机氮，让有益微生物推动土壤养分循环，为作物营造良好土壤环境；并均衡提供作物需要的矿质元素。该技术重视传统农业传承，用胁迫加营养的方法在作物生长全程不断开启作物次生代谢途径，使作物生长早期就有免疫力，进而使作物各个器官都产生抗病虫草害和抗灾害性天气的化感物质，最终生产出产量高、有营养、耐储存、好吃不贵的优质农产品。总之使用有机物料与水、有益微生物、全元矿物质元素、胁迫加营养的四位一体技术，满足作物一生对营养的需要，协调作物对异常天气和各种不良环境的适应性，这就是生态有机农业高产优质栽培技术体系[7]。 评审专家对这一技术的评价，“有机肥和秸秆的耕层快速发酵技术提高了土壤有机质含量，带动了农民对秸秆和畜禽粪便利用的积极性”。秸秆耕层微生物发酵，调整土壤微生态平衡 通过秸秆耕层发酵，增加了土壤有益微生物，降解去除有害微生物，改善土壤团粒结构和土壤微生态环境，同时提高有机资源的利用率。独特的先进科学配方，调整土壤微生态营养平衡 将秸秆、畜禽粪便、矿物质元素、微生物有益菌、植物源的中草药等，进行科学配比，调整土壤微生态营养平衡，为农作物营养生长与生殖生长提供条件。
利用胁迫开启植物的次生代谢，调整土壤微生态环境 增强农作物的抗性与品质，同时作物将40%的代谢产物输送到根际，产物中有糖类、氨基酸类、有机酸、酚酸类、脂肪酸、甾醇类、生长因子等[8]，这些产物提高了作物对营养元素的吸收率，增加了土壤酶的活性，促进了土壤动物和土壤微生物的多样性，很好地调整了土壤的微生态环境。新绛农民在生产实践中，感受到直接把秸秆翻入土壤耕层发酵的有机质往往肥效更高。在作物收获后就开始整地了，人们将前茬作物秸秆和大田作物秸秆粉碎（小于5cm）和中草药残渣（即大量的植物源的有机物）、及少量的畜禽粪便、再加上全元矿物质肥和有益微生物菌肥均匀地撒在地表，用机械翻入25cm左右的土层，再旋耕2～3遍，静置7～10天后，就可以起垄移栽种植了（见图2）。耕层发酵技术使有机物料的营养留在土壤中，秸秆经过粉碎后和畜禽粪便一起和土壤的充分接触，并保持一定的土壤水分，加上全元矿物质肥和有强固氮能力和有机物降解能力地力旺有益菌，微生物在碳源和矿物质丰富的条件下，其降解秸秆的能力很强，远超市场上常见的秸秆腐熟剂。实践证明秸秆耕层发酵可以使土壤松软，有机质含量提升，土壤中固氮酶活性增加，土壤的透气和保水能力增强。最终使农作物产量高、品质优（见图3）。耕层发酵的好处在于有机物料在土壤中完成了一个完整的分解过程，在好氧菌的作用下，有机质被矿化出钙、镁、钾、硅、磷、硫、铁、铝、锰等灰分，释放出热量、二氧化碳和水分。在兼性厌氧菌的作用下，将有机物分解为对农作物直接利用的营养物质，包括有机碳（CH2O）、有机氮（CH2O-N），如，氨基酸、多肽、多糖、多酚类物质，最终让有机物质在土壤完成了一个腐殖化的过程。同时还能有效避免畜禽粪便在绝对厌氧的发酵中被腐解化为氨气、甲烷气、硫化氢等还原性物质，这些气态物质一旦产生就不能为作物所利用，而是会释放到空气中，成为大气中的温室气体的来源，对环境造成危害（见图4）。有机物包含秸秆、畜禽粪便和农业废弃物在土壤微生物的作用下最终形成为腐殖质，欧洲土壤学家将有机质分解过程分为三个阶段（见图5），即，预备腐殖质、营养腐殖质、永久腐殖质。其中的营养腐殖质阶段对农业很有意义。不同的土壤微生物参与了不同阶段的土壤有机物质分解，依次是藻类、真菌（霉菌）、放线菌、细菌。在预备腐殖质阶段是藻菌类分解结束，到真菌类开始分解阶段开始的产物，属于未腐熟好的核酸蛋白质，即属预备腐殖质阶段。营养腐殖质阶段是真菌类分解结束，到放线菌和细菌分解开始阶段的产物，主要生成的是醌系物质。永久腐殖质阶段，微生物不能再分解，永久腐殖质的形成是由若干个醌系物质再缩合、聚合最终形成暗褐色的高分子胶体物质，成为真正的腐殖质。图5. 土壤有机物发酵到营养腐殖质阶段产生醌系物质[9]营养腐殖质阶段还为作物生长提供大量二氧化碳，这是因为营养腐殖质阶段土壤中的细菌分解有机质产生的大量二氧化碳，其密度大移动缓慢，可为栽培作物高效利用，土壤中80%以上二氧化碳是由细菌分解有机质产生，可提高作物的光合效率，制造出更多的光合产物，从而使植物体内储备更多的能量和物质，以应对异常天气和各种不良环境因素的影响。耕层发酵技术可以充分利用营养腐殖质阶段的产物，使有机物料的分解利用率达到最大化。土壤中发酵有机物料好处，还在于把营养腐殖质阶段的产物都留在土壤中，营养腐殖质中醌系物质是微生物分解有机物中多酚和木质素的产物（见图6）。在逆境天气下农作物为什么需要醌系物质呢？这是因为作物根系吸收的硝酸，在还原成氨时需要大量的氢，当阳光充足时，氢的获取可来自作物的光合产物，而在连阴天作物的光合作用下降，土壤中的醌系物质就起到把氢转移给硝酸的“传送系统”作用。因此耕层发酵可明显改善土壤的微生态环境，可以提高作物有抵抗逆境天气的能力。耕层发酵非常容易形成FAO所描述的理想土壤的结构。这是因为腐殖质中碳、氮、磷、硫比值大约为100:10:1:1，元素间搭配合理。腐殖质与土壤微生物和土壤酶一起构成土壤有机胶体，土壤有机胶体以及土壤中二价阳离子再与土壤粘土结合，形成土壤团粒结构。具有团粒结构的土壤其通气性、透水性、保水性均增强。腐殖质的颜色为暗褐色，可使土壤颜色加黑，可提高吸热性和保温性，改变了土壤的微生态环境，这一特点在寒冷季节的保护地种植很有意义（见图7）。土壤腐殖质是以芳香族为主体附以酚羟基、羧基、甲氧基的功能团，带有的负电荷具有很强的阳离子交换量（CEC值高），CEC用吸附钙、镁、钾阳离子量来标记土壤的保肥能力。在秸秆还田时，适当添加作物所需的中量元素钙镁硫、微量元素和有益元素，和有机物料一起进行耕层发酵，土壤中新生成的腐殖酸就会成为金属元素的鳌合剂，使土壤中金属元素呈可溶态并具有活性，研究表明，螯合态或络合态的微量元素铁、铜、锌、钼、锰、镍最容易为植物的根系所利用[10]，腐殖质提高了土壤的阳离子交换量，也提高了土壤对营养元素的供应能力。我国有悠久的农耕历史，先民们在农耕劳作中一直在践行着顺天时、借地力、精细化和生态化的生产方式，这种生态有机农业的特点是，低能消耗的资源循环利用、多种经营、以种植为主、重视植物蛋白的利用、用地养地改土结合使地力常新、精耕细作提高土地利用率[11]。否认传统农业的现代化，将会导致农业的衰退。而传承农耕技艺并与现代科技结合就是现代生态农业。我国尽管禁烧秸秆的法令出台多年，并要求秸秆还田也没从根本上改变现状。凤凰新闻（2020-1-28）载文，“当初鼓励秸秆还田，如今弊端显现，农民质问专家：损失谁来负责？”文章罗列秸秆还田弊端，如，病虫害加重、需加大播种量、种子深浅不一、出苗不齐导致减产、秸秆发酵与作物幼苗争夺养分、出现黄苗、死苗等现象。推广秸秆和有机物料的耕层发酵技术，可以有效利用各种有机物料，减少农业废弃物对环境的污染，减少秸秆直接还田的负面影响。针对在冷凉地区秸秆发酵不充分的问题，近年来有学者在黑龙江的水稻、玉米和大豆上进行秸秆还田耕层发酵的试验与示范、在新疆棉花上做秸秆还田耕层发酵的试验工作，在冷凉地区应用耐低温的菌剂是解决问题的关键（张开银）。实践证明，秸秆耕层发酵技术适用于我国广大的地域和各种作物。推广秸秆和有机物料的耕层发酵技术，土壤生态环境就会变好。以往生产上所遇到的各种难题都会迎刃而解。从秸秆耕层发酵做起，可引导农民及农民协会或农业企业从化学农业转向生态农业。梁鸣早，中国农业科学院农业资源与农业区划所副研究员(退休)。研究领域 :植物营养和生理，作物高产优质栽培、 植物次生代谢在农业上的应用。曾获 2 个国家科技进步奖、2 个省部级科技进步奖。发表学术论文 50 多篇。编制 20 种作物营养失衡挂图。2 部国家星火计划丛书任主编。张淑香，中国农业科学院农业资源与农业区划所研究员，博士生导师。研究方向 :土壤肥力演变、土壤生态修复、作 物连作和生态农业技术等。主持和参加完成 20 多项国家自然科学资金、国家基础性工作、国家 863 计划课题、农业部行业 专项和省(部)级项目;获省(部)级奖励8项;发表论文90多篇(SCI 20余篇)、作为主编、副主编编写专著8部，软 件著作权和专利 8 项，培养研究生 20 余名。孙成，世界生产率科学院(WAPS)院士、研究员。现任世界生产率科学联盟中国分会执行主席兼秘书长，国际院士联 合体执委会主席、农村教育发展中心院士工作室主任。发表《当代兴国战略研究》《新型缓释肥料技术与应用》《植物营养 生长与生殖生长平衡比例关系失调是造成肥料过量施用环境污染的重要根源》等论文和专著。[1]杨学明 张晓平 方华军 梁爱珍. 20 年来部分黑土耕层有机质和全氮含量的变化[J]. 地理科学，2004，24(6): 710-714. [2]张淑香 张文菊 徐明岗. 我国典型农田长期施肥土壤肥力变化与研究展望[J]，植物营养与肥料学报, 2015, 21(6):1389-1393[3]徐明岗 张文菊 黄绍敏 等. 中国土壤肥力演变( 第二版) [M]. 北京: 中国农业科学技术出版社，2015.[4]尤瓦尔·赫拉利 著 林俊宏 译 人类简史 [M] 中信出版社 2014.[5]富兰克林. H. 金 著 程存旺 石嫣 译 四千年农夫 [M] 北京 东方出版社 2016，1[6]小祝政明 有机栽培的基础与实践[M] 北京 中国农业出版社 2010，12[7]梁鸣早 路森 王天喜等 高产优质有机农业技术体系探索[J] 中国土壤与肥料 2016(3)：5～12[8]吴林坤 林向民 林文雄. 根系分泌物介导下植物-土壤-微生物互作关系研究进展与展望[J] 植物生态学报，2014, 38 (3): 298–310[9]长谷川杢治 著 谭俊杰 孙绥中译. 科学施肥新方法[M] 化学工业出版社，1989.[10]廖红 严小龙. 高级植物营养学[M] 北京 科学出版社， 2003, 8[11]王永厚 农业文明史话[M] 北京 中国农业科学技术出版社 2006
社会生态农业CSA联盟
社会生态农业CSA联盟由温铁军教授倡导成立，推动社会化、生态化的食物体系，自2003年开始培训农民学习立体循环农业和生态建筑、2009年开始构建全国的CSA网络，于2017年正式注册社会团体，并连续每年举办年度最大规模的全国CSA大会，并与国际社会生态农业联盟（URGENCI）进行直接的对接。
联盟致力于成为全国社会化生态农业领域专业倡导型、多元服务型的社会团体，将全国各地认同并愿意支持CSA模式的生产者和消费者连接起来，构建社会生态农业互助网络，2017年发起“有种有种”活动。主要工作内容包括研究相关课题、举办年度CSA大会、推动建立参与式保障体系和组织培训学习等。
联系方式：
电话：136-8129-1083
邮箱：csalianmeng@163.com
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