營養體農業與南方草業的發展
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1我國南方氣候資源的特點
以淮河和秦嶺為界,我國南方和北方的氣候特點存在著明顯的差異。水熱資源豐富,無霜期長,但光照相對不足是我國南方各省氣候資源的基本特點,這剛好與我國北方地區的氣候特點形成了鮮明的對照(表1)。
1.1降水充沛
就水資源來說,我國南方各地的年降水量一般都在1000～1200mm以上,廣西北海甚至高達2400mm,比降水量為500～600mm的黃河流域約高1～3倍,是西北內陸地區的10倍,甚至幾十倍。所以,北方常年都是干旱嚴重,而南方則除了季節性干旱之外,常嫌陰雨天氣太多。
1.2熱能豐富
0℃以上溫度的持續期是評定一個地區農時季節長短的指標,0℃以上的積溫是反映該地區總熱量的指標。我國長江以南各地0℃以上的持續期日數均在340～365d,而北方各地多為200～250d,長江以南0℃以上的積溫為5500～8000℃以上,而北方各地則約為2500～5500℃。說明在熱能資源方面,南方較北方有著巨大的優勢。
1.3無霜期長
南方各地為250～365d,許多地方幾乎全年都能種植作物;而北方則為100～200d,好些地方只能種植一季作物,或者是一季有余但兩季不足。
1.4光照相對不足
年日照百分率北方為60%～70%,而南方僅為40%～50%,尤其是川、黔兩省僅為30%左右。就日均氣溫≥10℃期間的日照百分率來看,北方為60%～70%,南方為40%～50%;就年日照總時數來說,北方為2400～3200h左右,南方僅為2000～2200h;以日均氣溫≥10℃期間的日照時數計,南方為1200～1600h,(成都和貴陽地區僅為800～1000h),北方,尤其是西北地區高達1400～1800h;如果按0℃以上持續期的日平均時數計則長江以南為3.5～4.4h,而北方為7.0～7.2h。顯然南方的日均日照時數僅為北方的一半,且主要分布在夏秋兩季。例如貴陽的冬季一季的日均≥10℃的日照時數僅為180h,長沙也只有267h,而北京則高達603h。所以光照相對不足是我國南方農業生產的主要限制因子。
營養體農業和傳統農業的差異主要在于種植制度和收獲目的物的不同。傳統農業主要是以收獲籽粒為目的,栽培作物必須完成其全生育期,籽粒產量越高越好;而營養體農業則是以收獲莖葉,即營養體為目的,營養體的可利用養分越高越好,亦即在植物體纖維化和木質化之前進行收獲。所以應利用植物的S型生長曲線,即植物生長“慢—快—慢”(圖1)的特點,在其完成大生長期,亦即對數增長期時,立即刈割,作為飼料飼養草食動物,使草食直接轉變為肉食。雖然是植物的典型生長曲線,其實所有生物,包括微生物、動物乃至人類的生長過程也都遵循這一“慢—快—慢的生長規律。因此,在大力發展營養體農業,以草食直接換肉食時,除了草食生產需要運用生長曲線原理,使草食營養物質的產量盡可能最高之外,動物生產也應充分利用這一原理。這就是說要改變農牧民常常要在所養動物達到最大體重后才出欄的傳統思維方式,而在其完成對數生長期后即應出欄。這是提高飼料利用率、生產效率和經濟效率的主要途徑之一。例如,內蒙古牧區10月齡羊的出肉量為13.8kg,2歲羊的出肉量為21.8kg,4歲羊的出肉量為25.8kg,5歲羊的出肉量最高,為27.6kg,是10月齡羊出肉量的兩倍,但飼料消耗量為10月齡羊的11.2倍,說明10月齡羊的飼料轉化率比5歲羊高4.6倍,再加上人工和設施的消耗,則10月齡羊的經濟效率比飼料轉化率還要高得多〔4〕。因此,從提高飼料利用率和生產效率看,應在10月齡出欄。
由于收獲目的物和種植制度的不同,與傳統農業相比,營養體農業具有諸如生理生態、耕作、投入和產量等諸多方面的優勢。最近幾年,湖南、安徽和河南等地因水稻種子的原因出現了幾次重大引種事件,給農民造成了嚴重減產、甚至絕收等重大經濟損失。這是因為水稻要完成其生活史,在生理生態上就必須滿足其“三性”要求,即必須滿足其感溫性、感光性和基本營養生長性。不同緯度、不同海拔進行異地引種如果不能滿足這“三性”,水稻就不能正常開花結實,這就是傳統農業常常可能出現的重大生產問題。營養體農業則因是以收獲營養體為目標,在其完成對數生長期時即可收獲。因此,異地引種時沒有緯度、海拔或區域的限制,只要作物的營養體產量高,營養品質好就可以進行異地引種,不用擔心出現不抽穗、不結實以及“寒露風”等諸多問題。在耕種栽培上,因營養體農業使生育期變短了,從而簡化了農事操作。也由于營養體農業的生育期縮短了,在大致相同的生長期內,可比傳統農業多收獲1～2次,與之相對應地可增加1～2次對數增長期,減少1～2次生長緩慢的生育后期。與此同時,因第1次收獲是在對數生長期完成時進行的,其時地下部和被刈割基部殘茬已積累了大量養分,比一般作物種子多幾十甚至幾百倍,因此第1次收獲后,再生苗的生長速率比由種子長出的實生苗要快得多,從而可使生長緩慢的生育前期縮短或簡化。所以在產量上,營養體農業顯著高于傳統農業(表2)〔5〕。許多農作物諸如水稻和小麥病蟲害的發生主要出現在生育后期,營養體農業還可以避開主要病蟲害的發生和危害。因此,可以大大節約農藥和人工等成本的投入,可以保護作物害蟲的天敵,減少環境污染,可加速綠色食品的生產,確保農業的持續發展,因此具有重大的生態效益和經濟效益。
3營養體農業與傳統農業對光能利用的差異
營養體農業與傳統農業對光能利用的差異主要表現在三個方面。在時間上,因是在光合效率最高,營養體最大的生育期收獲,避免了光合效率下降、逐漸走向衰老的生育后期的出現,從而使收獲次數增加1至2次。在空間上,因生育前期是功能逐漸發展壯大的階段,葉面積指數低,許多光能都沒能被葉片捕獲,營養體農業則只有頭一茬的生育初期漏光現象嚴重,收獲后再生第二茬時,因經過了一個生長盛期,地下部分和殘茬內貯藏的營養遠遠多于種子胚乳中的養分,使再生茬的生長速率明顯快于第一茬,從而避免了生育后期葉片衰老時的漏光現象。在生理上,增加了一至二次生長旺盛期,縮短了相應的生育前期,避免了相應的生育后期,這在功能上具有非常大的優勢。一般禾谷類作物如水稻生產稻谷的光能利用率僅為0.5%左右,但其生育中期,即對數增長期可高達3.7%〔4〕,尤其是在生育盛期收獲,不再有分蘗的退化和死亡,也就不再有無效分蘗,并且由于收獲時期較早,莖葉不但蛋白質含量高,而且木質化和纖維化程度低,營養價值高(表3)〔4〕,使光合固定的CO2都能得到充分利用。在物質運輸上,因無須將光合產物集中運往籽粒,故可大大節約經化學固定的光能——光合碳同化物,從而提高了作物產量。因此,其營養物質的產量一般相當于生產飼料的營養物質的2～4倍(表2)。
4營養體農業和傳統農業對光照要求的差異
太陽輻射是綠色植物通過光合作用制造碳水化合物、氨基酸和蛋白質等有機物質的唯一能源,植物體構成成分的90%～95%都是光合作用的產物,所以光照無論對營養體的生長還是對籽粒的形成與發育,都有著極為重要的作用,然而植物的營養生長與生殖生長對光照的要求無論是質還是量都有著明顯的區別。一談到光照,人們就會很快想到光周期的問題,即長日照、短日照和日中性在作物生長發育中的作用,這的確是一個非常重要的問題。例如對于感光性很強的作物品種,如粳稻品種,在我國南方雙季稻區即使是在早春3月播種,也必須在其對短日照的要求得到滿足后的10月前后才能收獲,雙季稻區如果在早春錯誤地播種感光性很強的作物品種,就會白白地損失一季收成,這就是傳統農業中異地引種時常易出現問題的主要原因之一。與此相反,對感光性很弱的油菜或黃瓜來說,只要溫、光、水、肥、氣能滿足其生長要求,一年四季無論什么時候播種,都能正常開花,獲得好收成。這種光周期問題對作物生長發育的影響,屬于低能光反應,只需幾十瓦的光強度就能完成。其實,作物的生長發育同樣需要不可替代的高能光反應。
對于植物營養生長來說,即使在光照較弱的條件下,只要光照強度在其補償點(一般作物為400～4000Lux)以上,就可以進行光合作用合成有機物質,促進其生長。所以一般植物在光照較弱的條件下,也可進行光合作用,進行營養生長。但對于生殖生長則不同,僅僅是高于補償點的光強度是遠遠不夠的,還必須有強烈的光照,這是因為植物的生殖生長過程對強光照的特殊要求。控制光照條件的一般田間實驗都驗證了穗分化后期,尤其是雌雄蕊開始分化直至生殖細胞形成期,特別需要強烈的光照。Ruhland將花芽分化分為8個階段,其中第一個階段必須有很強的光照才能完成,第五至第八個階段也須有光才能完成,只有第二至第四個階段需要在暗中進行〔5〕。所以如果沒有足夠強的光照,作物的花芽分化就難以啟動,或者即使啟動了,也難以正常完成其整個分化過程。這就是我國貴州、湖南等省的許多地方冬季小麥產量常常不足1500kg/hm2的最主要的原因。最近,任繼周院士進行量化研究發現,在溫度年較差16℃以下地區,總輻射量418kJ/cm2以下的地帶以植物營養體生產為宜;在544kJ/cm2以上的地帶,以生產籽粒為宜;在418～544kJ/cm2的地帶,則兩者都可以生產,但仍以生產營養體較為豐產、穩產〔6〕。
我國南方14省市現有草山草坡面積0.79億hm2,其中約80%可以開發利用,但現在開發利用的實際面積不足20%〔7〕。這一方面是由于農牧耦合度低;另一方面是由于草山草坡中,人工草地所占比例很低,而天然草地的水肥條件差,飼草的生產率低下,因而產量低,質量差。對于這一資源的開發利用,要從改善和引進新的飼草資源、引入營養體產量高的飼草品種著眼,并可引入飼用灌木品種,尤其是豆科灌木。這樣既能增加飼料產量,又能改善土壤結構,促進水土保持。
廣義的草山草坡還應包括草山草坡上已被墾荒的耕地,包括田和土,因已被墾荒,其土壤狀況、肥力水平、水分條件都得到了根本的改善,因而在土地生產力上比一般的草山草坡要高得多。我國南方目前有很大比例的田土從深秋到早春基本上處于休閑狀態,例如我們在安徽、湖南和貴州等地區就國家“九五”攻關項目(96-013-01-04-02)進行考察時發現,有大量農田在收完水稻(一季晚稻或雙季晚稻)后就處于休閑狀態,許多旱地收完烤煙等作物后就基本沒有再種植莊稼。例如僅湖南每年就有130多萬hm2冬閑地,筆者在湘西鳳凰縣看到有數百畝一片的旱地冬季完全處于休閑狀態,廣東每年至少有70%的休閑田。此外還有一部分田地雖然種上了小麥等作物,但因光照不足,雨水偏多,赤霉病、白粉病等發病率高,因而小麥籽粒產量僅1125kg/hm2,農民得不償失,故而種植面積還在逐年下降。
如果改變傳統的耕作方式,推廣營養體農業,充分利用冬閑地,將使農民額外增加一季收入,并大大地促進牧業尤其是草食動物養殖業的發展。例如在黃淮海棉區,每年10月中旬棉花收獲到次年4月中旬植棉前,棉田大約有1/4的光、熱、水、氣資源沒有得到利用,經種植冬牧70黑麥養畜,棉田的種植制度由過去的一熟制改為棉—草兩熟制,每公頃土地的純收入由4665元/年一躍增至8945元/年,增加了91.2%〔8〕;又如中國水稻研究所的試驗證明,冬季營養體農業產量比傳統農業要提高2～4倍(表2)。尤其是蛋白質產量比傳統農業高4～5倍。因此推廣營養體農業,對整個膳食結構的改善、提高人民的生活水平,都具有重要的作用。
