在大部分干旱和半干旱地區,土壤和地下水含有過多的鹽分,不能種植傳統的農作物。土壤層中水溶性鹽如果超過一定的限度會對土壤的物理、化學和生物特性產生不利影響,從而導致土壤生產力的降低。
科技縱橫土壤鹽化是一個全球關注的嚴重問題,灌溉區的不當利用、亂砍濫伐、過度放牧以及其他人類活動導致了次生鹽漬化,尤其是在亞洲、非洲和拉丁美洲的發展中國家的干旱和半干旱地區[1]。從傳統農業觀念看,咸水或者海水屬于劣質水源,是阻礙農業發展的有害因素之一。但是,由于土壤對水中鹽分具有不同程度的緩沖作用,耐鹽作物具有一定的耐鹽能力,只要采取適當措施,利用咸水甚至海水灌溉作物,達到抗旱增產的目的是可行的[2]。
人口不斷增長、社會經濟的快速發展、城鎮化進程加快等諸多因素加劇了耕地資源和淡水資源的供給壓力,提高農業生產能力、保障糧食安全是新時期人類所面臨的重大挑戰。除了依靠提高單產增加農業產出以外,拓展利用非傳統耕地和水資源發展農業生產是緩解資源壓力的根本途徑。尚未充分開發利用、具有巨大潛力的咸水資源 \\(包括海水\\)、廣袤的鹽堿荒地的利用,已經被各國政府和學術界廣泛關注。在資源約束條件下,科學技術的發展催生了以鹽化為特征的新型現代化農業———生物鹽化農業。
一、生物鹽化農業的內涵與特征
生物鹽化農業 \\(Biosaline Agriculture\\)是一類應對鹽化這類特殊環境條件的現代農業,主要是運用先進的土壤管理和水分管理技術在鹽化土壤上種植某些可以耐受一定鹽度的植物,并用含鹽的非傳統農業灌溉水 \\(如地下咸水、海水、含鹽廢水等\\)進行灌溉,在收獲作物的同時,還能夠達到改良土壤、改善生態環境的效果。咸水資源、鹽堿地及灘涂資源、耐鹽植物資源都是以鹽為特征的自然資源,生物鹽化農業就是利用這些資源所具有的鹽的共性和尚未被充分開發利用的特性,將這3類資源組合起來有效利用,創建以鹽為特點的農業生產模式。生物鹽化農業的目標有兩個:一是耐鹽經濟作物產出可以接受的生物量,具有較好的經濟效益、生態效益和社會效益。二是生態系統是長期可持續的,可以避免土壤次生鹽漬化等生態環境問題。
生物鹽化農業的顯著特征是遵循資源農業原理,根據區域自然資源分布特點,按照生態學原理設計,依靠現代科學技術,充分利用區域自然資源,建立適應生態環境的高效農業體系。區別于傳統開發鹽堿地的一般路徑,生物鹽化農業無需改造鹽化逆境,而是因地制宜地種植耐鹽性作物,并充分利用地下咸水或者海水等進行灌溉,是對鹽土農業概念的延伸。生物鹽化農業屬于資源節約型農業,主要體現在節約水資源方面,不僅不需要大量淡水淋洗排鹽,灌溉作物采用的是非常規的含鹽水源,而且由于耐鹽作物生長的鹽化特殊環境,往往不需要施肥或者施藥。生物鹽化農業還具有技術密集型特征,需要水利、土壤、農藝等多項技術措施的綜合應用才能取得成效,其發展依賴于生物技術、工程技術、農藝技術和土壤管理技術等,依靠土壤學、生物學、植物生理學、農業工程等多學科的綜合支撐,例如耐鹽經濟作物的篩選、咸水 \\(海水\\)高效安全灌溉技術、作物栽培管理、耕作制度等。
生物鹽化農業 \\(圖1\\)廣泛適用于干旱地區的鹽化土地、主要依賴地下咸水灌溉的農業系統、濱海鹽堿灘涂以及其他類型的鹽化荒地等,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,通過改良的灌溉系統和技術灌溉適宜的耐鹽經濟作物,生產鹽化的農副產品獲取經濟效益。其中,耐鹽經濟作物可從野生耐鹽植物中篩選馴化而來,也可以通過生物工程技術提高傳統淡土作物的耐鹽性獲得。耐鹽作物的抗鹽性可以使其在含鹽的灌溉水中吸收水分和養分,并通過生物作用改良鹽化土壤,從而達到生物鹽化農業的生態效益。
二、生物鹽化概念的提出及發展
在地中海干旱和半干旱地區,用地下咸水或者海水灌溉作物的歷史由來已久,直到20世紀60年代,生態學家Hugo Boyko和園藝學家Elisabeth Boyko在以色列用地下咸水和海水直接灌溉植物,發現許多植物可以在超出傳統鹽度范圍生長,并在此后發表了《鹽度與干旱———老問題的新解決途徑》一書。該書通過研究首次證實,許多植物能夠利用地下咸水灌溉,對于沙土地甚至可利用海水灌溉[3],由此引起了國際學術界對咸水乃至海水灌溉耐鹽植物的關注。
10多年后,美國國家科學基金會的3名成員Lewis May-field、James Aller和Oskar Zaborsky對生物鹽化概念進行了定義,即 “在干旱地區普遍地區存在的貧瘠土地和咸水應該被視為有用的資源而非損失,可以用于糧食、能源和化學原料的非傳統方式生產”[4]。在美國國家科學基金會的資助下,1977年首屆國際生物鹽化研究論壇在美國南卡羅來納州舉行,并出版論文集——— 《生物鹽化概念:一種利用待開發資源的新途徑》。此后生物鹽化概念在學術界被廣泛應用,第二屆和第三屆國際生物鹽化研究論壇分別在墨西哥\\(1980\\)、以色列 \\(1984\\)舉辦,進一步為生物鹽化相關領域的國際學術交流合作搭建了學術交流平臺。
學術界對生物鹽化農業的基礎研究如植物耐鹽機理、咸水安全灌溉等進行了更深入、細化的研究,并得到了聯合國環境署、聯合國教科文組織、國際原子能機構等國際組織的支持和合作,專門針對生物鹽化農業的國際性研究組織或機構、跨地區合作項目逐漸成立。
1992年在肯尼亞首都內羅比聯合國環境署總部召開了 “鹽生植物在鹽化荒地改良及其作為飼用資源的利用現狀和開發前景的國際討論會”,包括歐洲、亞洲、非洲、北美洲在內的19個國家和地區的代表參加了大會,中國有兩名代表到會。會議圍繞地球上內陸干旱區鹽生植物在鹽化荒地改良及其作為飼用資源的利用現狀和開發前景進行探討,并出版會議論文集 《鹽生植物作為牲畜飼草和荒地修復的資源》[5]。1999年由伊斯蘭發展銀行和阿拉伯聯合酋長國政府等單位資助的國際生物鹽化農業中心 \\(International Center for BiosalineAgriculture,ICBA\\)在迪拜成立,該中心是一所致力于解決鹽漬化和咸水灌溉的農業技術的國際化非營利性組織,由各國科學家組成一只科研隊伍,迄今已與中東、撒哈拉以南的非洲國家、西亞、北非以及中亞地區的國家建立合作關系,致力于惡劣環境下的農業應用技術研究與推廣。
進入21世紀以來,生物鹽化農業逐漸受到各國學者和政府部門的重視,摩洛哥、阿爾及利亞、突尼斯、埃及、約旦、敘利亞、伊朗、阿拉伯聯合酋長國等多個國家和地區相繼建立了生物鹽化農業示范田進行推廣應用[6]。中國也于2000年首次引進可直接用海水灌溉的海篷子,在海南省三亞的荒灘上種植成功后陸續推廣到江蘇、山東等省的沿海灘涂,目前已作為高檔海水蔬菜進入到規?；彤a業化種植。迄今為止,生物鹽化農業的種植對象已涵蓋糧食作物、能源作物、油料作物等、蔬菜作物、纖維作物、牧草作物等,所利用的邊際水資源包括地下咸水、海水養殖廢水、市政廢水和農業廢水等。
三、生物鹽化農業未來發展態勢
美國著名未來學家托夫勒在 《第四次浪潮》一書中指出,21世紀將崛起海水灌溉陸上耐鹽作物的生產模式和鹽土農業,耐鹽農作物將為人類創造巨額財富,他還預言 “以知識為基礎資源”的 農業“可能發展成為明天在經濟發展中占最大優勢的部門”[7]。托夫勒的預言中所提到的 “海水灌溉”、“陸上耐鹽植物”以及 “鹽土農業”與生物鹽化農業的基本內容不謀而合。生物鹽化農業的顯著優勢在于大大拓寬了農業生產領域和增加了農業資源總量,因為在沿海地區咸水資源尤其是海水資源是取之不盡用之不竭的,這就決定了生物鹽化農業發展的長遠性和必然性。盡管現階段生物鹽化農業仍停留在初期研究階段,許多關鍵技術、配套措施等尚未成熟,但是已有的成功案例,例如已經進入產業化種植并逐漸打開市場的海水灌溉作物海篷子,證明生物鹽化農業并不僅僅是在理論上行得通。
清華大學陳爭平教授認為,在人口眾多、人均資源少的現實背景下,為突破耕地資源和淡水資源對未來農業發展的約束,應當將目光轉向尚未充分開發利用的海洋資源、鹽堿地、灘涂資源和耐鹽作物資源,從戰略角度將包涵鹽水農業 \\(海水種養殖業\\)和鹽土農業的耐鹽農業作為新時期農業現代化的新路徑[8]。隨著人口增長對耕地和淡水資源造成的緊張壓力愈演愈烈,為滿足未來人類對食物不斷增長的需求,除依靠提高單位土地產出率外,主要是通過開發土地資源來獲得更多的耕地。在為改善生態環境而實施 “退耕還林” “退耕還草”的政策下,以及工業化、城鎮化進程加快的宏觀背景下,農業耕地資源擴張只能轉向廣袤的待開發的鹽堿荒地。按照傳統觀念,要在鹽堿地上進行農業生產,首先需要通過工程措施耗費大量淡水淋洗,以降低土壤中的鹽分含量,這樣做雖然可增加有效耕地面積,但是也同時付出了大量淡水資源和資金的投入。
而生物鹽化農業以 “依靠科技合理配置資源”為原則,打破傳統農業需要先洗堿脫鹽的思維定勢,在鹽堿地上直接栽種耐鹽經濟作物,生產糧食、飼料、燃料、糞肥、工業原料等。因此,從傳統農業資源開發的瓶頸和經濟可行性角度來看,生物鹽化農業必然成為未來農業開拓的重點領域。
目前,國內外對生物鹽化農業的和基礎研究大致分為兩個方向:一是咸水灌溉與土壤之間的水鹽運動規律。二是作物耐鹽機理,主要研究作物對鹽分的抵抗、吸收及其在作物體內的轉移和積累。這些都為生物鹽化農業的發展和應用奠定了堅實的基礎?？梢灶A計,日新月異的科技進步,尤其是隨著現代農業科技帶動生物鹽化農業核心技術的發展和突破,以及相關基礎研究的深入和科技成果的轉化,生物鹽化農業的種植種類將會不斷增加,對劣質水源的利用效率和安全水平也會逐漸提高。較傳統農業而言,生物鹽化農業所依賴的技術體系更為復雜,現有的相關研究基礎仍然非常薄弱。其中,有些技術是普通農業科技所未涉及的,需要克服的技術困難遠遠多于普通農業,從優良耐鹽經濟作物的篩選,到安全有效灌溉模式的探索,再到適宜的農藝管理研究等多個復雜環節都需要長期的、大量的研究試驗作為保障。以優良耐鹽經濟作物篩選為例,美國亞利桑那大學自1978年開始經過十幾年的研究,才從幾百種野生耐鹽植物中篩選培育出既具有經濟價值又具有高耐鹽性的海篷子、鹽草、濱藜等作物?？梢?生物鹽化農業雖然是符合經濟效益、生態效益和社會效益的理想生產模式,但是由于核心技術環節多,研發難度大,真正實現繁榮發展可能會經歷一個相當長的時間周期。
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