韓明會，李保國，張丹，李穎

再生農(nóng)業(yè)——基于土地保護(hù)性利用的可持續(xù)農(nóng)業(yè)

韓明會1，李保國2，張丹1，李穎1

1大自然保護(hù)協(xié)會，北京 100600；2中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/自然資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193

在全球生態(tài)危機(jī)和不斷增加的糧食和食品安全需求背景下，如何真正實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展成了全世界共同關(guān)注的問題。再生農(nóng)業(yè)（regenerative agriculture）作為新挑戰(zhàn)下應(yīng)運(yùn)而生的農(nóng)業(yè)模式。探討再生農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵、國內(nèi)外應(yīng)用的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益以及分析在我國的應(yīng)用情景，能夠?yàn)槲覈@一新型農(nóng)業(yè)模式的引入和發(fā)展提供理論指導(dǎo)。本文首先通過對相關(guān)再生農(nóng)業(yè)定義的梳理，把再生農(nóng)業(yè)概述為是以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展為目的，基于土地保護(hù)性利用，在減少機(jī)械作業(yè)和化學(xué)品投入的基礎(chǔ)上，通過基于自然的解決方案實(shí)現(xiàn)在提高作物產(chǎn)出的同時(shí)，提升土壤有機(jī)質(zhì)和氮元素、促進(jìn)土壤固碳、改善土壤健康、最大化生物多樣性的農(nóng)業(yè)模式。通過與其他可持續(xù)農(nóng)業(yè)模式相比，從糧食安全、化石能源、碳封存、土壤健康、生物多樣性、凈水和凈收益多個(gè)維度說明了再生農(nóng)業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)糧食安全、土壤健康、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益的同步改善。通過對國內(nèi)外再生農(nóng)業(yè)相關(guān)研究的分析，表明了再生農(nóng)業(yè)的不同措施能夠使得生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益的多個(gè)方面效益得到顯著提升。最后，提出了我國未來不同區(qū)域發(fā)展再生農(nóng)業(yè)模式的建議。

再生農(nóng)業(yè)；基于自然的解決方案；固碳；土壤健康；土地保護(hù)性利用

1 提出背景和意義

1.1 發(fā)展背景

根據(jù)《聯(lián)合國防治荒漠化公約》（UNCCD）[1]，在過去40年里，由于土壤退化和荒漠化，世界30%的農(nóng)田被遺棄，而52%的農(nóng)業(yè)用地受到土壤退化的中度至嚴(yán)重影響。土壤因人類活動，主要是農(nóng)業(yè)活動而退化。頻繁翻耕或整地、灌溉、不合理施用化肥和農(nóng)藥、過度放牧以及重型農(nóng)業(yè)裝備使用，都會造成土壤退化。開墾土地和毀林對土壤的形成和腐殖質(zhì)的組成有著深刻的影響：各種原始植被被次生植被所取代，其中單一栽培會造成一系列生態(tài)環(huán)境問題。土壤的退化直接表現(xiàn)為土壤變?yōu)橐粋€(gè)碳源，更多土壤有機(jī)質(zhì)分解釋放二氧化碳到大氣中，還會導(dǎo)致土壤生物多樣性的喪失，且隨著土壤的板結(jié)壓實(shí)，可改變地表反照率，增加甲烷和一氧化二氮等溫室氣體的排放，對全球變暖產(chǎn)生重要影響[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界44%的糧食生產(chǎn)系統(tǒng)和50%的牲畜被認(rèn)為易受氣候變化的影響，且每年損失的耕地達(dá)1 200萬公頃（每分鐘23公頃）。預(yù)計(jì)2050年要多生產(chǎn)60%的糧食才能滿足人類的需求。而我們只能通過不斷提高單位土地的生產(chǎn)力來實(shí)現(xiàn)[1,3]。面對生態(tài)危機(jī)和糧食危機(jī)的雙重脅迫，全球科學(xué)家提出了有機(jī)農(nóng)業(yè)（organic agriculture）、保護(hù)性農(nóng)業(yè)（conservation agriculture）、低碳農(nóng)業(yè)（low carbon agriculture）、生態(tài)農(nóng)業(yè)（ecological agriculture）等以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)為目的的農(nóng)業(yè)模式，但是全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)危機(jī)仍在加劇。一個(gè)主要原因是這些模式?jīng)]有真正從土地可持續(xù)利用或保護(hù)性利用為基礎(chǔ)出發(fā)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自身可持續(xù)的發(fā)展。據(jù)此，20世紀(jì)80年代羅伯特·羅代爾（Robert Rodale）探索提出了再生農(nóng)業(yè)的概念。

“再生”一詞本質(zhì)上意味著“重新產(chǎn)生的能力”。因此，如果一個(gè)項(xiàng)目或系統(tǒng)是再生的，它就有內(nèi)在的能力使自己不斷更新永存。一個(gè)完全可持續(xù)/再生系統(tǒng)的完美例子是森林，在那里沒有廢物，系統(tǒng)完全自給自足。再生農(nóng)業(yè)經(jīng)羅代爾研究所（Rodale Institute）進(jìn)行了30多年的探索試驗(yàn)后實(shí)現(xiàn)了二氧化碳排放量降低35.3%和利潤增加193.7%的顯著生態(tài)經(jīng)濟(jì)改善效果[4-5]。利用再生農(nóng)業(yè)的措施，不僅可以大幅增加現(xiàn)有土壤有機(jī)碳和氮元素的含量，同時(shí)也可改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤健康，提高土壤肥力和作物產(chǎn)量，保持水分和蓄水層的補(bǔ)給，從而提高應(yīng)對極端天氣的彈性。氣候變化會增加土壤侵蝕、造成土壤質(zhì)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率下降，對糧食安全和全球可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生不利影響，而再生農(nóng)業(yè)良好的土壤管理措施則可增強(qiáng)土壤和植物減緩以及適應(yīng)氣候變化的能力[2]。

2020年榮獲世界糧食獎的國際土壤科學(xué)聯(lián)合會主席Rattan Lal將再生農(nóng)業(yè)當(dāng)作重要研究課題，并認(rèn)為該模式能夠真正同時(shí)滿足日益增加的糧食需求和生態(tài)環(huán)境改善需求[6]。隨著再生農(nóng)業(yè)相關(guān)研究的不斷深入，越來越多的國際組織加入進(jìn)來。2019年，再生農(nóng)業(yè)被聯(lián)合國開發(fā)計(jì)劃署（UNDP）定為在全球變暖的嚴(yán)峻態(tài)勢下有望應(yīng)對生態(tài)脆弱地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題的、基于自然的解決方案[7]。商業(yè)界對再生農(nóng)業(yè)的投資也日益增加，據(jù)土壤財(cái)富統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，2019年就有70項(xiàng)投資策略包括一個(gè)或多個(gè)與再生農(nóng)業(yè)相關(guān)內(nèi)容，總資產(chǎn)達(dá)475億美元[8]。

在北美，通過再生農(nóng)業(yè)推廣，預(yù)計(jì)到2025年改善0.96億公頃農(nóng)牧土壤質(zhì)量，從而改善野生動物棲息地，提高土壤碳儲存能力和水質(zhì)，振興農(nóng)村經(jīng)濟(jì)[9]。中國作為農(nóng)業(yè)大國，改革開放以來的集約化生產(chǎn)雖然增加了糧食產(chǎn)量，但卻付出了極大的生態(tài)環(huán)境代價(jià)，威脅農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。在當(dāng)前滿足中國糧食安全的綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展大趨勢下，再生農(nóng)業(yè)是在滿足糧食安全基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重要途徑。據(jù)此，也有必要在中國進(jìn)行再生農(nóng)業(yè)措施的試驗(yàn)示范與推廣模式的探索，以期為新挑戰(zhàn)下的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展尋求可行的途徑[10-11]。

1.2 定義和原則

許多被貼上“可持續(xù)”標(biāo)簽的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，相對于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式來說，只是在某個(gè)方面做出了改進(jìn)，并沒有考慮實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可再生，因而實(shí)際上只是減緩了土地退化的速度[12]。采用“再生”做法需要從根本上重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以便通過自然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能恢復(fù)農(nóng)業(yè)資源[13]。再生農(nóng)業(yè)作為全球新挑戰(zhàn)下應(yīng)運(yùn)而生的農(nóng)業(yè)模式，國內(nèi)外學(xué)者目前尚沒有明確的定義，其內(nèi)容也在不斷完善和發(fā)展中，以下匯總了文獻(xiàn)中提到的再生農(nóng)業(yè)的定義（表1）。

表1 再生農(nóng)業(yè)的定義

總的來說，再生農(nóng)業(yè)是以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展為目的，基于土地保護(hù)性利用，在減少機(jī)械作業(yè)和化學(xué)品投入的基礎(chǔ)上，通過基于自然的解決方案實(shí)現(xiàn)在提高作物產(chǎn)出的同時(shí)，提升土壤有機(jī)質(zhì)和氮元素、促進(jìn)土壤固碳、改善土壤健康、最大化生物多樣性的農(nóng)業(yè)模式。該模式以實(shí)現(xiàn)土壤功能再生為核心目標(biāo)，考慮對整個(gè)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的優(yōu)化并最終實(shí)現(xiàn)糧食安全的長期保障[6]。圖1是再生農(nóng)業(yè)的概念框架圖。首先，再生農(nóng)業(yè)中的覆蓋作物和整體放牧措施可快速提高土壤有機(jī)質(zhì)及氮元素含量[17-18]；再生農(nóng)業(yè)中的輪作與覆蓋作物措施可抑制雜草的生長，且大大有利于提高農(nóng)田的生物多樣性[19-20]，進(jìn)而減少病蟲害的數(shù)量。此外，免耕和覆蓋作物還可有效減少水土流失[21]，尤其是覆蓋作物通過大量活的根系提高土壤的持水能力[22]，節(jié)水凈水能力[23-24]，以及間接提高作物的抗旱能力[25-26]。免耕、覆蓋作物和整體放牧都是穩(wěn)定和提高碳封存以減緩全球變暖的有效措施[5,27]。再生農(nóng)業(yè)通過采用基于自然的手段，減少機(jī)械和化學(xué)品的投入，對作物生長環(huán)境從本質(zhì)進(jìn)行全方位的優(yōu)化和調(diào)整，提升作物產(chǎn)出和土壤健康狀況，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[28]。

1.3 與保護(hù)性農(nóng)業(yè)等的比較

雖然現(xiàn)在國內(nèi)外學(xué)者提出了很多以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)為目的的農(nóng)業(yè)模式，如低碳農(nóng)業(yè)（low carbon agriculture）[29]、有機(jī)農(nóng)業(yè)（organic agriculture）[30]、保護(hù)性農(nóng)業(yè)（conservation agriculture）[31]等，但是就可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的幾個(gè)重要方面評價(jià)來看[32-33]，它們各有優(yōu)勢和不足（圖2）。

低碳農(nóng)業(yè)是以減少大氣溫室氣體含量為目標(biāo)，以減少碳排放、增加碳固定以及適應(yīng)氣候變化的技術(shù)為手段的農(nóng)業(yè)模式[29]。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，它的優(yōu)勢在于通過減少化石能源的應(yīng)用緩解氣候變暖，并且重視通過土壤固碳措施提高土壤碳固定，且水污染得到一定緩解，但產(chǎn)量、凈收益和生物多樣性未得到明顯提高[29,34-36]。

有機(jī)農(nóng)業(yè)是指不使用化學(xué)肥料和殺蟲劑等農(nóng)用化學(xué)品，而是依賴于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)過程和生物多樣性的農(nóng)業(yè)模式[37]。它通過施用有機(jī)肥替代化肥，以增加土壤有機(jī)質(zhì)，提高了農(nóng)田的生物多樣性。因?yàn)橛袡C(jī)農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)安全的保障，因此售價(jià)提升，收益增加，但是由于追求品質(zhì)而忽略產(chǎn)量，因此不能實(shí)現(xiàn)滿足所有人口糧食安全的目標(biāo)，并且未能解決溫室氣體排放和水污染問題[37-40]。

保護(hù)性農(nóng)業(yè)（也稱保護(hù)性耕作）被定義為將最小的土壤擾動（免耕、少耕）、永久土壤覆蓋（覆蓋物）與輪作相結(jié)合的耕作系統(tǒng)[41]。由于減少土壤擾動，其相比傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)可保護(hù)和增加生物多樣性[42]，秸稈還田可為土壤增加有機(jī)質(zhì)等，促進(jìn)土壤健康[42]。保護(hù)性農(nóng)業(yè)的目的是改善土壤健康，因而短期內(nèi)并不一定看到產(chǎn)量的提升，但是長期增產(chǎn)效果顯著，尤其是干旱地區(qū)的雨養(yǎng)作物[43]，可顯著提高水利用效率[42]。保護(hù)性農(nóng)業(yè)可以通過減少機(jī)械作業(yè)，可減少化石能源的燃油碳排放，同時(shí)保護(hù)性農(nóng)業(yè)的免耕措施還能幫助土壤固碳，因此具有一定的溫室氣體減排效果[41, 44]。盡管保護(hù)性耕作減少了二氧化碳的排放，有助于增加土壤有機(jī)碳，但是其措施也可能會增加氧化亞氮（N2O）的排放[45-46]。

圖1 再生農(nóng)業(yè)的概念框架圖

可以看出，以上4種農(nóng)業(yè)都在追求農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，能在一定情形下實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展部分目標(biāo)。而再生農(nóng)業(yè)強(qiáng)調(diào)的是一個(gè)基于自然的和土地可持續(xù)利用的一個(gè)整體解決方案，目標(biāo)是通過系統(tǒng)性協(xié)同提升生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。其重點(diǎn)是加強(qiáng)和恢復(fù)整體性、再生性，目標(biāo)是通過系統(tǒng)性提升生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[47]。因而再生農(nóng)業(yè)是目前離實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)目標(biāo)最近的農(nóng)業(yè)模式[2]。

再生農(nóng)業(yè)與保護(hù)性農(nóng)業(yè)都是以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展為目的的農(nóng)業(yè)模式，且措施和原則有很多相似之處，因此本文將重點(diǎn)討論兩者技術(shù)采用和效益的異同（表2）。1930年，由于人類對土地的不合理利用導(dǎo)致的美國震驚世界的“黑風(fēng)暴”災(zāi)難卷走了3億噸土壤，造成了巨大農(nóng)業(yè)損失。由此美國開始大力推行免耕等保護(hù)性耕作。自20世紀(jì)70年代以來，由于機(jī)械裝備、除草劑和其他技術(shù)的改進(jìn)，越來越多的土地采用了保護(hù)性耕作。保護(hù)性耕作產(chǎn)生了幾個(gè)長期的、遞增的效益，其中最重要的效益是增加了土壤中有機(jī)物的積累和減少了水土流失。然而在新的可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)（人口增加、食品質(zhì)量下降和氣候變化等）下，其措施和應(yīng)用效果不能應(yīng)對現(xiàn)在的多方面挑戰(zhàn)。而再生農(nóng)業(yè)是在當(dāng)前應(yīng)對多方面挑戰(zhàn)背景下提出的，其措施和效益都更為全面，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)效益的同步提升，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。

在化學(xué)投入品方面，保護(hù)性農(nóng)業(yè)仍需投入化肥、農(nóng)藥等大量的化學(xué)投入品[37]，而再生農(nóng)業(yè)的覆蓋作物和整體放牧措施則可大大提高土壤有機(jī)質(zhì)和氮元素含量，從而減少化學(xué)肥料的投入。在改善土壤健康方面，再生農(nóng)業(yè)中的覆蓋作物措施使大量活的植物根系扎于地下，增加了土壤孔隙度，改善了土壤物理性質(zhì)，增加了水分滲透，提高土壤微生物豐度，從而可以達(dá)到更好的養(yǎng)分和水分管理效果，并可大大減少土壤侵蝕[25]。另外，覆蓋作物還可以幫助早期雜草控制，能抑制地上地下的作物病蟲害。除了對土壤本身的影響之外，再生農(nóng)業(yè)還可顯著降低生產(chǎn)投入成本，有效提高作物產(chǎn)量，達(dá)到降本增效的目的，增加生物固碳、減少碳排放，從而緩解氣候變暖，增強(qiáng)農(nóng)民應(yīng)對氣候變化的風(fēng)險(xiǎn)能力[22]。保護(hù)性農(nóng)業(yè)對減緩溫室氣體排放方面不如再生農(nóng)業(yè)顯著[44]。另外，再生農(nóng)業(yè)考慮動物福利，在此基礎(chǔ)上提高畜牧產(chǎn)量和質(zhì)量。

圖2 再生農(nóng)業(yè)與其他可持續(xù)農(nóng)業(yè)模式比較的文獻(xiàn)分析

2 主要技術(shù)措施和效益

2.1 主要措施

2.1.1 免耕少耕 免耕少耕播種作業(yè)是在地表秸稈覆蓋還田情況下，不耕整地或少耕后播種，以減少水蝕、風(fēng)蝕，提高土壤肥力和抗旱能力的一項(xiàng)作業(yè)技術(shù)，其具有攔蓄徑流、增加土壤入滲、改良土壤結(jié)構(gòu)、優(yōu)化耕地環(huán)境等多重優(yōu)點(diǎn)[37]。

當(dāng)免耕與其他再生農(nóng)業(yè)措施相結(jié)合，可以增強(qiáng)土壤的滲水保水性能和穩(wěn)定碳的儲存[16]。我國在20世紀(jì)50年代引入了這一技術(shù)，隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展，我國免耕技術(shù)應(yīng)用普及開來。經(jīng)過多年努力，我國東北黑土地區(qū)保護(hù)性耕作或免耕研究和技術(shù)推廣取得明顯進(jìn)展[51]。2020年國家啟動了東北黑土地保護(hù)性耕作行動計(jì)劃，開始在適宜區(qū)域全面推廣應(yīng)用。

2.1.2 輪作 輪作是指在同一塊土地上，按照規(guī)定順序輪換種植不同作物的種植方式[52]。作物輪作有利于提高生物的多樣性，進(jìn)而可促使均衡利用土壤中的各種元素，提高肥料利用率，可改良土壤結(jié)構(gòu)，防止病蟲害[19]。多樣化的生態(tài)系統(tǒng)，能夠有效提升土壤的健康水平和生態(tài)服務(wù)功能。ZHAO等[53]通過對我國45項(xiàng)輪作研究的匯總分析得知，與連續(xù)單作耕作相比，輪作因其對土壤生態(tài)環(huán)境的多方面改善，使得作物單產(chǎn)提高20%，且輪作對作物產(chǎn)量的影響在中國西南部（+38%）比在東部地區(qū)（+10%）更為明顯。在砂質(zhì)和壤質(zhì)土壤上，即初始土壤有機(jī)碳（7—10 g·kg-1）和較低的總氮（≤1.2 g·kg-1）下，輪作具有更大的增產(chǎn)效益。

表2 保護(hù)性農(nóng)業(yè)與再生農(nóng)業(yè)的比較

2.1.3 覆蓋作物 在兩季作物之間，許多農(nóng)田會有一段時(shí)間沒有種植作物的空閑時(shí)間。如果在這段時(shí)間種上某種植物以提供穩(wěn)定的土壤覆蓋，這種植物便被稱為“覆蓋作物（cover crop）”[37]。覆蓋作物是再生農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，它們可以保護(hù)土壤免受風(fēng)和水的侵蝕，減少徑流泥沙和養(yǎng)分流失，可保持土壤肥力，從而減少氮肥施加。在美國西北太平洋地區(qū)進(jìn)行的一項(xiàng)研究表明，奧地利冬季豌豆、多毛野豌豆和紫花苜蓿（Austrian winter peas, hairy vetch and NITRO alfalfa）可以為后續(xù)馬鈴薯作物提供80%到100%的氮需求[18]。覆蓋作物也是緩解水污染、改善水質(zhì)的重要措施[23,54]。另一項(xiàng)研究顯示，黑麥覆蓋能夠迅速吸收喬治亞州（Georgia State）傳統(tǒng)玉米田和免耕玉米田中25%到100%的殘留氮，減少過量氮肥對周圍水體的面源污染[55]。覆蓋植物能夠有效控制雜草和積累土壤碳。理想的覆蓋作物是那些能在開花前終止其生長，這樣他們就不會產(chǎn)出種子從而變成雜草。在它們活著的時(shí)候，其光合作用是土壤碳的一個(gè)重要來源，死后可作為生物質(zhì)被利用[56]。

在美國農(nóng)民的種植實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，覆蓋作物可以快速改善土壤健康，讓玉米和大豆在干旱年份增產(chǎn)9.6%和11.6%，因此最近幾年覆蓋作物在美國迅速推廣[57-58]。覆蓋作物和保護(hù)性耕作中提倡的作物殘茬覆蓋不同，前者是在農(nóng)田空閑期種植的活的覆蓋作物，而后者是將收獲的作物秸稈和殘茬保留在地表從而使土壤得到覆蓋。覆蓋作物不僅增加了生物多樣性，還大大提升了土壤生物質(zhì)的量。覆蓋作物因其不同的特質(zhì)具有不同的功能，如有龐大根系的黑麥草，高達(dá)2 m可抑制雜草的高丹草和遏制土壤板結(jié)的毛苕子等，因此混合播種也是其發(fā)展的趨勢。美國覆蓋作物種植面積在2017年達(dá)到623萬公頃，同比5年前增長50%[59]，而該措施在我國的相關(guān)研究和應(yīng)用大多只局限在豆科綠肥（“綠肥”屬于覆蓋作物的一類，種植目的是為土壤提供有機(jī)物質(zhì)和養(yǎng)分，但再生農(nóng)業(yè)所包括的覆蓋作物措施的生態(tài)效益不僅限于此），其種植區(qū)主要分布在我國稻區(qū)、華北、西北、西南地區(qū)，且在20世紀(jì) 70 年代達(dá)到最高峰，面積最高年份約1 300 萬公頃，但由于化肥的普及，而后種植面積迅速減少[60-61]。

2.1.4 整體放牧 雖然我國種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，但飼料糧供給總體不足，營養(yǎng)缺乏、價(jià)格高成為近年來國內(nèi)畜牧業(yè)發(fā)展的制約因素。整體放牧是一種考慮動物福利的模式，從而提高畜牧業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量[4]。傳統(tǒng)圈養(yǎng)飼養(yǎng)系統(tǒng)往往是不健康的單一生產(chǎn)系統(tǒng)，喂養(yǎng)的飼料營養(yǎng)密度低，且該系統(tǒng)增加了水污染和抗生素的使用。整體放牧是由Allan Savory提出，意在模擬大自然本身的形態(tài)，讓成群被馴養(yǎng)的動物（主要是牛）適時(shí)地在田地上遷移，它們的糞、尿也排放于土壤上[2,62]。良好的放牧措施促進(jìn)了植物生長，增加了土壤碳沉積，提高了整個(gè)牧場的生產(chǎn)力，同時(shí)大大提高了土壤肥力、昆蟲和植物的生物多樣性，以及土壤的固碳能力。這些措施不僅改善了生態(tài)健康，也改善了動物和消費(fèi)者的健康[62-63]。采用整體放牧可以在幾年內(nèi)快速重建土壤表層（一般一層土壤可能需要200—1 000年才能形成），而且新建的土壤表層富含生物體[17]。這也被實(shí)踐證實(shí)：在3年的時(shí)間里成功培育出了10 cm厚的土層[64]。在一項(xiàng)為期10年的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)使用堆肥牛糞進(jìn)行輪作的田地每年每公頃可吸收超過2噸的碳[65]。此外，當(dāng)用堆肥代替合成氮肥時(shí)，則可促使植物長出更多的根，使植物固定更多的二氧化碳[66]。同時(shí)整體放牧還能夠通過提高動物福利（世界農(nóng)場動物福利協(xié)會（CIWF）制定的動物福利“五大自由”），提升畜牧業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。

2.2 生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益

2.2.1 改善土壤質(zhì)量，減少水土流失 覆蓋作物和整體放牧是增加有機(jī)質(zhì)、提高土壤持水量的有效措施[67]。增加的有機(jī)物間接增加了土壤孔隙度（通過增加土壤動物活動），滲透到土壤中的雨水比例取決于所提供的土壤覆蓋量。覆蓋在土壤表面的植物也可保護(hù)土壤免受雨滴的沖擊而結(jié)塊和結(jié)皮，從而增強(qiáng)雨水的滲透性并減少徑流。研究表明覆蓋作物使土壤保水性和植物可利用水分分別提高10%—11%和21%—22%[24]。另外，富含碳的土壤也往往更能抵抗干旱脅迫和病蟲害等[68]。再生農(nóng)業(yè)不僅有減少水土流失的效果，其措施還可以降低水污染[25,69]。根據(jù)多年生黑麥草作為大麥的覆蓋作物對硝酸鹽淋失和主要作物氮的有效性試驗(yàn)表明，覆蓋作物使硝酸鹽浸出濃度從10—18 mg·L-1降低了不到5 mg·L-1 [69]。

2.2.2 增加生物多樣性 再生農(nóng)業(yè)中的輪作和覆蓋作物（種植各種類型的覆蓋作物和混合物）措施都有利于提高田地里的生物多樣性。覆蓋作物可為有益昆蟲提供棲息地，提高種群多樣性，進(jìn)一步控制害蟲種群。覆蓋作物也有助于吸引傳粉昆蟲以提高作物田間的授粉率[20]。隨著對土壤碳穩(wěn)定機(jī)制認(rèn)識的不斷深入，研究發(fā)現(xiàn)土壤生物群落在其中扮演著重要的角色，真菌生物量的豐度與土壤碳的豐度呈正相關(guān)[70]。

2.2.3 提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量 植物的生產(chǎn)力與土壤有機(jī)質(zhì)緊密相關(guān)[71]。再生農(nóng)業(yè)可大大提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量，土壤碳儲存的增加會積累更多的團(tuán)聚體，團(tuán)聚體能夠輔助土壤保持住水分，改善作物質(zhì)量和產(chǎn)量[72]。當(dāng)植物有充足的陽光、養(yǎng)分、水、氧氣、二氧化碳時(shí)，植物才能處于最佳的健康狀態(tài)。在再生農(nóng)業(yè)中，高碳儲條件能夠培育有著多樣和大量微生物的健康土壤，這使作物有著高營養(yǎng)密度，抗病蟲害，富含抗氧化劑和較長的保存期限[73]。另外，健康的植物會合成更多易揮發(fā)的分子與更多的代謝物使糧食作物產(chǎn)生香味和香氣。使農(nóng)民獲得高產(chǎn)，口感更好的作物，消費(fèi)者得到更健康的食品[56]。

2.2.4 減少溫室氣體排放 2018年，全球溫室氣體排放量為553億噸，其中二氧化碳排放占大部分（375億噸）[74]。來自農(nóng)業(yè)系統(tǒng)和牧場試驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明，如果采用免耕，種植覆蓋作物，加強(qiáng)作物輪作，以及堆肥和輪牧等措施，碳可以被土壤高效固定[5,75]。如果所有現(xiàn)有農(nóng)田（15億公頃的農(nóng)田）各種作物都能采用覆蓋作物措施，土壤可以封存2018年二氧化碳排放總量的4%[76]，但若聯(lián)合其他再生農(nóng)業(yè)措施，如堆肥[77]、多種作物輪作[78]等則可將碳封存量分別提高到11.6%和32.11%。特別地，針對全球熱帶地區(qū)的玉米作物實(shí)踐覆蓋作物措施的研究表明，該措施可使玉米地碳（CO2）封存量高達(dá)21.28 t·hm-2·a-1[79]。與此同時(shí)，如果所有的全球牧場（33億公頃的草地）都采用再生模式（尤其是再生放牧系統(tǒng)），那么額外地，每年二氧化碳排放總量的114%—355%可被封存于地下，使地球?qū)崿F(xiàn)二氧化碳負(fù)排放的情景[80-81]。

2.2.5 農(nóng)場及非農(nóng)經(jīng)濟(jì)效益預(yù)估 對于再生農(nóng)業(yè)可帶來的經(jīng)濟(jì)效益，以美國為例進(jìn)行了模擬研究結(jié)果表明：美國玉米、大豆或小麥農(nóng)田每增加1%的再生農(nóng)業(yè)措施（僅涵蓋了免耕、輪作、覆蓋作物）實(shí)踐面積，將產(chǎn)生非農(nóng)經(jīng)濟(jì)效益包括溫室氣體排放減少、營養(yǎng)損失減少、土壤侵蝕降低和節(jié)水凈水等分別為0.297億美元、0.901億美元、0.758億美元和0.306億美元，即一共2.26億美元，而若將推廣面積增加到50%則可產(chǎn)生74.35億美元，推廣到100%的農(nóng)田則有187.44億美元的潛在社會效益[9]。另外，據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國玉米地每增加1%的再生農(nóng)業(yè)推廣面積，可提高的潛在農(nóng)場經(jīng)濟(jì)效益為3 670萬美元/年[9]。針對再生農(nóng)業(yè)可帶來的巨大效益，大自然保護(hù)協(xié)會（TNC）聯(lián)合美國農(nóng)業(yè)部（USDA）、美國國家自然資源保護(hù)委員會（NRCS）和美國能源部（DOE）等政府機(jī)構(gòu)以及土壤健康合作伙伴和土壤健康研究所等實(shí)踐再生農(nóng)業(yè)措施，目標(biāo)是到2025年，減少2 500萬噸的溫室氣體排放，減少15.6萬噸養(yǎng)分損失，減少1.16億噸的土壤侵蝕和在農(nóng)田土壤中創(chuàng)造44.4億立方米的可用水[9]。

2.3 典型案例剖析

2.3.1 羅代爾研究所針對玉米和大豆的農(nóng)業(yè)模式對比研究 羅代爾研究所聯(lián)合各地相關(guān)研究人員在世界各地展開了超過30年的再生農(nóng)業(yè)長期實(shí)踐效果監(jiān)測，如在美國中西部和哥斯達(dá)黎加新熱帶農(nóng)業(yè)區(qū)域等[5]。鑒于玉米和大豆在美國的種植面積占到總面積的近一半，因此這兩種作物被定為研究重點(diǎn)，其中再生農(nóng)業(yè)采取的主要技術(shù)措施包括免耕、輪作（8年內(nèi)7種作物）、種植覆蓋作物和施用有機(jī)糞肥（不同于整體放牧）。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的主要技術(shù)措施包括連續(xù)耕作、施用殺蟲劑以及在種植空閑期土地裸露。通過再生農(nóng)業(yè)的采用發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比明顯提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，迅速改善了當(dāng)?shù)赝寥澜】?。在不影響產(chǎn)量的前提下，該地區(qū)的農(nóng)民不但可以減少28.5%的能量投入，還可增加近兩倍利潤，并且有效幫助減少35.3%的溫室氣體的排放[5]。

2.3.2 南達(dá)科塔州立大學(xué)針對玉米的農(nóng)業(yè)模式對比研究 玉米作為一種重要的糧食作物，在世界上占有重要地位，其種植面積占所有作物面積的39.9%[82]。為了探究再生農(nóng)業(yè)這一農(nóng)業(yè)模式對玉米地的多重影響，LACANNE等[15]在美國北部平原區(qū)10個(gè)農(nóng)場的40塊田地開展了再生農(nóng)業(yè)試驗(yàn)，其措施包括免耕、播種多種覆蓋作物（2—40種）、不使用殺蟲劑且在農(nóng)田放牧牲畜。與之對比的是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式（8個(gè)農(nóng)場的36塊田），其措施包括每年連續(xù)耕作、施用殺蟲劑以及在種植空閑期土地裸露。

研究人員就再生和傳統(tǒng)玉米生產(chǎn)系統(tǒng)對害蟲、土壤和農(nóng)民利潤等的相對影響進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)殺蟲劑處理過的玉米田的害蟲數(shù)量是無殺蟲劑的再生農(nóng)場的10倍，這表明再生農(nóng)場豐富的生物多樣性對害蟲有明顯的抑制作用。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式下的農(nóng)場所需的種子和肥料金額占到總收入的32%，而再生農(nóng)業(yè)模式下該投入只占12%。由于再生農(nóng)業(yè)的肥料等資金投入大大減少，且肉產(chǎn)品等的收入增加，最后的凈利潤相比傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)提高了78%[15]，可見再生農(nóng)業(yè)的重要經(jīng)濟(jì)效益。并且利潤大小和土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)。有機(jī)質(zhì)的增加（主要通過覆蓋作物和整體放牧）可提高水的滲透率，促進(jìn)生物多樣性，進(jìn)而抑制單一害蟲的繁殖，促進(jìn)土壤健康。

3 中國再生農(nóng)業(yè)的發(fā)展探討

我國耕地資源的稀缺性日益突出，已成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸[83]。中國的人地矛盾在世界上是最尖銳突出的[84]，我國2004年的人均耕地面積不足世界平均水平的40%[85]，其中72%的耕地質(zhì)量較差、產(chǎn)量不高。我國北方糧食主產(chǎn)區(qū)更是用全國19%的水資源灌溉著62%的耕地[83]。近些年，隨著我國對可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)模式不斷研究和優(yōu)化，目前全國6個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域基于其自然資源稟賦、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀及存在問題，發(fā)展出其各自可持續(xù)發(fā)展模式及特征[86]。以下針對這6個(gè)區(qū)域其各自特點(diǎn)又進(jìn)一步歸類為4類區(qū)域，并提出了初步的研究建議和途徑。

3.1 東北地區(qū)

黑土是世界公認(rèn)最肥沃的土壤。我國東北黑土區(qū)是全球僅有的四片黑土區(qū)之一，是我國重要的商品糧基地。由于多年高強(qiáng)度開發(fā)利用，我國東北多地每年春耕季節(jié)掀起鋪天蓋地的沙塵暴，農(nóng)田的珍貴表土大量流失，再加上用養(yǎng)失衡，黑土地土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著下降，這嚴(yán)重威脅著國家糧食安全基礎(chǔ)的穩(wěn)固，因此黑土地保護(hù)刻不容緩[87]。因此，東北區(qū)應(yīng)該加快推廣如“梨樹模式”的保護(hù)性耕作等適宜的黑土地保護(hù)技術(shù)[51]。在某些作物種植模式如馬鈴薯和花生、全株收割的青貯玉米等優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，應(yīng)進(jìn)行覆蓋作物的種植探索，有望解決馬鈴薯和花生及青貯玉米產(chǎn)區(qū)因長達(dá)7個(gè)月的冬季地表嚴(yán)重裸露風(fēng)蝕造成的農(nóng)田土壤退化問題，保障農(nóng)戶長期經(jīng)濟(jì)收益和提高土壤健康的覆蓋作物模式。

近些年，我國東北區(qū)（遼寧、吉林、黑龍江、內(nèi)蒙古東部）已發(fā)展出“玉米青貯—奶牛、肉牛生態(tài)養(yǎng)殖—糞污處理還田”的現(xiàn)代種養(yǎng)循環(huán)模式[86]。這在東北西部風(fēng)沙鹽堿地區(qū)，值得大力推廣并進(jìn)一步完善（如保持高留茬）。這些對農(nóng)牧業(yè)結(jié)合理念的重視對再生農(nóng)業(yè)模式的推廣奠定了良好基礎(chǔ)。未來需要考慮綜合效益和可行性，進(jìn)行有針對性的研究和試驗(yàn)，探索區(qū)域差異性的種養(yǎng)結(jié)合方式。內(nèi)蒙古某些地區(qū)長期以來過度放牧已造成草地嚴(yán)重退化，使得草地的可持續(xù)利用難以為繼，為了促進(jìn)草地的恢復(fù)和修復(fù)地的可持續(xù)管理，已試點(diǎn)整體放牧措施[88]。

3.2 黃淮海平原地區(qū)

作為糧食主產(chǎn)區(qū)的黃淮海平原地區(qū)則面臨著氣候干旱和水資源缺乏、耕地質(zhì)量下降、生產(chǎn)資源成本提高等不利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的問題[89-90]。此外，隨著全球氣候不斷變暖，降雨量不足的問題日益加重。由于全球變暖對北方干濕的負(fù)面影響較大，北方氣候干濕空間分布格局的變化同時(shí)也對農(nóng)業(yè)需水、作物布局和種植制度產(chǎn)生重大影響。賈艷青等通過對中國1981—2010年的干濕氣候狀況進(jìn)行區(qū)劃，分析了干濕氣候界線的移動變化及干濕區(qū)域差異特征，發(fā)現(xiàn)干旱化趨勢主要發(fā)生在華北和東北部分地區(qū)[91]，在半干旱加劇的區(qū)域進(jìn)行水分高效利用的再生農(nóng)業(yè)的推廣更具有深遠(yuǎn)意義。黃淮海地區(qū)與中部平原區(qū)主要為夏玉米-冬小麥一年兩熟的農(nóng)業(yè)模式，因而可產(chǎn)生大量秸稈，且農(nóng)田空閑期很短，因此秸稈還田相比覆蓋作物可能對該地區(qū)的農(nóng)戶更為適宜。研究發(fā)現(xiàn)免耕和秸稈覆蓋的聯(lián)合舉措對半干旱氣候下的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)作物產(chǎn)量的提升頗有效果，并且可增加土壤水穩(wěn)定團(tuán)聚體24.2%，大大提高土壤持水能力和土壤水分利用率，從而起到抗旱節(jié)水效果[92-93]。在濱?；螯S河三角洲地區(qū)，也應(yīng)該以再生農(nóng)業(yè)的理念以農(nóng)牧結(jié)合或整體放牧的方式進(jìn)行鹽漬化土地的開發(fā)利用。

3.3 西北灌區(qū)

我國西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，荒漠區(qū)面積占全國荒漠區(qū)總面積的 63.7%，是一個(gè)資源性缺水大區(qū)，水資源開發(fā)中的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)矛盾十分突出[94]，該地區(qū)大部分干旱區(qū)年降水量在200 mm以下[95]，且土地瘠薄。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精華地在綠洲，農(nóng)田灌溉用水占總用水量接近 70%，部分地區(qū)農(nóng)業(yè)用水比例達(dá)到了90% 以上[96]。西北綠洲灌溉地區(qū)作物多在秋天收獲，冬天農(nóng)田裸露時(shí)間長達(dá)7個(gè)月，大風(fēng)加劇了表土的流失，到春季又可能使得表層積鹽加劇，秸稈覆蓋免耕可通過減少翻耕次數(shù)保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)，防治水土流失、土地沙化與土壤鹽漬化。針對西北綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)展主要挑戰(zhàn)，覆蓋作物的種植將有效緩解冬天表層土流失并加強(qiáng)土壤持水能力，但覆蓋作物的種植也要消耗珍貴的水資源，如何真正做到節(jié)水保水控鹽下綠洲土地的可持續(xù)利用，今后應(yīng)加強(qiáng)在有限水資源的供給條件下，探索周年多年尺度下的綠洲再生農(nóng)業(yè)模式。

3.4 長江中下游、華南和西南地區(qū)

我國南方地區(qū)水資源豐富。由于化肥、農(nóng)藥等長期投入較高的原因我國南方土壤污染重于北方，其中長江中下游地區(qū)面臨嚴(yán)重水體面源污染，江河湖水體富營養(yǎng)化問題也引發(fā)擔(dān)憂[97-99]。而南方的紅壤地區(qū)更是水土流失和土壤酸化嚴(yán)重地區(qū)[86]。我國根據(jù)南方各地區(qū)的特殊情況發(fā)展了各具特色的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)模式，如長江中下游的魚蝦—水稻田綜合種養(yǎng)模式，“豬—沼肥—作物—豬”的生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式；華南區(qū)的蠶桑循環(huán)種養(yǎng)模式等[86]。鑒于南方的農(nóng)戶耕地面積較小以及其自然生態(tài)環(huán)境情況，以上種養(yǎng)模式相比整體放牧更為適合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)。為有效解決水污染、水土流失和土壤酸化問題，可在現(xiàn)有綠肥種植的基礎(chǔ)上，考慮引入多種覆蓋作物，發(fā)展創(chuàng)新紅壤旱作農(nóng)區(qū)的再生農(nóng)業(yè)模式，以防治水土流失，提高與穩(wěn)定土壤有機(jī)質(zhì)的含量，減少化肥施用，從而真正防治此區(qū)內(nèi)土壤退化，并使旱作紅壤的地力再生。由于覆蓋作物需要一定資金投入（主要是作物種子和除草劑），在南方高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水果種植區(qū)（可接受額外資金投入）應(yīng)用覆蓋作物將有可觀收益[100]。我國南方部分地區(qū)也引入了覆蓋作物這一農(nóng)業(yè)實(shí)踐。如四川綿竹獼猴桃產(chǎn)業(yè)園區(qū)、河南丹江水庫櫻桃種植區(qū)、千島湖水源保護(hù)區(qū)坡地茶園等。還需要提到的是由于我國南方地區(qū)水熱條件豐富，通過覆蓋作物的推廣還將能大力發(fā)揮此區(qū)草牧業(yè)的發(fā)展優(yōu)勢，能做到整體放牧模式廣泛實(shí)施。

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Regenerative Agriculture-Sustainable Agriculture Based on the Conservational Land Use

HAN MingHui1, LI BaoGuo2, ZHANG Dan1, LI Ying1

1The Nature Conservancy, Beijing 100600;2College of Land Science and Technology, China Agriculture University/Key Laboratory of Arable Land Conservation in North China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Key Laboratory of Agricultural Land Quality, Ministry of Natural Resources, Beijing 100193

With the intensified global ecological crisis and the increasing demand for food and food safety, it has become a widespread concern of the whole world as to how to realize the sustainable development of agriculture. In this context, the regenerative agriculture was proposed and developed to cope with new challenges. This paper discussed the content, ecological and economic benefits of regenerative agriculture and analyzed the application scenarios in China, aiming to provide theoretical guidance for the introduction and development of this new agricultural model in China. To sum up, regenerative agriculture is a nature-based solution which has at its core the intention to improve the health of soil throughelevated soil organic content and nitrogen elements as well as reduced chemicals input and mechanical operations, so as to realize the sustainable development of agriculture, namely enhanced soil carbon sequestration, maximized biodiversity and improved quality of water, vegetation and land-productivity. Compared to several other agriculture models with respect to multiple dimensions, regenerative agriculture stands out by simultaneously achieving improvements in food security, soil health, ecological environment and economic benefits. The advantages of applying regenerative agriculture were further proved with specific cases. At last, suggestions on the development of regenerative agriculture in China were put forward.

regenerative agriculture; nature-based solution; carbon sequestration; soil health; conservational land use

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.05.012

2020-06-24；

2020-12-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1706211）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0300801）、Craig & Susan McCaw Foundation（P120148）、大自然保護(hù)協(xié)會TNC-先正達(dá)“潤田項(xiàng)目”（P120473）

韓明會，E-mail：han_minghui@163.com。通信作者李保國，E-mail：libg@cau.edu.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）