沿淮洼地农业结构优化理论探讨及其对秸秆饲用、牧草生产与粮食安全的影响

夏伦志,徐义流,张长青,肖扬书,阎晓明,张立

(1.安徽省农业科学院,安徽 合肥230031;2.安徽省界首市畜牧局,安徽 界首 236500)

沿淮洼地位于安徽境内淮河中游,属暖温带半湿润季风气候,全年太阳辐射总量525 kJ/cm2,年平均气温14.5～15.0℃,年无霜期210～215 d,年日照时数2 200～2 300 h,≥10℃年积温4 800～5 400℃,是全省光能资源最丰富的地区。年平均相对湿度73%,年降水量700～1 000 mm,地下水蕴藏量丰富,水位较浅,补给方便。因此水、光、热资源充足,单位耕地可获得高生物量产出。其适宜多种动植物生长,陆生、水生动植物品种多样,境内野生豆类与禾本科牧草等陆生植物和莲藕(Lotus)、芡实(Euryale ferox)、菱角(Trapa bispinosa)、芦苇(Phragmitescommunis)等水生植物资源丰富。河道、湖泊、沟渠等水域中,鱼类、虾类、贝类等水生动物种类繁多[1]。洼地包括行洪区、蓄洪区、采矿塌陷区、沿湖及沿河流消落区中一定高程上的承包地,在每年的6-9月份,涝旱频繁是该区域的显著农业生态特征。

有鉴于此,近年来探讨洼地农业结构调整以减少自然灾害所带来的损失,已引起地方政府与部分学者的高度重视。张长青等[1]分析了沿淮低洼地区农业发展的优势和劣势,阐述了农业结构调整的重点,提出了农业结构调整的对策建议。郁家成等[2]分析了沿淮低洼区水热气候资源、种植结构现状和避洪生态农业发展模式,探索了沿淮低洼区农业结构适应性调整及农业避洪减灾的对策和措施。吴永生[3]通过分析沿淮洼地存在问题与治理规划及要求,认为必须针对这个区域常受洪涝灾害的自然特点,积极进行农业结构调整,建立“宜农则农,宜林则林,宜水则养”的农业结构体系,变对抗性生产为适应性生产,提高应对灾害的能力,实现沿淮洼地的可持续发展。

过去谈农业结构调整,尽管是以市场需求为指导,以经济效益为目标,以粮食安全为准则,但在实际操作时,往往缺乏立体的、宏观的与量化的比较。存在只注重籽实农产品,即耕地上收获的谷物、豆类及蔬菜瓜果等的食用价值与市场需求,而忽视其大量副产物如可利用秸秆、藤蔓、皮壳等潜在营养价值利用;注重粮食作物作为人类直接食品的价值,而忽视其部分必须作为动物饲料后间接转化为肉蛋奶等的营养效价(即转化率);注重种植传统的粮食作物而忽视饲用作物(如饲用玉米、大麦等)以及人工牧草的种植,而实际上饲用作物与牧草单位耕地所产出的畜禽可利用养分往往较粮食作物更高[4-7],有较大转化畜产品的营养潜力。

为克服上述认识误区,本研究针对沿淮洼地种养业链接现状,应用单位耕地年产可消化生物量(DBYH Y)新概念,探讨该区域不同生态条件下可实施并具有代表性的一些DBYHY生产模型,并通过总消化养分校对公式(TDNc)测算含有秸秆与牧草在内的各模型的TDNc数值,以说明秸秆与牧草在该区域农业结构调整中的替粮增值作用以及对粮食安全的影响。

1 沿淮洼地农牧业结构现状分析

1.1 农牧业结构现状

受长期的以粮为纲及近年的粮食安全政策导向影响,再加上特定的自然生态条件与种植传统,目前区域内主要种植结构仍是麦-稻、油-稻,少量的玉米、大豆、花生、山芋(Solanum tuberosum)、芝麻、棉花等旱杂粮。主要作物种植面积所占的比例分别是:稻谷33.94%,小麦38.62%,玉米6.28%,大豆5.55%,花生3.40%,油菜8.57%,芝麻1.07%,棉花2.55%与青饲料0.01%(表1)。

表1 2006年度沿淮洼地作物种植面积与肉类产量结构分析[9]Table 1 Crops culture area and meat output in low-lying land along River Huai in 2006[9]

沿淮洼地是传统的牲畜、家禽、草食动物与水生动物的主产区,其中生猪、白鹅与特色水产养殖在安徽省占有较高位次。在畜牧业内部,耗粮型的猪禽与节粮型的牛羊兔的肉类产量占肉类总产量分别为86.18%和13.82%(表1),节粮型畜牧业份额依然偏低。

近年来随着农村人口向城市转移和饲料价格等因素的影响,家庭式的小农养殖在萎缩,以致畜产品供给平衡被打破,特别是千家万户的牲猪生产下滑严重,规模养殖在畜牧业中的比重显著提高,已近半壁江山[8]。

1.2 农牧业链接现状

牲畜与家禽生产由于向规模化养殖方向发展,以及劳动力外移,农户不但减少了过去对一些非常规饲料原料如花生秧、山芋藤及野杂草等的利用,更强化了耗粮的玉米-豆粕型日粮应用。但洼地区域玉米与豆粕的产量目前有限,不能自给,仍需从外地大量调运,这无形松散了当地农牧业间的链接,增加了能源消耗,降低了大农业生产总效率;其次,草食动物牛羊兔的生产比重仍然过低(表1),劳动力向城市转移使家庭式的牛羊等放牧养殖比重也在缩小,以致利用田间地头、荒坡滩涂等闲荒地上生长的杂草来放牧在减少;再者,由于粮食种植分散,不易于机械化作业,并且收种紧迫,以致大量的作物秸秆、藤蔓在短期内集中收集、储运与加工困难,其充分合理利用也显著不足。

规模化的牛羊饲养场等养殖方式的出现,因饲用作物与牧草种植及其加工未能跟进,目前青饲料种植仅占0.01%(表1),还有与上游作物种植结构配套不够紧密,优质秸秆(花生秸、青玉米秸等)资源比重较小,劣质秸秆(油菜秸、麦秸等)利用困难,从而必须消耗大量的育肥精料(如玉米、饼粕等),这在当地更加剧了与单胃畜禽的争粮,粮食安全因饲料粮的激增而受到进一步挑战。由此,目前沿淮洼地的农牧业链接仍比较松散,急待建立新的高效的农牧链接模式。

2 农牧业结构优化理论探讨

2.1 农牧业结构调整依据探究

针对松散的农牧链接现状,在当今粮食安全的战略背景下,为了促进草地畜牧业与秸秆循环饲用的生态农业健康发展,在此笔者提出一个新概念——单位耕地年产可消化生物量(digestible biomass yield per hectare per year,DBYHY,单位:每年每公顷产生物量公吨,t/hm2·a),它是指从每hm2耕地上年种植的植物体所获得的能被人类直接与间接消化的养分总和。所谓的植物体应包括其籽实、根茎与秸秆等全部有机物;间接消化吸收养分是指人类不能或不愿直接采食,但可通过草食畜禽或鱼类等的采食来转化成为人类所需的肉、蛋、奶的养分。

2.2 DBYHY的数量化描述与其测算公式建立

可消化生物量如何测算是推行DBYHY概念体系所必需解决的技术问题,同时也是实行DBYHY概念体系指导农业生产的依着点与意义所在。

笔者认为应测算提供的各主要营养成分产量乘以各养分的营养权数与市场价值权数后所得的数值之和,这样它既体现了营养产量及其重要性的生物学价值,同时也包含了市场供需层面的经济学成分,这与草业上所描述的生物量概念及估测方法[9-11]有显著区别。

在此不妨引用动物营养学上的一个经典术语——总消化养分(total digestible nutrients,TDN),Morrison(1910)曾给出其计算公式:TDN=DCP+DEE×2.25+DNFE+DCF。式中,DCP为可消化粗蛋白,DEE为可消化粗脂肪,DNFE为可消化无氮浸出物,DCF为可消化粗纤维[12,13]。

但经典的TDN计算公式是当时基于主要常规养分消化能值的当量关系而诞生的,尽管其包括了可消化粗蛋白等4项重要可消化养分,并可合并为1个单一数值,简化了对各生物样品能值的定量评测。但其既非能值也非样品完全营养的描述,以至被后来的代谢能(ME)体系所替代[14-16]。又因为它未突出最重要的营养成分——蛋白质的营养价值,也未包含其他微量营养素(如维生素、矿物质)对样品综合营养价值的贡献值,这在当今蛋白质危机、人类膳食结构日趋精粮化以及畜禽集约化饲养所导致的微量养分缺乏的时代,以其作为评价一生物样品的综合营养价值是不足的。但是由于使用方便与习惯,它作为饲料样品单一消化能能值评价指标一直在被沿用[17-20]。

为此,为了兼顾营养供给与市场需求,本研究在原概念基础上,探讨建立一个考虑到蛋白质、能量、脂肪、维生素及微量元素综合营养及其各营养重要性(通过加权系数表述)的校正公式:

式中,校正系数0.06是基于每kg玉米所含维生素与钙、磷及微量元素的近3年国内市场均价总和,与其DCP、DEE、DNFE及DCF四项总养分市场均价和的比值;校正系数 R旨在反映不同植物体的维生素及微量元素综合营养指数(加权系数),为简化计算,禾本科谷物或根茎类取1.0,豆科籽实取1.2,青绿营养体(包括优质干草)取1.5,一般秸秆取0.5,少数木质素高的秸秆如油菜秸秆等取0.0;系数5.50是基于蛋白质原料代表豆粕,与能量原料代表玉米之DCP差值除以豆粕与玉米近3年国内市场均价[21-26]差值的商。系数0.06,5.50尽管随玉米、豆粕等市场价格的变化而变化,但变化幅度较小,并以其为中值波动,一段时间内相对固定。其详细推导将有另文专论。

2.3 用TDNc公式测算DBYHY数值的意义及其与同类研究的比较

随着营养学工作的开展,取得任一样品各可消化养分的测试值并不困难,但要把各养分测试值综合起来以1个数值来科学描述样品整体营养价值却是十分复杂的。因各养分的权重如何确定,它不仅要考虑营养价值重要性等生物学成分,同时要考虑到各养分生产成本,即市场价格的经济因素。由于分析检测数据的暂时局限性与原料市价的变化,本TDNc计算公式所推荐的系数是动态的并需要不断的完善。但其毕竟较经典的TDN公式更全面反映了被测评原料蛋白质营养重要性与微量养分的营养价值,更重要的是其还包含了经济元素,这是用其反映DBYHY模型数值较经典TDN的创新所在。

与可消化生物量概念体系相近的研究,仅见国内学者任继周等[27,28]曾为了克服中国特有的狭隘食物观,提出了食物当量的设想。即把生态系统中可以作为食物的产品,对它们的粮食使用价值用统一的食物当量来衡量,这样可以为任何食物作出适当的粮食评价。提出的食物当量(food equivalent unit,FEU)是以热量与蛋白质含量为基础综合而成。其分为2个部分,即植物性食物的食物当量与动物性食物的食物当量。前者是以南方盛产的粳稻为标准食物,以它的热量值(H)和蛋白质值(P)的校正系数之和作为单位植物食物当量;后者以分布较广、食用面较大的草食动物羊肉为标准动物性食品。

任继周和林慧龙[29]进而研究认为,单纯以粮食为标志的耕地生产力评价有2种流弊:一是把不适宜粮食生产的土地强行开垦生产粮食,并以此为评价土地资源的标准,导致粮食生产与土地资源两败俱伤,从而低估了土地的生产潜势;二是对既可生产粮食又可生产其他食物的土地资源潜力估计不足。例如把生产籽实类谷物产量很低的土地改为生产营养体(生产茎叶等非籽实产品)可能表现为更高的生产水平[30]。

为此又提出农田当量(arable land equivalent unit,ALEU)这一量纲。它是把单位面积一年一熟种植水稻的食物产出作为标尺,来衡量一切农业用地单元(包括传统农田、草地或其他饲用植物用地)的相对食物生产潜势的计量单位,其精确表达为:ALEU=F(T,m,∑i f i)/F0(T0,m0,f 0),式中,T为核算尺度,m为运营模式,f i为品种i的产量,F为最终食物产出;m0为现阶段标准水稻管理模式,T0核算尺度为1年,f 0为一年一熟的标准水稻单产,F0为单位面积一年一熟种植水稻的食物产出。

将TDNc与FEU、ALEU进行比较(表2),发现其共同点是,均为克服狭隘食物观,寻求一个统一的评价体系而创建成的新概念;均可用一个简单的数值来定量描述,便于比较农业生产效率优劣。不同点是TDNc是绝对值,而FEU、ALEU是相对值;TDNc包括了人类间接食物的营养评价,即动物可利用的人类非可食部分如秸秆、牧草等,而FEU仅对人类可食部分进行评价,ALEU也仅包含了非可食部分中的牧草。再者,TDNc是基于较完整的可消化养分,FEU则是仅基于能量与蛋白,暂未考虑维生素和其他微量营养元素等,同时,FEU与ALEU均是基于样品的总粗略养分,未考虑不同样品的养分消化率之差异。最后,TDNc通过设置不同经验系数,考虑了不同养分的经济价值权重,FEU与ALEU暂未对营养成分的经济价值予以考虑。但较FEU、ALEU来说TDNc不足的是相对动态的,需继续推敲R值定义的合理性,还有公式中系数0.06,5.50尽管相对固定,但较长时间后随着市场原料价格变化也许会有一定波动。

3 DBYHY生产模型对粮食安全与洼地农业结构优化的影响

3.1 建立DBYHY生产模型与粮食安全

卢良恕[31]认为“粮食安全”不同于“食物安全”,“粮食安全”主要的战略目标是粮食主产区如何发展粮食产业、促进种粮农民增加收入、保障粮食有效供给;“食物安全”则是在粮食安全的基础上,充分发挥区域比较优势,宜粮则粮、宜牧则牧、宜林则林、宜渔则渔,注重原料转化如饲料粮、饲料草转化为肉、蛋、奶和水产品等。他把“粮食”与“食物”进行了严格划分。任继周等[28]曾批评我国单一植物性农业系统把粮食混同于谷物,又把谷物混同于食物,经过这样一番不经意的概念偷换,于是演变为食物=谷物=粮食。

一直比较默认的“粮食”概念,是指传统种植业提供的小麦、水稻、玉米等,有时也包及油料作物大豆、油菜、花生等。然而从营养学角度看,应是“食物”而不是“粮食”才是最终满足人类的生命活动之需,是提供能量、蛋白质、脂肪与其他营养素的载体。并且随着社会进步与人民生活水平的提高,满足人们生命活动之需的能量、蛋白质、脂肪与其他营养素的提供已不仅仅来自传统意义上的“粮食”,肉、蛋、奶及水产品的消耗已显著上升,它们是提供现代人类营养需要的重要组成,尤其是在像中国这样的发展中国家,其所提供的营养量在逐年快速提高。

因此,在新形势下倡导粮食安全的“粮食”概念应该是广义的,它除了过去狭义的内涵,还应扩展到肉、蛋、奶及水产品,甚至到水果、蔬菜、坚果等一切可以提供生命活动所需营养素的人们喜爱的所有可食品,在此不妨称之为“大粮食”或“食物”。在此背景下,政府抓粮食安全不能仅仅考虑以往狭义的“粮食”产量,而应全面考虑现代“大粮食”的生产总效率。值得一提的是过去以狭义的“粮食”如小麦、玉米、大豆等来配制牛羊等草食畜禽或水生动物饲料,然后再以其换取肉、蛋、奶及水产品,而忽视可能更加高效的混播牧草与饲用作物(如我国南方推广的饲料稻)[32]以及收获粮食后产生的秸秆等副产物中可被草食动物利用的营养量在不同品种秸秆间的差异。所有这些在“大粮食”概念下均应重新评估。

表2 几种生物量评测指标的比较Table 2 Comparison of several indexes for biomass evaluating

通过使用DBYHY生产模型调整农业结构,就可以克服传统的“以粮为纲”认识误区。它不是仅测算单位耕地谷物(粮食)产量,而是同时对人、畜可利用营养总产量进行测算。它既考虑籽实也考虑收获后秸秆的利用;对不适合籽实生产的耕地或季节将引导发展营养体农业(如牧草)。因此,通过DBYHY生产模型可将沿淮洼地单位耕地的食物生产效率予以综合评价,可比较出不同种植模式的物质与能量转化总效率,这对科学认识与促进粮食安全将起到显著作用。

3.2 建立DBYHY生产模型对促进秸秆饲用与牧草生产的影响

建立DBYHY生产模型,是利用单位耕地所产的总TDNc的数值大小来衡量模型的优劣,而TDNc的数值测算包括了人与草食动物2个层面,对植物体分而食之,人类采食籽实或块茎类,动物采食人类不能利用的秸秆、牧草等。因此,利用DBYHY生产模型来调整农业结构,把秸秆、牧草等养分利用也纳入了计算公式,这无疑对促进牛羊鹅兔生产与秸秆饲用化起到了显著促进作用。根据DBYHY模型来指导农业生产最大的优势是能直接地定量描述[33,34]。在沿淮洼地的单位耕地上,一些作物籽实、秸秆与牧草产量,以及其可消化养分含量见表3。

根据表3数值与上述的TDNc公式,就可计算出各种种植模式的TDNc数值,见表4。

从传统的稻-麦、稻-油、玉米-油种植结构所得到的TDNc数值分别为19.55,15.73,15.07(表4);而从紫花苜蓿单播、2/5黑麦草+3/5苜蓿混播所得到的TDNc数值分别为24.51和21.35。稻-黑麦草种植结构所得到的TDNc数值更高至26.24。除此,冬季改种小麦为多花黑麦草,后作水稻产量平均还可提高10%[35],这是由于牧草具有庞大的根系,牧草茬地能较好地改善土壤的理化性质,大幅度提高土壤有机质含量;另外牧草根系生长旺盛会促进根系分泌大量有机物质,极大提高土壤酶活性,而酶活性与土壤肥力又具有高度的正相关[36]。因此,揭示在沿淮洼地推广稻-黑麦草种植模式可较传统稻-麦模式显著提高土地的生产效率。

利用冬闲田建立“黑麦草-水稻”草田轮作系统[37-42]的研究表明,在不影响粮食生产的前提下,改变单纯籽实体农业为粮食-牧草(饲料)的籽实与营养体复合型农业,可使作物生产的时间搭配更趋合理,资源利用更充分,土壤生态环境更好。杨中艺等[43]研究的“黑麦草-水稻”草田轮作系统在广东省产生了显著的效益,它改善了区域农业生产结构,促进了“三元结构农业”和节粮型畜牧业的发展,提高了土地的利用率以及土地单位面积的产出。这与上述稻-黑麦草系统具有较高TDNc数值是一致的,这也从另一侧面证明了推行DBYHY评价体系可行。

结果显示,种油菜就不如种花生高效(表4),因为后者的TDNc数值10.24远大于前者的6.10,这主要是花生秸秆的营养价值远大于油菜秸秆的原因所致。因此在洼地发展反刍动物生产的同时,应优先发展的油料作物是“花生”而不是“油菜”。当然前提是花生油像菜籽油一样受欢迎,花生秸秆能被牛羊作为粗饲料充分利用,茬口能衔接好。

表3 主要作物及秸秆、牧草的营养成分及产量估测Table 3 Estimation of nutrient contents and yield for main crops and forage grass

表4 不同种植模式的TDNc产量测算Table 4 Estimation of TDNc in different planting model t/hm2

另外,沿淮洼地每年雨水多集中在6-9月份,涝旱频繁,一些地块长期处于浅水湿地状态,对长期积水低地种植水花生等水草,不但有利于防止水土流失,维护生态与生物多样化,同时对沿淮周边养殖污水净化,提高草食鱼虾与畜禽的产量与品质具有推动作用。经计算在浅水湿地上配种“三水”中的水花生所增加的TDNc数值为29.31,远较以往以抗灾思维指导的围湖拓荒种粮模式,如稻-油模式所达到的TDNc数值15.73大,这也证明了对抗性农业不如适应性农业对粮食安全更有利,在沿淮低洼地发展季节性的抗灾型营养体农业——水草种植是不错的选择。前提是配套规模化草食动物生产以合理利用水草。

由上可知,几种模式的TDNc数值排序为:水花生>稻-黑麦草轮播>紫花苜蓿>2/5黑麦草+3/5苜蓿混播>稻-麦轮播>稻-油轮播>玉米-油轮播;一季的花生>水稻>油菜。

4 结论

根据TDNc数值来建立DBYHY生产模型以指导沿淮洼地农业结构调整,是从单位耕地面积所产的人畜可利用整个生物量,即粮食、秸秆与饲草总营养量的立体层面,用量化的TDNc数值来比较不同种植模式的物质与能量转化总效率。研究得出在沿淮洼地不同种植模式的TDNc数值排序为:水花生>紫花苜蓿>稻-黑麦草轮播>稻-麦轮播>2/5黑麦草+3/5苜蓿混播>稻-油轮播>玉米-油轮播;一季的花生>水稻>油菜。通过对不同种植结构所产生的营养与经济价值评价,从而对粮食安全产生新的认识。预期应用DBYHY生产模型来指导沿淮洼地农业结构调整,可带来显著的经济与生态效益,有利于促进该区域的粮食安全、草粮结合与草食动物发展,并可在源头调控种植结构而提高秸秆饲用率。

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[41]辛国荣,郑政伟,徐亚幸,等.“黑麦草-水稻”草田轮作系统的研究VI.冬种黑麦草期间施肥对后作水稻生产的影响[J].草业学报,2002,11(4):21-27.

[42]辛国荣,杨中艺.“黑麦草-水稻”草田轮作系统研究VII.黑麦草残留物的田间分解及营养元素的释放动态[J].草业学报,2004,13(3):80-84.

[43]杨中艺,辛国荣,岳朝阳,等.“黑麦草-水稻”草田轮作系统应用效益初探(案例研究)[J].草业科学,1997,14(6):35-38.