谢建明1,2 & 余继华1,2 & 陈百红1,2 &志峰1,2 & 吕建1,2 & 胡琳丽1,2 & 烟台甘3 &
卡丹博 HM Siddique4
1. 甘肃农业大学甘肃省干旱区作物科学重点实验室, 甘肃 兰州 730070
2. 甘肃农业大学园艺学院 兰州 730070
3. 加拿大农业和农业食品部,Swift Current 研发中心,Swift Current,SK S9H 3X2,加拿大
4. 西澳大利亚大学西澳大学农业学院和农业与环境学院, Perth, WA 6001, Australia
抽象
在非洲、中国和印度等经济发展较快的人口稠密地区/国家,由于城市建设和土地的其他工业用途,耕地正在迅速减少。 这为生产足够的粮食以满足日益增长的粮食需求带来了前所未有的挑战。 数百万类似沙漠的不可耕地面积能否用于粮食生产? 大量可用的太阳能能否用于受控环境(如太阳能温室)中的作物生产? 在这里,我们回顾了一个创新的培养系统,即 “戈壁农业。= 我们发现,创新的戈壁农业系统具有六个独特的特点:(i)它利用沙漠般的土地资源,以太阳能为唯一能源,全年生产新鲜水果和蔬菜,而不像传统的温室生产,能源需求是通过燃烧化石燃料或电力消耗来满足; (ii) 使用当地可得的材料,例如用于设施北墙的粘土,将单个种植单元集群化; (iii) 土地生产力(每年每单位土地的新鲜农产品)为 10–提高 27 倍,作物用水效率提高 20–是传统露地灌溉栽培系统的 35 倍; (iv) 作物养分主要通过当地制造的有机基质提供,减少了作物生产中合成无机肥料的使用; (v) 由于太阳能是唯一能源且单位投入的作物产量高,因此产品的环境足迹低于露天种植; (vi) 它创造了农村就业机会,从而提高了农村社区的稳定性。 虽然该系统被描述为 “戈壁奇迹= 对于社会经济发展,需要解决许多挑战,例如水资源限制、产品安全和生态影响。 我们建议制定相关政策,以确保该系统在保护脆弱的生态环境的同时促进粮食生产和农村社会经济发展。
介绍
农业耕地是一种有限的资源(Liu et al. 2017)。 在中国、印度和非洲等经济发展较快的国家,大量耕地已转为工业用地(Cakir et al. 2008; 徐等人。 2000)。 由于快速的城市化进程与农业竞争土地(Zhang et al. 2016; 穆勒等人。 2012),增加作物产量以满足不断增长的人口的饮食需求和偏好面临着前所未有的挑战(Godfray 等人。 2010)。 澳大利亚、加拿大和美国等拥有大片耕地的发达国家有可能将草地变成耕地,用于世界粮食市场。 然而,这样做可能会加速碳储量的损失,并对环境产生重大的负面影响(Godfray 2011).
在许多干旱和半干旱环境中,有大面积的 “戈壁之地= (定义为非耕地),包括中国西北六省的沙漠型土地1.95万公顷(刘等。 2010)。 中国正齐心协力开发这片戈壁土地用于粮食生产,采用一种创新的耕作制度,称为 “戈壁农业。= 我们将这种培养系统定义为 “一个由本地建造的太阳能塑料温室状种植单元集群组成的种植系统,用于以有效、高效和经济的方式生产高产、优质的新鲜农产品(蔬菜、水果和观赏植物)= (谢等人。 2017)。 在一些复杂的集群系统中,可以使用数据记录器监测各个单元的气候条件。 与传统温室或温室不同,加热和冷却(温室生产中涉及的两项主要成本)通常通过燃烧增加二氧化碳的化石燃料(柴油、燃料油、液态石油、天然气)来提供2 排放,或使用消耗更多能量的电加热器(Hassanien et al. 2016; 王等人。 2017), “戈壁农业= 系统完全依赖太阳能进行加热、冷却以及将自然能源转化为植物生物质。
近年来,利用戈壁土地生产粮食在中国发展迅速(Zhang et al. 2015)。 在西北地区,戈壁土地种植系统生产了该地区消费的大部分蔬菜。 该系统在确保粮食安全、提高社会生态可持续性和增强农村社区活力方面发挥着至关重要的作用。 许多人认为这片戈壁土地农业 “新发现的土地= 栽培体系。 该系统的一个显着特点是有机会在曾经非生产性的土地上进行粮食生产。 这种创新的栽培系统可能是迈向现代农业的革命性一步。 然而,缺乏关于戈壁耕作系统科学进步的信息。 许多问题仍未得到解答:该系统能否可持续发展成为主要的蔬菜生产行业? 戈壁耕作制度长期对生态环境有何影响? 这个可以吗 “做下的中国= 耕作模式适用于其他可耕地面积减少的干旱地区,如哈萨克斯坦北部(Kraemer et al. 2015)、西伯利亚(哈利基和库利日斯基 2015),以及非洲中部到北部地区(de Grassi 和 Salah Ovadia 2017)?
考虑到这些问题,我们对栽培系统的最新发展和主要研究成果进行了全面的文献回顾。 本文的目的是 (i) 突出中国北方戈壁耕作系统的科学进步,包括作物生产力、水分利用效率 (WUE)、养分和能源利用特征以及潜在的生态和环境影响; (ii) 讨论该系统面临的主要挑战,例如灌溉用水的供应、产品的质量和安全,以及对农村社区稳定和发展的潜在影响; (iii) 为戈壁土地耕作系统的健康探索和长期可持续发展提供政策制定和研究重点的建议。
戈壁土地系统基础设施简述
为了了解戈壁土地耕作系统的功能,我们对其设计、工程和建设进行了简要说明。 关于基础设施的更多细节在最近的一篇评论中(Xie et al. 2017)。 戈壁耕作制度建立在无法进行传统农作物生产的荒地戈壁上。 戈壁土地设施建设于 “集群= 个别生产单位。 典型的集群设施由几个(多达数百个)单独的种植单元或房屋组成(图 XNUMX)。 1一个)。 每个种植单元的小气候条件由一个中央控制中心监控,其中远程传感器,
一些栽培单元可以调节小气候条件,例如气温和湿度,而其他监测系统则允许自动施肥。 一些先进的技术,例如物联网(Wang 和 Xu 2016) 或物联网 (Li et al. 2013) 可以安装在控制中心,以更准确地读取各个种植单元传输的小气候数据。 然而,由于成本高昂,这些都没有得到广泛实施。
集群设施内的典型种植单元面向东方–西,在结构的北,东和西侧有三堵墙。 结构的南侧是一个倾斜的屋顶,由钢架支撑,覆盖着透明的热塑性塑料薄膜(图 XNUMX)。 2)。 屋顶适当倾斜以确保白天的有效透光率(Zhang et al. 2014)。 来自太阳的能量储存在墙壁的热质量中,并在夜间以热量的形式释放出来。 在冬季,屋顶每晚都用自制的草席覆盖以保持内部温度(Tong et al. 2013).
每个耕作单元的一个关键组成部分是由当地可用的材料(如粘土砖)建造的北墙(Wang et al. 2014), 作物秸秆块 (Zhang et al. 2017), 用泡沫塑料制成的普通砖块 (Xu et al. 2013)、粉煤灰砌筑单元 (Xu et al. 2013)、粘土块与水泥砂浆混合 (Chen et al. 2012), 夯土 (Guan et al. 2013),或与混凝土块结合的原始土壤。 在某些单元中,北墙由 “相变材料= 优化热储存和交换,从而减少植物生长的温度波动(Guan et al. 2012).
戈壁土地集群设施与传统温室或温室的显着区别之一是电源。 集群戈壁土地系统中的每个耕作单元完全由太阳能供电。 太阳辐射白天被北墙吸收,晚上被释放。 白天未使用的能量是晚上的活跃能量来源。 一个 “水帘式= 系统通常用于在冬夜提供补充热量,此时单元内的一小部分地面充满水以用作热交换介质(Xie et al. 2017)。 白天,水循环并通过吸水帘,太阳辐射产生的多余热量储存在水体中; 晚上,温水循环并通过水帘,热量释放到单元内的空气中。 储能系统的有效性 “水帘式= 系统取决于许多因素,例如直接太阳辐射、来自天空的各向同性漫射太阳辐射、大气透明度以及屋顶塑料薄膜的热透射率(Han et al. 2014)。 随着栽培系统的发展,正在开发更复杂的加热系统以改善热量的储存和释放。
戈壁耕作制度的科学进步
戈壁土地耕作系统不同于传统的露地作物种植,后者的作物要么是雨养,要么是灌溉。 它们也与传统温室或温室中的作物种植不同,后者的能源主要由天然气或电力提供。 戈壁土地耕作系统具有独特的特点,下面重点介绍其中的一些。
提高作物产量
在戈壁土地设施中种植的作物产量高,土地利用效率(即每单位土地使用的作物产量)明显高于传统的露地种植。 例如,中国西北河西走廊东部地区有一个长期(1960–2009) 年日照时数 2945 h,年平均气温 7.2 ℃,无霜期 155 天 (Chai et al. 2014c); 在传统的露天系统下,热量单位足以每年生产一种作物,但不足以每年生产两种作物。 在戈壁系统中,作物可以在大多数月份甚至全年种植。 5 年平均作物产量(2012–2016) 酒泉试验站种植面积为 34 t ha–1 甜瓜用 (黄瓜 L.), 66 吨公顷–1 西瓜用 (西瓜(Citrullus lanatus) L.), 102 吨公顷 1 辣椒 (辣椒, 果果 C.), 168吨 1 黄瓜 (黄瓜(Cucumis sativus) L.),以及 177 吨公顷 1 番茄 (番茄茄 L.),即 10–在相同气候条件下,是传统露天系统的 27 倍(Xie et al. 2017)。 在中国北方其他地方也观察到了类似的结果,例如东端的武威区。
河西走廊。 这些产量值是根据种植单位占用的土地面积以及同一控制系统内各个单位共享的公共面积计算的。 公共区域用于输入材料运输和产品营销。
提高用水效率
在许多干旱和半干旱地区,农业面临的主要挑战之一是缺水。 节水或提高 WUE(单位供水的作物产量,以 kg ha 表示–1 产量米–3 水)在作物生产中对农业生存能力至关重要。 戈壁土地耕作系统具有显着的节水优势,与传统露地系统种植的相同作物相比,作物用水量要少得多。 例如,超过 4 年(2012–2015)酒泉县某戈壁土地设施系统测量,番茄需量385–总灌溉量 466 毫米,季节性蒸发量为 350 至 428 毫米,番茄鲜重为 86 至 152 吨/公顷–1. 一些主要蔬菜作物实现了高 WUE (kg 新鲜农产品 m–3),包括 15–21 甜瓜用水,17–23 辣椒,22–西瓜28,28黄瓜 35 和 35–番茄51公斤。 在这个系统中,例如番茄的 WUE 是 20–比耕地、露地系统种植的相同作物产量高 35 倍(Xie et al. 2017).
对戈壁土地系统中 WUE 增强的机制知之甚少。 我们认为,主要影响因素包括:(a)对戈壁土地系统中作物的灌溉量是基于植物对最佳生长的需求(Liang et al. 2014),这是通过安装的水表预先确定和控制的(图 XNUMX)。 3一个)。 取决于单位操作员和根据知识和经验,经常使用调节亏缺灌溉法(图 XNUMX)。 3b) 减少非关键生长阶段的灌溉量(Chai 等人。 2014b)。 轻度亏缺灌溉可以刺激植物防御系统以增强对干旱胁迫的耐受性(Romero 和 Martinez-Cutillas 2012; 王等人。 2012)。 调节亏缺灌溉对作物生长的影响程度因作物种类和其他因素而异(Chen et al. 2013; 王等人。 2010); (b) 戈壁土地耕作系统的灌溉技术不断改进,例如地下滴灌(图 XNUMX)。 3c) 是现在最流行的灌溉方法; (c) 使用各种覆盖方法来减少土壤地表水分蒸发。 栽培单元内的种植区域通常在生长季节用塑料薄膜覆盖(图 XNUMX)。 3d),包括植物行之间的区域(图XNUMX)。 3e)。 减少蒸发和增加相对空气湿度可能是有效用水的两个最重要因素; (d) 由于种植是在一个相对封闭的系统中,一定比例的土壤表面蒸发水在种植单元内循环使用; (e) 复杂的农艺实践用于种植单位的作物管理(图 XNUMX)。 3f),例如修剪树枝以增加光线穿透(Du et al. 2016),优化通风以平衡 CO2 植物光合作用和疾病发病率(Yang et al. 2017),并在灌溉后对生根区通风几天,以尽量减少土壤蒸发 (Li et al. 2016); 所有这些都有助于提高作物产量并提高 WUE。
提高养分利用效率
与合成肥料是植物养分主要来源的传统露地栽培不同,有机材料(如农作物秸秆、牲畜粪便和食品工业、能源生产过程和人类废物回收利用的副产品) - 是戈壁土地耕作系统的主要养分来源。 废料代表了传统温室生产中使用的商业培养基的替代品。 要成为戈壁土地种植的基质,有机材料必须具有以下特征(Fu et al. 2018; 傅和刘 2016; 傅等人。 2017; 玲等人。 2015; 宋等人。 2013): (i) 低堆积密度、高孔隙率和高保水能力; (ii) 高阳离子交换容量和矿物质养分含量,以及适当的 pH 值和 EC; (iii) 增强酶活性,通常通过添加适当的微生物菌株来实现; (iv) 降解速度慢; (v) 不含杂草种子和土传病原体。 生产基材的材料类型、加工方法、分解程度和气候条件可能会影响有机材料的物理、化学和生物学特性,从而影响基材质量(Fu et al. 2017; 宋等人。 2013).
典型的自制底物的生产涉及几个步骤(图 XNUMX)。 4a): (i) 农作物秸秆(如玉米)从当地村庄的传统露天生产系统中收集,运输到设施附近的地点,切成 3–5厘米长的块,在加入小剂量氮肥(每1.4公斤干玉米秸秆1000公斤氮)调节堆肥C:N比为15:1左右之前; (ii) 每 1 公斤有机材料添加约 1000 公斤微生物接种产品; (iii) 第一阶段发酵包括将秸秆堆放在地上(例如,高 1 m x 底部宽 1.2 m,顶部宽 3.0 m),然后用塑料薄膜包裹; (iv) 监测堆内的温度并加水以将水分含量保持在 2.0–65% 用于最佳微生物活性; (v) 第二阶段的发酵需要每 6 次搅动烟囱8 天,检查顶部 30 厘米的温度。 这种周期性干扰确保温度和湿度保持在微生物活动的最佳水平; (vi) 第 32 天左右–34 发酵后,将材料移至准备用于设施培养的储存设施。 自制基材通常在 2–3吨 1 到种植单位内的种植区域,可以在种植前使用几年再更换。 通过添加外购养分可以将底物的养分含量恢复到生产水平(图XNUMX)。 4乙)。 有机基质的秸秆材料可在当地获得,并且大部分制造步骤使用内部制造的机器。
向作物提供基质养分的方式因集群设施而异。 中国西北部的大多数种植者使用(1)沟渠系统,其中沟渠(通常为 0.4–0.6 m 宽,0.2–0.3 m 深,0.8–1.0 m 向北的沟槽之间–南向)在栽培单元内的地面上制作,用混凝土、木块或砖块做边缘,在种植前填充基质(图 XNUMX)。 5a),并用塑料薄膜覆盖,以便幼苗生长(图XNUMX)。 5乙)。 沟渠建成后可连续生产20年以上; 或 (2) 整袋基材,在封闭的微环境中,将基材包裹在单个塑料袋中(袋的典型尺寸为直径 0.5 m,长 1.0 m)。 随着植物的发育,营养物质从袋子中释放出来(图 XNUMX)。 5C)。 在袋子的顶部打孔用于播种(图 XNUMX)。 5d) 并通过孔进行滴灌。
这两种方法的特点不同。 沟槽方法允许种植者在需要时轻松地向基质添加肥料。 对于某些作物,例如西瓜,需要添加无机肥以确保高产。 一些研究表明,使用有机肥料和无机肥料可以提高作物产量,但会导致土壤中的养分过剩,表层土壤中的硝酸盐-N 浓度较高(Gao et al. 2012)。 其他研究表明,整袋方法比沟渠系统更有效率(Yuan et al. 2013) 因为包裹的袋子可以使基材与地面物理分离; 因此,降低了土壤传播病原体污染基质的可能性。 尽管如此,基质(在沟渠或包装袋中)的物理和化学特性会随着每个种植季节而恶化(Song et al. 2013),这降低了营养供应的能力(宋等人。 2013)。 因此,基质更新是必要的。
提高能源使用效率
戈壁土地耕作系统完全基于太阳能。 该结构旨在通过使用和储存来自太阳的能量来保持尽可能多的温暖。 日照时数、太阳辐射强度和年无霜天数对于加热栽培单元很重要。 河西走廊东至中部,如无为县(37°96“ 北纬 102° 64“ E)甘肃省是戈壁集聚设施集中的代表性区域。 平均 6150 MJ m 2 每年的太阳辐射和 156 天无霜期使多种蔬菜作物能够高质量地成熟。 为提高太阳辐射利用效率,养殖单位管理人员采用多种手段增加蓄热,加强放热,如在北墙上贴双层黑色塑料薄膜(徐等,XNUMX)。 2014), 安装在屋顶的保温彩板 (Sun et al. 2013),浅层土壤吸热系统以提高室内空气温度(Xu et al. 2014),以及用作地被植物以保温的地面土工布。 此外,太阳能热泵用于调节一些种植单位的蓄热水箱中的水温(Zhou et al. 2016)。 最近,已经在屋顶顶部放置了保温彩板以增加热量吸收(Sun et al. 2013)。 在集群设施栽培的一些复杂的日光温室中,先进的太阳能技术被用于改善蓄热、光伏发电和光利用(Cuce et al. 2016)。 在许多地区/国家,将太阳能用于温室作物生产已经取得了进展(Farjana et al. 2018),包括澳大利亚、日本 (Cossu et al. 2017), 以色列 (Castello et al. 2017) 和德国 (Schmidt 等人。 2012),以及尼泊尔等发展中国家(Fuller 和 Zahnd 2012) 和印度 (Tiwari et al. 2016)。 在中国,目前安装现代太阳能组件的成本很高,预计投资回收期为 9 年(Wang et al. 2017)。 我们设想,随着种植系统随着更先进的太阳能技术的发展,投资回收期将会缩短。
在中国北方寒冷的冬季,集群设施内外的气温可能在 20 至 35°C 之间。 例如,凌源的太阳能设施(41° 20“ 北纬 119° 31“ E)中国东北辽宁省,一座跨度12米、高5.5米、长65米的蓄热放热温室日光温室内,夜间气温达到13℃,而室外则为 –25.8 °C,相差 39 °C(Sunetal. 2013).
利用太阳能进行粮食生产是中国的一个显着特点 “戈壁农业= 中国西北地区的系统。 这不同于传统的温室或温室需要外部能源投入来种植农作物,这在经济和环境方面可能会造成成本高昂(Hassanien 等人。 2016; 卡纳克奇等人。 2013; 王等人。 2017)。 例如,传统温室的年平均电能消耗可超过 500 kW hmy (Hassanien et al. 2016),成本高达 65,000 美元每年 150,000 人(在土耳其案例研究中)(Canakci 等人。 2013)。 在全球范围内,由于密集的能源消耗和对碳排放的担忧,传统温室作物生产的扩张受到限制。
环境效益
用煤、石油和天然气等化石燃料加热农业温室会导致碳排放和气候变化。 太阳能戈壁土地耕作系统提供了更大的环境效益,因为 (i) 减少了能源使用,因为作物种植完全依赖太阳能,这与通过电力或天然气提供大量温室气体排放的传统温室不同; (ii) 改进节水,因为作物种植在塑料覆盖的屋顶下进行,土壤蒸发量低,蒸腾:蒸发比高。 灌溉由中央计算机监控和控制,能够以最小的水损失进行精确浇水; (iii) 减少整个系统的温室气体排放(Chai et al. 2012) 或基于生命周期评估的新鲜蔬菜单位重量的足迹 (Chai et al. 2014a)。 在集群设施中种植的作物每单位投入(如肥料、土地使用面积)的产量显着更高,大气二氧化碳含量更高2 与露地栽培系统相比,通过增强的光合作用转化为植物生物量(Chang et al. 2013); (iv) 堆肥基质的使用可能会随着时间的推移增加土壤碳含量(Jaiarree 等人。 2014; 柴等人。 2014a).
一些案例研究估计了净 CO2 太阳能塑料栽培系统中植物的固定率是传统露天系统的八倍(Wang et al. 2011)。 更多一氧化碳2 固定在种植单位意味着更少的二氧化碳2 排放到大气中(Wu et al. 2015)。 影响的大小因地理位置和种植单位的结构而异(Chai et al. 2014c)。 研究还表明,设施栽培可以让植物固定更多的二氧化碳2 来自大气,同时每公斤产品排放的温室气体更少(Chang et al. 2011)。 即使在冬季,也不向种植单位提供额外的加热,节省约 750 毫克/公顷–1 与传统的燃煤温室生产相比,能源消耗(Gao et al. 2010)。 Gobiland 种植是一种减少温室气体排放的碳智能系统。 然而,文献中缺乏设施栽培的生命周期评估,需要更深入的研究来评估这些栽培系统的环境影响。
生态效益
中国西北地区日照和热能资源丰富,年日照2800~3300小时。 太阳能戈壁集聚式耕作系统的发展可以将光热资源转化为粮食生产,并提供显着的生态效益,其中一些将在下文重点介绍。
首先,戈壁土地用于生产优质农作物以保障粮食安全。 在中国,每 100 人的平均耕地为 8 公顷(FAOSTAT 2014),明显少于美国的 52 公顷、加拿大的 125 公顷和澳大利亚的 214 公顷。 由于快速的城市化进程,中国的农田资源正在迅速减少。 面对人均耕地有限,加上耕地用于城市建设,中国迈出了探索丰富的戈壁种植作物的重要一步(Jiang et al. 2014)。 在沙漠型、非生产性的戈壁土地上无法进行传统农业(图 XNUMX)。 6一个)。 在戈壁土地上建设集群耕作设施,为缓解农业与其他经济部门之间的土地冲突提供了独特的功能(图XNUMX)。 6b) 并帮助确保人口稠密国家的粮食供应。
其次,生产系统主要使用本地可用资源。 系统中的每个栽培单元均由木、竹或钢棒制成的框架建造和支撑。 在寒冷的冬天,当地制作的草垫或保暖衣毯铺在倾斜的屋顶上,以提供额外的隔热效果。 种植单元的北墙也使用当地可用的材料建造,例如钢架和稻草填充块(图XNUMX)。 7a), 沙袋 (图. 7b)、一块石头–水泥混合物(图 7c) 或普通砖块(图 XNUMX)。 7d)。
当地可获得的材料提供了显着的生态和经济效益,因为它们可以廉价获得或免费收集(例如,附近沙漠地区的石头和岩石),运输要求最低。 此外,运输材料、制造基质、种植作物的设备也逐渐可用于集群设施种植; 这有助于解决中国部分农村地区的农业劳动力短缺问题。
第三,这种培育体系为增强区域生态提供了机会。 在中国西北部的大部分地区,戈壁没有植被(图 XNUMX)。 6a) 导致生态环境脆弱。 风蚀很常见,并且随着气候变化而变得更加严重。 频繁的沙尘暴起源于西北部,经常延伸到亚洲其他地区。 太阳能集群设施栽培系统的发展不仅具有同时应对中国适宜土地供应减少的潜力,而且在减轻中国西北沙漠干旱环境中的生态系统脆弱性方面发挥了作用(Gao et al. 2010; 王等人。 2017)。 荒废戈壁变为农田,有助于建立新的生态系统,改变原始自然风貌,美化生态环境。
对农村社区稳定的影响
西北地区社会经济发展滞后于中东部地区,许多社区低于国家贫困线。 开发大片戈壁果蔬生产地,为该地区加快社会经济发展打开了大门。 它将戈壁荒漠化的劣势转化为明显的区域经济优势,不仅带动了农业产业,还带动了其他产业,有助于稳定农村社区。 这种低成本的农业系统正在成为凝聚农村社区的重要里程碑。
戈壁耕作制度刺激粮食生产,增加家庭收入。 在温度高于 –冬季28℃,太阳能温室全年充分利用太阳能和非耕地生产水果和蔬菜。 在投入产出比较高的情况下,集群种植单位的作物产量明显高于露地生产。 我们分析了 14 项研究的经济产出,涉及 120 个太阳能设施种植单位(Xie et al. 2017) 求平均总收入 56,650 美元公顷 1 y 1, 为 10–比同地质场地露天生产高30倍。 结果,设施蔬菜种植的净利润为10–是露地蔬菜产量的 15 倍和 70–比露地玉米大 125 倍 (玉米) 或小麦 (普通小麦) 生产。
这些新种植系统的建立创造了农村就业机会。 设施种植将冬季停工期转变为繁忙的生产季节,从而创造了农村就业机会,尤其是在农户经常出没的冬季 “独自在家= 没有工作。 水果和蔬菜的生产和销售是劳动密集型的。 许多农村劳动力可以分配到设施种植(图XNUMX)。 8a),而其他人则可以分配给当地或附近社区的农产品运输和营销(图 XNUMX)。 8乙)。 最重要的是,新鲜农产品的加工、储存、保鲜和销售提供了曾经缺乏的就业机会,有助于构建社会和谐社区(图XNUMX)。 8c) 凝聚农村社区精神。
没有关于集群耕作系统如何影响农村社区发展的报告。 我们建议这些系统有助于农村社区的生存能力和稳定性。 戈壁耕作体系的建立,使中国西北地区的农业能够扩展到初级生产边界之外。 因此,社区活力和长期稳定性得到增强,因为 (i) 不断开发新技术来改善戈壁土地的耕作,例如作物育种、基质开发和害虫防治措施,这些成为农村社区发展的重要手段。可持续的方式; (ii) 设施种植为社区提供常年新鲜水果和蔬菜供应,满足中产阶级对更多营养和健康食品的日益增长的需求; (iii) 建立新的耕作制度有助于加强少数民族的内部凝聚力,因为少数民族公民需要多样化的、有特色的食物,这些食物可以从耕作制度的常年新鲜农产品中得到满足。
主要挑战
近年来,中国的戈壁土地耕作系统发展迅速,具有扩大设施面积和生产水平的潜力(Jiang et al. 2015)。 但是,需要解决一些限制和挑战。
水资源限制
中国西北地区农业面临的最大挑战之一是水资源短缺。 年淡水供应量低于 760 m3 人均y 1 (柴等人。 2014b)。 甘肃河西走廊年降水量< 160 mm,年蒸发量> 1500 mm(Deng et al. 2006)。 丝绸之路沿线许多曾经丰产的农田 “暂停= 近年来由于缺水。 大多数露地作物种植使用传统的 “洪水= 灌溉面积超过 10,000 米3 ha–1 每个种植季节 (Chai et al. 2016)。 水资源的过度开采可能会进一步恶化生态环境并耗尽不可再生的地下水资源(Martinez-Fernandez 和 Esteve 2005)。 蔬菜生产在较长的生长期需要大量的水分,降水不能满足植物最佳生长的需要。 在甘肃省河西走廊,近年来集群设施耕作系统迅速增加,各部门的主要水源来自冬季祁连山的积雪,夏季融雪补给河流和地下水。山谷(Chai et al. 2014b)。 在过去的 0.2 年里,祁连山的可测雪位以每年 1.0 到 XNUMX m 的速度上升(Che 和 Li 2005),而山谷中的地下水位(由山上的水供应)持续下降,地下水的可利用性大幅下降(张 2007)。 因此,旧丝绸之路沿线的一些天然绿洲正在逐渐消失。 一些开挖的水窖已被用来节省雨水以提供补充水,但功效普遍较低。 如何在作物生产中节水或提高 WUE 对戈壁土地耕作系统的长期生存能力至关重要。
脆弱的生态环境
中国西北地区,土地禀赋贫乏。 高山、峡谷、绿洲、戈壁,构成了复杂的生态环境。 频繁的干旱和沙尘暴使生态环境恶化。 甘肃河西走廊总面积的88%左右已经荒漠化,荒漠化线正在南移至农田。 中国西北地区的自然条件被描述为 “风把石头吹得四处乱草,草也无处生长,= 脆弱的生态环境的写照。 设施种植中大量使用杀虫剂对工人造成潜在的环境危害和健康危害。 缺乏对可回收有机基质的适当处理可能会污染地下水源,引起公众的关注。
劳动力资源限制
农业劳动力供给普遍偏低、不足,越来越多的青年劳动力进城谋生,导致农村农业劳动力资源短缺。 目前政府鼓励农民耕地意愿的政策不利于农村社区发展,加剧了农村劳动力短缺。 此外,家庭农场作为一个独立的农业单位仍然是农场经营的主要模式,而现行的土地所有权政策可能会禁止农民买卖土地,这可能会限制设施耕作系统的广泛发展。 此外,西北地区的教育水平普遍低于中东部地区。 中央对全国实行义务教育政策,但西北地区很多人无法完成9年的教育。 以上种种都可能为农村劳动力供给创造不利的环境,从而阻碍戈壁土地设施系统的广泛发展。
经济可持续性
随着生活水平的提高,消费者需要一系列高质量和营养价值的新鲜农产品。 西北地区有大量少数民族人口(主要是回族和东乡族),饮食习惯以蔬菜为主,需要多样化的产品来满足他们的需求。 这为新产品的新市场创造了机会。 然而,由于西北六省人口仅占全国的6.6%,戈壁土地种植系统供应的新鲜农产品市场很容易饱和。和s 总量,人均可支配收入极低。 2012年西北六省人均GDP为26,733元(折合4100美元),比全国低31%和s 平均。 低收入、少消费者可能会限制当地新市场的发展,从长远来看会给经济可持续性带来重大风险。 需要研究来调查这个系统的可持续性,以及可以做些什么来确保其长期的经济可持续性。 我们意识到向该国人口稠密的中部和东部地区销售新鲜农产品的潜力巨大。 我们建议市场拓展的优先事项集中在:(i) 建立所谓的 “龙链= 链接的营销物流 “养殖–批发商–零售商–消费者= 在价值链中; (ii) 改善专门用于农产品运输的区域间运输系统; (iii) 发展质量控制、安全保险和公平定价机制。
产品质量与健康
一些设施土壤中的重金属浓度高于露天场地。 设施种植的农产品有时比露天蔬菜含有更高的重金属目标危害商(Chen et al. 2016),部分原因是人类排泄物和其他废物被掺入基材中。 在一些设施中,过量的合成肥料高达 670 kg N ha 1,以及 1230 kg N ha 1 有机材料(如粪肥)每年用于蔬菜生产(Gao et al. 2012)。 此外,用于种植单元屋顶和地面覆盖的塑料薄膜通常与塑料薄膜制造过程中添加的邻苯二甲酸酯有关。 暴露于污染物的种植者可能存在长期的健康风险(Ma et al. 2015; 王等人。 2015; 张等人。 2015)。 中国土壤中的邻苯二甲酸盐水平普遍处于全球范围的高端(Lu et al. 2018),而重度塑化设施中的农作物可能含有高水平的邻苯二甲酸盐 (Chen et al. 2016; 马等人。 2015; 张等人。 2015)。 工人接触邻苯二甲酸盐可能带来健康风险(Lu et al. 2018)。 需要进行研究以开发有效的方法来最大限度地减少农产品中的邻苯二甲酸酯浓度。 微量邻苯二甲酸酯对人体健康的风险可能没有或很小,但需要确认。 需要在最终产品中指定重金属浓度的阈值水平。 可能需要开发一些复杂的生物修复方法来修复高金属污染的土壤,以尽量减少潜在重金属浓度的影响。
制定戈壁土地系统的可持续发展政策
集群设施栽培系统在中国西北地区发展迅速。 2017年3000月,仅甘肃省就有约XNUMX公顷的戈壁土地进行设施耕作。 该地区有蔬菜的地理优势 生产,包括日照时间长、昼夜温差大、天空晴朗、空气污染少/无。 设施栽培系统被认为是 “戈壁奇迹= 为中国和社会经济发展。 我们建议以下政策制定优先事项,以确保系统的健康发展和长期稳定。
勘探与保护的平衡
我们建议制定政策,重点关注 “在开拓新土地的同时保护生态环境,= 这意味着戈壁土地耕作系统的发展不应对环境产生负面影响。 该政策应详细说明如何在促进生态可持续性的同时加强系统生产力。 环境信用, “绿色保险,= 和 “绿色采购= 应考虑并包括在系统可持续性的评估中。 化肥、重金属和有害物质的使用、高残留农药、塑料薄膜回收等方面也需要政策。 应该针对关键的地方问题制定一些具体的政策。 例如,在河西走廊西端的设施栽培单元旁边应建设蓄水设施,目前可用的明渠输水灌溉栽培单元存在很大的运输和灌溉过程中失水的风险。
制定系统的用水和节水措施
为充分利用中国西北丰富的戈壁土地,必须制定严格、务实的用水政策。 近期优先事项包括:(i) 水资源保护法 “水量测量,“”水钻控制,= 和 “溪流和泉水管理局= 对水权、配额、收费和质量控制有详细的规定; (二)利用集水区地窖蓄水技术建设雨水集蓄蓄水设施,优化利用地表水资源,有计划地开发地下水,实行取水许可制度; (三)强化各级行政机关控制水资源配置、杜绝水资源浪费、促进水资源合理利用的职责; (iv) 发展节水农业系统,包括从洪水或沟灌转向地下滴灌,使用覆盖物减少蒸发,以及改善田间灌溉渠系统; (v) 从长远来看,促进耐旱品种的选育,改革耕作制度,改善设施建设的基础设施。
加强农业技术创新
技术在戈壁土地耕作系统的可持续发展中发挥着至关重要的作用; 因此,技术政策应包括:(i) 建设区域创新中心和试验站,建立 “目标资金= 专门针对戈壁耕地系统解决紧迫问题,并增加对研究/示范和技术创新平台的投资; (ii) 发展技术推广系统——政府政策推动各级研究机构进行技术推广——并设立地方技术办公室,在农村地区开展技术服务; (iii) 采取措施吸引和留住员工到欠发达的西北地区工作; (iv) 提高农民九年义务教育水平,通过职业技能培训提高农村人口的技术素养,培养新一代农民实施创新农业技术; (v) 大学和研究机构为农业技术人员制定专门的培训计划,以推广先进技术。
调节食物链
在集群设施中生产的新鲜水果和蔬菜的数量通常超过当地和附近农村和城市社区所需的数量。 将新鲜农产品及时运往国内外其他市场,确保产销平衡。 需要制定政策来促进营销机制和物流。 栽培品种应满足广泛市场的需求,涵盖适合不同种族和宗教群体的各种产品和口味。 该政策应支持批发市场、零售店、冷链物流和信息监控系统。 交通系统可能需要制定政策,包括建设通往中国中部和东部的干线铁路,以及通往俄罗斯、外蒙古、西亚和欧洲的陆路通道。
培养专业农民
农民是农村社会经济发展的主要参与者,但许多年轻农民为了其他收入而搬到城市,使农田多年荒芜,某些地区几乎没有生产力(Seeberg 和 Luo 2018; 叶 2018)。 需要一项支持增加农业粮食生产收入的政策,以鼓励年轻农民留在农场,这最终将改善农村社区的社会经济稳定性。 该政策的一个重点是培养具有更高素质和管理技能的新型农民,帮助有潜力从传统的、自给自足的小规模家庭农场转向更大的农场企业——这是中国发展现代农业的一种途径。 当前的土地政策可能需要更新,允许熟练的专业农民在适当的情况下扩大他们的农场并优化农场管理。
建立健全社会服务体系
与中国中东部相比,西北地区的农村社区在历史上一直处于欠发达状态。 需要制定政策来建立有效的社会服务体系,重点是改善教育、健康和就业,提高整体生活水平。 农业是农村社区的核心业务。 需要制定政策鼓励发展大型农业合作社,以有效利用土地和水资源,增加农民家庭的收入。 对于戈壁耕作系统,需要制定一项政策来提高当地和附近社区的作物生产、食品加工和产品分配的效率。 需要对不同生态区域的种植设施进行优化布局/分布,以满足区域/地方层面对新鲜水果和蔬菜的多样化消费者需求,并在国际层面探索机会。 还需要一项政策来确保设施系统中农产品的安全和质量,详细说明反季节新鲜农产品的储存、运输和流通,以最大限度地降低失去新鲜度和质量的风险。
结论
土地资源是农业的核心,与粮食安全和数百万农村人口生计面临的全球挑战有着内在联系。 到 9.1 年,世界人口预计将达到 2050 亿,发展中国家的粮食产量需要在 2015 年的基础上翻一番。 由于快速城市化与农业竞争可用土地,发展中国家的土地资源面临巨大压力。 中国在戈壁土地上建立了新的农作物种植体系,即 “戈壁农业,= 它由许多(多达数百个)由当地可用材料制成并由太阳能供电的个体种植单元组成。 塑料屋顶的温室状种植单元全年生产优质新鲜水果和蔬菜。 我们估计,到 2.2 年,这些系统将覆盖约 2020 万公顷,成为中国粮食生产的基石和的农业史。 在这篇综述中,我们确定了耕作系统的一些独特特征,包括增加每单位投入的土地生产力、改善 WUE 以及增强的生态和环境效益。 这种耕作系统为探索当地可用资源以丰富农村人口并确保农村社区的长期生存能力提供了极好的机会。 该系统还面临需要解决的重大挑战。
我们确定了一些关键问题及其相应的近期研究重点领域(3–5 年),这将有助于提高这种独特栽培系统的可持续性。 我们强烈建议在农村地区制定相关的政府政策和社会服务体系,以确保戈壁耕作系统的经济盈利能力和生态环境可持续性。
致谢 作者感谢所有为本研究付出时间和精力的人员,以及酒泉苏州区蔬菜技术服务中心和甘肃武威武威农业推广服务中心的工作人员提供的一些数据和文章中介绍的照片。
资金 本研究由 “国家农业科学研究公共利益专项基金(批准号201203001),“”中国农业研究系统(授权号 CARS-23-C-07),“”甘肃省科技重点项目基金(批准号17ZD2NA015),= 和 “甘肃省科技创新发展专项资金(2018ZX-02)。=
遵守道德标准
利益冲突 作者声明他们没有利益冲突。
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