1.生物節(jié)水概念的不斷發(fā)展
1991年山侖院士提出“生物節(jié)水”一詞,他指出:“生物節(jié)水措施是按照作物需求規(guī)律采取對策,,例如,,根據(jù)不同作物的需水量,、需水臨界期制定灌溉計劃,,進行作物布局;同時,,也是改善工程和耕作措施的依據(jù),。從長遠來看,通過研究需水規(guī)律提高植物本身的水分利用效率,,這一條途徑十分重要,,是未來節(jié)水增產(chǎn)的最大潛力所在。”現(xiàn)在看來這句話內(nèi)涵豐富,,意義深遠,。
1999年石元春院士發(fā)表了一篇“開拓中的蹊徑:生物性節(jié)水”的文章。他對生物節(jié)水進行了更加詳細的論述和明確的定義,。他指出:“所謂生物性節(jié)水,,是指利用和開發(fā)生物體自身的生理和基因潛力,在同等水供應(yīng)條件下能夠獲得更多的農(nóng)業(yè)產(chǎn)出”,。這個概念非常富有創(chuàng)新性和前瞻性,。
2003年我們對生物節(jié)水的概念進行了擴展,在干旱半干旱地區(qū),,水資源量決定了動植物和微生物的生存分布和產(chǎn)量,,其水分利用效率對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益和可持續(xù)發(fā)展有重要意義,但目前有關(guān)生物節(jié)水的研究較少。植物抗旱節(jié)水在過去應(yīng)用研究較多,,動物和微生物抗旱節(jié)水應(yīng)用研究較少,。隨著生物節(jié)水發(fā)展,通過培育抗旱節(jié)水和水分高效利用的動植物和微生物品種,,利用各種抗旱節(jié)水栽培和管理措施,,提高生物鏈過程由微生物→植物→動物的不同能量級生物的水分利用效率,產(chǎn)生出更多和質(zhì)量優(yōu)良的食物和價值,,將成為未來農(nóng)業(yè)研究的關(guān)鍵問題,。
近年來我們認為,生物節(jié)水是一個廣泛的概念,。廣義的生物節(jié)水應(yīng)該是指利用森林和草原進行水土保持,,產(chǎn)生更大的經(jīng)濟和生態(tài)效益。狹義的生物節(jié)水應(yīng)該是利用抗旱和高水分利用效率,、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的動植物品種,,特別是以農(nóng)作物為主的生物節(jié)水,產(chǎn)生更大的經(jīng)濟和生態(tài)效益,。將水分高效利用從旱地農(nóng)業(yè)向濕潤地區(qū)和鹽堿灘涂濕地以及江河湖海等水資源利用方向全面開拓,,將提高糧食水分利用效率向提高經(jīng)濟水分利用效率的層次發(fā)展,發(fā)展高水效農(nóng)林復(fù)合型農(nóng)業(yè),,特別是農(nóng)產(chǎn)品出口,,才能使中國農(nóng)業(yè)走向世界,才能發(fā)展中國的生態(tài)農(nóng)業(yè)和保障中國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,。是我們在中國旱地和高水效農(nóng)業(yè)研究與發(fā)展方面的新思路,。
現(xiàn)在從生物節(jié)水科學(xué)發(fā)展的趨勢看來,生物節(jié)水已經(jīng)成為一個系統(tǒng)工程,。生物節(jié)水個概念還在繼續(xù)擴大和延伸,,生物節(jié)水除了在農(nóng)業(yè)的種植業(yè)特別是糧食種植業(yè)中有頭等重要地位外,還應(yīng)該在蔬菜,、水果,、花卉等經(jīng)濟植物種植業(yè)中占有重要地位;在養(yǎng)殖業(yè)的動物節(jié)水方面也有很大的潛力可以挖掘,;另外在城市園林綠化節(jié)約用水,、污水資源治理以及水土保持環(huán)境治理等方面有重要意義。
因此,,生物節(jié)水或者更確切的概念是生物水分高效利用,,其定義應(yīng)該是“利用和開發(fā)生物(包括動植物和微生物)自身的生理和基因潛力,利用少量或同等水分或劣質(zhì)水資源能夠獲得更多更好的農(nóng)業(yè)產(chǎn)出和經(jīng)濟及生態(tài)效益”,。
2.生物節(jié)水研究學(xué)科地位日趨上升
從以上生物節(jié)水發(fā)展來看,,生物節(jié)水從文章中的一個簡單詞句,,到一篇論文的題目,確實是開拓中的蹊徑,,再到現(xiàn)在關(guān)注熱潮,,還并非是研究熱潮,經(jīng)歷了15年艱難的歷程,。近年來生物節(jié)水研究的科學(xué)意義逐漸引起科學(xué)家和政府部門的高度重視,,生物節(jié)水學(xué)科地位日趨上升,令人振奮,,這是我們從事水資源和生物節(jié)水研究等方面科研人員的機遇與挑戰(zhàn)!
近年來,,以我國科學(xué)家為主在開辟和提倡生物節(jié)水研究方面做了大量工作,對生物節(jié)水的概念進行了不斷的發(fā)展開拓和完善,,于2005年11月2~4日在北京舉行了以“生物節(jié)水技術(shù)及其發(fā)展前景”為主題的香山科學(xué)會議第267次學(xué)術(shù)討論會,。2006年5月21-25日在北京召開了第一屆國際生物節(jié)水理論與實踐大會。這些都推動了生物節(jié)水的廣泛關(guān)注和深入研究,。
國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)中在不同地方分別明確指出,,把發(fā)展能源、水資源和環(huán)境保護技術(shù)放在優(yōu)先位置,,下決心解決制約經(jīng)濟社會發(fā)展的重大瓶頸問題,。水資源已列到重點領(lǐng)域及其優(yōu)先主題。重點研究農(nóng)業(yè)高效節(jié)水,,開發(fā)灌溉節(jié)水,、旱作節(jié)水與生物節(jié)水綜合配套技術(shù)。植物抗逆性及水分養(yǎng)分和光能高效利用機理,,成為面向國家重大戰(zhàn)略需求的基礎(chǔ)研究問題,。
中國科學(xué)院已經(jīng)將作物水分高效利用生物學(xué)基礎(chǔ)研究列為知識創(chuàng)新重要方向性項目。農(nóng)業(yè)部部長杜青林2006年7月 6日在全國農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工作會議上部署了未來15年我國農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新六大戰(zhàn)略任務(wù),。其中在“開發(fā)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護和資源綜合利用技術(shù),為發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)提供保障”的戰(zhàn)略中,,指出:開發(fā)和應(yīng)用節(jié)地,、節(jié)水、節(jié)肥,、節(jié)藥,、節(jié)種等實用技術(shù),重點突破生物節(jié)水,、農(nóng)藝節(jié)水等水資源安全高效利用技術(shù),,研發(fā)多功能、智能化節(jié)水農(nóng)業(yè)關(guān)鍵設(shè)備與重大產(chǎn)品,。
河北省副省長宋恩華最近也指出,,加強生物節(jié)水技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用,,將為干旱缺水地區(qū)帶來一場農(nóng)業(yè)節(jié)水的技術(shù)革命。河北省嚴(yán)重干旱缺水,,應(yīng)進一步開拓生物節(jié)水技術(shù)研發(fā)的新領(lǐng)域,,把生物節(jié)水作為農(nóng)業(yè)節(jié)水的主攻方向,加大推廣應(yīng)用力度,,建設(shè)高水效農(nóng)業(yè),,并按照高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì),、高效,、生態(tài)、安全的要求,,加快建立抗旱節(jié)水型農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu),,促進河北省農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
因此,,生物節(jié)水不是一個單純的科學(xué)用語,,而是有一個很明確的應(yīng)用目標(biāo)。生物節(jié)水研究,,不應(yīng)僅局限于一些純基礎(chǔ)的理論研究,,既在解決科學(xué)問題上具有重大作用,又要為解決我國國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展所面臨的水危機,、生態(tài)安全,、糧食安全等方面做出實實在在的貢獻。我們應(yīng)該抓住這個大好機遇,,建議國家和有關(guān)部門成立生物節(jié)水中心,,在生物節(jié)水方面組織力量,加強科研投入,,自主創(chuàng)新生物節(jié)水技術(shù),,綜合集成組裝配套國內(nèi)外生物節(jié)水技術(shù),引導(dǎo)國際生物節(jié)水研究的新潮流,,樹立生物節(jié)水研究和推廣應(yīng)用的示范樣板,,對我國節(jié)水農(nóng)業(yè)和可持續(xù)農(nóng)業(yè)的深入發(fā)展有重要意義。
3.生物節(jié)水大有作為
生物節(jié)水研究內(nèi)容復(fù)雜廣泛,,基礎(chǔ)薄弱,,剛剛起步,因此開發(fā)潛力巨大,。生物節(jié)水技術(shù)是節(jié)水增產(chǎn)的“終極訴求”?,F(xiàn)在看來生物節(jié)水不僅是農(nóng)業(yè)節(jié)水的終極目標(biāo),而且也是建設(shè)資源節(jié)約和環(huán)境友好型社會的終極目標(biāo),。已經(jīng)成為國家的重點研究領(lǐng)域和有關(guān)部門和省分重點突破和主攻方向之一,,但生物節(jié)水方興未艾,,任重道遠。我們認為目前應(yīng)當(dāng)主攻發(fā)展和建立生物節(jié)水型農(nóng)業(yè),,同時也要發(fā)展和建立生物節(jié)水型城市,,最終達到建立生物節(jié)水型社會的總體目標(biāo)。我們在此通過國內(nèi)外生物節(jié)水的具體實例,,說明生物節(jié)水大有作為!
3.1生物節(jié)水型農(nóng)業(yè)
建立生物節(jié)水型農(nóng)業(yè)包括兩個方面,一是生物節(jié)水型種植業(yè),二是生物節(jié)水型養(yǎng)殖業(yè),。生物節(jié)水型種植業(yè)是主攻方向,但生物節(jié)水型養(yǎng)殖業(yè)也勢在必行,。
3.1.1生物節(jié)水型種植業(yè)
生物節(jié)水型種植業(yè)是節(jié)水農(nóng)業(yè)的核心,,是重中之重。第一是要發(fā)展和建立生物節(jié)水型的作物種植業(yè),,主要是水稻,、小麥,玉米,、棉花,、油菜等大宗作物,二是要發(fā)展和建立生物節(jié)水型的蔬菜果樹和經(jīng)濟作物的種植業(yè),。
在旱地,,人們都知道要抗旱高產(chǎn),在旱地高產(chǎn)的植物,,其實就是水分高效利用的植物,,我國的旱地品種有很多,但產(chǎn)量潛力的進一步提高是生物節(jié)水(水分高效利用)的目標(biāo),。國家旱地作物品種區(qū)域比較實驗的標(biāo)準(zhǔn)就是,,篩選具有一定抗旱性和廣泛適應(yīng)性,能夠在相同有限降水條件下在廣大地方獲得更高產(chǎn)量的品種,;在水地品種區(qū)域比較實驗里,,在相同的灌溉條件下,篩選能夠獲得更高產(chǎn)量的品種,。因此生物水分高效利用實際上已經(jīng)成為品種審定評價標(biāo)準(zhǔn)之一,,但我國目前還沒有明確提出使用這一標(biāo)準(zhǔn)。
在灌溉農(nóng)業(yè)地區(qū),,群眾最關(guān)心的問題是節(jié)水灌溉是否能夠增產(chǎn)和高產(chǎn)?請看以下實例,,足以說明問題,。關(guān)鍵還是要加強節(jié)水意識和觀念的轉(zhuǎn)變!
水稻是中國的主要糧食作物,2000年水稻播種面積29962千公頃,,占糧食播種面積的27.6%,。目前我國農(nóng)業(yè)用水占總用水量的 80%,,其中水稻用水量占農(nóng)業(yè)用水的 70%。這意味著,,僅水稻的生產(chǎn)耗水就占到全國總用水量的 56%,。因此水稻節(jié)水灌溉潛力巨大。
我們知道水稻是水生植物,,但也不是需要長期泡在水中生長,,才能更加高產(chǎn),還需要干濕交替的生長環(huán)境,,既節(jié)水同時又高產(chǎn),。2005年,由浙江省余姚市水利局申報的“水稻薄露灌溉技術(shù)推廣”項目入選“可持續(xù)發(fā)展在中國”優(yōu)秀案例,。“薄”是指灌溉水層盡量薄,,除水稻返青期遇低溫或高溫灌深水外,每次灌水深2厘米左右,,土壤水分飽和即可,;“露”是指每次灌水(包括降雨)后,都要自然落水露田,,淹灌連續(xù)超過5天,,就應(yīng)排水落干,簡單說就是“薄灌水,,常露田”,。 近年來,他們又深化這項技術(shù),,開展了更加節(jié)水的水稻無水層灌溉技術(shù)的示范和推廣,,這項技術(shù)的應(yīng)用可使每畝水稻節(jié)水125立方米,增產(chǎn)9-31.5公斤,。全國4.6億畝水稻如都采用節(jié)水灌溉,,每年可節(jié)水460多億m3,相當(dāng)于黃河水量!
在相同水分條件下,,水稻高產(chǎn)的關(guān)鍵還是品種,,例如,我國科學(xué)家袁隆平院士等培育的畝產(chǎn)800公斤的超級稻,。另外,,水稻育秧就是從水地育秧到旱地濕潤育秧的轉(zhuǎn)變,水稻可以變成少澆水的旱稻,。巴西的旱稻全球有名,,他們作為國寶贈送給了中國政府。上海農(nóng)業(yè)基因中心目前已經(jīng)培育出了抗旱節(jié)水高產(chǎn)和品質(zhì)優(yōu)良的雜交旱稻,。我國的旱稻品種很多,,旱稻育種目前也受到普遍重視,,可以在許多濕潤地區(qū)的缺水高地(望天田)和季節(jié)型干旱地區(qū)種植,水稻節(jié)水潛力巨大,。
小麥品種里就有旱地小麥,,水地小麥,水旱兼用型小麥之分,。例如,,在華北地區(qū)廣為種植的抗旱節(jié)水小麥優(yōu)良品種石4185和石家莊8號等許多品種就是水旱兼用型品種,在沒有澆水的條件下畝產(chǎn)達300-400公斤,,在灌溉1-3次的條件下,,畝產(chǎn)400-600公斤。
目前在400-500mm降雨的半干旱地區(qū),,小麥畝產(chǎn)250公斤的地方很多,,畝產(chǎn)達到500公斤的例子也不少。國家旱地小麥品種區(qū)域?qū)嶒炛?,許多優(yōu)良品種畝產(chǎn)已經(jīng)達到400-500公斤,,甚至更高。2005年山東萊陽農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)系林琪教授采用“旱地小麥肥料早施深施節(jié)水栽培技術(shù)”,,播種的小麥新品系“萊農(nóng)0144”良種,,在一滴水不澆的情況下,畝產(chǎn)超過600公斤,。目前該技術(shù)已被列為山東省重大農(nóng)業(yè)技術(shù)成果推廣項目,。
因此,并不是沒有灌溉就不能高產(chǎn),,并不是沒有抗旱節(jié)水高產(chǎn)品種,,當(dāng)然這方面的廣適應(yīng)性品種還比較少,小麥抗旱節(jié)水育種還需要進一步加強,,這樣才能解決北方農(nóng)業(yè)用水第一大戶的節(jié)水問題,。關(guān)鍵是要培育出能夠高效利用自然降水和土壤水分的抗旱水分高效利用的高產(chǎn)品種。
另外,,如果抗旱節(jié)水品種灌溉過多,,還可能造成倒伏和減產(chǎn)。因此,,并不是所有的品種都需要灌溉和充分灌溉,。
北京市是嚴(yán)重的缺水地區(qū),氣候寒冷,同時因為冬小麥需要灌溉量大,,因此不宜擴大冬小麥種植,,而玉米生長與雨熱同步,產(chǎn)量高,經(jīng)濟效益好,。因此,有專家建議種植抗旱節(jié)水型玉米是北京農(nóng)業(yè)生物節(jié)水之首選,。
在新疆利用膜下滴灌種植棉花,,大大減少了灌溉用水,比大水慢灌節(jié)約水資源10倍多,。同時,,提高了棉花產(chǎn)量,因為大田濕度降低,,還減少了病蟲害的發(fā)生,,提高了棉花的品質(zhì)和經(jīng)濟價值。這樣的例子不勝枚舉,。因此,,說明糧食作物種植業(yè)生物節(jié)水的潛力還很大,節(jié)水灌溉不但能夠增產(chǎn)還能夠高產(chǎn),。
在抗旱節(jié)水蔬菜種植方面,,例如,馬鈴薯,、紅薯都是抗旱的糧食和蔬菜及水果三用植物,,近年來馬鈴薯和紅薯已經(jīng)成為保健食品,價格有時比水果還貴,,如果進行深加工,,可以有更高的附加值,例如,,用紅薯生產(chǎn)的檸檬酸,,就價值不菲??梢匝由飚a(chǎn)業(yè)鏈,,取得很好的經(jīng)濟效益。蔥,、辣椒,、南瓜、豇豆等都是耐旱蔬菜品種,。
在抗旱節(jié)水果樹方面,,例如,柿子,、大棗,、杏都是相對耐旱的果樹,蘋果和梨也有耐旱品種。種植抗旱節(jié)水蔬菜果樹,,一方面可以提高農(nóng)民經(jīng)濟收入,,另一方面可以大量減少地下水的開采。因此,,要加強抗旱節(jié)水蔬菜和果樹的新品種培育和推廣,。
在抗旱高效的經(jīng)濟植物種植方面,澳大利亞等國家利用分根交替灌溉,,既減少了50-60%的灌溉,,又減少了葡萄葉片的冗余生長,增加葡萄的受光面積,,提高了葡萄外觀質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量,,進而提高了經(jīng)濟效益。我國近年來在果樹和玉米等作物進行隔溝灌溉,、分根交替灌溉方面也取得了很大的成績,。
埃及大力發(fā)展節(jié)水的低壓噴灌,積極發(fā)展旱作農(nóng)業(yè),、耐旱品種研究,。在上世紀(jì)90年代中期決定減種耗水較多的水稻,改種抗旱節(jié)水的小麥,、玉米和棉花等,,并通過進口糧食,緩解農(nóng)業(yè)用水壓力,。
中國有8億畝灌溉耕地,,通過種植抗旱節(jié)水高產(chǎn)品種,減少灌溉次數(shù)和定額,,每畝每年節(jié)水100立方米是完全可能的!因此,,全國每年節(jié)水1000億立方米也是完全可能的,并不需要等待很久,,也不能等待太久,。例如,在華北平原小麥-玉米種植地區(qū),,目前小麥許多地區(qū)灌溉3-6次,,每次60方,如果減少灌溉1-3次,,可以節(jié)水100多方,;玉米灌溉3-6次,減少到1-3次,,就可以減少灌溉100方,,總共年節(jié)水200多方,。因此,節(jié)水灌溉的潛力巨大,。
在灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展中,,上世紀(jì)80年代以前主要是靠水,在小麥等作物灌溉方面要保持地皮不濕的充分灌溉甚至是過量灌溉(6-10次),,但灌溉小麥平均產(chǎn)量水平仍然不高,,畝產(chǎn)在250-400公斤左右,80 年代以后主要是靠肥,,通過增加施肥,顯著提高產(chǎn)量,,許多灌溉小麥地區(qū)普遍畝產(chǎn)在300-500公斤,,90年代以后主要是靠抗旱節(jié)水和高產(chǎn)品種,例如,,隨著超高產(chǎn)育種的進展,,今年國家豐產(chǎn)科技工程項目驗收中,山東省,、河北省,、河南省等許多地方出現(xiàn)了畝產(chǎn)600和700公斤超高產(chǎn)田。品種對糧食增產(chǎn)的科技貢獻在30%左右,,甚至更高,,因此,我們認為在糧食種植業(yè)中,,生物節(jié)水的潛力巨大,,生物節(jié)水大有作為。
3.1.2 生物節(jié)水型養(yǎng)殖業(yè)
在中國節(jié)水技術(shù)政策大綱中明確指出:發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)節(jié)水技術(shù),,提高牧草灌溉,、畜禽飲水、畜禽養(yǎng)殖場舍沖洗,、畜禽降溫,、水產(chǎn)養(yǎng)殖等養(yǎng)殖業(yè)用水效率,是農(nóng)業(yè)節(jié)水的一個重要方面,。
發(fā)展集約化節(jié)水型養(yǎng)殖技術(shù),。提倡家畜集中供水與綜合利用;推廣“新型”環(huán)保畜禽舍,、節(jié)水型降溫技術(shù)和飲水設(shè)備,;科學(xué)設(shè)置牲畜飲水點,有效保護水源地或給水點,;鼓勵研制節(jié)水型,、多種動力、構(gòu)造簡單、使用方便,、供水保證率高的自動給水設(shè)備,。促進節(jié)水、高效的工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施的研究和推廣使用,。逐步淘汰水槽長流供水技術(shù),。
推廣養(yǎng)殖廢水處理及重復(fù)利用技術(shù)。推廣養(yǎng)殖廢水厭氧處理后的再利用技術(shù)及深度處理和消毒后用于圈舍沖洗的循環(huán)利用技術(shù),;提倡分質(zhì)供水和多級利用,;改變傳統(tǒng)水沖清糞和水泡糞為干清糞方式;研究和開發(fā)低耗,、高效的養(yǎng)殖廢水處理設(shè)施,。
發(fā)展畜產(chǎn)品、水產(chǎn)品加工節(jié)水技術(shù),。鼓勵研究和開發(fā)多功能,、低成本、節(jié)水,、環(huán)保型加工工藝和技術(shù)裝備,。
內(nèi)蒙古草原興發(fā)集團的綠島養(yǎng)雞技術(shù)就是生物節(jié)水型養(yǎng)殖業(yè)的典型和示范樣板。生態(tài)型養(yǎng)殖小區(qū)建設(shè)在遠離村莊的野外,,建設(shè)在臨近耕地的田邊地頭,,畜禽糞便就近移入農(nóng)田,就地轉(zhuǎn)化變廢為寶,,實現(xiàn)了種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)的直接結(jié)合良性循環(huán),。部分畜禽糞便等排泄物,在林地草地里被植物直接吸收利用,,進行無害化處理,,不污染環(huán)境。因此生態(tài)型養(yǎng)殖小區(qū),,節(jié)地節(jié)材節(jié)煤節(jié)電節(jié)水,,是資源節(jié)約型畜牧業(yè)。生態(tài)型畜禽養(yǎng)殖小區(qū),,幾乎適用所有畜禽品種,,如草原興發(fā)就建設(shè)了“綠鳥雞牧場”、“肉羔羊牧場”等生態(tài)型養(yǎng)殖小區(qū),,并取得了成功,,可以作為健康的養(yǎng)殖方式,在我國許多地區(qū)進行推廣普及,。
節(jié)水漁業(yè)指的是使養(yǎng)殖過程中的養(yǎng)殖水體盡量減少大容量的更換水體,,僅增加被蒸發(fā)的水量,,同時使養(yǎng)殖水體中的生態(tài)系統(tǒng)處于一種動態(tài)的平衡狀態(tài),以達到水質(zhì)不易污染惡化,,養(yǎng)殖產(chǎn)品質(zhì)量安全可靠,,節(jié)約養(yǎng)殖用水,降低生產(chǎn)成本,,提高經(jīng)濟效益的一種養(yǎng)殖技術(shù),。這項技術(shù)已經(jīng)得到我國政府的重視和推廣。
天津市的養(yǎng)殖用水源缺乏已成為制約天津市養(yǎng)殖生產(chǎn)的最大問題,,發(fā)展節(jié)水型水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)勢在必行,。他們發(fā)展節(jié)水型水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè),由淡水養(yǎng)殖向海淡水養(yǎng)殖展開,,通過水資源循環(huán)利用,,可以效解決水產(chǎn)養(yǎng)殖自身污染,保護漁業(yè)水域生態(tài)環(huán)境,。同時可美化天津城市景觀和環(huán)境。
3.2 生物節(jié)水型城市
城市園林灌溉用水和巨量的污水處理問題已經(jīng)引起了全社會的關(guān)注,,是城市建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一,。因此,發(fā)展生物節(jié)水型園林和生物節(jié)水型污水和環(huán)境治理是發(fā)展生物節(jié)水型城市的兩大關(guān)鍵并具有重要的現(xiàn)實意義和長遠的影響,。
3.2.1生物節(jié)水型園林
城市園林綠化大量地消耗著寶貴的水資源,,因此,應(yīng)早日由“耗水型園林”向“節(jié)水型園林”方向發(fā)展,,使城市綠化走上持續(xù),、健康的發(fā)展道路。最近幾年,,地處沙漠之中的美國拉斯韋加斯整個城市的園林灌溉幾乎全部更換成了水資源利用率極高的滴灌,。拉斯韋加斯也曾經(jīng)大力發(fā)展人工草坪,但現(xiàn)在已經(jīng)認識到在干旱的拉斯韋加斯發(fā)展人工草坪是個錯誤,,因此政府敦促市民種植沙漠植物來代替草坪,,并鼓勵清除人工草坪,對愿意把人工草坪改為木屑,、碎石覆蓋地面的單位和家庭,,政府給予補貼。澳大利亞首都堪培拉就種植有大量的不需要灌溉的抗旱節(jié)水沙漠綠化植物,,積極推廣抗旱草坪,,限制草坪灌溉,這樣可以大大減少城市園林用水,。在美國等國家都建立有旱生園藝項目網(wǎng)頁,,推廣旱生園藝植物及栽培技術(shù)等,。例如,有美國科羅拉多州旱生園藝項目 ,,美國西南地區(qū)的節(jié)水植物 ,,美國新墨西哥州旱生園藝?yán)硎聲?nbsp; 等許多網(wǎng)頁。在美國的很多城市,,常見園林植物在何時,、何地、何種生長狀況,、何種氣候條件下需要多少灌水量都有精確的測定,,這些數(shù)據(jù)是制定整個園林節(jié)水灌溉方案的基礎(chǔ)。
我國北方許多城市也面臨嚴(yán)重缺水,,因此也要主動的適應(yīng)干旱,,選擇適應(yīng)干旱缺水條件的園藝和產(chǎn)業(yè)及生活方式,。通過引進和篩選抗旱節(jié)水綠化植物,,即可以明顯達到節(jié)約城市大量綠化用水,同時也可以美化環(huán)境,。例如,,我國寧夏林業(yè)研究所科研人員對賀蘭山干旱地帶一批具有觀賞性的耐旱植物進行引種馴化,并成功用于城市的綠化美化,。紫花醉魚木,、黃花磯松、馬藺等一批節(jié)水,、耐旱,、耐寒、耐鹽堿的優(yōu)良園林綠化灌木和地被植物,,具有好種,、節(jié)水、好看,、好管的特性,,特別適用于北方缺水城市的綠化美化。這些耐旱觀賞植物已在東北,、華北,、西北16個省會或首府城市大面積成功種植,成為都市里一道靚麗的風(fēng)景,。寧夏林業(yè)研究所選育的紫花醉魚木,、馬藺等不僅種到了北京長安街,還被推薦入選2008年奧運綠化推廣新品種,。寧夏林業(yè)研究所走出了一條“具有我國特色的城市植物綠化之路”,,他們引種馴化的這些耐旱觀賞植物的耗水量僅是從國外引進草坪的1/10到1/15。
植物有水生植物,,旱生植物,,荒漠植物,將旱生植物和荒漠植物用在城市園林綠化有廣闊的前景,。因此,我國在發(fā)展和建設(shè)生物節(jié)水型城市園林綠化方面還有巨大的市場,。特別是我國北方許多城市,,要大力提倡擴大種植耐旱耐寒的長綠樹種和灌木如松樹、柏樹等,,減少需要灌溉和修剪的草坪面積,,避免由于沒有種植長綠樹種,,在冬天里看到這些城市是只有光禿禿樓房的城市,,讓人感到是干旱干燥和沒有生機的氣氛,。
3.2.2 生物節(jié)水型污水和環(huán)境治理
利用生物治理污水和環(huán)境,,是20世紀(jì)70年代以后發(fā)展起來的一種自然處理生物技術(shù)。近20年來受到廣泛迅速的研究和開發(fā),,利用這些技術(shù)處理的污水已逐漸從生活污水發(fā)展到城市污水和多種工業(yè)廢水及環(huán)境改善,。
在水資源轉(zhuǎn)化研究發(fā)展過程方面,,劉昌明院士(1993)指出,,“三水”(降雨、地表水與地下水)轉(zhuǎn)化的研究,,考慮到土壤水,,稱為“四水轉(zhuǎn)化”,再進一步聯(lián)系到植物水分,,稱為“五水轉(zhuǎn)化”,,這是研究工作的一種循回漸進,從簡單到復(fù)雜的過程,。我們認為現(xiàn)在應(yīng)該進行“六水轉(zhuǎn)化”研究,,即降水-地表水-污染水-生物水-土壤水-地下水。因為人類的各種活動和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將潔凈水資源利用后將變成了污染水,,在城市和鄉(xiāng)村中巨量存在,,污水已經(jīng)成為一種必須循環(huán)利用的資源,,因此污染水的治理成為世界性的問題,。生物不但可以水土保持,,而且還可以自我修復(fù)治理污水,,因此,,生物節(jié)水在六水轉(zhuǎn)化中有重要作用。
3.2.2.1利用水生植物治理污水和環(huán)境
美國早在1982年就已有水生植物塘2200座,。據(jù)1987年美國報道,,美國佛羅里達州已有每天處理幾百萬立方米污水的大型鳳眼蓮塘設(shè)施。處理設(shè)施的地理分布范圍也已從熱帶,、亞熱帶地區(qū)逐步擴大到溫帶地區(qū),。它經(jīng)濟便捷、效果可靠,,特別適合大范圍推廣,。在美國有40套蘆葦床系統(tǒng)處理廢水污泥。
最近,,加拿大愛德華島省匹克頓市計劃出資1.6千萬美元建造一座最先進的,,被稱為“Living Machine”(“活的機器”)的污水處理工廠。其特點在于利用植物,、動物和細菌三種活物同時對污水進行處理,。與常規(guī)方法相比,它的優(yōu)點是減少軟泥產(chǎn)出量,,減少有毒載物和使污水水質(zhì)改善得更好。常規(guī)方法僅利用細菌一種活物,,也可以說它是先進方法的一部分,。這項創(chuàng)新技術(shù)是加拿大科學(xué)家約翰·托德發(fā)明的,得到了聯(lián)合國的賞識,。此人也被美國麻省理工學(xué)院列為20世紀(jì)的35位頂級發(fā)明家之一,。
該系統(tǒng)基本上是一模擬自然的過程,也就是在沼澤地,、池塘和河灘等濕地進行廢物再循環(huán),。因為植物以廢物為肥料,許多小動物又以廢物為食,,所以植物和動物都被包括在這個人造的生態(tài)系統(tǒng)中,。新技術(shù)減少軟泥的產(chǎn)出人們關(guān)注的一件事是來自污水處理工廠的軟泥被蔓延到農(nóng)田里,然而Living Machine產(chǎn)出的軟泥比常規(guī)方法減少30%, 因為植物和小動物要消耗它們的,。而且植物能把許多種合成的有機化合物分解成較小的無毒分子,,包括14種被美國環(huán)境保護署列為主要的污染物質(zhì)。
美國環(huán)境保護署認為就美學(xué)觀點而言,,這項廢水處理和再循環(huán)技術(shù)是唯一的,,能夠提供令人高興的環(huán)境,。而且在生化需氧量,總懸浮顆粒物和總氮量方面均能可靠地達到指標(biāo),。對處理城市和某些工業(yè)廢水是很理想的新技術(shù),。目前,全世界有十多個國家建造了這種污水處理工廠,。
常規(guī)的污水處理工廠是一個無底洞,,化學(xué)制品,、運營,、維護和淤泥移除都要花費資金,而且它也是人們不喜歡接近的地方,,更談不上搞創(chuàng)收了,。可是Living Machine 就不同了,,因其具有熱帶溫室氣味和吸引人的外觀,,它不但是城市的一道風(fēng)景,而且非常吸引游客前來參觀,。例如,,建在新斯科舍省芬地灣熊河鎮(zhèn)的污水處理廠,在其對外開放的前幾周就有8000游客前來參觀,,該鎮(zhèn)無法應(yīng)對游客的大量流入,,被迫停止參觀。再例如,,在佛蒙特州南柏林頓市, 每年就有20000游客專門來參觀這里的污水處理工廠,。如果每位的花銷是100美元,包括吃,、住和汽油錢,,那么這些游客在該鎮(zhèn)全年的消費就是200萬美元,。如果再計入順路而來的參觀者,,每位收幾美元,都加起來也很可觀了,。Living Machine消耗的化學(xué)制品比較少,,消耗的動力也比較少,這意味著運營成本比較低廉,。況且它還能生產(chǎn)一些適合于銷售的農(nóng)產(chǎn)品,,比如花卉,某些魚類,,水上花園里的植物等等,。綜上所述,,足見這類有利于環(huán)保的生物技術(shù)是很有發(fā)展前景的。
我國南京浦口區(qū)湯泉鎮(zhèn)建成南京首座水生植物污水處理廠,,利用水生植物結(jié)合生物氧化治污,,處理全鎮(zhèn)兩萬多人、4家企業(yè)的3000噸污水,,投資僅花了300萬元,,而要是建設(shè)同等規(guī)模的生化污水處理廠,投資要1000多萬元,。這里沒有像常規(guī)污水廠那樣的一個個水泥結(jié)構(gòu)的集水池,、曝氣池和生化池,所謂的“集水井”,、“沉淀池”和“凈化池”,,全是一片片生長茂盛的蘆葦、水芹,、菱角,、藕類的水塘,整個污水處理的面積約占80畝,。這個水生植物污水處理廠的氧化池是整個污水處理工藝流程的唯一生化處理部分,,主要是去除污水中的化學(xué)需氧量(COD),而來自工業(yè),、生活和垃圾的污水,,含有的大量氮、磷等污染成分,,全部由各類水生植物來過濾,、吸收和凈化。這樣,,就可以省掉依靠化學(xué)法工藝處理的所需大筆投資,,而處理運行成本也節(jié)約了80%以上。目前,,湯泉鎮(zhèn)水生植物污水處理廠只有兩人來負責(zé)污水處理的運行,。
鮮花成處理污水的“秘密武器”。在浙江長興縣“十里古銀杏長廊”中間的小浦鎮(zhèn)方一村,,有一片種植著郁郁蔥蔥的美人蕉和綠色的黑麥草的人工濕地花園,。是一項利用地下厭氧池及人工濕地法相結(jié)合的新型污水生態(tài)處理技術(shù)。在人工沙層上面種植的美人蕉,、黑麥草,,根系發(fā)達、喜濕、吸收能力強,,扎根在人工沙層中,,污水滲入沙層后,含氨氮的水體腐殖質(zhì),、泥漿等被美人蕉發(fā)達的根系吸收并消耗掉,。經(jīng)過美人蕉過濾后,生活污水能夠達標(biāo)排放,。長興村里排出去的污水,,在這些花草下面‘洗’過一遍后,都能達到國家一級排放標(biāo)準(zhǔn),,水質(zhì)比城里的還強!
目前我國許多城市都利用水生植物在河道里進行污水凈化和建立了人工濕地,,在水資源污染和環(huán)境治理方面有很好的效果。
這些技術(shù)也可以在我國北方寒冷地區(qū)進行應(yīng)用,。例如,,剛剛建成投運的遼寧省撫順市海新河復(fù)興生態(tài)園,迎來了一批特殊的居民--萬條銀光閃亮的草魚躍入清澈的水中,,它們在這里除供人觀賞外,,還將負有特殊的使命:清理水中有機污染物,監(jiān)測水質(zhì)處理情況,。難以置信的是,,生態(tài)園原址是座臭氣熏天的垃圾山。將高污染河流和垃圾場“捆綁”起來進行綜合整治,,建設(shè)成一座集綠地,、濕地、污水處理場為一體的生態(tài)園,,這在國內(nèi)目前還不多見,。他們將垃圾集中堆放后騰出的6萬平方米空地,再一分為二,,建設(shè)一座日處理能力6萬噸的一級污水處理裝置和一片占地4.6萬平方米的人工濕地,。濕地內(nèi)植入蘆葦、蒲草,、茨白等具有凈化污水功能的水生植物,。污水處理場建成后,將海新河水截流,,經(jīng)過一級絮凝沉淀處理后,,水質(zhì)達到Ⅴ類水體標(biāo)準(zhǔn),。再經(jīng)過人工濕地生物凈化深度處理,,使流入渾河的水質(zhì)達到Ⅳ類水體標(biāo)準(zhǔn)。建設(shè)了污水處理廠后,不但治理了一條河,,還徹底改變了這里的環(huán)境面貌,。
3.2.2.2 利用微生物治理污水和環(huán)境
日本最重要的節(jié)水技術(shù)就是建立“中水道”系統(tǒng),即城市廢水的處理和再利用系統(tǒng),。這種系統(tǒng)可把各種生活廢水集中起來,,加以凈化處理,用作沖洗廁所等用水,。日本廢水凈化處理技術(shù)一般采用生物處理法,。其中最簡便的方法是把使用過的乳酸飲料瓶作為曝氣池的填充材料,采用中心導(dǎo)流曝氣方式,,構(gòu)成生活用水凈化系統(tǒng),,無須任何藥物,30個小時后,,微生物就能把污水變成清水,。
中國科學(xué)院微生物研究所日前和山東金長城集團聯(lián)合研制成功一種全新概念的免水沖型生物廁所,其特點是免水沖,、不排放,、無污染。該技術(shù)的核心是將特定的微生物與糞便攪拌,,微生物就能將糞便降解成為無害物,,并達到環(huán)保要求。與一座兩個蹲位的水沖公廁相比,,一座免水沖型生物廁所一年可節(jié)水730噸,,同時,每年可節(jié)約清運等費用1萬余元,;安裝簡便,,不用管道,不受場地限制,,在維護和管理方面與普通廁所相比可節(jié)約2/3的費用和時間,;一年可少污染36萬噸清潔水。
中國工程院院士,、南京林業(yè)大學(xué)教授張齊生創(chuàng)立的“生物改性竹炭”治污技術(shù)成果,。先后培育出三大菌群10屬80多種附著力強的微生物,這些微生物專門把污染物質(zhì)當(dāng)“糧食”,。這樣,,就可以讓其去“吃掉”竹炭空隙中的污染物,使竹炭內(nèi)部空隙長期保持清潔,,以穩(wěn)定發(fā)揮吸附功能,。在紫湖溪120米的支流河床上,,建成了日處理為1萬噸的“生物改性竹炭”污水處理示范工程,經(jīng)過一年運行,,不僅使紫湖溪支流河水水質(zhì)穩(wěn)定達到國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),,而且一年來的實際運行費用僅為2萬元,是同等規(guī)模城鎮(zhèn)污水處理廠的1/100,。非常適合廣大農(nóng)村污染河流的治理,。
成都市采用“CMF”(連續(xù)微濾)生物污水治理技術(shù),利用微生物菌“吞噬”河水中污染物質(zhì)的府南河生物治污試驗取得成功,。據(jù)介紹,,府南河生物治污試驗工程共用了18天時間,采用一種叫“C-M”的微生物復(fù)合劑,,凈化了5公里長的河段,,日平均處理污水量達到6萬立方米。試驗中共建造了3座橡膠壩,,將整治河段分成了預(yù)處理段,、厭氧段、兼氧段,、主生化段及強化景觀段,。試驗共投入610.1萬元,每立方米工程投資僅為102元,,而且在20年內(nèi)可不再需要大的投入,。“掃黑”細菌挺便宜。“CMF”生物污水治理技術(shù)特別適用于過濾自來水,、地下水,、地表水和城市污水,去除細菌,、微生物和懸浮物等,,凈化后的水清澈透明,濁度近于零,。每立方米污水的處理成本僅需0.32元,。
3.2.2.3 利用作物秸稈治理污水和環(huán)境
哈工大市政學(xué)院馬放、任南琪教授以農(nóng)業(yè)廢棄物秸桿類纖維素和生物制氫廢液作為制備生物絮凝劑的原料,,為污水處理走出了具有顯著經(jīng)濟,、環(huán)境和社會效益的新路。該課題采用農(nóng)業(yè)廢棄物秸桿類纖維素作為制備生物絮凝劑的原料,,通過對松花江源水,、大慶中引水廠水源水、強酸性廢水,、生活污水,、墨汁廢水,、中藥廢水和泥漿廢水等的實際應(yīng)用,證明該產(chǎn)品對不同的水質(zhì)都表現(xiàn)出很好的脫色,、除濁和去除有機物能力,。
3.3 生物節(jié)水型社會
生物節(jié)水是一個系統(tǒng)工程,,在生態(tài)系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)上都可以發(fā)揮重要作用,。除了在建立生物節(jié)水型農(nóng)業(yè)和生物節(jié)水型城市外,還要利用生物節(jié)水技術(shù)加強非農(nóng)耕地區(qū)和山區(qū)生態(tài)環(huán)境治理和改善,特別是水土保持和對鹽堿等劣質(zhì)土地和水資源的開發(fā)利用,。建成一個生物節(jié)水的生態(tài)型系統(tǒng)和社會,。
3.3.1 生物節(jié)水型水土保持
嚴(yán)重的水土流水對工農(nóng)業(yè)和生產(chǎn)城市發(fā)展等都有重要影響。植被是水土保持的基礎(chǔ)和核心,。生物節(jié)水技術(shù)在水土保持方面大有作為,。利用植被種植改造沙漠的例子不勝枚舉,成果顯著,。浙江湖州市成功的發(fā)現(xiàn)了鄉(xiāng)土草生物護坡的優(yōu)良品種--鐵絲根草,,學(xué)名結(jié)縷草,經(jīng)過2多年的研究試驗,,每平方米草坪保土達175-176.6公斤,,一棵鮮草的保土量可達自身重量的800倍左右。據(jù)實測,,根系保土有效深度通常在8-10公分,,最深可達30公分。該草適宜生長在有一定坡度和排水良好的微堿或微酸的砂壤土質(zhì),,具有耐旱,、耐瘠、耐踐踏和植被管理花工少的特點,,故有“踏不死”的美譽,。該草形成植被后,雜草不容易生長,,因而具有優(yōu)良的保土功能,。通過對紅旗水庫、五四水庫和導(dǎo)流東大堤吳沈門大閘旁實驗段的觀察證明,,即使是日降50毫米以上的暴雨,,也未見水土流失。該草一年的綠色生長期可達260天以上,,即使在零下5-10度的嚴(yán)冬,,其上部停止生長并呈黃色,但其地下匍匐莖仍然保持生命力,,因而是一種優(yōu)良的節(jié)水型的水土保持草種,。
3.3.2 生物節(jié)水型生態(tài)環(huán)境治理和開發(fā)
我國有15億畝的鹽堿地和沿海灘涂,,這些地區(qū)水分并不是問題,但是因為沒有抗鹽堿的植物品種,,難以對這些地區(qū)的水土資源進行開發(fā)利用,。
中國科學(xué)院封丘實驗站和河南省封丘縣緊密聯(lián)合,在黃淮海地區(qū)鹽堿地大力發(fā)展抗鹽的金銀花種植,,建立了金銀花產(chǎn)業(yè),,在規(guī)范化栽培,采收加工等方面進行了5年研究,,形成了成套高產(chǎn)技術(shù),。目前已經(jīng)有30萬畝,產(chǎn)量9千萬噸,,經(jīng)濟效益3.2億元,。目前正在利用幼嫩枝條粉碎培養(yǎng)蘑菇,進行飼料添加,,培育肉牛等,形成了一個新的循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式,。也正在開展深加工特別是生物制藥等的開發(fā)。在當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展及社會主義新農(nóng)村建設(shè)方面最出重要貢獻,。還帶動了山東省,、河北省等地區(qū)的金銀花生產(chǎn)和農(nóng)民增收。
科學(xué)時報2005年7月25日報道,,在中國科學(xué)院大安堿地生態(tài)試驗站植被恢復(fù)試驗田,,昔日寸草不生的光板鹽堿地,被一片綠蔥蔥的鮮嫩野生羊草所覆蓋,,這里顯示的是中科院東北地理所科技人員在國內(nèi)首次創(chuàng)建的以羊草移栽代替?zhèn)鹘y(tǒng)直播大面積改良重度鹽堿地的最新研究成果,。它開辟了一條松嫩平原蘇打鹽堿地生態(tài)恢復(fù)與羊草群落人工快速重建的新路。土地鹽堿化和草原退化是人類面臨的一個世界性生態(tài)環(huán)境問題,。我國松嫩平原的蘇打鹽堿地是世界三大分布區(qū)域之一,,鹽堿化土地面積239萬公頃,特別是pH>10的重度鹽堿地具有代表性和典型性,,治理難度很大,。而且該地區(qū)土地鹽堿化以每年1.4%~2.5%的速度擴展,不僅制約著當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)的發(fā)展,,而且危及人民的生存,。因此,采用生物工程技術(shù)科學(xué)開發(fā)和合理利用鹽堿地資源,,改善生態(tài)環(huán)境,,促進經(jīng)濟發(fā)展,成為人們期待已久的愿望,。這種技術(shù)移栽后的羊草當(dāng)年可以采種,、采草,,移栽3年后可作為秧苗地使用。該技術(shù)由于適合pH大于10以上的中重度鹽堿地快速恢復(fù)頂級羊草植被,,在荒漠化治理方法上,,屬于重大技術(shù)突破,也是該技術(shù)的顯著特色,。從吉林省來看,,現(xiàn)有重度鹽堿地60多萬公頃,如果全面推廣羊草移栽技術(shù),,每年可產(chǎn)干羊草150萬噸,,僅干草銷售收入一項就可新增產(chǎn)值5.25億元,。如果直接用于干舍飼養(yǎng)羊,,可養(yǎng)205.5萬只,每年新增產(chǎn)值10.2億元,;用來養(yǎng)牛,,可養(yǎng)41.1萬頭,每年新增產(chǎn)值13.2億元,;用來飼養(yǎng)奶牛每年可帶來經(jīng)濟效益27.1億元,,市場前景廣闊。因此,,生物節(jié)水(水分高效利用)技術(shù)在生態(tài)環(huán)境治理和開發(fā)還有很大的潛力可以挖掘,。
4.結(jié)束語
二十一世紀(jì)是生物的世紀(jì),生物節(jié)水(水分高效利用)在各個方面都大有作為,。目前我國在北京和楊凌成立了兩個國家節(jié)水灌溉中心,,側(cè)重于工程節(jié)水示范和推廣方面,但要在大面積應(yīng)用工程節(jié)水,,還有一定難度,,但生物節(jié)水生物遺傳性多樣性廣泛,可以適應(yīng)各種環(huán)境條件,,星星之火,,可以燎原,但開發(fā)程度淺,;生物節(jié)水簡單易行,,物美價廉,附加值高,,如干旱條件下的生物產(chǎn)品質(zhì)量好,,病蟲害少,綠色食品,。農(nóng)藝節(jié)水和工程節(jié)水必須落實到生物節(jié)水,,通過生物節(jié)水去體現(xiàn)和完成,,生物節(jié)水是旱地節(jié)水、灌溉節(jié)水的基礎(chǔ)和核心,,因此,,生物節(jié)水是節(jié)水農(nóng)業(yè)的終極目標(biāo)。我們建議國家在南方和北方也成立兩個生物節(jié)水中心,,不但包括生物節(jié)水工程技術(shù)還包括理論研究,,不但涉及農(nóng)業(yè)節(jié)水,還涉及工業(yè)節(jié)水,、城市節(jié)水以及污水治理和環(huán)境改善及循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展等問題,。我們相信生物節(jié)水技術(shù)和理論將有更大更快的發(fā)展,成為中國繼節(jié)水農(nóng)業(yè)后又一特色的生物技術(shù)和農(nóng)業(yè)革命!
(作者系中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心研究員)