农业生产最明显的特征之一,就是它的区域性特点,农作物所赖以生长的水土条件,除受气候影响外,还因构造、岩石或第四纪堆积层(土壤母岩)、地球化学、水文地质、地貌等组合条件的不同而变化,所以说地质背景是农业生态系统的物质基础,在地质农业生态系统中起着某种特殊的作用,如四川红色岩层内的侏罗系上、下沙溪庙组砂泥岩层土壤的广柑(甜橙)最佳,而蓬莱镇组衍生的砂粘土区的棉花产量最高的现象。农业背景系统就是通过研究以风化岩石为主因子的多因子组合地质背景的大生态潜资源作用在风化岩体-土壤-植物系统中的物质流、能量流、信息流整体动态关联性,解释植物的高产与地质背景的关系,从而指导农业生产进行合理布局与土壤资源保护。风化岩体是第四纪的产物,以系统论原理研究地壳表层现代还在继续的地质作用的生态效应,是地学与农学的边缘学科。这一新的研究领域,不但对优质农业的持续发展发挥作用,还将促进第四纪学科的深化与横向发展。
制约农业生产的地理因素是第四纪环境学必须关注的问题。目前土壤侵蚀已成为严重的环境问题之一。土壤侵蚀是我国现代化建设中面临的一个严峻挑战。我国自然肥力最高的土壤是黑土,黑土地区是我国重要的产粮区之一,但黑土水土流失现在异常严重,我国专家曾警告说,东北黑土可能在 50 年内消失。在黄河中游,长江上游,以及南方红土等地区,这个问题很突出,不仅破坏了当地的生态环境,而且因为泥沙淤积给下游地区带来无穷危害。几十年来,有关这个领域的地质、地理、土壤、水利等不同学科,都曾开展大量的工作,并取得不少成果。但是土壤侵蚀研究不是某一单学科能够奏效的,需要各学科通力合作。第四纪地质工作者,可以发挥对第四纪环境尤其是全新世环境演变以及新构造运动,外力作用过程、河流发育等方面具有丰富知识的优势,可以做出其他学科不能比拟的作用与贡献。今后努力的方向是具体地开发出不同典型地区区域尺度的土壤侵蚀预测、预报模型,为决策与产业部门实施防治提供更全面的科学依据。
土地沙化在我国北方干旱、半干旱地区比较普遍,在东部滨海地区也有出现。土地沙化的治理,是 1949 年以来比较重视的项目,几十年来开展了大量的工作,但毕竟由于分布面积大,问题相对复杂,现在依然比较严重。第四纪地质工作者,凭借对沙化形成因素,包括环境背景和人为因素的深入分析,可以对沙化土地的空间分布特征形成的区域差异、沙化土地演化的不同方式以及危害评价和治理模式等,提出全面的看法,从而做出独特的贡献。今后努力的方向是与相邻学科密切配合,开展交叉综合研究,争取在理论与方法上有新的突破,应与地方积极合作,使研究成果能在更大程度上被采纳应用。
1. 国外农业地质发展简况
“农业地质”(agro-geology)一词,最早是 19 世纪中叶德国地质学家法鲁(F. A. Fellow)和李希霍芬(F. v. Richthofen)提出的,但没有明确的定义,只是简单地用于解释土壤的形成关系。直至 1916 年英国剑桥大学 R. H. Rastall 出版的 《农业地质》和 1946 年美国路易斯安那州立大学 F. v. Emeison 出版的 《农业地质学》才首次系统地向从事农业研究的人员介绍了地质学的知识,如岩石、矿物、构造等,探讨农业经营和研究中所遇到的地质问题。
20 世纪 50 年代后,随着世界人口、资源、环境矛盾日益突出,环境地质学逐渐兴起,相当多的农业地质问题被列作环境地质范畴。
1986 年美国科学家 D. C. Adriano 出版了 《Trace Elements in the Terrestrial Environment》 一书系统地介绍了陆地环境中与人类密切相关的 22 种微量元素———砷、硼、镉、铬、铜、铅、锰、汞、钼、镍、硒、锌以及锑、钡、钴、氟、银、铊、锡、钛、钒等,对这些微量元素的经济价值、天然赋存状态、土壤-植物系统中元素的循环及其行为、植物需要量及耐毒性、饮用水和食物中元素的健康界限以及在环境中的来源等进行论述。
在俄、美、加、澳、英等国开展了生态地质调查和专项地质调查,把农业地质解释为“服务于农业的地质学”(Peter van Straaten,2002)。
近年来,土壤化学家、环境化学家开展了大量有关营养元素有效性和生态效应方面的研究,特别在有机污染物和重金属元素价态的生态效应方面研究较多,已成为国际环境科学关注的焦点。
2. 国内农业地质研究进展
新中国成立以前,地质工作很少涉及农业,仅有的工作也是侧重于地质学指导下的土壤学研究和若干农用矿产调查。新中国成立后的几十年来,我国地质为农业服务的工作取得了很大进展,出版了大量的专著和论文,也促进了国民经济的发展。主要工作有:
农田供水水文地质勘查与盐碱地改良工作 20 世纪 60~70 年代,我国开展了 1∶ 5 万 ~1∶ 10万农田供水水文地质勘查工作,是除 1∶ 20 万水文地质普查和城市供水勘查以外的最重要的地质工作,共完成农田供水勘查 100 ×104km2。盐碱地改良工作涉及范围也非常广泛,如黄淮海平原、关东平原、内蒙古河套平原、银川平原、东北松辽平原、天山北麓、河西走廊等,为提高粮食产量做出了重要贡献,也积累了很多实际经验和发展了理论。这项工作在河北平原、银川平原、河套平原等仍在进行,深化为水资源调蓄和管理工作。
农用岩矿的利用与开发 农用岩矿资源包括矿物肥料、矿物饲料。岩矿作为肥料的最大优点是成本低、储量大。我国岩矿农用开发主要有磷矿、钾矿等传统农肥,对我国农业发展和产量提高发挥了重要作用。近年来,非金属矿物的农用得到了很大的发展,主要有沸石、蒙脱石、伊利石、高岭石、凹凸棒石、海泡石、海绿石、蛭石、石灰石、白云岩、石膏、麦饭石、磷灰石、硅藻土、菱镁矿、蛇纹石、褐煤、草炭、绿豆岩、珍珠岩、凝灰岩、火山渣、浮石、火山熔岩等。我国岩矿饲料添加剂研制开发也取得了较大进展,如石盐、石膏、麦饭石、石灰、膨润土、硅藻土等作为饲料添加剂的开发利用。含钠、钾、硅、铝等多种元素的沸石或膨润土,能帮助消化,促进动物生长发育,提高生殖能力,还能去污、除臭,避免寄生虫的传染,消除缺乏微量元素引起的疾病,促使皮毛柔顺光亮或羽毛光泽明亮,肉质鲜美。利用石灰、石粉作饲料添加剂,喂养的观赏鸟产蛋率高,蛋壳厚,抗压强度大。
区域农业地质环境调查、评价与区划 区域生态环境质量评价涉及的区域和内容也相对广泛。如生态脆弱带的生态地质环境质量综合评价与农业可持续发展、地区性的农业生态地质环境质量综合评价等,为保护治理生态环境、挖掘该区农业自然资源潜力、制定可持续发展规划提供了科学依据。近年来,各地农业生态建设的形势大大促进了当地农业生态地质区划研究的开展,先后有四川、广西、湖北、山东、河北、河南、江西、广东、安徽、江苏、吉林、浙江、云南、贵州、辽宁等省(区)进行了不同级别的农业生态地质区划,为科学地调整农业结构合理利用区域水土资源提供了决策依据,如四川盆地植棉的调整、河北献县枣林种植区划和浙江萧山蔬菜基地建设等,都曾产生了很好经济效益。
名优特农林作物的农业生态地质调查、评价与开发 20 世纪 80 年代以来,名优特农林作物的农业生态地质调查与评价开展得有声有色,涉及百余种名优特产,主要有四川柑橘,涪陵榨菜,广西沙田柚,山东肥城桃,新疆吐鲁番葡萄,河北沧州金丝小枣,广西荔枝,云南、贵州、河南和山东的烟草,滇西和浙东的茶叶,广西柳江的甘蔗,南宁的香蕉以及山东泰山(东北麓)、河北迁安、北京昌平的板栗等等,取得了丰硕的成果,积累了大量数据和资料,总结了不少理论和认识,利用这些数据资料及其规律,寻找或发现了许多新的农林优势区,扩大了种植,也极大地促进了地方经济发展。
3. 第四纪地质与农业的关系
岩石是组成土壤的物质基础 岩石是五大成土因素之一,岩石风化物占到土壤总重量的95% 左右,它既是土壤的基本骨架,也是作物立足的机械支撑基础。土壤母质对土壤理化性状有直接影响,有什么样的母岩,就有什么样的土壤。因此,岩石是组成土壤的物质基础。准确掌握识别各类岩石、矿物的知识是确定土壤类型归属的关键。
岩石提供了各种营养物质 作物和人类健康所必需的钾、磷、钙、碳、硅、硼、钼、铁、硫、碘等营养元素主要来自土壤。植物在生长过程中,通过根系吸收岩石和土壤母质中的营养元素供自身生长利用,并以枯枝落叶形式回归于土壤,从而丰富了土壤矿物质营养元素,提高了土壤肥力,为作物健康生长奠定了丰富的营养基础。在相同的植被、气候、地形和人类活动的干预下,正是由于成土母岩的不同,才产了迥然不同的土壤肥力和农业生产率水平。
岩石是决定农业利用率的主要因素 有些地方耕地面积大,农业产出率高,有些地方则农业产出率低,其主要原因与这些地方的岩石种类有关: 一般红色粘土、紫色砂页岩、板页岩地区耕种面积较大,农业利用率高,而石灰岩、砂砾岩、花岗岩地区耕地较少,农业利用率低。如湖南第四纪红土母质发育的土壤有 1040 万亩,形成的水田有 734 万亩,占这类母质的70. 58% 。石灰岩母质发育的土壤有 7726 万亩,形成水田 699 万亩,只占该类母质的 9. 05% ;而且石灰岩地区地形崎岖,植被稀疏,天坑发育,漏水严重,易受干旱威胁,收成不稳,是湖南主要的贫困地区。该省衡邵、茶永、长浏、沅麻等盆地主要由紫色砂页岩母质发育成土,水田、旱土分布广,是重要的农业生产精华地带之一。
地质条件是农业科学规划、作物布局的重要依据 由于岩石、母质的千差万别,造成土壤有肥有瘦,有酸有碱,有砂有黏,有厚有薄,有干有湿,土壤种类繁多,因此我们在长期的农业生产实践中,反复强调要因地制宜,按自然规律办事。当前正在进行的农业结构战略性调整,也就是要根据土壤的这些特性和作物的生物学特性与市场需求,因地制宜地选择种植适优的作物品种,充分发挥土壤的最大生产潜力和农业生产效率。
将地学与农业科学紧密结合起来,加速地质科学成果在农业上的应用,加强农业地学研究,加强交流与合作,这将促进农业的持续快速健康发展。
4. 我国农业地质发展趋势
新中国成立以来,我国农业取得了举世瞩目的成就,以占世界 7% 的耕地养育了占全球22% 的人口。当前,我国农业总的形势是: 第一,主要农产品优质数量不足,特别是 “入世”以后,农业结构亟待调整; 第二,农业国土资源利用水平有待提高; 第三,农业及农村经济发展与生态环境建设的矛盾突出。
关注农业生态环境,是当今我国农业生态地质发展的一大亮点。2002 年开始实施的中国地质调查局与地方政府合作的多目标填图计划,加强了农业生态地质环境质量评价,为保护治理生态环境、挖掘地区农业自然资源潜力、制定可持续发展规划提供了科学依据。
农业生态地质工程设计将为国土资源持续利用提供技术支撑。紧紧围绕国家需求,如粮食及名特优果品基地建设、农业生态省(县)建设、退耕还林还草生态建设等,以西部大开发为契机,结合国土资源大调查工作,开展农业生态地质工程设计,实现社会、经济及生态效益的统一。
从 20 世纪 80 年代的农业地质背景分析,到 90 年代提出农业生态地质学,可持续发展观念得到普遍认同。生态地球化学和生态水文地质学,是农业生态地质理论创新的又一突破口。研究岩(土)—水一植的矿质营养元素的生态地球化学循环机制,注重土壤水作为植物营养和营养元素活动载体养分 “供、输、耗”系统中的作用,将为实现 “低投人、低消耗、高产出”目标解决基础理论问题。
5. 应用第四纪地质综合性服务领域
土地资源及其合理利用是关系到农业发展至关重要的问题。根据实地调查利用大比例尺地形图、航卫片等新遥感信息,编制土地资源图、地面坡度图、土地利用图,从而对宜农、宜林、宜牧土地进行质量评价,并提出合理开发的意见。
粮食、林果基地建设,其规模与合理布局,在很大程度上受制于当地的第四纪环境影响,包括气候条件、地貌条件、水文地质条件、地球化学条件等。应用第四纪地质学科与农业和其他相关科学交叉与渗透,就可在查明这些条件的基础上,提出很有价值的意见,起到其他学科不能取代的作用。
农业综合发展及合理布局,即建设可持续发展农业的核心是改善农业生态环境,提高农业生产力,消耗最小的生产力因素,获取最大的农业产品,做到最大生产力、最佳经济效益与最优生态环境的协调发展。这些方面需要应用第四纪地质做大量基础性调查与综合研究,为其提供科学依据。
农业生态经济系统的功能是一种综合性功能,它主要是由经济效益、生态效益和社会效益三方面来反映的。这三个方面的效益又是由不同的方面来体现的,每一种要素都为表征其原理特征的指标。这些要素指标的组合就构成了农业生态经济系统功能综合评价的指标体系。其中,生态效益要素完全是在第四纪地质环境背景下提出的,它是构成整个农业生态经济系统功能的物质基础和能量来源。