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14.4: 可持续农业

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    可持续农业是一种不会消耗自然资源或破坏环境的耕作方法，因此可以无限期地持续下去。 可持续农场通常依赖当地生态系统的组成部分。 例如，它们可能为废物的自然分解创造条件，或者利用天敌通过捕食或竞争来控制害虫。 更具体地说，1977年和1990年的《农业法案》将可持续农业描述为 “动植物生产实践的综合体系，具有针对特定地点的应用，从长远来看，它将：

    • 满足人类食物和纤维需求；
    • 提高环境质量和农业经济所依赖的自然资源基础；
    • 最有效地利用不可再生资源和农场资源，并酌情整合自然生物周期和控制措施；
    • 维持农场经营的经济可行性；
    • 提高农民和整个社会的生活质量。”

    促进生物多样性是可持续农业的关键，而高生物多样性会带来完整的生态系统服务，例如养分循环和害虫种群的调节。 这与可持续农业的目标是一致的：模仿自然生态系统中的过程。 与工业化农业的单一栽培形成鲜明对比的是，混养农业是可持续农业中的常见做法。 这有助于调节害虫和保持土壤肥力（见下文）。 种子库是储存许多不同类型种子的地点，是保护作物遗传多样性的关键。 这些储存地点足够冷，可以自然冷冻种子（图\(\PageIndex{a}\)）。

    一座狭窄的矩形建筑被部分埋在白雪皑皑的山坡上，使金库内的种子保持凉爽。
    图\(\PageIndex{a}\)：挪威的斯瓦尔巴群岛全球种子库。 图片由 Miksu（CC-BY-SA）提供。

    综合害虫管理

    综合害虫管理（IPM）是指以农民为导向、以生态为基础的害虫防治措施的组合，旨在减少对合成化学农药的依赖。 它同时使用多种方法来控制害虫种群。 综合害虫管理的步骤是（1）识别真正的害虫，（2）设定阈值并进行监测（图\(\PageIndex{b}\)），以及（3）制定行动计划。 由于在农业地区发现的许多昆虫、微生物和其他生物具有中性或有益的作用，因此没有必要将其清除。 真正的害虫是那些造成经济损害的害虫，它们是经过管理（保持在经济损害水平以下）而不是消灭的。

    作为综合害虫管理 (IPM) 保护措施的一部分，两个人正在检查昆虫陷阱
    图\(\PageIndex{b}\)：作为综合害虫管理（IPM）保护措施的一部分，一名退休的海军指挥官和地主正在检查昆虫陷阱。 图片来自 NRCS（公共领域）。

    IPM 行动计划利用四种控制类型：文化、机械、生物和化学。 这些方法是按对环境影响最小到最大的顺序列出的，因此按此顺序应用。 例如，首先尝试文化控制。 如果这无效，则在计划中添加机械控制，依此类推。 化学控制是最后的手段，在IPM计划中没有受到重视。 当必须使用杀虫剂时，应以最大限度地减少对有益生物、人类和环境的不利影响的方式进行选择和使用。 众所周知，采用虫害综合防治方法并不一定意味着消除农药的使用，尽管之所以经常出现这种情况，是因为农药经常因各种原因被过度使用。

    喷洒的替代方案：山东的棉铃虫防治

    当棉花中的铃虫对大多数农药产生抗药性时，山东（中国）的农民一直在使用创新方法来控制棉花中的铃虫侵扰。 实施的控制措施包括：

    1. 使用抗虫品种并将棉花与小麦或玉米套种。
    2. 使用灯和杨树枝诱捕和杀死成年人以减少成年人的数量。
    3. 如果使用杀虫剂，则将其涂在棉花植物茎的部分上，而不是通过喷洒整个田地（以保护铃虫的天敌）。

    这些和其他一些生物控制工具在控制昆虫种群和抗虫性、保护周围环境和降低成本方面非常有效。

    文化控制

    文化控制是指最大限度地减少允许害虫繁殖和传播的条件。 例子包括每年交替种植哪些作物（轮作）、在彼此附近种植多种作物（间作；图\(\PageIndex{c}\)）、选择抗虫品种和种植无虫砧木（地下植物部分）。 轮作可防止专门用于特定类型作物的害虫年复一年地持续存在，因为它们的寄主植物仅在某些年份可用。 同样，间作在空间上限制了害虫的传播。 条状种植是一种间作，涉及交替种植不同类型的作物。 害虫可能会感染一排（或多排）宿主物种，但它们必须越过多排非宿主才能获得其他寄主植物。 此外，培养控制可以包括优化灌溉和肥料施用，以促进植物防御和限制疾病传播。 文化控制方法可能非常有效且具有成本效益，对人或环境几乎没有风险。

    交替排成排的阔叶苦瓜植物和水稻植物，它们由许多狭窄的叶子组成。
    图\(\PageIndex{c}\)：菲律宾的 Momordica charant ia（苦瓜）与水稻间作（文化控制）。 苦瓜植物是从塑料孔中冒出来的，塑料用于机械控制杂草。 图片由 Judgefloro（CC-BY-SA）提供。

    机械控制

    机械控制是指物理清除害虫或用屏障将其排除在外（图\(\PageIndex{d}\)）。 去除害虫的机械控制措施包括粘性昆虫陷阱、鼹鼠陷阱和用手清除杂草。 机械控制的其他例子包括网状以排除鸟类、鹿围栏和杂草布、塑料杂草屏障（图\(\PageIndex{c}\)）或覆盖物。

    太阳能捕虫器是由柱子支撑的黄色碗状盘子。 盘子上方是带有太阳能电池板的LED UV灯。
    图\(\PageIndex{d}\)：这个太阳能捕虫器是机械控制的一个例子。 它发出紫外线来吸引昆虫，并使用小型太阳能电池板充电。 图片由 MGK Solar Trap (CC-BY-SA) 提供。

    生物控制

    生物防治是利用生物减少害虫种群（另见入侵物种）。 一种生物控制策略是释放天敌，例如害虫生物的捕食者、寄生虫或寄生虫（寄生虫与寄生虫相似，但它们会持续杀死宿主）。 家庭园丁还可以通过购买捕食螳螂、瓢虫（瓢虫甲虫）或 lacewings 来释放天敌（人物\(\PageIndex{e}\)）。 成功的例子包括用于抑制蚜虫种群的瓢虫甲虫、用于控制粉虱的寄生黄蜂以及抑制真菌引起的植物病害的真菌，例如木霉病。

    栖息在树叶上的花边翅膀有一个长而绿色的身体，有斑点和四个透明的脉状翅膀。
    图\(\PageIndex{e}\)：Lacewings 是花园和农作物害虫的天然捕食者。 图片由 Artsehn/PixaBay（Pixabay 许可证）提供。

    如果不谨慎使用，化学控制可能会对生物控制产生意想不到的负面影响。 1887 年，棉花垫状水垢（原产于澳大利亚）摧毁了加利福尼亚的柑橘园。 一位美国昆虫学家前往澳大利亚寻找天敌，然后带着瓢虫甲虫 vedalia beetle 回来了。 甲虫在加利福尼亚被释放，很快控制了体重，至少直到1946年。 在那一年，这种害虫急剧卷土重来。 这恰逢树林中首次使用现已禁用的农药二氯二苯基三氯乙烷（DDT）。 滴滴涕不仅杀死了目标害虫，而且还杀死了维达利亚甲虫。 只有通过改变喷雾程序并重新引入甲虫，水垢昆虫才能再次得到控制。

    另一种生物防治策略是释放不育的雄性，它们与可育的雄性争夺伴侣，最终减少害虫的种群规模。 这种技术最初用于对付螺旋虫苍蝇，这是一种严重的牛害虫（图\(\PageIndex{f}\)）。 雌性苍蝇在动物身上的疮或其他开放性伤口中产卵。 孵化后，幼虫会吃掉宿主的组织。 当它们这样做时，它们会使更大的区域暴露于产卵中，通常最终会杀死宿主。

    螺旋虫苍蝇有黑色闪亮的身体，透明的翅膀和橙色的大眼睛。 它栖息在树叶上。
    图\(\PageIndex{f}\)：据认为，螺旋虫蝇是一种牛害虫，它于 1966 年在美国被消灭，于 2016 年在佛罗里达州基迪尔国家保护区的鹿身上重新出现。 不育雄性再次被释放，该害虫于2017年在佛罗里达州被消灭。 图片由朱迪·加拉格尔（CC-BY）提供。

    在从美国东南部消灭之前，螺旋虫每年造成巨大的牲畜损失。 雄性不育技术涉及将工厂饲养和消毒的苍蝇释放到自然种群中。 消毒是通过将工厂苍蝇暴露在刚好足以使它们消毒但不足以降低其总体活力的伽玛辐射来完成的。

    从1958年初开始，每周从飞越佛罗里达州和邻近各州部分地区的飞机上释放多达5000万只经过消毒的苍蝇。 每当自然种群中有生育能力的雌性与不育的雄性交配时，雌性都会产下不育卵。 由于雌性只交配过一次，她的生育生涯已经结束。 到 1959 年初，这种害虫在密西西比河以东被彻底消灭了。 西南各州的问题更具挑战性，因为飞行在墨西哥是冬季，并且每个新季节都可能越过边境。 即便如此，通过将该计划扩大到包括墨西哥，螺旋虫蝇终于在1991年被从墨西哥消灭了。

    雄性不育技术还成功控制了地中海果蝇（“medfly”），这是加利福尼亚的一种由柑橘、桃子、梨和苹果组成的破坏性果蝇。

    化学控制

    化学控制是指农药的使用。 如果需要化学控制，IPM 倾向于使用高度靶向的化学物质，例如费洛蒙来破坏害虫交配。 费洛蒙是动物释放的化学信号，用于与其物种的其他成员交流。 人类和许多昆虫物种都会释放具有吸引伴侣作用的费洛蒙。 释放害虫的 pheremones 会使寻找伴侣的雄性感到困惑，最终阻碍它们的繁殖（图\(\PageIndex{g}\)）。 这种 “雄性混乱” 成功地对抗了侵扰棉花的粉铃虫，并将对常规化学杀虫剂的需求减少了90％。 费洛蒙还成功地对抗了攻击番茄、葡萄和桃子的害虫。 如果靶向化学品无效，虫害综合防治可能使用常规杀虫剂，理想情况下，只将它们施用于所需部位且有效浓度最低。 广播喷洒非特异性农药是最后的手段。

    这个费洛蒙陷阱看起来像一座蓝色的小房子。 “地板” 很粘，到处都是死蛾。
    图\(\PageIndex{g}\)：这个费洛蒙陷阱用于控制亚洲水稻蛀虫。 这种飞蛾物种的毛虫侵扰着水稻茎。 图片由迈赫迪（CC-BY-SA）提供。

    保持土壤肥力的可持续实践

    各种可持续做法可以维持土壤质量。 其中许多策略还有其他好处，例如控制害虫、限制气候变化和防止水污染。 这些方法使土壤富含养分，确保适当的保水能力（土壤保持水分的能力），并限制侵蚀和压实等土壤降解过程。

    作物轮作

    如前所述，轮作是不同作物在一段时间内在同一块田地上按计划顺序排列（图\(\PageIndex{h}\)）。 轮作通过提高土壤养分水平和打破作物害虫循环来提高生产力。 农民也可以选择轮作作物，以便通过多样化降低生产风险，或者在种植和收获期间管理劳动力等稀缺资源。 这种策略自然打破了杂草、昆虫和疾病的循环，从而降低了农药成本。 此外，草和豆类轮流通过防止多余的养分或化学物质进入供水系统来保护水质。

    在不同的农田里种植不同的作物类型。 玉米在前景中。每个高架花园床都含有不同的植物物种，每年何时轮换。
    图\(\PageIndex{h}\)：轮作可用于大规模农业（左）或较小的花园（右）。 在每种情况下，每个地点种植的作物种类逐年变化。 左图由美国农业部（公共领域）提供，右图为 Sten Porse（CC-BY-SA）。

    间作

    间作是指在两种或多种作物的部分或全部生命周期中彼此靠近种植，以促进土壤改良、生物多样性和害虫管理。 将间作原理纳入农业经营可增加植物、节肢动物、哺乳动物、鸟类和微生物之间的多样性和相互作用，从而形成更稳定的作物生态系统，更有效地利用空间、水、阳光和养分（图\(\PageIndex{i}\)）。 这种协作式作物管理模仿自然，可减少害虫爆发，改善养分循环和作物养分吸收，增加水分渗透和保湿能力。 土壤质量、水质和野生动物栖息地都受益。

    高大的玉米植物，有大而线性的叶子。 叶子较小、较宽的豆类藤蔓会爬上玉米。
    图\(\PageIndex{i}\)：豆类和玉米（玉米）的间作。 豆类的根部结节含有固氮细菌，丰富了土壤。 图片由 AnnaJB（CC-BY-SA）提供。

    条状种植（一种间作；见上文）的一个常见例子是交替种植玉米等行作物和紫花苜蓿等地面覆盖作物。 地面覆盖作物有助于减少水分流失，捕获行作物侵蚀的土壤。 如果这种地面覆盖作物是紫花苜蓿或大豆等豆科的一员，并且与固氮细菌有关，那么在一次种植中交替使用这些条带也有助于保持表土肥力。

    覆盖作物

    覆盖作物是指在淡季种植以避免土壤裸露的作物。 它们可以防止土壤侵蚀和风蚀，改善土壤的物理和生物特性，提供养分，抑制杂草，改善土壤水的可用性，打破害虫循环以及其他各种好处。 覆盖作物通常是豆科的成员，有助于使土壤富含可用的氮。 可以种植单一物种或混合覆盖作物物种（图\(\PageIndex{j}\)）。

    拖拉机修剪和滚动密集生长的覆盖作物
    图\(\PageIndex{j}\)：4月，在美国，拖拉机上的滚筒（压接机）被用来滚下黑麦和有毛的紫云英覆盖作物。 虽然毛紫云英可以限制水土流失并向土壤中添加氮气，但它也是一种入侵物种，必须谨慎管理。 来自 1032 先生（CC-BY-SA）的图片和说明（已修改）。

    农林业

    农林业是种植成排的树木并穿插经济作物的过程（图\(\PageIndex{k-l}\)）。 除了有助于防止土壤的风蚀和水侵蚀外，树木还提供遮阳，有助于促进土壤保湿。 腐烂的树渣还为种植的作物提供了一些营养。 树木本身可以提供经济作物。 例如，果树或坚果树可以种植谷物作物。 您可以使用美国农业和林业服务部的这个互动网站了解有关农林业的更多信息。

    生长率低的作物生长在高大的树干之间
    图\(\PageIndex{k}\)：通过农林业，可以在森林树冠的保护下种植高价值的非木材作物（食物、药用植物、木本花卉和手工艺品），而森林树冠已设法提供良好的作物环境。 来自 USDA/UFS（公共领域）的图片和标题（已修改）。

    轮廓农场和露台农业

    等高耕包括沿着平缓倾斜土地的自然轮廓耕作和种植作物排（图\(\PageIndex{l}\)）。 垂直于斜坡的作物行线有助于减缓水流失，抑制水道的形成，限制水土流失（以及由此产生的养分流失）。 梯田是一种常用技术，用于控制倾斜度更高的山丘和山脉上的水蚀（图\(\PageIndex{l}\)）。 沿着斜坡的轮廓建造宽阔而平坦的梯田，这些梯田充当水坝，为农作物蓄水，减少径流并限制侵蚀。

    轮廓农业。 交替成排的树木和低生长作物沿着平缓的斜坡编织。露台看起来像宽阔的楼梯。 每个 “楼梯” 上都是土壤，上面有一块狭窄的农作物。
    图\(\PageIndex{l}\)：等高耕作（左）和梯田（右）。 在等高耕作中，成排的农作物垂直于陆地的斜坡波动。 这个例子（左）也采用了农林业。 梯田耕作包括使阶梯状结构（梯田）垂直于斜坡的斜面，以减少侵蚀。 左图由 Pixture2016（CC-BY-SA）提供。 右图由美国农业部（公共领域）提供。

    最小耕作和免耕农业

    在现代农业实践中，重型机械用于准备播种的苗床、控制杂草和收获作物。 使用重型设备在节省时间和劳动力方面具有许多优点，但可能导致土壤压实和自然土壤生物破坏。 土壤压实的问题在于，土壤密度的增加会限制根系穿透深度，并可能抑制植物的正常生长。 土壤耕作（混合土壤）的另一个方面是，由于土壤曝气量增加，它可能导致有机物的更快分解。 在大面积的农田上，这会产生意想不到的后果，即向大气中释放更多的碳和一氧化二氮（温室气体），从而助长气候变化。

    预防这些问题的最简单方法之一是最大限度地减少耕作量或翻土量。 在最小耕作（保护性耕作）或免耕农业中，将农作物残渣留在田地里，尽可能减少对土地的干扰（图\(\PageIndex{m}\)）。 特殊的种子钻将新的种子和肥料注入未耕过的土壤中。 耕地确实有助于分解以前压实的土块，因此，在土壤质地和成分不同的地点，最佳做法可能会有所不同。 通过适当的规划，最少的耕作和免耕农业可以同时限制水土流失和压实，保护土壤生物，降低成本（如果实施得当），并促进水的渗透。 此外，通过这些方法，碳实际上可以被封存到土壤中，从而缓解气候变化。 事实证明，最低耕作或免耕农业在拉丁美洲取得了重大成功，南亚和非洲正在使用这种农业。 但是，这种方法的一个缺点是作物残留物可以作为害虫和植物病害的良好栖息地。

    成排的农作物周围是枯死的植物材料，而不是刚耕过的裸露土壤
    图\(\PageIndex{m}\)：免耕农业是防止土壤水分流失的重要工具。 图片由美国农业部（公共领域）提供。

    防风林

    通过在农田周边种植高大的树木来创建防风林有助于控制风蚀对土壤的影响（图\(\PageIndex{n}\)）。 防风林会降低地面风速，这是风蚀的重要因素。 它们还有助于在冬季积雪，减少土壤暴露在外。 作为附带好处，防风林还为鸟类和动物提供了栖息地。 缺点之一是，防风林会减少可用耕地的数量，因此对农民来说可能很昂贵。

    低生植物的农田被成排的树木隔开。
    图\(\PageIndex{n}\)：防风林是成排的树木和灌木，它们会降低风速。 它们可以提高作物产量，减少水土流失，提高用水效率，保护牲畜和节约能源。 来自 USDA/UFS（公共领域）的图片和标题（已修改）。

    有机农业

    有机农业通常被纳入可持续农业（图\(\PageIndex{o}\)）。 要获得有机认证，农场必须避免使用合成农药、合成肥料和转基因生物（图\(\PageIndex{p}\)）。 有机肉类、家禽、蛋类和奶制品来自不使用抗生素或生长激素的动物。 相反，害虫可能由天敌或天然产生的物质（如印楝油或硅藻土）控制。 一些合成农药的有机替代品对环境的影响相对较小（例如盐雾），但是有许多天然产生的化合物在广泛使用时仍然对人有毒或造成生态危害。 有趣的是，Bt毒素的外部应用被批准用于有机农业，但转基因Bt作物的使用却没有。 后者导致环境中Bt毒素的浓度降低，因为它是由植物本身直接在当地产生的。 总而言之，尽管有机农业的许多做法有益于环境并实现了可持续发展目标，但有些有机农场是不可持续的，有些可持续农场不是有机农场。

    美国农业部的一名员工和有机农场主站在农场门前，身穿一件写着 “Urban Sprout Farms” 的衬衫。
    图\(\PageIndex{o}\)：美国农业部（USDA）环保主义者谢梅基亚·莫斯利（右）与努里·伊科伦（左）合作，后者经营着乔治亚州莱克伍德高地的生物动力、认证的有机城市农场 Urban Sprout Farms。 P reston Keres/USDA（公共领域）的图片和标题（修改）。
    USDA Organic 徽标（由棕色圆圈环绕的绿色农场图标）
    图\(\PageIndex{p}\)：美国农业部认证的有机标签。 由 nikoretro（CC-BY-SA）根据图片修改。

    支持可持续农业的消费者选择

    即使你不是农民或议员，作为消费者，你也有能力促进可持续农业。 正如《食物链和食物网》中所讨论的那样，与植物性食物相比，它通常需要更多的土地和更多的能量来生产肉类，因为能量从一个营养级转移到另一个营养级的效率很低。 出于这个原因，植物性饮食往往更具可持续性，但这取决于所食用的食物类型及其生产方式。

    当地食物不仅更新鲜，而且需要更少的食物里程（图\(\PageIndex{q}\)）。 在某些方面，有机食品造成的环境退化较小，但请注意，有机食品不一定意味着可持续（见上文）。 由于它限制了机械、合成农药和合成肥料，因此碳足迹较小（这意味着它最大限度地减少了对气候变化的贡献）。 C lean 15 是一份农药残留量低的农产品清单。 如果你买不起所有的有机食品，那么这些是购买非有机食品的最佳选择。 例子包括牛油果、甜玉米和菠萝。 Dirty Dozen 列出了农药残留量最高的农产品。 如果你只能买得起一些有机食品，那么最好购买有机食品。 例子包括草莓、菠菜和油桃。 最后，有些食物，例如牛肉，比其他食物具有更高的碳足迹和水足迹。

    农贸市场上的一篮甜椒、茄子、南瓜、土豆和西葫芦
    图\(\PageIndex{q}\)：农贸市场是购买当地种植的食物的一种选择。 图片由娜塔莉·梅诺（CC-BY）提供。

    可持续农业概念的未来

    农业界的许多人已经采用了可持续农业概念（图\(\PageIndex{r}\)）所指出的紧迫感和方向。 可持续发展已成为许多政府、商业和非营利性农业研究工作不可或缺的组成部分，并开始融入农业政策。 越来越多的农民和牧场主走上了自己的可持续发展之路，将综合和创新的方法纳入自己的企业。

    可持续农业框架。 每种策略都标有农场鸟瞰图。
    图\(\PageIndex{r}\)：可持续农业结合了多种方法。（1）如果使用化学品，则仅在需要时使用。（2）通过保护区计划，最具生态意义的地块完好无损。（3）斜坡上的梯田可以减少水土流失。（4）农作物被搜寻害虫监测的一部分，综合害虫管理的一部分。（5）覆盖作物可防止侵蚀并在淡季丰富土壤。（6）包括不同类型的作物，在近距离种植（间作）或不同年份（轮作）种植。（7）土地要么根本不耕作，要么耕作最低限度（保护性耕作）。（8）通过精确的养分管理，在不同的地点对土壤进行采样，仅在需要时施用肥料。（9）重型设备仅在需要时使用，并且以节省燃料的方式使用。（10）灌溉的时间恰好是为了节约用水。（11）水储水池有助于补给地下水。 图片由联合大豆委员会（CC-BY）提供。

    归因

    由 Melissa Ha 从以下来源修改：