生態(tài)型旱作農(nóng)業(yè)及其技術(shù)體系

柳金良，鄭 琪，孫志強，柳發(fā)財，石曉瑛

(平?jīng)鍪修r(nóng)業(yè)科學院，甘肅 平?jīng)?744000)

1 問題的提出

在世界范圍內(nèi)，有60多個國家和地區(qū)的農(nóng)業(yè)受制于干旱的影響，全世界干旱和半干旱耕地約占總耕地面積的42.9%[1]。我國現(xiàn)有干旱和半干旱耕地近0.67億hm2，占全國耕地面積的50%以上，主要集中在西北、華北、東北和西南等地區(qū)，這些地區(qū)的農(nóng)作物產(chǎn)量低而不穩(wěn)[2]。旱作區(qū)人民在長期與干旱的斗爭中求生存、謀發(fā)展，在不同時期開展了抗旱生產(chǎn)的創(chuàng)新，總結(jié)形成了多種模式的旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)[3-4]。地膜覆蓋是旱作農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)措施[5]，從20世紀80年代到21世紀初，我國北方旱作區(qū)先后推廣了半地膜覆蓋技術(shù)和全膜雙壟溝播技術(shù)[6]。地膜覆蓋技術(shù)的應(yīng)用，減緩了水資源短缺對旱作區(qū)農(nóng)業(yè)的制約，提高了對自然降水的利用，發(fā)揮了顯著的抗旱保溫增產(chǎn)作用[2]。1984年半地膜覆蓋技術(shù)示范推廣時，我國的糧食總產(chǎn)為4億t，人均占有量390 kg[7]；2004年全膜雙壟溝播技術(shù)示范推廣時，我國的糧食總產(chǎn)為4.69億t，人均占有量361 kg[8]。此時期我國糧食供給不足，增產(chǎn)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主攻目標，地膜覆蓋的推廣應(yīng)用符合當時糧食短缺的國情，并對保障糧食供給發(fā)揮了重要作用。

但地膜覆蓋存在殘膜污染[9]、高成本、高耗能、大勞動強度等問題[10]。2010年第一次全國污染普查公報顯示，種植業(yè)地膜殘留量12.10萬t，地膜回收率80.3%。殘留地膜在土壤中可以殘存200～400年[11]，污染問題嚴重。土壤中殘膜碎片的主要危害是切斷了土壤孔隙，致使水移動時產(chǎn)生較大的阻力，造成水分滲透量隨著殘膜的增加而減少，土壤含水率下降[12]。2014年，我國糧食總產(chǎn)量為6.07億t，人均糧食占有量達到了443.84 kg[7]。糧食產(chǎn)量的逐年持續(xù)穩(wěn)定增加，糧食自給率及儲備水平的平穩(wěn)提升，糧食供求實現(xiàn)總量上的基本平衡[13]，使我國有條件、有精力來考慮解決殘膜對生態(tài)環(huán)境的污染問題和生態(tài)保護問題。從邏輯角度講，生態(tài)范疇大于經(jīng)濟范疇，是屬概念，經(jīng)濟是包含于生態(tài)、脫胎于生態(tài)的種概念，二者的邏輯關(guān)系規(guī)定了必須在生態(tài)環(huán)境條件約束下講求農(nóng)業(yè)經(jīng)濟，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展不能違背生態(tài)規(guī)律，必須以資源和生態(tài)為基本約束來謀求發(fā)展[7]。構(gòu)建和實施新形勢下的國家糧食安全戰(zhàn)略，要改變過去不計環(huán)境成本追求糧食增產(chǎn)的做法[8]，以穩(wěn)定糧食生產(chǎn)能力為主，提高耕地持續(xù)生產(chǎn)的能力，切實保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，促進農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的改善，以實現(xiàn)“藏糧于地”[14]。2014年中央經(jīng)濟工作會議提出我國環(huán)境承載力已達到或接近上限，必須走綠色低碳循環(huán)的發(fā)展模式[15]。黨的十九大把建設(shè)生態(tài)文明作為中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計，要求樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，提出要提供更多優(yōu)質(zhì)生態(tài)產(chǎn)品，來滿足人民日益增長的優(yōu)美生態(tài)環(huán)境需要。實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)村生態(tài)文明建設(shè)，迫切需要加強對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的保護和控制。因此，旱作農(nóng)業(yè)區(qū)建立生態(tài)型的旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)體系勢在必行。

2 對生態(tài)型旱作農(nóng)業(yè)的認識

2.1 生態(tài)型旱作農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵

發(fā)展生態(tài)型旱作農(nóng)業(yè)有助于正確處理農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、鄉(xiāng)村振興和環(huán)境保護之間的關(guān)系，實現(xiàn)資源的合理利用與配置，促進農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、農(nóng)民增收與農(nóng)村經(jīng)濟繁榮。我國科學家從20世紀80年代初就開始研究生態(tài)農(nóng)業(yè)，從我國農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的問題出發(fā)，結(jié)合世界科學技術(shù)發(fā)展的潮流，發(fā)揮傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的優(yōu)點，利用現(xiàn)代科學技術(shù)優(yōu)勢，開展了多層次、全方位的研究，逐漸發(fā)展形成了生態(tài)農(nóng)業(yè)這一新的發(fā)展理念，并應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[16]。我國的生態(tài)農(nóng)業(yè)遵循“整體、協(xié)調(diào)、循環(huán)、再生”的基本原理，運用生態(tài)系統(tǒng)理論與生態(tài)經(jīng)濟規(guī)律和系統(tǒng)科學方法，以協(xié)調(diào)人與自然的關(guān)系為基礎(chǔ)，以促進農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展為主攻目標，進行多目標綜合決策，以實現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟、社會效益的統(tǒng)一[17]。旱作農(nóng)業(yè)是在干旱、半干旱或半濕潤偏旱地區(qū)完全依靠天然降水從事作物生產(chǎn)的一種栽培制度，在降水稀少又無灌溉條件的干旱、半干旱和半濕潤偏旱地區(qū)，主要依靠天然降水和采取一系列旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)措施，以發(fā)展抗旱、耐旱的農(nóng)作物為主的一種農(nóng)業(yè)模式。生態(tài)型旱作農(nóng)業(yè)是生態(tài)農(nóng)業(yè)和旱作農(nóng)業(yè)的交集，是相對以地膜覆蓋栽培為主要措施、以征服自然為主要手段的旱作農(nóng)業(yè)模式提出的新的旱作農(nóng)業(yè)概念，以不破壞生態(tài)環(huán)境或減輕對生態(tài)環(huán)境的污染為手段來實現(xiàn)農(nóng)業(yè)增量這一目標，從人與自然和諧發(fā)展的角度出發(fā)，由傳統(tǒng)的征服自然價值觀轉(zhuǎn)變?yōu)槿伺c自然協(xié)同進化的價值觀[18]，從氣候-植物-土壤構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)來思考農(nóng)業(yè)措施的運用，運用生態(tài)學原理和系統(tǒng)工程手段構(gòu)建具有預(yù)防和抵御干旱功能的旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)體系，形成符合生態(tài)的發(fā)展規(guī)律的旱作農(nóng)業(yè)模式。

2.2 構(gòu)建生態(tài)型旱作農(nóng)業(yè)體系的原則

2.2.1 利用生物的抗旱功能

生態(tài)型旱作農(nóng)業(yè)是一種以生物組分為核心的生物-社會-經(jīng)濟復合系統(tǒng)，具有多種生產(chǎn)功能。因此，要尊重自然、順應(yīng)自然、保護自然，從資源稟賦出發(fā)，規(guī)劃抗旱生產(chǎn)功能區(qū)，因地制宜種植作物，確立與農(nóng)業(yè)資源存在狀況相適應(yīng)的生物種群，建立適宜旱作資源條件的作物布局結(jié)構(gòu)，提高農(nóng)業(yè)系統(tǒng)生產(chǎn)能力。

2.2.2 開發(fā)農(nóng)業(yè)抗旱技術(shù)

生態(tài)型旱作農(nóng)業(yè)從根本上說是理念和技術(shù)上的創(chuàng)新，與生物科學、環(huán)境科學、經(jīng)濟學、系統(tǒng)科學有著密切的聯(lián)系。生態(tài)型旱作農(nóng)業(yè)是技術(shù)密集型的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，其發(fā)展需要強大的農(nóng)業(yè)技術(shù)力量支撐。要探索生態(tài)型旱作農(nóng)業(yè)建設(shè)的評價體系、檢驗標準與技術(shù)規(guī)范；制定生態(tài)型旱作農(nóng)業(yè)與產(chǎn)品的標準、技術(shù)規(guī)范；組織開展基礎(chǔ)性研究和科技攻關(guān)，研究開發(fā)符合生態(tài)型旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求的栽培技術(shù)，為生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)提供理論支撐；建立健全抗逆、高產(chǎn)、高品質(zhì)的作物種質(zhì)資源，以及優(yōu)良品種研發(fā)、示范和推廣的技術(shù)體系，改變生物遺傳基因，獲得抗旱、抗病、高產(chǎn)的生物新品種[19]。

2.2.3 提高農(nóng)田的抗旱功能

2.2.4 繼承和發(fā)揚傳統(tǒng)耕作措施的抗旱功能

“精耕細作、節(jié)能低耗、維持生態(tài)平衡”等傳統(tǒng)旱作農(nóng)業(yè)措施優(yōu)點突出，應(yīng)當注意傳承和發(fā)揚。深耕深松、耙耱鎮(zhèn)壓、深施化肥等耕作措施是被長期生產(chǎn)實踐檢驗了的抗旱技術(shù)，要堅持繼承與開發(fā)結(jié)合，將單項耕作措施科學組裝成抗旱耕作技術(shù)措施體系，形成多功能、多方位的集保水、蓄水、調(diào)水、節(jié)水于一體的抗旱耕作機制。

3 生態(tài)型旱作農(nóng)業(yè)的技術(shù)體系

建立并推廣生態(tài)型旱作農(nóng)業(yè)的技術(shù)模式，逐步壓縮以地膜覆蓋栽培為主要措施的旱作農(nóng)業(yè)模式，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然要求。生態(tài)型旱作農(nóng)業(yè)的技術(shù)模式主要包括調(diào)整種植制度、選育抗旱品種、培育農(nóng)田抗旱能力、實施抗旱耕作等技術(shù)體系。

3.1 調(diào)整種植制度

抗旱耐旱能力較強的作物主要有林果、牧草、高粱、糜子、谷子等，可以擴大抗旱耐旱能力較強的作物面積，建立適應(yīng)旱作區(qū)資源稟賦的種植制度，通過作物自身的抗旱能力來抗御旱災(zāi)。

3.1.1 林果業(yè)

旱作區(qū)的氣候條件和光熱資源適宜林果業(yè)的發(fā)展，特別是黃土高原地區(qū)，因其光照充足、晝夜溫差大、土層疏松深厚，適合優(yōu)質(zhì)蘋果生產(chǎn)，已被確定為國家商品化蘋果生產(chǎn)基地[20]。發(fā)展林果業(yè)既能保護生態(tài)環(huán)境，又能使群眾得到更多收入，使生態(tài)環(huán)境保護與農(nóng)村經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展。據(jù)有關(guān)文獻報道，欠水年蘋果樹耗水層超過3 m，旱季虧缺的水量靠根系吸收深層土壤水分來補充，15年以下的果園0～5 m土層平均土壤干燥化指數(shù)為二級以下，屬于輕度干燥化[21]，說明林果業(yè)抗旱耐旱能力較強，符合旱作區(qū)的資源條件，發(fā)展?jié)摿^大，應(yīng)因地制宜擴大種植規(guī)模。

3.1.2 草產(chǎn)業(yè)

本文采用數(shù)值模擬方法, 計算了半模試驗段側(cè)壁簡化模型的附面層厚度, 分析了渦流發(fā)生器安裝角度、 結(jié)構(gòu)尺寸、 安裝位置、 個數(shù)等參數(shù)對減小附面層厚度的影響規(guī)律. 通過模擬各參數(shù)變化情況下渦流發(fā)生器的影響效果, 得到最優(yōu)的參數(shù)組合結(jié)果: 反向雙葉片分布的8個梯形葉片, 安裝角度12°, 安裝位置距旋心20δ, 后緣高度為1.2δ. 利用這種渦流發(fā)生器在Ma=0.4～0.9范圍內(nèi), 模型旋轉(zhuǎn)中心處的附面層厚度可減小66%左右, 其對核心流影響小于0.003.

牧草是耐旱耐瘠薄的生物種群，由于長期生長在惡劣的生態(tài)環(huán)境下，因而經(jīng)過漫長的歷史進化，形成了對虧水環(huán)境較強的適應(yīng)性和抵抗力。種植牧草能有效控制水土流失，提高土壤養(yǎng)分，使后茬作物顯著增產(chǎn)。旱作區(qū)大部分地處農(nóng)牧交錯區(qū)，該區(qū)域發(fā)展草產(chǎn)業(yè)既能利用干旱的資源稟賦，又能固沙固土建設(shè)生態(tài)環(huán)境，還能發(fā)展畜牧業(yè)增加農(nóng)民收入，因此草產(chǎn)業(yè)是實現(xiàn)生態(tài)效益和經(jīng)濟效益雙贏的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。要建立草糧兼顧型生態(tài)農(nóng)業(yè)，“藏糧于土”“藏糧于草”，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟、自然生態(tài)的相互協(xié)調(diào)與和諧發(fā)展[22]。

3.1.3 高 粱

種植露地高粱，經(jīng)濟收益高于全膜雙壟溝播玉米，且高粱秸稈單位質(zhì)量飼用價值與玉米秸稈相當，單位面積飼用產(chǎn)量高于全膜雙壟溝播玉米秸稈[10]。露地高粱生育期耗水量為362.5 mm，平均水分利用效率為26.6 kg/(mm·hm2)[23]，秋季全膜雙壟溝播玉米耗水量為318.3 mm[7]，平均水分利用效率為34.33 kg/(mm·hm2)[24]，兩者抗旱性能相近。從經(jīng)濟收益、秸稈飼用價值、抗旱性狀等方面來看，在海拔較低的旱作區(qū)可以通過種植露地高粱代替全膜雙壟溝播玉米[10]。

3.1.4 糜、谷

以黍(糜子)和粟(谷子)為主的旱作農(nóng)業(yè)在距今約8 000年前就出現(xiàn)在我國北方[25]，經(jīng)過長期在干旱逆境中的進化，它們均具備較強的抗旱耐瘠薄性能。糜子是禾谷類作物中水分利用率最高的，與玉米相比，具有低蒸騰、高水勢、高阻力的特性，整個生育期耗水251.8～262.8 mm[26]，低于全膜雙壟溝播玉米耗水量[6]，具有抗旱、抗逆和水分利用效率高等特點。谷子根系發(fā)達，葉片細窄，水分利用率高，蒸騰系數(shù)小[27]，是傳統(tǒng)的抗旱作物。糜、谷是旱作區(qū)主要的結(jié)構(gòu)調(diào)整作物，建議在海拔相對較高、露地高粱不能成熟或種植效益較低的旱作區(qū)，擴大露地糜子、谷子種植面積，壓縮全膜雙壟溝播玉米面積。

3.2 選育抗旱品種

良種在世界糧食增產(chǎn)中所起的作用為20%～30%，旱作區(qū)要把作物品種的抗旱性作為首位育種目標，加強抗旱性品種選育，以改變生物抗逆性來適應(yīng)干旱環(huán)境。要通過廣泛引進國內(nèi)外種質(zhì)資源、收集野生種質(zhì)材料、采用生物技術(shù)、開展遠緣雜交、利用各種射線誘發(fā)等途徑開發(fā)創(chuàng)新種質(zhì)資源，并進行鑒定、評價、改造、利用，篩選抗旱性能強的育種材料，開展遠緣雜交與染色體工程、植物雜種優(yōu)勢利用、植物組織培養(yǎng)與細胞工程育種、基因工程育種、誘變育種等育種研究，逐步把常規(guī)育種、生理育種、分子標記技術(shù)和基因工程相互結(jié)合，構(gòu)成一個完善的育種體系，創(chuàng)造一大批高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強的農(nóng)作物新品種。

3.3 培育農(nóng)田抗旱能力

土地的自然屬性是土壤水賴以存在的條件。工程措施與培肥措施結(jié)合改善土壤的基礎(chǔ)屬性，是提高土地抗旱能力的有效途徑。

3.3.1 興修農(nóng)田工程

梯田是治坡工程的主要內(nèi)容，通過地形的改變來控制水土流失、減少坡面泥沙下泄，同時還能提高土地生產(chǎn)力。通過修梯田、修地埂、挖魚鱗坑等工程措施，可提高土地的抗旱保墑能力。

3.3.2 培育土壤肥力

土壤水分入滲率、根層有效貯水量、土壤蒸發(fā)及作物蒸騰等與土壤密度、結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)含量等土壤性質(zhì)相關(guān)。有機肥能夠改善土壤化學性狀，降低土壤容重，增加土壤孔隙度和團粒結(jié)構(gòu)。化肥配施有機物料，與單施化肥相比，土壤有機碳增加，土壤養(yǎng)分狀況及土壤微生物學特性得到進一步改善，土壤容重呈緩慢下降趨勢[28]。因此，要通過增施農(nóng)家肥、農(nóng)作物秸稈還田[29]、適時復種綠肥作物及間作輪作等措施，有效快速提高土壤有機質(zhì)含量，熟化和培肥土壤，增強抗旱能力。

3.4 實施抗旱耕作

要重視繼承和發(fā)揚傳統(tǒng)的耕作技術(shù)，通過耕種措施抗旱減災(zāi)。一是大力推行以深松為主體的耕、旋、耙、壓相結(jié)合的整地技術(shù)。深耕后，土壤孔隙度、水分含量和耕層深度平均增加了1.3%、3.8%和71.4%[29]。要通過大型拖拉機深松翻耕，疏松土壤，打破犁底層，增加土壤的蓄滲水性能。耙耱能使土壤表層孔隙率增加，形成一個疏松的保護層，切斷上下毛管水的聯(lián)系，減少蒸發(fā)消耗，一般可減少水分蒸發(fā)的2%以上[30]。機械鎮(zhèn)壓能夠保墑、提墑，在0～20 cm的耕層內(nèi)，鎮(zhèn)壓的比不鎮(zhèn)壓的土壤含水量一般可提高5%～7%[30]。深耕、耙耱、鎮(zhèn)壓蓄水保水抗旱作用較大，且簡單易行，應(yīng)廣泛推廣應(yīng)用。二是從土壤墑情和氣象條件出發(fā)，因地因時制宜，應(yīng)用錯期播種、適時播種、因墑播種等方式，解決旱作區(qū)農(nóng)作物抓苗難的問題。