河北省典型缺水區(qū)適水型種植制度改革的討論

胡立峰,張繼宗，張立峰

(1.國家開放大學(xué)農(nóng)林醫(yī)藥教學(xué)部,北京 100039; 2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,河北 保定 071001)

1 河北水資源與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本背景

包括北京、天津的河北區(qū)域地處北溫帶，受太行山、燕山山脈對東南季風(fēng)阻滯作用，形成了太行山與燕山山前的迎風(fēng)坡半濕潤、山前平原半濕潤偏旱、黑龍港低平原與壩上高平原區(qū)半干旱的水資源環(huán)境[1]；加之河北又處于我國東南季風(fēng)北行的尾閭區(qū)，降水量年際與季節(jié)間寬幅波動，使干旱、洪澇成為影響區(qū)域作物穩(wěn)定生產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)水文災(zāi)害。20世紀(jì)70年代之前，河北黑龍港低平原地區(qū)“旱、澇、堿、咸、薄”[2]，壩上高平原地區(qū)“寒、旱、沙、堿、薄”曾是河北省區(qū)域農(nóng)業(yè)資源環(huán)境的基本特征[3]。

河北省耕地面積652.05萬hm2，其中冬小麥230萬hm2。全省水資源總量138.3億m3，其中地表水資源量60億m3，地下水資源量116.3億m3，重復(fù)計算量38億m3，人均水資源占有量184.5 m3(2017年)。河北省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受制于水土資源稟賦,長期自給不足，20世紀(jì)70年代末，全省人均占有糧食僅301 kg(1980年)[4]。為了開發(fā)相對優(yōu)越的光溫生產(chǎn)力，提高作物產(chǎn)量,自20世紀(jì)70年代黑龍港低平原地區(qū)開展了以打井灌溉為主的農(nóng)田水利化,實行了以冬小麥-夏玉米為核心的農(nóng)田生產(chǎn)兩熟化的耕作制度改革[5]；在壩上高平原區(qū)，自20世紀(jì)80年代末繼“壩上生態(tài)建設(shè)工程”后，90年代末實施了大規(guī)模的打井開采淺層水、種植喜涼蔬菜的市場型農(nóng)田生產(chǎn)結(jié)構(gòu)[6]。以地下水灌溉所支撐的集約化作物生產(chǎn)，在低平原區(qū)實現(xiàn)了“噸糧田”[7](世界同緯度地區(qū)最高的耕地單產(chǎn))，在高平原地區(qū)形成了“冷涼蔬菜基地”[8](中國最大的夏秋季北菜南運基地)。這兩個地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，為河北地區(qū)食物的自足生產(chǎn)與全國食物的穩(wěn)定、高效供給發(fā)揮了重要作用。

河北平原區(qū)隨著水澆地的發(fā)展，地下水以年均0.34 m的速度下降，2000年地下水開采量達164.2億m3；從1980—2000年，地下水年均超采46.0億m3，約占全國地下水超采量的1/3，形成約4萬km2的地下水漏斗區(qū)[9]。低于臨界水位的土地逐漸走向脫鹽化[6]，鹽堿地面積縮減，作物產(chǎn)量同步快速提高。據(jù)統(tǒng)計，河北省用占全國0.5%的水資源、4.8%的耕地面積，生產(chǎn)了占全國5.6%的糧食產(chǎn)量(2017年)(表1)，成為全國水資源超載率最高的地區(qū)；持續(xù)的地下水超采，快速降低了地下水位，形成了全球最大的連片地下水漏斗區(qū)[10-11]。在壩上高平原區(qū)，隨著打井與補水地的建設(shè)，以大白菜、白蘿卜、圓白菜、西蘭花、架蕓豆等為主的喜涼蔬菜，以占區(qū)域5%的耕地面積，生產(chǎn)了農(nóng)民1/4～1/3的經(jīng)濟收入，地下水同樣快速下降[12]，直接影響著京津等下游地區(qū)水資源的安全。河北省地下水供水量已占了用水量的78.5%(2000年)[9]，地下水資源的超采與耗竭，不僅加重了本區(qū)農(nóng)業(yè)再生產(chǎn)的負(fù)擔(dān)，而且嚴(yán)重威脅著毗鄰的京津地區(qū)的生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟發(fā)展，成為華北的心腹之痛。2017年河北省水資源公報顯示，農(nóng)業(yè)灌溉用水量占了全省總用水量的63.0%[13]。因此，以降低水資源消耗量為核心的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)方式的戰(zhàn)略性調(diào)整成為大勢所趨。

表1 河北省水土資源與支撐的糧食產(chǎn)量、人口比較

2 缺水區(qū)適水種植制度思路

社會生產(chǎn)的進步是生產(chǎn)的分工與合作協(xié)同發(fā)展的過程。對于具有顯著的地域性、季節(jié)性與自然資源依賴性的農(nóng)業(yè)來講，農(nóng)產(chǎn)品的區(qū)域與時域分工性生產(chǎn)是自給自足農(nóng)業(yè)完成之后，進入市場性農(nóng)業(yè)必然的進步過程。圍繞著糧食生產(chǎn)，河北省走過了一條農(nóng)田灌溉化、種植多熟化、結(jié)構(gòu)單一化、品種耐肥化的集約農(nóng)作之路。按照生產(chǎn)進步的分工-合作原則[14-15]，農(nóng)業(yè)朝著集約化與簡約化兩個方向的發(fā)展，應(yīng)成為農(nóng)業(yè)進步的根本機制(圖1)。

圖1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的集約化-簡約化進步圖示Fig.1 The progress way of agricultural production in intensification-simplification pattern

對于同一區(qū)域不同的農(nóng)產(chǎn)品類型來講，忌儲運產(chǎn)品如蔬菜、水果、花卉等更適于集約化生產(chǎn)，而耐儲運產(chǎn)品如小麥、玉米、棉花等更適于簡約化生產(chǎn)?；趨^(qū)域間生產(chǎn)合作的原則[16]，本區(qū)域適宜的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)類型，將直接取決于其比較經(jīng)濟優(yōu)勢。因此，在目前生產(chǎn)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，尋求更為集約化與更為簡約化的農(nóng)作發(fā)展方向與技術(shù)，成為區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進步的基礎(chǔ)。在河北省水資源匱乏地區(qū)，選擇耐旱作物與品種，農(nóng)田雨養(yǎng)旱作化、多作輪種與休耕成為農(nóng)田適水種植、簡約化生產(chǎn)的進步方向。

為促進耕地休養(yǎng)生息和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，2016年農(nóng)業(yè)部印發(fā)了《探索實行耕地輪作休耕制度試點方案》，在河北省嚴(yán)重干旱缺水的黑龍港地下水漏斗區(qū)連續(xù)多年實施季節(jié)性休耕，實行“一季休耕、一季雨養(yǎng)”生產(chǎn)；在北方農(nóng)牧交錯區(qū)開展“一主四輔”輪作種植，發(fā)揮豆科作物根瘤固氮養(yǎng)地作用，提高土壤肥力[17]。

休耕是指在能夠種植作物的田塊上與季節(jié)內(nèi)不進行作物生產(chǎn)，只進行地力恢復(fù)作業(yè)的耕地管理方式。休耕方式包括耕地全年休耕與多熟地區(qū)的季節(jié)性休耕。休耕多用于由于頻耕多種(多熟種植)而引發(fā)的農(nóng)田生產(chǎn)資源耗竭與環(huán)境破壞的恢復(fù)與重建過程，如在水土流失、水養(yǎng)耗竭、土壤污染的耕地，以及農(nóng)田生產(chǎn)的資源環(huán)境難以承載之境況。休耕的實施可分戰(zhàn)術(shù)性與戰(zhàn)略性休耕。戰(zhàn)術(shù)性的休耕，通常作為農(nóng)作技術(shù)滿足短期的恢復(fù)農(nóng)田土壤養(yǎng)分與水分、防除病蟲雜草等需求；而戰(zhàn)略性的休耕，則需要進行農(nóng)作制度的調(diào)整與改革，以適應(yīng)業(yè)已質(zhì)變的社會需求或生產(chǎn)資源支撐條件。河北省黑龍港低平原區(qū)的農(nóng)田休耕，屬于后者。

輪作是指在同一田塊上，將幾種不同的作物，按照一定的順序輪換種植的方式。輪作包括年內(nèi)作物輪作與年間作物輪作，多作物輪種生產(chǎn)對小規(guī)模經(jīng)濟下滿足農(nóng)產(chǎn)品多樣化的自給自足需求發(fā)揮了積極的作用。輪作多用于解決由于長期連作而引發(fā)的兩類作物再生產(chǎn)障礙。其一是有害生物脅迫，如土傳病害與蟲害、雜草猖獗等；其二是土壤肥力耗損，如土壤水分、養(yǎng)分等肥力因素的耗竭導(dǎo)致的作物生產(chǎn)效率降低，土壤風(fēng)蝕、水蝕導(dǎo)致的土壤肥力條件變劣等。河北省壩上高平原區(qū)的農(nóng)田休耕與輪作屬于后者。

多熟與連作種植，其根本的作用在于最為充分地利用周年的自然地氣資源，與充裕的社會經(jīng)濟資源，以滿足亢進的社會需求，當(dāng)然這一種植方式在經(jīng)濟上應(yīng)是有效率的。從農(nóng)業(yè)的發(fā)展史看，多熟與連作種植對于我們這樣一個人多地少的國家快速增加食物產(chǎn)量，滿足多元化的社會需求是發(fā)揮了巨大作用的[18]。如今,河北省面對著地下水耗竭生產(chǎn)的資源障礙與高經(jīng)濟成本而導(dǎo)致的農(nóng)產(chǎn)品相對過剩性生產(chǎn)問題，農(nóng)田生產(chǎn)制度需要進行歷史性、戰(zhàn)略性的轉(zhuǎn)變，建立河北省水資源適水種植制度勢在必然。

3 適水種植制度與技術(shù)策略

面對河北省資源型缺水的自然稟賦與農(nóng)田超載低效生產(chǎn)的局面，按照《中共中央國務(wù)院關(guān)于實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》(2018)要推進鄉(xiāng)村綠色發(fā)展，打造人與自然和諧共生發(fā)展的新格局；有序退出超載的邊際產(chǎn)能，擴大耕地輪作休耕制度試點的要求，建立河北省適水型種植制度至為重要。

3.1 縮減冬小麥種植面積，降低熟制

冬小麥在河北黑龍港低平原區(qū)具有很好的光熱生態(tài)適應(yīng)性，其水分利用效率(WUE)已達15 kg·mm-1·hm-2[9]，在土下微膜全田覆蓋條件下甚至高達 25.2～25.4 kg·mm-1· hm-2[19]，但畢竟冬小麥消耗了農(nóng)田70%以上的灌溉水量[20]。因此，從作物生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性節(jié)水方面考慮，由“冬小麥-夏玉米”一年兩熟調(diào)整為“春作物→冬小麥-夏作物”兩年三熟種植制度，春作物一熟年份實行“一季休耕、一季雨養(yǎng)”生產(chǎn)[17]，是減少開采地下水的首選技術(shù)。

河北省地處我國一年一熟區(qū)的南界、一年兩熟區(qū)的北界，積溫與降水不足一直是區(qū)域作物兩熟生產(chǎn)的“瓶頸”約束，不僅限制了作物產(chǎn)量，而且影響了營養(yǎng)品質(zhì)。我們預(yù)想，由一熟玉米的簡約化生產(chǎn)代替冬小麥-夏玉米兩熟生產(chǎn)，就可選擇生育期長的玉米類型與品種，預(yù)期獲得比夏玉米更高的產(chǎn)量與品質(zhì)(表2)。如美國非灌溉田玉米產(chǎn)量達到24 358.5 kg·hm-2(2018)[21]，我國“登海618”春玉米攻關(guān)田產(chǎn)量達22 676 kg·hm-2(2013)[22]，成為春玉米每666.7 m2產(chǎn)量“一熟噸糧田”的實例。相應(yīng)兩年三熟的夏玉米，除了可選擇生育期稍長的品種以提高玉米產(chǎn)量，或者晚收獲而提高玉米的品質(zhì)外，還可用于青飼玉米生產(chǎn)，通過畜牧業(yè)的加工實現(xiàn)玉米生產(chǎn)的增值，由此啟動農(nóng)牧結(jié)合甚或“為牧而農(nóng)” 的新型農(nóng)業(yè)制度。如此，爭取每666.7 m2產(chǎn)量在1 t基礎(chǔ)上，兩年三熟年均耗水量有望降至700 mm以下，較一年兩熟生產(chǎn)[19]年節(jié)水約100～150 mm。而最為關(guān)鍵的限制是如何消除超長生育期(130～140 d)的春玉米品種覆膜保水條件下后期增溫的不利影響[23]，以及可資利用的高效地面覆蓋減蒸措施。

3.2 田間覆蓋，集水保水

依靠自然降水的雨養(yǎng)農(nóng)作，以提高降水土壤儲蓄率、土壤水分利用效率為要。田間覆蓋具有顯著影響土壤水分儲蓄與蒸發(fā)的作用。冀中平原采用冬小麥秸稈覆蓋的高產(chǎn)夏玉米田，田間耗水量相當(dāng)于未覆蓋玉米田耗水量的11.2%～15.3%[24-25]，全生育期總節(jié)水量可達33.1～68.6 mm；西北黃土旱塬半濕潤偏旱區(qū)不同降水年型下，采用全膜雙壟覆蓋溝播玉米，玉米產(chǎn)量與水分利用效率分別較露地栽培提高17.8%～91%和23.1%～85%[26]。

壟部覆膜、溝部種植，可將<5 mm的無效降水集聚于溝部而滲入土壤，成為有效降水，因此是雨養(yǎng)農(nóng)作的一項有效技術(shù)。本課題組在河北省壩上高平原區(qū)作物生育期平均降水量270 mm的草甸栗鈣土田進行的覆膜方式對飼用玉米水分利用試驗研究表明(表3)，地膜覆蓋的集水與保水效果顯著促進了玉米生育，提高了玉米產(chǎn)量與水分利用效率。在豐水年，雙壟溝覆膜玉米較露地栽培增產(chǎn)67.2%，相應(yīng)水分利用效率較露地提高了87.5%，覆膜處理相當(dāng)于較露地多供水232.1 mm。在偏旱年，雙壟溝覆膜增產(chǎn)51.5%，水分利用效率提高60.3%，相當(dāng)于較露地多供水121.0 mm。

表2 春玉米→冬小麥-夏玉米種植制度的預(yù)期生產(chǎn)效果

表3 不同覆膜處理飼用玉米耗水量、產(chǎn)量及水分利用效率

秸稈覆蓋在低溫環(huán)境下如華北平原冬麥田，由于降低土溫而致小麥減產(chǎn)[27],地膜覆蓋在黃土高原半干旱雨養(yǎng)條件下由于促進了作物前期發(fā)育而致玉米抽雄期提早到旱季，影響結(jié)實而造成減產(chǎn)[28]，甚或在高溫環(huán)境下覆膜直接危害作物幼苗發(fā)育等，成為覆蓋栽培方法面臨的障礙。探索新型的田間覆蓋方式與適用作物，如水泥硬殼覆蓋[29]、土下地膜覆蓋[30]，以及主動集雨-節(jié)水灌溉的集約生產(chǎn)方式，對于拓展農(nóng)田集水、節(jié)水保水與高效用水技術(shù)有重要的意義。

3.3 選配適水型作物，轉(zhuǎn)型質(zhì)量化生產(chǎn)

3.3.1 選配適水作物 在黑龍港低平原區(qū)，隨著冬小麥面積的減少，為發(fā)展具有無限開花習(xí)性的棉花、花生、大豆，以及有較好抗旱特性的谷子、高粱等一熟作物，充分利用區(qū)域充沛的光熱資源與干旱環(huán)境生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品創(chuàng)造了季節(jié)資源，也為多作物輪種與資源高效生產(chǎn)提供了作物基礎(chǔ)。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)吳橋?qū)嶒炚驹谝x春花生的基礎(chǔ)上，集成創(chuàng)新了輕簡機械化栽培技術(shù)，采用“覆膜壟作高產(chǎn)栽培模式”，創(chuàng)造了單產(chǎn)6 508 kg·hm-2的黑龍港低平原區(qū)高產(chǎn)紀(jì)錄，實現(xiàn)花生平均產(chǎn)量5 898 kg·hm-2，產(chǎn)值45 000元·hm-2的生產(chǎn)效果[31]。與傳統(tǒng)的冬小麥—夏玉米種植結(jié)構(gòu)相比，這項技術(shù)既提高了單位面積的產(chǎn)值，又在一定程度上減少了對地下水資源的消耗[32]，是地下水超壓采區(qū)重要的兩熟生產(chǎn)的有效替代技術(shù)方案。

在壩上高平原區(qū)，傳統(tǒng)的自給生產(chǎn)已逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌鲂娃r(nóng)業(yè)生產(chǎn)。本課題組研究表明，利用冷涼氣候雨養(yǎng)種植低芥酸、低硫甙的“雙低”甘藍型油菜籽“華油雜62”(表4)，不僅品質(zhì)優(yōu)于當(dāng)?shù)亟娌诵陀筒恕按簏S”，而且油菜籽產(chǎn)量提高了65.7%，相比當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)油料作物亞麻，其產(chǎn)量也提高了40.3%。新型油料作物甘藍型油菜籽的利用，不僅豐富了壩上地區(qū)作物倒茬類型，而且能夠有效替代高耗水作物馬鈴薯的生產(chǎn)。

3.3.2 保證安全成苗率，提高補水生產(chǎn)技術(shù) 雨養(yǎng)旱作的最大問題是生產(chǎn)的不穩(wěn)定性，土壤干旱導(dǎo)致春季播種難以適時與安全成苗，夏秋降水時間與數(shù)量的寬幅變異使得農(nóng)田投入轉(zhuǎn)化效率低。因此，提高補水生產(chǎn)技術(shù)是農(nóng)田高產(chǎn)、高效的前提。

在壩上地區(qū)，甜菜作為主要的經(jīng)濟作物，秧苗移栽的成活率與壯苗率是決定甜菜產(chǎn)量的最關(guān)鍵因素。本課題組2012年(降水量373.4 mm)試驗表明，在壤質(zhì)草甸栗鈣土農(nóng)田，移栽時每株補水量100 ml即可保障甜菜全部成活，即使在補水量50 ml情況下，較未補水甜菜成活率也能提高58.34%。實現(xiàn)壯苗則需補水100～150 ml·株-1，較未補水甜菜塊根產(chǎn)量提高68.78%～81.82%，糖產(chǎn)量提高69.27%～81.82%(表5)

3.3.3 由追求高產(chǎn)轉(zhuǎn)為優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)

(1)提高農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。由傳統(tǒng)追求農(nóng)產(chǎn)品高產(chǎn)轉(zhuǎn)向優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)，這不僅是由目前我國食物生產(chǎn)的國際環(huán)境所決定的，而且也是河北省在京津冀一體化背景下農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的一次重要機遇。在黑龍港低平原區(qū)，發(fā)揮區(qū)域充沛的光熱資源優(yōu)勢與旱境條件，生產(chǎn)旱作花生、大豆、棉花、高粱等工業(yè)原料作物，以及與區(qū)域雨熱同步的多年生果樹、飼草作物等，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)增收。在壩上高平原地區(qū)，簡約化地雨養(yǎng)生產(chǎn)糖用甜菜、淀粉馬鈴薯、油菜籽，以及飼用玉米、飼用莜麥、飼用谷子等，通過工業(yè)與畜牧業(yè)加工拉長產(chǎn)業(yè)鏈；創(chuàng)新發(fā)展集約化的大棚雨養(yǎng)節(jié)灌無害蔬菜生產(chǎn)技術(shù)，促進農(nóng)業(yè)增值。

表4 壩上栗鈣土田油菜籽品比產(chǎn)量

表5 草甸栗鈣土農(nóng)田補水移栽甜菜苗期的生長狀況及產(chǎn)量品質(zhì)變化

(2)提高勞動生產(chǎn)效率。農(nóng)業(yè)的專業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化水平低，直接導(dǎo)致了農(nóng)產(chǎn)品的成本高、效益低，而本質(zhì)的癥結(jié)在于勞動效率低。由農(nóng)戶合作(或托管)而組織的大規(guī)模農(nóng)田生產(chǎn)，由機械化與智能化組成的大規(guī)模機械作業(yè)，由職業(yè)化農(nóng)民實施的農(nóng)場化生產(chǎn)經(jīng)營，不僅是提高農(nóng)業(yè)勞動效率的要求，而且也是此次河北省農(nóng)業(yè)旱作化轉(zhuǎn)型中必經(jīng)的過程。這對于向簡約化生產(chǎn)方向發(fā)展的河北省黑龍港低平原區(qū)與壩上高平原區(qū)的產(chǎn)業(yè)升級更為重要。本課題組通過對華北寒旱區(qū)典型村莊定點監(jiān)測表明，農(nóng)村人口的非農(nóng)轉(zhuǎn)移逐年增加，1999年至2008年，9年間人口的非農(nóng)化轉(zhuǎn)移36.9%，并且勞動力成本已上升到經(jīng)濟作物(蔬菜)生產(chǎn)總成本的50%左右[33]。經(jīng)濟作物的生產(chǎn)典型地伴隨機械化與智能化農(nóng)田作業(yè)過程的實現(xiàn)，將進一步解放出更多的農(nóng)村勞動力，促進其向非農(nóng)產(chǎn)業(yè)或城市化的轉(zhuǎn)移，提高社會組織化水平，提高勞動力效率，提高農(nóng)民收入。

(3)開發(fā)優(yōu)質(zhì)環(huán)境產(chǎn)品。面對地下水耗竭的資源環(huán)境問題，以旱作化為核心的種植制度改革勢在必行。在這一資源環(huán)境的恢復(fù)與重建過程中，開發(fā)符合新的社會需求的優(yōu)質(zhì)環(huán)境產(chǎn)品，以實現(xiàn)對高耗水生產(chǎn)的等效或優(yōu)效替代，是農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要途徑。開發(fā)以優(yōu)質(zhì)環(huán)境為依托的地標(biāo)性產(chǎn)品，如以低平原區(qū)桃園為依托的春賞桃花夏采摘[34]，以壩上夏秋涼爽、花田草海為依托的休閑游憩[35]以及無病蟲危害、無農(nóng)藥施用的壩上無害果菜生產(chǎn)等，成為生態(tài)優(yōu)先背景下滿足社會迫切需求的優(yōu)質(zhì)綠色產(chǎn)品生產(chǎn)的重要方向 。