現(xiàn)代農(nóng)業(yè)雙優(yōu)工程試驗原理與方法
——以毛烏素沙地為例

王永生 ，李玉恒 ，劉彥隨 ,

（1. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；2. 中國科學(xué)院區(qū)域可持續(xù)發(fā)展分析與模擬重點實驗室，北京 100101；3. 中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049）

一、研究背景與進展

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在生產(chǎn)資源與需求、農(nóng)業(yè)人口與勞動力、基礎(chǔ)設(shè)施與自然災(zāi)害、產(chǎn)品總量與結(jié)構(gòu)、經(jīng)營成本與效益等突出矛盾和挑戰(zhàn)，需要加快構(gòu)建與資源環(huán)境承載力相匹配的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。土地是人類賴以生存與發(fā)展的重要資源和物質(zhì)基礎(chǔ)，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展依賴于健康、生態(tài)、高效的土地。然而，快速工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程使土地資源可持續(xù)利用面臨一系列問題，城市大幅擴張造成農(nóng)地非農(nóng)化、鄉(xiāng)村無序建設(shè)導(dǎo)致土地廢棄化、污染亂排引起土地污損化，優(yōu)質(zhì)耕地數(shù)量不斷減少[1]。其次，土地沙化、鹽堿化及水土流失化趨勢尚未得到根本性扭轉(zhuǎn)，亟需推進土地開發(fā)、利用和整治的集約化、工程化和技術(shù)化，為實現(xiàn)土地資源數(shù)量管理、質(zhì)量管控和生態(tài)管護提供科技支撐[2,3]。

“三深一土”科技創(chuàng)新戰(zhàn)略強調(diào)土地工程技術(shù)在耕地質(zhì)量提升、退化土地治理、荒廢土地利用與土地生態(tài)修復(fù)中的重要作用，提出要強化土地整治的工程化、生態(tài)化技術(shù)應(yīng)用。從區(qū)域?qū)用婵矗恋卣伟ɑ巨r(nóng)田建設(shè)整治區(qū)、農(nóng)用地綜合整治區(qū)、農(nóng)村居民點整治區(qū)、未利用及退化用地整治區(qū)[4]。近年來，土地整治的工程實踐不斷創(chuàng)新與發(fā)展，包括田塊整形、農(nóng)田水利和田間道路等高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)、農(nóng)村空廢識別拆除與農(nóng)田本底營造[5,6]、沙地與紅膠土（砒砂巖）復(fù)配成土[7]、黃土丘陵區(qū)治溝造地[8]、喀斯特區(qū)域石漠化綜合治理[9]、鹽堿地“改排為蓄”模式利用[10]。土地整治工程也從增加耕地面積轉(zhuǎn)變?yōu)樘嵘刭|(zhì)量，從優(yōu)化土地功能轉(zhuǎn)變?yōu)楦纳仆恋亟Y(jié)構(gòu)。但消除土地利用的結(jié)構(gòu)性障礙，改良作物生長的“水土氣生”環(huán)境，為不同作物生長需求提供最適宜的“土地配方”，實現(xiàn)問題土地的“訂單式整治”仍是當(dāng)前面臨的主要問題。

當(dāng)前，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢包括依托海洋資源開發(fā)的藍色農(nóng)業(yè)、依托工廠微生物資源的白色農(nóng)業(yè)、依托動植物遺傳和轉(zhuǎn)基因技術(shù)的分子農(nóng)業(yè)、依托航天技術(shù)改變動植物遺傳技術(shù)的太空農(nóng)業(yè)。作物品種的改良是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，也是滿足人類糧食需求的重要手段[11]。破解水土資源約束和退化，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的根本。超級稻在安徽省大面積減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)的根本原因在于作物適應(yīng)性問題，缺少良種良田和農(nóng)藝農(nóng)技等相關(guān)研究。因此，將作物的生理適應(yīng)性與土壤的生態(tài)適宜性相結(jié)合，提升良種與良田的耦合度，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

干旱及半干旱區(qū)域擁有全球41%的陸地面積和38%的人口，受到氣候變化和土地退化的雙重威脅[12]。中國是土地退化和沙化最嚴(yán)重的國家之一，截至2104年，我國沙化土地面積為1.721×106km2，主要分布在北方的農(nóng)牧交錯區(qū)和西北干旱區(qū)[13]，嚴(yán)重?fù)p害生態(tài)環(huán)境、自然資源、社會經(jīng)濟及人類生活。我國農(nóng)牧交錯區(qū)主要為風(fēng)沙土覆蓋區(qū)和黃土覆蓋區(qū)，風(fēng)沙區(qū)土壤貧瘠，松散易流動，黃土區(qū)結(jié)構(gòu)疏松，溝壑縱橫。水土資源供需矛盾的不斷加劇，成為限制農(nóng)牧交錯區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要障礙[14]。受自然環(huán)境和人為因素影響，土地沙化嚴(yán)重、耕地面積減少、生產(chǎn)力下降、農(nóng)村貧困化加劇[15]。農(nóng)牧交錯區(qū)退化土地整治，對于補充耕地資源、緩解人地關(guān)系、農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效和農(nóng)民增收具有重要意義。因此，本研究通過對農(nóng)牧交錯區(qū)沙化土地整治工程的綜述，提出土體優(yōu)配和作物優(yōu)選的沙化土地訂單整治思路，基于“中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所現(xiàn)代農(nóng)業(yè)雙優(yōu)工程試驗站”的研究內(nèi)容及初步結(jié)果，從宏觀的人地關(guān)系到微觀的作土關(guān)系，探討農(nóng)牧交錯區(qū)沙化土地整治與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的耦合發(fā)展模式。

土壤顆粒組成是土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的重要表征，土地沙化的核心問題是砂粒含量過高，缺少粉粒和黏粒。沙化土地質(zhì)地松散，土粒間隙大，保水保肥能力差，最有效的整治策略是進行質(zhì)地改良，改善沙化土地的土粒結(jié)構(gòu)和土層結(jié)構(gòu)[16]。增加沙化土地的保水性，是沙化土地持續(xù)利用的關(guān)鍵，但大多數(shù)措施均未從沙化土地的結(jié)構(gòu)性問題入手，應(yīng)用推廣難度大。秸稈、碎石和塑料薄膜等覆蓋措施費時費力；化學(xué)保水劑成本高，而且其中的高分子聚合材料存在環(huán)境污染風(fēng)險；城市污泥、湖泊底泥等物質(zhì)養(yǎng)分含量較高，但來源有限、重金屬含量超標(biāo)；木屑、秸稈、火山灰等物質(zhì)不存在環(huán)境污染風(fēng)險，但持續(xù)保水能力有限，無法大面積推廣[17]。客土法是較為常見的沙化土地整治措施之一，利用黃土改良沙地，能顯著增加土壤持水性、有機質(zhì)和有效氮含量[18,19]。Han等[20]提出將毛烏素沙地境內(nèi)豐富的砒砂巖和沙混合，利用其物理互補性，復(fù)配成為新型“土壤”，砒砂巖與風(fēng)成沙的復(fù)配比例在1∶2～1∶5范圍內(nèi)，復(fù)配土壤的結(jié)構(gòu)和質(zhì)地顯著改善，生產(chǎn)力得到顯著提升。易志堅團隊[21]研究發(fā)現(xiàn)，向沙中添加植物性纖維黏合劑，使沙粒之間重新獲得萬向結(jié)合約束力，使“沙漠土壤化”，成為植物生長的理想載體，但因缺少觀測數(shù)據(jù)支撐、成本高、環(huán)境污染風(fēng)險等問題，爭議不斷。土壤剖面中砂土層、壤土層或黏土層的厚度及其在剖面中所處的部位對水分運動和肥力發(fā)揮具有重要的作用[16]，對于農(nóng)牧交錯區(qū)沙化土地土層結(jié)構(gòu)的改良研究亟待開展。

沙化土地整治利用是一項系統(tǒng)工程，土粒及土體結(jié)構(gòu)的改善與農(nóng)藝措施的結(jié)合，土壤性質(zhì)與種植結(jié)構(gòu)的合理匹配是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和水土資源保護的關(guān)鍵[9,22]。目前，大多數(shù)研究還局限于理論構(gòu)思和試驗?zāi)M，缺少田間試驗數(shù)據(jù)的支撐和內(nèi)在機制的探討。毛烏素沙地區(qū)域的研究表明，砒砂巖與沙復(fù)配成土后，通過耕作、增施有機肥、種植綠肥、添加營養(yǎng)物質(zhì)、生物肥料等物理、化學(xué)和生物途徑，加速新造土壤熟化和培肥過程[7]。不同作物在復(fù)配土壤中的種植適宜性結(jié)果表明，小麥、玉米和大豆在砒砂巖與沙混合比例為1∶2時產(chǎn)量最高，馬鈴薯在砒砂巖和沙混合比例為1∶5時產(chǎn)量最高[20]。通過砒砂巖與沙復(fù)配土壤的水肥利用效率評價，Wang等[23]分別提出了干旱年份、中水年份和濕潤年份的灌溉和施肥策略，在復(fù)配土壤上種植馬鈴薯，并進行節(jié)水灌溉，可節(jié)約用水61%[7]。2016年，在陜西榆林召開的首屆現(xiàn)代農(nóng)業(yè)土地工程技術(shù)專家研討會上，提出了土地整治良田優(yōu)配與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)良種優(yōu)選的耦合關(guān)系，提出了推進創(chuàng)新符合我國國情特點、農(nóng)牧交錯區(qū)地域特色的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)雙優(yōu)工程技術(shù)體系的思考和對策。

二、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)雙優(yōu)工程試驗

（一）工程試驗設(shè)計

試驗站位于陜西省榆林市榆陽區(qū)牛家梁鎮(zhèn)榆卜界村（38°22′43″ N，109°26′05″ E），坐落在榆林現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范區(qū)（國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)）。試驗區(qū)東西長125 m，南北寬65 m，總面積約為0.8 hm2。榆林市北部為風(fēng)沙草灘區(qū)，南部為黃土丘陵溝壑區(qū)，分別占榆林市總面積的42%和58%。其中，沙地面積為5.3×106hm2，約占榆林市未利用土地面積的91.65%。研究區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫和降水分別為8.1 ℃和413.9 mm。研究區(qū)有豐富的地下水資源，河床底下20 m左右擁有豐富的地下水流，光照資源豐富、熱量充足，因此，2103年，榆林被認(rèn)定為陜西省第二糧倉的重要建設(shè)基地。

圖1 毛烏素沙地周邊紅黏土資源分布

試驗區(qū)原始土質(zhì)為天然沙地，風(fēng)蝕嚴(yán)重，主要由石英等礦物組成，土壤粒徑組成以砂粒為主。在我國北方第四季黃土-古土壤序列下，普遍發(fā)育了一套晚第三紀(jì)的北方紅黏土，分布范圍遍及整個黃土高原（見圖1），厚度穩(wěn)定在50～70 m之間，榆林佳縣的紅黏土厚度為65 m[24]。紅黏土的成土母質(zhì)是第三紀(jì)紅色黏土，覆蓋于黏土上的黃土層因水土流失侵蝕殆盡后，黏土層露出地表。紅黏土質(zhì)地黏重、通氣性差，暴露在地面時表面容易龜裂，紅黏土粒徑與黃土相當(dāng)，與黃土相比沒有濕陷性，主要用于磚瓦燒制。黃土是在干燥氣候條件下形成的多孔性具有柱狀節(jié)理的黃色粉性土，在遇水1～2 min內(nèi)發(fā)生塌陷[25]。在榆林市長城沿線附近，紅黏土、黃土和砂土呈不連續(xù)分布狀，紅黏土在毛烏素沙地邊緣及內(nèi)部廣泛分布（見圖1），為沙地結(jié)構(gòu)改良提供了材料，而且運輸距離短、成本低。

（二）土體優(yōu)配原理

土壤顆粒是構(gòu)成土壤固相骨架的基本顆粒，土粒的大小和排列方式對土壤水、肥、氣、熱狀況及土壤微生物有著重要影響和制約，土壤顆粒分級標(biāo)準(zhǔn)主要包括石礫、砂粒、粉粒和黏粒[16]。沙化土地因缺少黏粒和有機質(zhì)，不能黏結(jié)為微團聚體和大團聚體，保水保肥性弱，不利于作物生長。沙化土地結(jié)構(gòu)的改良主要包括土壤顆粒重組、土體結(jié)構(gòu)改良和土壤肥力提升?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)雙優(yōu)工程試驗利用砂粒與粉粒、砂粒與黏粒的物理互補性，在毛烏素沙地周圍選取粉粒和黏粒作為沙地顆粒重組的原材料。將大小適當(dāng)?shù)姆哿；蝠ち８采w在平整的沙地上，并在粉粒或黏粒上覆蓋砂粒，通過翻耕，使砂粒和粉?；蝠ち３浞只旌?，使表層土壤質(zhì)地由砂土轉(zhuǎn)變?yōu)樯胺弁粱蛑猩巴?，土壤顆粒大小適宜（見圖2）。本研究選取毛烏素沙地周圍30 km范圍內(nèi)廣泛存在的紅黏土和黃土作為黏粒和粉粒，按照體積比為 1∶1、1∶2、1∶3和 1∶5，將沙地與紅黏土、沙地與黃土分別混合，同時設(shè)置純沙地、純紅黏土和純黃土處理，作為對照（見圖3）。

以1∶1砂土和紅黏土復(fù)配為例，為確保復(fù)配后的新造土體結(jié)構(gòu)合理，應(yīng)將大塊的紅黏土拍壓粉碎為0～5 cm的塊狀，使微小的顆粒填充砂粒之間的空隙，較大的土塊可與砂粒結(jié)合成為團聚體。為確保混合后的土壤層次合理，在平整后的沙地上部覆蓋30 cm的紅黏土，然后在紅黏土上方繼續(xù)覆蓋15 cm的原始沙土，利用深耕機械（翻耕深度約為30 cm）多次翻耕，使沙土與底部15 cm的紅黏土充分混合，形成耕作層土壤，土體中部剩余的15 cm的紅黏土作為保水保肥層（見圖2）。新復(fù)配的耕作層土壤養(yǎng)分含量較低，應(yīng)通過施用有機肥和化肥提升土壤養(yǎng)分的庫容，使貧瘠的復(fù)配土壤變?yōu)轲B(yǎng)分庫容適當(dāng)、結(jié)構(gòu)合理的土壤。在種植作物前增施腐熟的雞糞15～20 m3/hm2，并及時翻耕，促進土壤快速熟化。根據(jù)作物種植種類，按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量的1.5倍施用氮、磷、鉀肥料，提高土壤養(yǎng)分。按照該施肥量種植2～3年后，可遵照當(dāng)?shù)氐氖┓柿颗c施肥方法進行作物種植。

沙化土地整治的投入主要來源于復(fù)配材料，沙地平整、覆蓋，有機肥，深耕等環(huán)節(jié)。從沙化土地整治投入的結(jié)構(gòu)來看，復(fù)配材料方面的投入最高。其中，紅黏土和黃土的價格分別為30元/m3和20元/m3，紅黏土對沙化土地進行改良整治的總投入高于黃土。在不同復(fù)配比例下，利用紅黏土和黃土分別與沙復(fù)配成土的費用為67 200～97 200元/ hm2和 47 200～67 200 元 / hm2（見表 1）。

圖2 毛烏素沙地土體優(yōu)配結(jié)構(gòu)

（三）作物優(yōu)選方法

各種作物的生物學(xué)特性和耕作栽培要求不同，所需的土壤條件也不同。因此，匹配作物的生理適應(yīng)性與土壤的生態(tài)適宜性，充分發(fā)揮良種的優(yōu)越性，是實現(xiàn)問題土地整治利用的關(guān)鍵。本研究選取當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)作物玉米、馬鈴薯和大豆作為研究對象，試驗小區(qū)分布圖，如圖3所示。通過試驗觀測、監(jiān)測和對比不同復(fù)配方案中玉米、馬鈴薯和大豆的長勢及產(chǎn)量情況，優(yōu)選適宜不同作物生長的最佳復(fù)配比例。

（四）精準(zhǔn)管理試驗

通過現(xiàn)代農(nóng)業(yè)雙優(yōu)工程實踐，在毛烏素沙地區(qū)域建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，發(fā)展現(xiàn)代特色高效農(nóng)業(yè)，需要研究土地工程后規(guī)模化種植的灌溉和施肥方法、灌水量和施肥量。水資源是毛烏素沙地土地整治工程的關(guān)鍵因素，復(fù)配成土工程后，根據(jù)不同作物的用水需求，進行精準(zhǔn)灌溉，避免大水漫灌，造成水資源過度開采利用。其次，隨著灌溉方式的改變，傳統(tǒng)的撒施、穴施追肥等施肥方式不再適用?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)雙優(yōu)工程試驗根據(jù)田間作物的種植，利用自主設(shè)計的水肥一體化設(shè)備，實現(xiàn)了多作物水肥同步定量管理（見圖4）。利用混肥水泵將肥料罐中的不同肥料泵入文丘里混合器，實現(xiàn)水肥混合；通過智能控制箱，啟動電動球閥和水流傳感器，實現(xiàn)水肥定量；根據(jù)田間作物種植種類，利用滴灌帶實現(xiàn)水肥管理。

圖3 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)雙優(yōu)工程試驗區(qū)設(shè)置

表1 沙化土地整治投入分析 元/hm2

圖4 水肥一體化設(shè)備示意圖

通過土體優(yōu)配和作物優(yōu)選，本研究的主要內(nèi)容包括：① 物質(zhì)差異：紅黏土和黃土對毛烏素沙地顆粒重組和土體結(jié)構(gòu)改良的差異；② 配比差異：不同復(fù)配比例對土壤養(yǎng)分庫和釋放速率的影響差異；③ 作物差異：玉米、大豆和土豆在復(fù)配土體中的生長差異；④ 效益差異：復(fù)配成土的投入與作物產(chǎn)量等經(jīng)濟效益的差異。因此，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)雙優(yōu)工程試驗站的主要監(jiān)測內(nèi)容包括：土壤顆粒組成、團聚體、容重、有機質(zhì)等物理性狀，土壤全氮、全磷、全鉀、速效氮、有效磷和速效鉀等土壤化學(xué)性狀，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、氮循環(huán)微生物功能基因豐度及多樣性等生物性狀；不同土層中根系生物量、形態(tài)、產(chǎn)量及品質(zhì)等作物性狀。

三、成果應(yīng)用展望

針對毛烏素沙漠地區(qū)（榆林）退化土地的生產(chǎn)性、農(nóng)業(yè)經(jīng)營的高效性、生產(chǎn)方式的生態(tài)型與科學(xué)性問題，通過紅黏土與沙、黃土與沙復(fù)配成土，構(gòu)建沙化土地整治土體優(yōu)配和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)良種優(yōu)選的復(fù)合技術(shù)體系，促進沙化土地整治精細(xì)化、良種推廣精準(zhǔn)化，實現(xiàn)“沙化土地的訂單式整治”和“把良種播在沃土上”，為毛烏素沙漠地區(qū)（榆林）退化土地整治與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的耦合發(fā)展提供科技支撐。

紅黏土與沙、黃土與沙復(fù)配成土后，為加快新造土地的熟化，應(yīng)充分利用農(nóng)牧交錯區(qū)畜牧業(yè)發(fā)達的優(yōu)勢，依托當(dāng)?shù)氐碾u糞、羊糞、牛糞等農(nóng)家肥，結(jié)合部分商品有機肥及微生物肥料，改善土體營養(yǎng)結(jié)構(gòu)。從水資源利用效率來看，復(fù)配成土過程顯著增加了土壤的持水和保水能力[7]，與當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的沙地耕種過程相比，是一種節(jié)水措施。毛烏素沙地區(qū)域降雨存在增加趨勢[14]，地下水資源豐富，埋深較淺，河床底部20 m內(nèi)具有豐富的地下水，為沙化土地整治利用提供了水資源保障。其次，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)雙優(yōu)工程中利用水肥一體化設(shè)備，利用滴灌的方式對水肥進行了精準(zhǔn)管理，規(guī)避了該區(qū)域水土資源開發(fā)的生態(tài)風(fēng)險。從模式推廣及應(yīng)用上來看，可在當(dāng)?shù)亻_展小規(guī)模生產(chǎn)型農(nóng)戶和規(guī)?；N植企業(yè)的行動研究，探索適合農(nóng)戶家庭化種植和企業(yè)規(guī)模化種植的沙化土地整治與利用模式。通過田間工程試驗，模式篩選、應(yīng)用及優(yōu)化，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供專業(yè)化技術(shù)、全鏈?zhǔn)缴a(chǎn)體系，可有效提高模式應(yīng)用的匹配性，在一定程度上降低了生產(chǎn)成本。

圖5 問題土地整治與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展框架圖

當(dāng)前，全球變化、快速城鎮(zhèn)化和不合理的土地利用，導(dǎo)致沙漠化、鹽堿化、水土流失等退化型的問題土地，通過理化試驗、小區(qū)試驗和田間觀測，遵照土地利用適宜性與作物生理適應(yīng)性相匹配的原理，實行測地配方施土，探究結(jié)構(gòu)化土地整治技術(shù)，科學(xué)營造健康土體和生態(tài)農(nóng)田系統(tǒng)。通過土地綜合整治，建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，創(chuàng)新土地經(jīng)營機制，營造田園綜合體，發(fā)展以多功能現(xiàn)代農(nóng)業(yè)為支撐，以人-地-業(yè)融合為特色的鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略（見圖5）。未來應(yīng)重點加強土地工程鏈研究，應(yīng)用系統(tǒng)論原理和理學(xué)、工學(xué)、農(nóng)學(xué)、管理學(xué)和經(jīng)濟學(xué)等多學(xué)科理論，以破解土地利用問題為目標(biāo)，將定位觀測和工程示范相結(jié)合，推進土地工程化、工程問題技術(shù)化、技術(shù)問題精準(zhǔn)化；利用工程管理、資源管理和信息管理等相關(guān)理論，創(chuàng)建全鏈?zhǔn)酵恋毓こ坦芾頇C制，實現(xiàn)微觀土地復(fù)配、中觀土體營造、宏觀土質(zhì)改良工程的系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化，將宏觀的人地關(guān)系問題，通過微觀的水土關(guān)系和作土關(guān)系加以解決。