東北地區(qū)旱地農(nóng)業(yè)研究進展與發(fā)展對策

摘要：系統(tǒng)總結(jié)了40多年來東北地區(qū)旱地農(nóng)業(yè)研究取得的進展，分析了當前東北地區(qū)旱地農(nóng)業(yè)面臨的問題，揭示了影響東北地區(qū)旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的氣候變化、水分供需、農(nóng)田侵蝕和面源污染規(guī)律，重新制定了東北地區(qū)耕作制度區(qū)劃，突破了一系列旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)，形成了多套適合東北不同區(qū)域的旱地農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)模式，明確提出了現(xiàn)階段東北旱地農(nóng)業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)，并指出了未來東北旱地農(nóng)業(yè)的發(fā)展對策。

關(guān)鍵詞：旱地農(nóng)業(yè)；耕作制度；種植制度；養(yǎng)地制度；水肥利用；糧食安全

中圖分類號：S-01" " " " " " 文獻標志碼：A" " " " " " 文章編號：2097-2172（2022）01-0004-08

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2022.01.002

Research Progress and Development Countermeasures

on Dryland Agriculture in Northesten China

SUN Zhanxiang

（Liaoning Academy of Agricultural Sciences， Shenyang Liaoning 110000， China）

Abstract： This paper comprehensively reviewed the research progress on dryland agriculture in northeastern China， analyzed the issues faced by the dryland agriculture in northeastern China and revealed the pattern of climate change， water supply and demand， farmland erosion and non-point source pollution affecting the dryland agriculture in northeastern China， therefore cropping system regionalization was redesigned， numbers of breakthroughs were made on key technical problemsin dryland agriculture producion， and several integrated technology modes for dryland agriculture in different part of northeastern China were formed. Challenges forthe current development of dryland agriculture in northeastern China were put forward and countermeasures were provided.

Key words： Dryland agriculture; Croppingsystem; Planting system; Soil-nourishing system; Waterand fertilizer utilization; Food security

我國是世界上嚴重干旱缺水的國家之一，干旱、半干旱面積和沒有灌溉條件的旱地耕地面積均超過國土面積和全國耕地面積的1/2［1 ］。旱地農(nóng)業(yè)是指在降水入不敷出地區(qū)主要依靠和充分利用自然降水及有限灌溉水源進行的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，是雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)和補充灌溉農(nóng)業(yè)兩種基本生產(chǎn)活動類型的總稱，包括了種植業(yè)、畜牧業(yè)、林果業(yè)，以及其他農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營行業(yè)［2 ］。旱地農(nóng)業(yè)是全球主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，占耕地面積的81%。其本質(zhì)是提高降水利用率和農(nóng)業(yè)水資源利用效率，同時也是我國最主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式之一［3 - 4 ］。

40多年來，遼寧省農(nóng)業(yè)科學院組織全國優(yōu)勢科技力量，連續(xù)承擔了國家“八五”—“十四五”科學技術(shù)部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等部門下達的旱地農(nóng)業(yè)研究項目（或課題），系統(tǒng)開展了東北地區(qū)旱地農(nóng)業(yè)理論與技術(shù)研究，制定了東北地區(qū)旱地種植制度區(qū)劃，突破了多項制約東北旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重大關(guān)鍵技術(shù)，形成了多套適宜不同區(qū)域的綜合技術(shù)體系，取得了顯著的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益，為我國東北糧倉建設(shè)和農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革提供了有力科技支撐［5 - 6 ］。

1" "東北地區(qū)農(nóng)業(yè)基本情況

1.1" "東北地區(qū)農(nóng)業(yè)自然資源條件

東北地區(qū)包括遼寧省、吉林省、黑龍江省和內(nèi)蒙古自治區(qū)東四盟市（呼倫貝爾市、興安盟、通遼市、赤峰市），屬溫帶大陸性氣候，夏季高溫，冬季寒冷，春秋兩季短促。全年積溫1 500～3 800 ℃，且由南向北遞減。作物多為一年一熟，太陽年總輻射量為410～540 kJ/cm2，年日照時數(shù)為2 200～3 000 h。區(qū)域年降水量350～1 000 mm，由東向西逐漸遞減，降水主要集中在農(nóng)作物生長季節(jié)，一般在6 — 8月份，占全年的60%～65%。區(qū)域水資源總量為1 929.9億m3，在全國屬于中等水平，但人均占有量偏低，相當于全國人均占有量的72.5%。區(qū)域年均糧食總產(chǎn)近1 500億kg，約占全國糧食總產(chǎn)的1/4，是我國最大的商品糧生產(chǎn)基地［7 ］。全區(qū)旱地面積約1 933萬hm2，占耕地總面積70%以上，糧食產(chǎn)量年均1 100億kg，占總產(chǎn)的73%，全國糧食生產(chǎn)大縣前10名中的９個縣分布在該區(qū)［8 - 9 ］。區(qū)域耕地土壤有機質(zhì)和全氮含量豐富，特別是松嫩平原的黑土，面積達593.3萬hm2，黑土層厚達40～60 cm，耕層有機質(zhì)含量為25～75 g/kg，全氮含量為1.5～3.5 g/kg。東北地區(qū)優(yōu)越的自然資源條件促進了北方旱區(qū)農(nóng)作物光合作用的進行，光合產(chǎn)物積累快，也有利于光合產(chǎn)物向蛋白質(zhì)、脂類等物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，對于提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)奠定了較好的基礎(chǔ)。同時東北地區(qū)遼闊富饒的土地資源，農(nóng)牧林用地比例比較均衡，不僅蘊藏著豐富的森林資源，而且還有大面積的平原草場，也為農(nóng)林牧業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展提供了有利的自然條件［10 ］。

1.2" "東北地區(qū)旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展現(xiàn)狀

東北地區(qū)得天獨厚的自然資源條件為旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了優(yōu)越條件，但受全球氣候變化影響，東北地區(qū)氣溫增暖明顯、降水減少、干旱頻發(fā)的趨勢，熱量條件對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的限制作用減弱，而水分條件的限制作用增大；另一方面，水熱的變化對于農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的發(fā)生頻率及程度也有一定的影響。從農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害影響程度來看，旱災(zāi)在總災(zāi)害中所占的比重越來越大。根據(jù)1984年中國農(nóng)業(yè)科學院組織實施的《北方旱地農(nóng)業(yè)類型分區(qū)及評價》已對我國北方旱區(qū)類型進行了比較系統(tǒng)的劃分，確定東北地區(qū)旱地農(nóng)田多分布于半干旱偏旱區(qū)、半干旱區(qū)和半濕潤偏旱區(qū)。同時，受改革開放以來聯(lián)產(chǎn)承包責任制體制的制約，東北地區(qū)旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也出現(xiàn)了許多問題：一是主要作物種植區(qū)劃不明確，作物田間配置不合理，作物產(chǎn)量低而不穩(wěn)，資源利用效率偏低［11 ］；二是土壤耕作方法混亂，旱地保水保肥固土能力下降；三是化肥投入過量，有機肥投入過少，地力持續(xù)衰退。解決上述問題，尚有一系列科學難題亟須解決，其中如何制定科學的種植區(qū)劃、主要作物高產(chǎn)耕層標準及構(gòu)建路徑、地力提升機理與技術(shù)等最為迫切。有效解決上述問題，將對保障國家糧食安全和生態(tài)安全具有重要意義［12 ］。

2" "東北地區(qū)旱地農(nóng)業(yè)研究取得的進展

2.1" "系統(tǒng)揭示了東北旱地農(nóng)業(yè)若干重大基礎(chǔ)規(guī)律

為探明影響東北旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，合理構(gòu)建適宜區(qū)域旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)模式，遼寧省農(nóng)業(yè)科學院組織了東北地區(qū)從事旱地農(nóng)業(yè)研究的多家單位，圍繞氣候變化、水分供需、農(nóng)田侵蝕、面源污染規(guī)律等方面，通過定位試驗觀測、大數(shù)據(jù)分析、模型預(yù)測等手段系統(tǒng)揭示了若干重大基礎(chǔ)規(guī)律，完善了旱地農(nóng)業(yè)研究理論，為關(guān)鍵技術(shù)的突破提供了理論支撐。

2.1.1" " 氣候變化規(guī)律" " 調(diào)查發(fā)現(xiàn)，東北地區(qū)年太陽總輻射總體呈現(xiàn)下降趨勢（48 MJ/m2·10 a），年平均溫度總體呈現(xiàn)上升趨勢（0.3 ℃/10 a），年降水量總體呈現(xiàn)下降趨勢（4 mm/10 a）。極端天氣持續(xù)增加，尤其是旱災(zāi)頻發(fā)，無霜期延長，降水量和日照時數(shù)減少且波動性增加。為了探究全球氣候給東北地區(qū)的春玉米種植帶來的影響程度，揭示不同時期玉米品種種植界限的變化特征，并預(yù)測2030年和2050年種植界限的演變趨勢，研究團隊定量分析了氣候變暖對作物種植界限變化的影響程度，并發(fā)現(xiàn)不同熟期玉米種植界限表現(xiàn)“北移東擴”趨勢，其中早熟品種北移1.4～2.7個緯度，中熟品種北移0.8個緯度、東擴1.0個經(jīng)度，晚熟品種北移0.5個緯度，中熟品種替代早熟品種，玉米單產(chǎn)增加9.8%，晚熟品種替代中熟品種，玉米單產(chǎn)增加7.1%；與此同時，采用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型（APSIM），結(jié)合作物虧缺指數(shù)（CWDI）干旱指標，解析了區(qū)域內(nèi)不同等級干旱對春玉米產(chǎn)量影響程度，明確了東北地區(qū)作物“發(fā)生干旱”頻率呈現(xiàn)西高東低分布。

2.1.2" " 水分供需規(guī)律" " 通過與中國農(nóng)業(yè)科學院等單位聯(lián)合調(diào)查發(fā)現(xiàn)，1990 — 2019年，北方旱農(nóng)區(qū)降水量總體呈減少趨勢，其中東北地區(qū)減少44.4 mm，干旱影響范圍、嚴重干旱和極端干旱發(fā)生頻率呈上升趨勢。30年間北方旱地主要作物種植生育期變化與降水減少、干旱頻發(fā)重發(fā)多因素互作，作物降水滿足率降低超過5百分點，旱地作物水分供需矛盾加劇。通過創(chuàng)建綜合多目標的隨機水文年型適水種植診斷模型，發(fā)現(xiàn)多種作物配置能顯著增強旱地農(nóng)田系統(tǒng)穩(wěn)定性和水分生產(chǎn)力，據(jù)此明確了玉米、小麥、谷子、花生、大豆、馬鈴薯等作物在不同旱地類型區(qū)的適水配置優(yōu)先序；同時，利用916個點、1 345個試驗、5 571組田間試驗數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)主要旱地栽培技術(shù)措施的水分利用效率提升效應(yīng)受降水影響顯著。秸稈覆蓋和秸稈粉碎還田技術(shù)在年降水量450～600 mm的旱農(nóng)區(qū)最適；深松（耕）和有機培肥對作物水分利用效率的提升效應(yīng)隨降水量增加而降低，年降水量350～550 mm的旱農(nóng)區(qū)技術(shù)效果最好，水分利用效率提升15%以上；免耕技術(shù)效應(yīng)受年降水量和年平均溫度雙重影響，在年均溫度 ＞ 7 ℃以及年降水量450～550 mm旱農(nóng)區(qū)效果最優(yōu)；地膜覆蓋適宜于整個北方旱農(nóng)區(qū)，但隨著降水量減少，水分利用效率提升效應(yīng)更優(yōu)［13 - 14 ］。

2.1.3" " 農(nóng)田侵蝕規(guī)律" " "通過分析東北風沙半干旱區(qū)氣候侵蝕力特征，明確休閑期的冬季和春季農(nóng)田風蝕量最大，是防控關(guān)鍵期。種植模式與殘茬留存和微地形構(gòu)造是降低農(nóng)田風蝕的主要途徑，區(qū)域冬季和春季的氣候侵蝕力分別占全年的24.67%和51.08%。通過開展秸稈不同留存方式防風蝕效應(yīng)研究，明確秸稈留存數(shù)量、留茬高度與風蝕量減少呈顯著正相關(guān)，且二者交互作用效果更好；增加殘茬高度會增加投影面積指數(shù)，提高風速摩擦力并降低地表風速，而殘茬覆蓋還可增加地表覆蓋度和土壤濕度以降低農(nóng)田風蝕［15 ］。在玉米/花生間作模式中，農(nóng)田5 cm表層土壤 ＞ 0.05沙粒含量相對降低4.36百分點以上，＜ 0.002黏粒含量增加0.56百分點以上，玉米/花生4∶4間作模式下玉米立稈越冬、留高茬、留矮茬較花生單作農(nóng)田風蝕量分別減少69.7%、47.4%和 23.1%；微地形構(gòu)造研究發(fā)現(xiàn)，地表起壟構(gòu)筑微地形構(gòu)造能夠增強土壤對近地面層氣流的阻礙作用，降低近地表風速，減少地表風蝕，與平作相比土壤風蝕量降低52.2%［16 - 17 ］。通過徑流小區(qū)連續(xù)15 a土壤侵蝕定位監(jiān)測研究，發(fā)現(xiàn)影響土壤侵蝕的主要因素為地表徑流 ＞ 降雨侵蝕力 ＞ 植被覆蓋度，改造地表微地形控制徑流、雨季前深中耕和增加地表覆蓋度是減少土壤侵蝕的有效途徑［18 - 19 ］；利用Fluent軟件建立的微地形構(gòu)造水分運移模型和利用Matlab軟件擬合出降水入滲流速方程，驗證表明傳統(tǒng)整地條件下降水滲透到土層1 m處所需時間為1 870 s，水分滲透平均速度為0.053 cm/s，而壟膜溝植（微地形改造）時間為1 102 s，速度為0.091 cm/s，可有效控制地表徑流生成［20 ］。同時，通過在作物生育期中耕可擴大土壤水庫庫容，降水入滲率提高22.70%，地表徑流量減少31.42%。基于上述研究明確的防控關(guān)鍵期、技術(shù)途徑和機制，提出了農(nóng)田立體防蝕理念，構(gòu)建了立體防蝕系統(tǒng)，豐富了農(nóng)田防蝕理論。

2.1.4" " 面源污染規(guī)律" " 通過對遼寧省主要旱地農(nóng)田氮肥投入量調(diào)研，結(jié)合3 068個監(jiān)測點的農(nóng)田土壤耕層無機氮和剖面土壤硝態(tài)氮、周邊地下水硝態(tài)氮監(jiān)測結(jié)果，明確了氮素面源污染時空演變規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，土壤硝態(tài)氮含量與施氮量密切相關(guān)，并具有表聚現(xiàn)象；淋溶量與降水存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系（y=20.482x-38.008， R2=0.988 9**，n=32）。通過對玉米田周邊地下水1 508樣次調(diào)查結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，地下水硝態(tài)氮含量為7.76～21.55 mg/L，其中28.92％的地下水硝態(tài)氮含量不符合國家飲用水標準。地下水硝態(tài)氮含量逐年上升，其中，2010年和2011年地下水硝態(tài)氮含量超標率分別達到27.16%和30.18%；小于30 m井深硝態(tài)氮超標率達23.47%，30～100 m井深硝態(tài)氮超標率為17.98%。 通過對108個采樣點的設(shè)施農(nóng)田土壤剖面和硝態(tài)氮進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)田土壤不同剖面硝態(tài)氮含量有明顯的表聚現(xiàn)象，且與施氮量密切相關(guān)；對設(shè)施農(nóng)田周邊地下水728樣次調(diào)查結(jié)果表明，地下水硝態(tài)氮含量范圍在7.14～44.64 mg/L，其中36.54％的樣品地下水硝態(tài)氮含量不符合國家飲用水標準；設(shè)施農(nóng)田周邊地下水中硝態(tài)氮含量呈逐年上升趨勢，其中，2010年和2011年超標率達到36.61%和41.07%。地下水井深小于30 m、30～100 m和大于100 m硝態(tài)氮超標率分別為45.96%、21.72%和2.70%。

2.2" "制定了適宜不同地區(qū)的耕作制度區(qū)劃

在東北地區(qū)，土壤退化最為嚴重的是旱地農(nóng)業(yè)區(qū)，尤其是玉米種植帶［21 ］。傳統(tǒng)耕作制度下的玉米連作模式是導致土壤退化的根本原因，由于經(jīng)營者缺乏土地保護意識，幾十年來玉米的生產(chǎn)種植一直采取掠奪式種植方式［22 ］。為此，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平及作物種植結(jié)構(gòu)也在不斷調(diào)整變化。但前人在耕作制度區(qū)劃上主要依據(jù)是作物種植結(jié)構(gòu)及熟制的一致性，難以適應(yīng)當前種植的需要［2，23 ］。從發(fā)展趨勢來看，現(xiàn)行的耕作制度需要適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化、規(guī)?；⒕珳驶a(chǎn)發(fā)展趨勢，積極開發(fā)多功能、綠色生態(tài)新型耕作制度模式與技術(shù)，努力構(gòu)建用養(yǎng)結(jié)合、生態(tài)高效、生產(chǎn)力持續(xù)穩(wěn)定提升的種植制度與養(yǎng)地制度［23 ］?？紤]到氣候變化、立地條件和社會經(jīng)濟發(fā)展的影響，2002年起遼寧省農(nóng)業(yè)科學院組織國內(nèi)優(yōu)勢力量，在國家相關(guān)項目資助下，在東北4個省市的7個長期定位試驗站和14個試驗示范點開展了為期14 a的聯(lián)合攻關(guān)，圍繞提高旱地生產(chǎn)力這一主線，以旱地耕作制度創(chuàng)新為核心，并依托氣候變化對玉米種植區(qū)劃影響的結(jié)果，系統(tǒng)分析了東北地區(qū)1978年以來耕作制度演變規(guī)律［23 ］，采用FAO推薦的作物生產(chǎn)潛力法和FSD研究方法，重新制定了東北地區(qū)耕作制度區(qū)劃［24 - 26 ］。一級區(qū)為6個，分別是松遼平原農(nóng)林牧主產(chǎn)區(qū)、東部山地純林區(qū)、北部山地丘陵純林區(qū)、呼倫貝爾農(nóng)林牧結(jié)合區(qū)、蒙東遼西北半干旱農(nóng)林牧結(jié)合區(qū)和遼東沿海城鄉(xiāng)一體化漁業(yè)主產(chǎn)區(qū)；并采用因子分析方法，提出了東北地區(qū)產(chǎn)業(yè)和優(yōu)勢作物發(fā)展戰(zhàn)略優(yōu)先序和技術(shù)優(yōu)先序，明確了玉米、水稻、大豆、油料作物、煙草、蔬菜、水果等作物優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，確定了農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)與次產(chǎn)區(qū)、林業(yè)主產(chǎn)區(qū)與次產(chǎn)區(qū)、牧業(yè)主產(chǎn)區(qū)與次產(chǎn)區(qū)、漁業(yè)主產(chǎn)區(qū)與次產(chǎn)區(qū)等優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)區(qū)域劃分。研究結(jié)果更好地突出了我國東北旱區(qū)耕作制度區(qū)域特征，優(yōu)化了農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，為區(qū)域耕作制度關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新指明了方向，同時為農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與布局優(yōu)化提供較為準確的科學依據(jù)。

2.3" "突破了一系列重大關(guān)鍵技術(shù)

在揭示的若干重大基礎(chǔ)規(guī)律和制定東北地區(qū)新的耕作制度區(qū)劃基礎(chǔ)上，遼寧省農(nóng)業(yè)科學院牽頭組織東北地區(qū)從事旱地農(nóng)業(yè)科學研究的多家科研院所和高等院校，圍繞國家重大需求和旱地農(nóng)業(yè)科技前沿，創(chuàng)新了資源高效型種植技術(shù)、地力保育型種植技術(shù)、水肥高效利用技術(shù)和農(nóng)田防蝕技術(shù)等一系列重大關(guān)鍵技術(shù)，有效提升了我國旱地農(nóng)業(yè)技術(shù)自主創(chuàng)新水平。

2.3.1" " 資源高效型種植技術(shù)" " 通過多年定位研究，在東北地區(qū)研發(fā)了以禾本科作物與豆科作物間作輪作、玉米田間配置優(yōu)化等為主的種植技術(shù)，建立了適合東北旱區(qū)不同類型區(qū)資源高效型的種植制度，既實現(xiàn)了耕地用養(yǎng)結(jié)合，又為綠色生產(chǎn)提供了科技支撐。其中，在北部高寒地區(qū)，確定了玉米—大豆合理輪作種植技術(shù)，并突破了以原壟卡種為核心的配套技術(shù)體系，玉米輪作大豆，可以使大豆平均產(chǎn)量增加9.01%，大豆輪作玉米可以使玉米產(chǎn)量增加7.19%；在中部平原地區(qū)，針對玉米中密品種和耐密品種的植株特性，通過調(diào)整作物田間配置，明確了不同類型玉米品種田間最佳配置模式和適宜種植密度，中密型品種種植模式以三比空變株距和大壟雙行等株距為最佳，適宜種植密度為57 000株/hm2，耐密型品種種植模式以大壟雙行等株距為最佳，適宜種植密度為72 000株/hm2；在西部生態(tài)脆弱區(qū)，建立了仁用杏/花生、仁用杏/谷子、仁用杏/甘薯3種間作種植模式。明確了最佳帶寬為4.5 m，即仁用杏行距為4.5 m，行間種植6行作物，作物行距為0.5 m，各模式的土地當量比（LER）分別為1.34、1.44、1.33，農(nóng)田生產(chǎn)力提高30%以上，風蝕降低31%以上；同時，針對農(nóng)田風蝕嚴重的問題，創(chuàng)制了玉米（谷子）/花生間作不同田間配置種植技術(shù)［27 - 28 ］。其中最有代表性的模式為玉米叢播間作花生1壟：3壟的種植模式，該模式農(nóng)田風蝕降低26.38%～45.40%，土地當量比和水分當量比平均達到1.24和1.30［29 ］。

2.3.2" " 地力保育型耕作技術(shù)" " 選取位于黑龍江八五三農(nóng)場、吉林公主嶺、遼寧昌圖和遼寧阜新4個長期定位試驗，圍繞白漿土、黑土、棕壤和褐土等四種東北地區(qū)主要土壤類型，經(jīng)過多個輪耕周期的田間驗證和優(yōu)化，首次系統(tǒng)提出了基于土壤理化性狀的高產(chǎn)耕層標準參數(shù)閾值，并確定了構(gòu)建高產(chǎn)耕層的配套耕法，填補了合理耕層構(gòu)建參數(shù)量化研究的空白。其中白漿土為3 a三段式犁耕作（深度為35～40 cm）+旋耕；黑土為連年行間條帶深松，即在大壟雙行種植模式（寬行90 cm，窄行40 cm）中的寬行結(jié)合追肥進行深松（深松深度25～30 cm，幅寬40～45 cm），秋收時苗帶窄行留高茬（40 cm左右）自然腐爛還田；棕壤為隔年全方位深松（深度為25～30 cm）+旋耕；褐土為交替互換行間局部深松，即以行間（50 cm）為一個深松耕作區(qū)，隔年輪換，深松深度為25～30 cm。在此基礎(chǔ)上，明確了黑土、棕壤和褐土3種土壤類型的秸稈還田方式、周期、還田量和施氮量。其中黑土為秸稈粉碎條帶深松連年還田方式，秸稈量為9 000 kg/hm2+氮肥量300 kg/hm2，產(chǎn)量平均增加13.59%以上，粉碎還田能夠降低土壤硬度（降低10%～13%），降低土壤呼吸（降低21.35%～42.92%），調(diào)節(jié)土壤三相比，有機質(zhì)提高22.63%～31.39%，速效養(yǎng)分增加6%～23%；棕壤為留高茬深旋耕連年還田方式，還田量為6 000 kg/hm2 +氮肥量420 kg/hm2，產(chǎn)量增產(chǎn)23.15%；褐土為粉碎深翻隔年還田方式，還田量9 000 kg/hm2 +氮肥量420 kg/hm2，產(chǎn)量增加26.42%。并開展了有機無機配施技術(shù)研究，建立了黑土、棕壤和褐土玉米高產(chǎn)施肥模型。其中黑土：N 210 kg/hm2 + P2O5 75 kg/hm2 + K2O 90 kg/hm2 +有機肥24 000 kg/hm2，棕壤：N 240 kg/hm2 + P2O5 90 kg/hm2 + K2O 105 kg/hm2 +有機肥30 000 kg/hm2，褐土：N 240 kg/hm2 + P2O5 120 kg/hm2 + K2O 120 kg/hm2 +有機肥37 500 kg/hm2，與單施化肥處理相比，3種土壤類型玉米均表現(xiàn)為增產(chǎn)，增產(chǎn)范圍達到5.42%～11.19%。

2.3.3" "水肥高效利用技術(shù)" " 由于我國北方旱作農(nóng)田分布較廣，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件在地區(qū)間差異較大，加之農(nóng)業(yè)發(fā)展不均衡，導致水肥研究本身充滿復雜性［30 ］。為進一步提高東北地區(qū)旱地作物水肥利用效率，通過多年定位研究，創(chuàng)新突破了作物間作和地表覆蓋等水肥高效利用關(guān)鍵技術(shù)。

其中玉米/花生窄幅間作最佳比例為4∶4壟、玉米/花生寬幅間作適宜比例為8∶8壟、谷子/花生間作最佳間作模式為2∶4壟［31 ］。對間作作物種間地下部互作機制研究發(fā)現(xiàn)，間作可協(xié)調(diào)根系在土壤中的縱向分布，提高土壤水分養(yǎng)分有效系數(shù)，同時還可加大橫向根系與土壤水分養(yǎng)分“重心”的偏離度，在土壤中形成水分、養(yǎng)分梯度，促進作物種間水分和養(yǎng)分橫向流動，并改善作物根系性狀，提高土壤中水、肥生物有效性。同時玉米/花生間作還能降低花生“氮阻遏”現(xiàn)象，提高生物固氮效率，減少化肥氮投入量，并提高玉米收獲指數(shù)［32 ］。

旱地秋覆膜技術(shù)在秋季作物收獲后進行整地和覆膜處理，以“秋雨春用、春墑秋?！睘槟繕?，通過減少秋、冬、春3季作物休閑期農(nóng)田土壤水分的無效蒸發(fā)，實現(xiàn)旱作農(nóng)田水資源的跨季節(jié)調(diào)控。經(jīng)研究表明，在干旱年份秋覆膜處理顯著高于不覆膜處理，較不覆膜處理的籽粒產(chǎn)量水分利用效率提高了60%，生物產(chǎn)量水分利用效率提高了65%，同時秋覆膜還減少了肥料氮的損失，提高了當季和翌年肥料氮的利用效率，增加了氮肥收獲指數(shù)，2 a氮肥累積利用效率達到了50.5%［33 - 34 ］。

壟膜溝播覆秸稈技術(shù)是集壟溝種植、壟面覆膜抑蒸集雨、寬窄行種植技術(shù)于一體，將有限的降水盡量保留和集中到溝內(nèi)種植區(qū)，尤其使小于10 mm的無效或微效降水能很快形成徑流貯存到膜下作物根部，使降水在農(nóng)田內(nèi)就地實現(xiàn)空間再分配，集水功能明顯提高，增加土壤含水率，促進養(yǎng)分有效化，具有增溫、保墑、集雨作用。同時有利于作物通風透光，充分發(fā)揮邊行優(yōu)勢，達到提高降水資源利用率和作物產(chǎn)量目的。

2.3.4" " 農(nóng)田防蝕技術(shù)" " 依據(jù)提出的農(nóng)田立體防蝕理念，針對農(nóng)田風蝕問題，利用生物多樣性原理，建立了經(jīng)濟林/花生、經(jīng)濟林/谷子、玉米/花生、谷子/花生等間作防風蝕種植模式。明確了林果種植最佳帶寬為 5 m，中間種植8行花生，行距為 0.5 m，風蝕降低46%，總截光率比純林提高54%，比作物單作提高23%；玉米/花生窄幅間作4∶4壟、寬幅間作8∶8壟，谷子/花生間作2∶4壟，結(jié)合殘茬覆蓋農(nóng)田風蝕量減少43%。同時，基于多年定位監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立了風蝕量與壟底寬度、起壟高度的回歸模型，確定壟底寬度24 cm、起壟高度11 cm、溝壟寬幅比為2.13時，風蝕量最小，具有防蝕、增產(chǎn)和便于機械作業(yè)的效果。采用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計明確了留茬高度和秸稈覆蓋量對風蝕量有顯著影響，當留茬高于18.0 cm、秸稈覆蓋量大于1 000 kg/hm2時，土壤風蝕量降幅達54%以上（常規(guī)耕作的風蝕量為 15.75 t/hm2）。利用建立的風蝕量與留茬高度和秸稈覆蓋量的回歸模型，明確當留茬高度為3.9 cm、秸稈覆蓋量為 4 255.5 kg/hm2時，農(nóng)田土壤風蝕量最小，僅0.45 t/hm2。基于上述研究，構(gòu)建了地上、地表、地下（耕層）協(xié)同綜合防蝕系統(tǒng)，即采用作物間作種植方式，建立地上防風蝕屏障；通過構(gòu)筑高壟臺改變微地形，結(jié)合地膜、秸稈覆蓋等措施，建立地表風蝕水蝕防控結(jié)構(gòu)；利用土壤耕作技術(shù)，結(jié)合秸稈還田等培肥措施，擴大土壤水庫庫容，建立地下防水蝕耕層。最終實現(xiàn)農(nóng)田地上、地表、地下聯(lián)合協(xié)同防控風蝕、水蝕，突破了旱地農(nóng)田防蝕增效關(guān)鍵技術(shù)。

2.4" "研究集成了多套旱地農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)體系

經(jīng)過多年的研究，集成了多套適合東北不同區(qū)域的旱地農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)體系，實現(xiàn)了核心技術(shù)與配套技術(shù)的有機結(jié)合，取得了顯著的經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益。

2.4.1" " 東北北部糧豆輪作綜合技術(shù)體系" " 以原壟卡種技術(shù)為核心，以玉米大豆合理輪作、秸稈還田為重點，集成了品種選擇、少免耕、留茬還田等技術(shù)，實現(xiàn)了節(jié)本增效和糧食增產(chǎn)。玉米輪作大豆，可以使大豆平均產(chǎn)量增加9.01%，降低成本831.30元/hm2；大豆輪作玉米可以使玉米產(chǎn)量增加7.19 %，降低成本976.8元/hm2。土壤有機質(zhì)增加3.81%，速效氮增加42.31%，速效磷增加23.33%，速效鉀增加29.27%。

2.4.2" " 東北中部局部深松綜合技術(shù)體系" " 以條帶寬幅深松耕作技術(shù)為核心，以大壟雙行、中耕深松追肥、高留茬還田等為重點，集成了品種選擇、縮距增密、苗帶重鎮(zhèn)壓等技術(shù)，實現(xiàn)了糧食增產(chǎn)和地力保育。提高了玉米的邊行優(yōu)勢，優(yōu)化了群體結(jié)構(gòu)，使功能葉片（棒三葉）光截獲量提高9.30%，葉綠素含量提高12.49%，凈同化率提高25.89%，產(chǎn)量增加6.51%。

2.4.3" " 東北中南部有機無機配施綜合技術(shù)體系" " 以有機無機配施技術(shù)為核心，以大壟雙行等行距、三比空縮距增密、秸稈還田等為重點，集成了品種選擇、高產(chǎn)耕層構(gòu)建等技術(shù)，實現(xiàn)了糧食增產(chǎn)和資源循環(huán)利用。增產(chǎn)范圍達到5.42%～11.19%；有機質(zhì)含量提高7.26%～9.51%；增加0.05～0.25 mm粒級的微團聚體數(shù)量，改善土壤微團聚體組成；速效磷和速效鉀可分別提高56.47%～58.05%和26.85%～29.79%。

2.4.4" " 東北西部間套作綜合技術(shù)體系" " 以果糧間作和豆科與禾本科間作技術(shù)為核心，以田間優(yōu)化配置、生物固氮、年際間輪作等為重點，集成了品種選擇、縮距增密、氮肥減施等技術(shù)，實現(xiàn)了糧食穩(wěn)產(chǎn)和資源高效利用。土地當量比（LER）分別為1.34、1.44、1.33，農(nóng)田生產(chǎn)力提高30%以上，風蝕降低31%以上。

2.4.5" " 東北蒙東南田間優(yōu)化配置綜合技術(shù)體系" " 以田間優(yōu)化配置技術(shù)為核心，以大豆壟三種植、玉米大壟雙行種植、補充灌溉等為重點，集成了品種選擇、合理密植、培肥地力、地膜覆蓋等技術(shù)，實現(xiàn)了糧食增產(chǎn)和生態(tài)改善。作物產(chǎn)量提高6%以上，土壤有機質(zhì)提高7%以上，水分利用效率提高1.80 kg/（mm·hm2）以上。

2.4.6" " 東北風沙半干旱區(qū)立體調(diào)控種植技術(shù)體系

在年降水350～450 mm的遼西褐土和棕壤旱地，針對干旱發(fā)生頻率增加、土壤風蝕嚴重、單一種植穩(wěn)定性差等問題，以玉米（谷子）花生間作、高留茬覆蓋、年際換位交替間隔深松為核心，配套集成適水密植、溝壟種植、秸稈條帶還田等技術(shù)，研發(fā)了壟膜溝植播種機、秸稈間隔條帶還田機和深松聯(lián)合整地機等專利技術(shù)裝備，制定了玉米花生間作防風蝕種植、玉米貼茬少耕種植等技術(shù)標準，玉米（谷子）花生間作結(jié)合殘茬覆蓋的農(nóng)田水分利用效率提高14%～19%，農(nóng)田風蝕和水蝕量降低36%～43%，水分利用效率從28.35 kg/（mm·hm2）提高到了33.75 kg/（mm·hm2）。

2.4.7" " 東北半干旱區(qū)穩(wěn)產(chǎn)增效復合種植輕簡化技術(shù)體系" " 針對東北半干旱區(qū)“十年九旱”及糧食穩(wěn)產(chǎn)性差、資源利用效率不高等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)突出問題，集成了以玉米/花生、玉米/大豆等禾本科豆科間作和仁用杏/谷子、仁用杏/花生等農(nóng)林間作為主導的資源高效型復合種植制度與模式，集成了以田間配置、帶狀分區(qū)水肥管理、秸稈留存防風蝕、農(nóng)機農(nóng)藝融合等關(guān)鍵技術(shù)，以品種選擇、土壤耕作、年際間輪作等為配套技術(shù)的穩(wěn)產(chǎn)增效輕簡化綜合技術(shù)體系。光能利用效率提高18.4%，水分利用效率提高19.2%，氮肥利用率提高6.4百分點，土壤水穩(wěn)性大團聚體增加27.9%，生產(chǎn)能力提高20%，作物穩(wěn)產(chǎn)率提高8.7百分點。

2.4.8" " 遼西半干旱區(qū)秸稈覆蓋少免耕保護性耕作技術(shù)體系" " 針對遼西干旱區(qū)存在的水量少、旱災(zāi)頻發(fā)、風蝕沙化嚴重、土壤瘠薄等問題，集成了以玉米秸稈全量覆蓋還田免耕二比空種植、保護性耕作淺旋少耕、苗帶年際互換耕作栽培等關(guān)鍵技術(shù)為核心，以種子包衣、緩釋肥減量施用、病蟲害遷移防控、全程機械化等為配套技術(shù)的綜合技術(shù)體系，并制定了技術(shù)標準。通過大面積應(yīng)用顯示，該技術(shù)體系可減少農(nóng)機進地作業(yè)2次，節(jié)本增效600元/ hm2，減少CO2排放16.9%，土壤風蝕降低92%。

3" "東北地區(qū)旱地農(nóng)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

東北地區(qū)是我國唯一的“黃金玉米帶、黃金大豆帶、優(yōu)質(zhì)粳稻產(chǎn)區(qū)、優(yōu)質(zhì)花生產(chǎn)區(qū)”［35 ］。但現(xiàn)階段，我國東北地區(qū)傳統(tǒng)生產(chǎn)的高投入、高產(chǎn)出的集約化模式加劇了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量壓力，已成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵制約因素。具體表現(xiàn)在以下幾個方面：一是缺乏科學耕作制度區(qū)劃。受國家政策導向影響和經(jīng)營主體逐利驅(qū)動，主要作物越區(qū)、跨區(qū)種植現(xiàn)象普遍，導致作物生產(chǎn)災(zāi)害頻發(fā)、產(chǎn)量不穩(wěn)、品質(zhì)不高等問題突出。二是黑土地退化嚴重。對耕地長期高強度利用導致耕地變“瘦”（土壤有機質(zhì)含量下降）、變“薄”（風蝕沙化、水土流失嚴重）、變“硬”（土壤機械壓實、滲透性降低）。據(jù)相關(guān)部門監(jiān)測，東北地區(qū)耕層土壤有機質(zhì)平均含量26.7 g/kg，與30年前相比降幅達31％；黑土層由50～100 mm，減少到15～50 mm，平均每年減少2 mm；土壤總孔隙度由67.9%下降到52.2%，容重由1.12 g/cm3增加到1.38 g/cm3，作物產(chǎn)量不穩(wěn)、耕地難以為繼。三是水資源短缺問題日益突出。為追求高產(chǎn)和高效益，生產(chǎn)者往往盲目種植，導致作物生產(chǎn)布局不合理，加速了水資源過度消耗，生態(tài)危機凸顯。四是氣候變化敏感，旱災(zāi)頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計，近10年來，全國平均每年旱災(zāi)發(fā)生面積0.27億hm2左右，是20世紀50年代的兩倍以上，平均每年成災(zāi)面積0.13億hm2以上，因旱損失糧食平均每年300億kg以上，約占同期糧食總產(chǎn)量的6%，如何應(yīng)對大范圍、長時間的旱情已成為保證糧食和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的突出問題。因此，如何協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收和資源持續(xù)高效利用、環(huán)境保護等突出矛盾，對現(xiàn)代東北旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。東北旱區(qū)的持續(xù)發(fā)展永遠在路上，不同地區(qū)的資源稟賦決定了其耕作制度模式，不同耕作制度對其所處區(qū)域的影響是決定性的。新時期已經(jīng)到了必須創(chuàng)新、調(diào)整、優(yōu)化、重新構(gòu)建的關(guān)鍵階段，關(guān)系到我國能否實現(xiàn)糧食增產(chǎn)、節(jié)能減排、資源高效利用、碳達峰碳中和、耕地可持續(xù)利用等等，應(yīng)考慮建立以糧食高產(chǎn)出、產(chǎn)品質(zhì)量安全、資源利用合理、生產(chǎn)生活環(huán)境良好等多目標協(xié)同的新型耕作制度，從源頭破解難題。

4" "東北地區(qū)旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展對策

發(fā)展東北旱地農(nóng)業(yè)一定要提認識到東北旱地農(nóng)業(yè)在國家糧食安全和農(nóng)業(yè)發(fā)展大局中的重要性和戰(zhàn)略地位。我國東北地區(qū)旱地農(nóng)業(yè)面積大，范圍寬，類型多樣，關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)有層次和區(qū)域性。在一定意義上講，糧食生產(chǎn)的差距在旱區(qū)，增產(chǎn)的潛力在旱區(qū)，糧食上新臺階旱區(qū)肩負重要職責。同時要加快旱地農(nóng)業(yè)現(xiàn)有科技成果和適用技術(shù)轉(zhuǎn)化與擴散，科研、教學單位和技術(shù)推廣部門要密切聯(lián)合，通力協(xié)作，切實組織科技力量，因地制宜地選擇一些投資少、見效快、效益高的科技成果及與其相適應(yīng)的技術(shù)推廣。把科技成果和適用技術(shù)盡快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，促進北方旱地農(nóng)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

與此同時，要探索一條適宜東北旱區(qū)發(fā)展的新途徑，要立足耕作制度改革，深入開展“作物－資源－管理”協(xié)調(diào)機制研究，量化作物與環(huán)境互作關(guān)系，從微觀上闡明耕作制度構(gòu)建的機理；利用大數(shù)據(jù)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息技術(shù)，探明產(chǎn)量、品質(zhì)、資源、減排等目標間的關(guān)聯(lián)機制，建立多目標協(xié)同的精準評價體系，實現(xiàn)多目標融合發(fā)展；創(chuàng)建集多目標評價于一體的耕作制度區(qū)劃新方法，重塑適應(yīng)新時代的耕作制度區(qū)劃。通過重新制定東北旱區(qū)區(qū)劃，構(gòu)建綠色種植制度、綠色養(yǎng)地制度和種養(yǎng)循環(huán)農(nóng)作模式等，促進農(nóng)牧結(jié)合，實現(xiàn)農(nóng)林牧綜合發(fā)展。東北旱區(qū)產(chǎn)業(yè)作物優(yōu)化應(yīng)包括種植業(yè)結(jié)構(gòu)、畜牧業(yè)結(jié)構(gòu)、林業(yè)生態(tài)結(jié)構(gòu)及非農(nóng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，以便形成“兩高一優(yōu)”農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展指標。探索東北旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的新路徑，推動區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展新格局，實現(xiàn)東北旱區(qū)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。

在未來，旱地農(nóng)業(yè)的科學研究將繼續(xù)成為支撐我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)領(lǐng)域［36 ］。要開創(chuàng)現(xiàn)代旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展的新局面，為保障國家糧食安全、加快發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)作出新的更大的貢獻。

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收稿日期：2022 - 09 - 30

作者簡介：孫占祥（1967 — ），男，遼寧新賓人，研究員，博士生導師，主要從事旱地農(nóng)業(yè)和農(nóng)作制度研究工作。Email：sunzx67@163.com。