生态型旱作农业及其技术体系

柳金良，郑 琪，孙志强，柳发财，石晓瑛

(平凉市农业科学院，甘肃 平凉 744000)

1 问题的提出

在世界范围内，有60多个国家和地区的农业受制于干旱的影响，全世界干旱和半干旱耕地约占总耕地面积的42.9%[1]。我国现有干旱和半干旱耕地近0.67亿hm2，占全国耕地面积的50%以上，主要集中在西北、华北、东北和西南等地区，这些地区的农作物产量低而不稳[2]。旱作区人民在长期与干旱的斗争中求生存、谋发展，在不同时期开展了抗旱生产的创新，总结形成了多种模式的旱作农业技术[3-4]。地膜覆盖是旱作农业的关键技术措施[5]，从20世纪80年代到21世纪初，我国北方旱作区先后推广了半地膜覆盖技术和全膜双垄沟播技术[6]。地膜覆盖技术的应用，减缓了水资源短缺对旱作区农业的制约，提高了对自然降水的利用，发挥了显著的抗旱保温增产作用[2]。1984年半地膜覆盖技术示范推广时，我国的粮食总产为4亿t，人均占有量390 kg[7]；2004年全膜双垄沟播技术示范推广时，我国的粮食总产为4.69亿t，人均占有量361 kg[8]。此时期我国粮食供给不足，增产是农业生产的主攻目标，地膜覆盖的推广应用符合当时粮食短缺的国情，并对保障粮食供给发挥了重要作用。

但地膜覆盖存在残膜污染[9]、高成本、高耗能、大劳动强度等问题[10]。2010年第一次全国污染普查公报显示，种植业地膜残留量12.10万t，地膜回收率80.3%。残留地膜在土壤中可以残存200～400年[11]，污染问题严重。土壤中残膜碎片的主要危害是切断了土壤孔隙，致使水移动时产生较大的阻力，造成水分渗透量随着残膜的增加而减少，土壤含水率下降[12]。2014年，我国粮食总产量为6.07亿t，人均粮食占有量达到了443.84 kg[7]。粮食产量的逐年持续稳定增加，粮食自给率及储备水平的平稳提升，粮食供求实现总量上的基本平衡[13]，使我国有条件、有精力来考虑解决残膜对生态环境的污染问题和生态保护问题。从逻辑角度讲，生态范畴大于经济范畴，是属概念，经济是包含于生态、脱胎于生态的种概念，二者的逻辑关系规定了必须在生态环境条件约束下讲求农业经济，农业可持续发展不能违背生态规律，必须以资源和生态为基本约束来谋求发展[7]。构建和实施新形势下的国家粮食安全战略，要改变过去不计环境成本追求粮食增产的做法[8]，以稳定粮食生产能力为主，提高耕地持续生产的能力，切实保护农业生态环境，促进农业生态环境的改善，以实现“藏粮于地”[14]。2014年中央经济工作会议提出我国环境承载力已达到或接近上限，必须走绿色低碳循环的发展模式[15]。党的十九大把建设生态文明作为中华民族永续发展的千年大计，要求树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，提出要提供更多优质生态产品，来满足人民日益增长的优美生态环境需要。实施乡村振兴战略、实现农业可持续发展和农村生态文明建设，迫切需要加强对农业生态环境的保护和控制。因此，旱作农业区建立生态型的旱作农业技术体系势在必行。

2 对生态型旱作农业的认识

2.1 生态型旱作农业的内涵

发展生态型旱作农业有助于正确处理农村经济发展、农业生产、乡村振兴和环境保护之间的关系，实现资源的合理利用与配置，促进农业高质量发展、农民增收与农村经济繁荣。我国科学家从20世纪80年代初就开始研究生态农业，从我国农业发展面临的问题出发，结合世界科学技术发展的潮流，发挥传统农业的优点，利用现代科学技术优势，开展了多层次、全方位的研究，逐渐发展形成了生态农业这一新的发展理念，并应用于农业生产中[16]。我国的生态农业遵循“整体、协调、循环、再生”的基本原理，运用生态系统理论与生态经济规律和系统科学方法，以协调人与自然的关系为基础，以促进农业和农村经济、社会可持续发展为主攻目标，进行多目标综合决策，以实现生态、经济、社会效益的统一[17]。旱作农业是在干旱、半干旱或半湿润偏旱地区完全依靠天然降水从事作物生产的一种栽培制度，在降水稀少又无灌溉条件的干旱、半干旱和半湿润偏旱地区，主要依靠天然降水和采取一系列旱作农业技术措施，以发展抗旱、耐旱的农作物为主的一种农业模式。生态型旱作农业是生态农业和旱作农业的交集，是相对以地膜覆盖栽培为主要措施、以征服自然为主要手段的旱作农业模式提出的新的旱作农业概念，以不破坏生态环境或减轻对生态环境的污染为手段来实现农业增量这一目标，从人与自然和谐发展的角度出发，由传统的征服自然价值观转变为人与自然协同进化的价值观[18]，从气候-植物-土壤构成的生态系统来思考农业措施的运用，运用生态学原理和系统工程手段构建具有预防和抵御干旱功能的旱作农业技术体系，形成符合生态的发展规律的旱作农业模式。

2.2 构建生态型旱作农业体系的原则

2.2.1 利用生物的抗旱功能

生态型旱作农业是一种以生物组分为核心的生物-社会-经济复合系统，具有多种生产功能。因此，要尊重自然、顺应自然、保护自然，从资源禀赋出发，规划抗旱生产功能区，因地制宜种植作物，确立与农业资源存在状况相适应的生物种群，建立适宜旱作资源条件的作物布局结构，提高农业系统生产能力。

2.2.2 开发农业抗旱技术

生态型旱作农业从根本上说是理念和技术上的创新，与生物科学、环境科学、经济学、系统科学有着密切的联系。生态型旱作农业是技术密集型的现代化农业，其发展需要强大的农业技术力量支撑。要探索生态型旱作农业建设的评价体系、检验标准与技术规范；制定生态型旱作农业与产品的标准、技术规范；组织开展基础性研究和科技攻关，研究开发符合生态型旱作农业生产要求的栽培技术，为生态农业建设提供理论支撑；建立健全抗逆、高产、高品质的作物种质资源，以及优良品种研发、示范和推广的技术体系，改变生物遗传基因，获得抗旱、抗病、高产的生物新品种[19]。

2.2.3 提高农田的抗旱功能

2.2.4 继承和发扬传统耕作措施的抗旱功能

“精耕细作、节能低耗、维持生态平衡”等传统旱作农业措施优点突出，应当注意传承和发扬。深耕深松、耙耱镇压、深施化肥等耕作措施是被长期生产实践检验了的抗旱技术，要坚持继承与开发结合，将单项耕作措施科学组装成抗旱耕作技术措施体系，形成多功能、多方位的集保水、蓄水、调水、节水于一体的抗旱耕作机制。

3 生态型旱作农业的技术体系

建立并推广生态型旱作农业的技术模式，逐步压缩以地膜覆盖栽培为主要措施的旱作农业模式，是现代农业发展的必然要求。生态型旱作农业的技术模式主要包括调整种植制度、选育抗旱品种、培育农田抗旱能力、实施抗旱耕作等技术体系。

3.1 调整种植制度

抗旱耐旱能力较强的作物主要有林果、牧草、高粱、糜子、谷子等，可以扩大抗旱耐旱能力较强的作物面积，建立适应旱作区资源禀赋的种植制度，通过作物自身的抗旱能力来抗御旱灾。

3.1.1 林果业

旱作区的气候条件和光热资源适宜林果业的发展，特别是黄土高原地区，因其光照充足、昼夜温差大、土层疏松深厚，适合优质苹果生产，已被确定为国家商品化苹果生产基地[20]。发展林果业既能保护生态环境，又能使群众得到更多收入，使生态环境保护与农村经济协调发展。据有关文献报道，欠水年苹果树耗水层超过3 m，旱季亏缺的水量靠根系吸收深层土壤水分来补充，15年以下的果园0～5 m土层平均土壤干燥化指数为二级以下，属于轻度干燥化[21]，说明林果业抗旱耐旱能力较强，符合旱作区的资源条件，发展潜力较大，应因地制宜扩大种植规模。

3.1.2 草产业

本文采用数值模拟方法, 计算了半模试验段侧壁简化模型的附面层厚度, 分析了涡流发生器安装角度、 结构尺寸、 安装位置、 个数等参数对减小附面层厚度的影响规律. 通过模拟各参数变化情况下涡流发生器的影响效果, 得到最优的参数组合结果: 反向双叶片分布的8个梯形叶片, 安装角度12°, 安装位置距旋心20δ, 后缘高度为1.2δ. 利用这种涡流发生器在Ma=0.4～0.9范围内, 模型旋转中心处的附面层厚度可减小66%左右, 其对核心流影响小于0.003.

牧草是耐旱耐瘠薄的生物种群，由于长期生长在恶劣的生态环境下，因而经过漫长的历史进化，形成了对亏水环境较强的适应性和抵抗力。种植牧草能有效控制水土流失，提高土壤养分，使后茬作物显著增产。旱作区大部分地处农牧交错区，该区域发展草产业既能利用干旱的资源禀赋，又能固沙固土建设生态环境，还能发展畜牧业增加农民收入，因此草产业是实现生态效益和经济效益双赢的基础产业。要建立草粮兼顾型生态农业，“藏粮于土”“藏粮于草”，实现农业经济、自然生态的相互协调与和谐发展[22]。

3.1.3 高 粱

种植露地高粱，经济收益高于全膜双垄沟播玉米，且高粱秸秆单位质量饲用价值与玉米秸秆相当，单位面积饲用产量高于全膜双垄沟播玉米秸秆[10]。露地高粱生育期耗水量为362.5 mm，平均水分利用效率为26.6 kg/(mm·hm2)[23]，秋季全膜双垄沟播玉米耗水量为318.3 mm[7]，平均水分利用效率为34.33 kg/(mm·hm2)[24]，两者抗旱性能相近。从经济收益、秸秆饲用价值、抗旱性状等方面来看，在海拔较低的旱作区可以通过种植露地高粱代替全膜双垄沟播玉米[10]。

3.1.4 糜、谷

以黍(糜子)和粟(谷子)为主的旱作农业在距今约8 000年前就出现在我国北方[25]，经过长期在干旱逆境中的进化，它们均具备较强的抗旱耐瘠薄性能。糜子是禾谷类作物中水分利用率最高的，与玉米相比，具有低蒸腾、高水势、高阻力的特性，整个生育期耗水251.8～262.8 mm[26]，低于全膜双垄沟播玉米耗水量[6]，具有抗旱、抗逆和水分利用效率高等特点。谷子根系发达，叶片细窄，水分利用率高，蒸腾系数小[27]，是传统的抗旱作物。糜、谷是旱作区主要的结构调整作物，建议在海拔相对较高、露地高粱不能成熟或种植效益较低的旱作区，扩大露地糜子、谷子种植面积，压缩全膜双垄沟播玉米面积。

3.2 选育抗旱品种

良种在世界粮食增产中所起的作用为20%～30%，旱作区要把作物品种的抗旱性作为首位育种目标，加强抗旱性品种选育，以改变生物抗逆性来适应干旱环境。要通过广泛引进国内外种质资源、收集野生种质材料、采用生物技术、开展远缘杂交、利用各种射线诱发等途径开发创新种质资源，并进行鉴定、评价、改造、利用，筛选抗旱性能强的育种材料，开展远缘杂交与染色体工程、植物杂种优势利用、植物组织培养与细胞工程育种、基因工程育种、诱变育种等育种研究，逐步把常规育种、生理育种、分子标记技术和基因工程相互结合，构成一个完善的育种体系，创造一大批高产、优质、抗逆性强的农作物新品种。

3.3 培育农田抗旱能力

土地的自然属性是土壤水赖以存在的条件。工程措施与培肥措施结合改善土壤的基础属性，是提高土地抗旱能力的有效途径。

3.3.1 兴修农田工程

梯田是治坡工程的主要内容，通过地形的改变来控制水土流失、减少坡面泥沙下泄，同时还能提高土地生产力。通过修梯田、修地埂、挖鱼鳞坑等工程措施，可提高土地的抗旱保墒能力。

3.3.2 培育土壤肥力

土壤水分入渗率、根层有效贮水量、土壤蒸发及作物蒸腾等与土壤密度、结构、有机质含量等土壤性质相关。有机肥能够改善土壤化学性状，降低土壤容重，增加土壤孔隙度和团粒结构。化肥配施有机物料，与单施化肥相比，土壤有机碳增加，土壤养分状况及土壤微生物学特性得到进一步改善，土壤容重呈缓慢下降趋势[28]。因此，要通过增施农家肥、农作物秸秆还田[29]、适时复种绿肥作物及间作轮作等措施，有效快速提高土壤有机质含量，熟化和培肥土壤，增强抗旱能力。

3.4 实施抗旱耕作

要重视继承和发扬传统的耕作技术，通过耕种措施抗旱减灾。一是大力推行以深松为主体的耕、旋、耙、压相结合的整地技术。深耕后，土壤孔隙度、水分含量和耕层深度平均增加了1.3%、3.8%和71.4%[29]。要通过大型拖拉机深松翻耕，疏松土壤，打破犁底层，增加土壤的蓄渗水性能。耙耱能使土壤表层孔隙率增加，形成一个疏松的保护层，切断上下毛管水的联系，减少蒸发消耗，一般可减少水分蒸发的2%以上[30]。机械镇压能够保墒、提墒，在0～20 cm的耕层内，镇压的比不镇压的土壤含水量一般可提高5%～7%[30]。深耕、耙耱、镇压蓄水保水抗旱作用较大，且简单易行，应广泛推广应用。二是从土壤墒情和气象条件出发，因地因时制宜，应用错期播种、适时播种、因墒播种等方式，解决旱作区农作物抓苗难的问题。