山西省有机旱作农业发展及水肥高效利用技术研究

贾亚敏 ，何化春 ，赵 丽 ，张丽光 ，郭虹霞 ，邓 妍 ，王美霞 ，王创云

（1.太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原030024；2.山西农业大学农学院，山西太原030031）

《2019 年亚太灾害报告》显示，近2 a 亚太地区发生的自然灾害，特别是由气候变化和环境退化而引起的自然灾害，在强度、频率和复杂性方面都在增加。全球气候变暖趋势下，农业干旱频发不仅严重影响粮食安全和生态安全，同时还威胁社会经济稳定和可持续发展。干旱是我国频繁发生的主要自然灾害，全国平均每年因干旱灾害造成的直接或间接损失都严重影响到社会经济发展。山西地处黄土高原黄河流域，干旱少雨，蒸发强烈，区域农业在“十年九旱”的气候特点和水资源贫乏的地理条件下进展较缓，其主要特征为水资源严重缺乏、年内降水不均、旱地土壤贫瘠、粮食产量低而不稳，同时伴随有严重的水土和养分流失[1]。该区农业发展以雨养农业和旱作农业为基本生产类型，需在此基础上探索兼顾改善生态环境且提高土地生产力的结合点，以全面促进当地农业可持续发展。

有机旱作农业，冠以“有机”来定性和引领旱作农业，区别于传统旱作农业模式，以因地制宜、用地养地、生态循环理念为核心，是集社会效益、经济效益和生态效益为一体的发展模式。传统旱作农业耕作，曾在干旱和半干旱地区农业发展和粮食安全保障方面发挥过巨大的作用，是农业生产面临有限资源投入限制时，依靠当地自然资源提高农业生产力的理想选择[2]。早在20 世纪80 年代，张沁文[3]就从我国悠久的农业发展历史中，提出并论述了有机旱作农业在北方干旱地区农业发展的重要作用；裴都红[4]围绕农业生产中有机和旱作特点，综述了有机旱作农业模式以提高土壤有机质含量为核心，提高土壤保水保肥能力的综合技术措施。随后，山西省有机旱作农业综合研究小组研讨并规划了有机旱作农业的区划方案初稿[5]。然而，30 多年过去了，随着化学肥料、农药、农膜、除草剂、大型机械及人工灌溉等现代农业要素的大量应用，传统旱作农业不断被弱化甚至消失。然而，值得思考的是，有机旱作农业发展之路在何方?有机农业模式下如何解决区域土壤水分及养分不足的两大难题？

本文就山西省有机旱作农业发展现状及面临的巨大挑战进行分析，围绕山西气候、土壤特征及可用劳动力等基础条件和有机、旱作2 个关键词，综述提高降水利用率和作物水分利用率的土壤水肥保蓄措施，梳理相应的工程措施、农艺措施和管理措施，全面提高旱作农业区的水分利用率、土壤肥力和生态环境，为干旱区农业可持续发展提供技术支撑及理论依据。

1 山西省自然地理状况及旱作农业发展

山西省地貌类型以山地和丘陵为主，是典型的干旱缺水省份，区域内无任何灌溉条件的纯旱地约381.6 万hm2，占全省耕地面积的79%以上[6]。全省人均水资源占有量和耕地平均用水量均较低，水资源的贫乏制约着区域农业发展。农业生产长期面临着干旱缺水、广种薄收、土壤盐渍化、过度垦植及严重的水土流失状况，大量耕地呈现出“没雨苗不长，有雨流黄汤”的局面。省域内年降水量在400 mm 左右，多集中在7—9 月份，农业生产以粮食作物为主，春旱、水土流失和风蚀严重（表1）。分析可知，水分蒸发量大于降水量的环境背景下，实现高效蓄水和科学保水将是应对干旱、抵御旱灾的有效途径，改善和提高农用蓄水和土壤保水能力是发展有机旱作农业的重要保障。

相关有机旱作农业的发展现状回顾中，大同市布局“一县一园”现代农业产业园区，创建了灵丘、天镇、广灵3 个省级示范县，建成了灵丘、左云苦荞，广灵小米，天镇蔬菜，大同黄花等主导品牌，引领大同特色的有机旱作农业发展模式[7]。另外，还对当地人喜爱的黍子有机旱作技术进行了探索，形成了合理换茬、轮作养地、施用农家肥、精耕细作的栽培模式[8]。20 世纪60 年代开始，壶关县和长治市在旱作农业中有很多创新做法，总结形成了秸秆直接还田、机械深耕、适度镇压、机械播种等机械化旱作农业耕作模式，并在实践中配套应用优种包衣、抗旱播种、地膜覆盖、保护性耕作、节水灌溉等田间技术。近年来，在研发推广增施有机肥和生物有机肥、实施堆肥还田、秸秆还田、种植绿肥、沼渣沼液还田、自然生草等提升耕地质量的技术模式上，也有诸多进展[9]。屯留县曾是20 世纪末期全国机械化有机旱作农业试点，多年发展过程中暴露出一系列问题，表现为机械旋耕还田深度不够，导致秸秆不能完全覆盖，影响来年耕种，在纳雨蓄墒、提高土壤肥力等方面仍需加强[10]。

2 有机旱作农业发展的挑战与机遇

省内不同区域发展旱作农业面临不同的困难和挑战。晋北地区风沙严重，干旱频发，高强度蒸腾作用导致土壤盐渍化问题严重，土壤贫瘠且耕作粗放；晋中地区，在城市化规划发展背景下，耕地面积锐减，人地矛盾日趋尖锐，而发达的工农业及城市生活，又造成了严重的环境污染；晋南地区，主要表现为干旱严重，同时干热风危害严重，制约农业生产潜力的发挥，而且旱作土壤用养结合差，养分含量偏低，复播面积小，热量资源未能充分利用。因此，解决农业缺水并提高水分利用率在旱作农业生产中具有重要意义。

王艳等[11]提出了基于农田水循环中降水—地表水—土壤水—地下水“四水”转化途径和过程，调节土壤- 植物- 大气连续体中水分的小循环过程，发挥土壤水的水量和水势贮存转运作用，其中，对降水及地表径流的利用是有机旱作农业中的难点和重点。分析认为，发展有机旱作的有效途径一是结合旱作作物生长发育过程的需水规律及区域降水、供水能力等特征，有效利用天然降水和灌溉用水以达到最佳增产效果；二是生产过程中重视耕作管理，采用有机肥、菌肥、生物源农药等逐渐替代化肥和农药，辅以中耕管理等方式，蓄水保墒，以调节土壤水、肥、气、热四大因子之间的矛盾，提高农业生产效率。

3 山西省旱作农业中水资源高效利用和土壤肥力的调控

旱作农业下可利用的水资源非常有限，田间降雨集蓄及灌溉水资源的高效利用是关键，其目的是对降雨及洪水资源进行短期储蓄与调控，同时在灌溉过程中提高灌溉效率。此外，利用田间耕作与管理措施，发挥“土壤水库”天旱地不旱特点。因此，提出了有机旱作农业中水资源高效利用及水肥调控措施的体系（图1），从工程、生物和耕作管理多个方面协调农业需水和用水之间的平衡。

3.1 有机旱作农业中提高自然降水和灌溉用水效率的措施

雨水集流是雨养农业中对季节性降雨的汇集利用，是提高主动抗旱能力的有效途径[12-13]。选择有一定产流能力的坡面、路面、屋顶、经过夯实防渗等处理的区域，用于雨水汇集，将作物生长前期的降水进行短期储蓄，可采用集雨旱井、鱼鳞坑等，或在田间地头利用旱井梯田等水土保持工程收集径流和雨水，在作物需水关键期进行补充灌溉，既增加雨水利用率，又抵御自然干旱的不利影响。山西省孝义市在应对连续干旱方面，在没有条件修建水利工程情况下，利用旱井、旱窖、旱池等集雨灌溉设施，将降雨时空分配不均、集中降雨多时的水集蓄起来后再分配，使作物得到适时和抗旱灌溉[14]。垄作覆膜栽培模式也是旱作地区常用模式，可有效减少土壤水分蒸发而起到保墒作用[15]。此外，在现有灌溉设施条件下，引进推广节水灌溉新技术，亦可较大程度地提高水资源利用率，对于高附加值农产品，或是盐碱、低洼等不宜种植土壤的改良利用中，亦可引入喷灌、滴灌、微润灌等节水灌溉设施，结合水肥一体化等设施，提高水肥利用效率。

对于坡地等地形，可通过梯田或沿等高线耕作，充分利用降水资源并减少水土流失；对无灌溉条件的平地，通过构筑垄沟，实施垄膜沟种，促使垄面上自然降水向沟内富集，改善作物根区土壤水分环境，有效提高农田降水资源化程度和作物水分满足率，是减少水土冲刷和流失、保蓄土壤肥力的重要措施。

3.2 有机旱作农业中调控土壤肥力的耕作管理措施

旱作农业中可通过多种农艺措施改善土壤蓄水保墒能力。借助免耕、深松、耙耱、秋耕地、秸秆覆盖、塑料薄膜覆盖、间作套种等耕作措施，利用土壤孔隙积蓄降水，减少土壤表面无效蒸发量，改善作物根层土壤墒情、养分、温度状况，达到蓄水保墒、节水增产的目的[16]。

此外，对不同类型土壤，还需根据土壤类型和土壤特性分析其保水保肥性能和蓄水供肥性能，协调土壤水肥保蓄和供应性能，以肥调水，以水促肥，发挥水分协同效应和激励机制，提高抗旱能力和水分利用效率[17]。适度用有机肥替代化肥能降低土壤容重并提高田间持水量，逐渐改变土壤物理性状[18]。山西晋北大部分土壤为栗钙土，地面多是砂质或砾质，具有较强的透水性能，但土壤中有机质含量极少，土壤孔隙度大，土体结构性差，保水保肥性差。对此，可相应采取改良土壤、增施有机肥和因地制宜种植等措施。在增施有机肥、加强水土保持、实施绿肥作物轮作等一系列抗旱背景下的耕作管理中，改善土壤理化性状并不断提升土壤肥力，构建增强作物抗旱能力并夺取高产稳产的农业耕作模式[19]。

3.3 作物抗旱耐旱品种选育与调亏灌溉

不同作物品种、品系之间的抗旱和耐旱特性有很大差异。在生产实践中，要重视抗旱耐旱品种选育和选择。此外，亦可利用将作物水分生理调控机制与作物高效用水技术相结合的调亏灌溉，使有限的水最优分配到作物的不同生育期内，确保作物产量，达到节水增产、优质高效的目的。

4 结语

有机旱作农业，基于传统旱作农业，但绝非靠天农业，而是基于土壤学、耕作学、作物生理学、水文水资源学等多学科之上，因地制宜且用地养地相结合的农业发展模式。长期自然和历史选择下，劳动人民在干旱发生规律、农作物抗旱特性、土壤耕作的抗旱机理、环境建设的抗旱功能等方面，积累了丰富的经验，发展了以旱作农业为主体的农业格局。在如今强调生态文明建设的大背景下，从传统旱作农业中汲取精华，构建并创新发展有机旱作农业，将有助于解决山西省农业生态环境脆弱、农产品质量安全等问题，在确保山西省区域产业结构调整、粮食安全及生态文明建设方面具有重要意义。