山西省有機旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展及水肥高效利用技術(shù)研究

賈亞敏 ，何化春 ，趙 麗 ，張麗光 ，郭虹霞 ，鄧 妍 ，王美霞 ，王創(chuàng)云

（1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太原030031）

《2019 年亞太災(zāi)害報告》顯示，近2 a 亞太地區(qū)發(fā)生的自然災(zāi)害，特別是由氣候變化和環(huán)境退化而引起的自然災(zāi)害，在強度、頻率和復(fù)雜性方面都在增加。全球氣候變暖趨勢下，農(nóng)業(yè)干旱頻發(fā)不僅嚴重影響糧食安全和生態(tài)安全，同時還威脅社會經(jīng)濟穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。干旱是我國頻繁發(fā)生的主要自然災(zāi)害，全國平均每年因干旱災(zāi)害造成的直接或間接損失都嚴重影響到社會經(jīng)濟發(fā)展。山西地處黃土高原黃河流域，干旱少雨，蒸發(fā)強烈，區(qū)域農(nóng)業(yè)在“十年九旱”的氣候特點和水資源貧乏的地理條件下進展較緩，其主要特征為水資源嚴重缺乏、年內(nèi)降水不均、旱地土壤貧瘠、糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)，同時伴隨有嚴重的水土和養(yǎng)分流失[1]。該區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)和旱作農(nóng)業(yè)為基本生產(chǎn)類型，需在此基礎(chǔ)上探索兼顧改善生態(tài)環(huán)境且提高土地生產(chǎn)力的結(jié)合點，以全面促進當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

有機旱作農(nóng)業(yè)，冠以“有機”來定性和引領(lǐng)旱作農(nóng)業(yè)，區(qū)別于傳統(tǒng)旱作農(nóng)業(yè)模式，以因地制宜、用地養(yǎng)地、生態(tài)循環(huán)理念為核心，是集社會效益、經(jīng)濟效益和生態(tài)效益為一體的發(fā)展模式。傳統(tǒng)旱作農(nóng)業(yè)耕作，曾在干旱和半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食安全保障方面發(fā)揮過巨大的作用，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨有限資源投入限制時，依靠當(dāng)?shù)刈匀毁Y源提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的理想選擇[2]。早在20 世紀80 年代，張沁文[3]就從我國悠久的農(nóng)業(yè)發(fā)展歷史中，提出并論述了有機旱作農(nóng)業(yè)在北方干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要作用；裴都紅[4]圍繞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有機和旱作特點，綜述了有機旱作農(nóng)業(yè)模式以提高土壤有機質(zhì)含量為核心，提高土壤保水保肥能力的綜合技術(shù)措施。隨后，山西省有機旱作農(nóng)業(yè)綜合研究小組研討并規(guī)劃了有機旱作農(nóng)業(yè)的區(qū)劃方案初稿[5]。然而，30 多年過去了，隨著化學(xué)肥料、農(nóng)藥、農(nóng)膜、除草劑、大型機械及人工灌溉等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)要素的大量應(yīng)用，傳統(tǒng)旱作農(nóng)業(yè)不斷被弱化甚至消失。然而，值得思考的是，有機旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展之路在何方?有機農(nóng)業(yè)模式下如何解決區(qū)域土壤水分及養(yǎng)分不足的兩大難題？

本文就山西省有機旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的巨大挑戰(zhàn)進行分析，圍繞山西氣候、土壤特征及可用勞動力等基礎(chǔ)條件和有機、旱作2 個關(guān)鍵詞，綜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，梳理相應(yīng)的工程措施、農(nóng)藝措施和管理措施，全面提高旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的水分利用率、土壤肥力和生態(tài)環(huán)境，為干旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐及理論依據(jù)。

1 山西省自然地理狀況及旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展

山西省地貌類型以山地和丘陵為主，是典型的干旱缺水省份，區(qū)域內(nèi)無任何灌溉條件的純旱地約381.6 萬hm2，占全省耕地面積的79%以上[6]。全省人均水資源占有量和耕地平均用水量均較低，水資源的貧乏制約著區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期面臨著干旱缺水、廣種薄收、土壤鹽漬化、過度墾植及嚴重的水土流失狀況，大量耕地呈現(xiàn)出“沒雨苗不長，有雨流黃湯”的局面。省域內(nèi)年降水量在400 mm 左右，多集中在7—9 月份，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以糧食作物為主，春旱、水土流失和風(fēng)蝕嚴重（表1）。分析可知，水分蒸發(fā)量大于降水量的環(huán)境背景下，實現(xiàn)高效蓄水和科學(xué)保水將是應(yīng)對干旱、抵御旱災(zāi)的有效途徑，改善和提高農(nóng)用蓄水和土壤保水能力是發(fā)展有機旱作農(nóng)業(yè)的重要保障。

相關(guān)有機旱作農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀回顧中，大同市布局“一縣一園”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，創(chuàng)建了靈丘、天鎮(zhèn)、廣靈3 個省級示范縣，建成了靈丘、左云苦蕎，廣靈小米，天鎮(zhèn)蔬菜，大同黃花等主導(dǎo)品牌，引領(lǐng)大同特色的有機旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展模式[7]。另外，還對當(dāng)?shù)厝讼矏鄣氖蜃佑袡C旱作技術(shù)進行了探索，形成了合理換茬、輪作養(yǎng)地、施用農(nóng)家肥、精耕細作的栽培模式[8]。20 世紀60 年代開始，壺關(guān)縣和長治市在旱作農(nóng)業(yè)中有很多創(chuàng)新做法，總結(jié)形成了秸稈直接還田、機械深耕、適度鎮(zhèn)壓、機械播種等機械化旱作農(nóng)業(yè)耕作模式，并在實踐中配套應(yīng)用優(yōu)種包衣、抗旱播種、地膜覆蓋、保護性耕作、節(jié)水灌溉等田間技術(shù)。近年來，在研發(fā)推廣增施有機肥和生物有機肥、實施堆肥還田、秸稈還田、種植綠肥、沼渣沼液還田、自然生草等提升耕地質(zhì)量的技術(shù)模式上，也有諸多進展[9]。屯留縣曾是20 世紀末期全國機械化有機旱作農(nóng)業(yè)試點，多年發(fā)展過程中暴露出一系列問題，表現(xiàn)為機械旋耕還田深度不夠，導(dǎo)致秸稈不能完全覆蓋，影響來年耕種，在納雨蓄墑、提高土壤肥力等方面仍需加強[10]。

2 有機旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展的挑戰(zhàn)與機遇

省內(nèi)不同區(qū)域發(fā)展旱作農(nóng)業(yè)面臨不同的困難和挑戰(zhàn)。晉北地區(qū)風(fēng)沙嚴重，干旱頻發(fā)，高強度蒸騰作用導(dǎo)致土壤鹽漬化問題嚴重，土壤貧瘠且耕作粗放；晉中地區(qū)，在城市化規(guī)劃發(fā)展背景下，耕地面積銳減，人地矛盾日趨尖銳，而發(fā)達的工農(nóng)業(yè)及城市生活，又造成了嚴重的環(huán)境污染；晉南地區(qū)，主要表現(xiàn)為干旱嚴重，同時干熱風(fēng)危害嚴重，制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力的發(fā)揮，而且旱作土壤用養(yǎng)結(jié)合差，養(yǎng)分含量偏低，復(fù)播面積小，熱量資源未能充分利用。因此，解決農(nóng)業(yè)缺水并提高水分利用率在旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義。

王艷等[11]提出了基于農(nóng)田水循環(huán)中降水—地表水—土壤水—地下水“四水”轉(zhuǎn)化途徑和過程，調(diào)節(jié)土壤- 植物- 大氣連續(xù)體中水分的小循環(huán)過程，發(fā)揮土壤水的水量和水勢貯存轉(zhuǎn)運作用，其中，對降水及地表徑流的利用是有機旱作農(nóng)業(yè)中的難點和重點。分析認為，發(fā)展有機旱作的有效途徑一是結(jié)合旱作作物生長發(fā)育過程的需水規(guī)律及區(qū)域降水、供水能力等特征，有效利用天然降水和灌溉用水以達到最佳增產(chǎn)效果；二是生產(chǎn)過程中重視耕作管理，采用有機肥、菌肥、生物源農(nóng)藥等逐漸替代化肥和農(nóng)藥，輔以中耕管理等方式，蓄水保墑，以調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣、熱四大因子之間的矛盾，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

3 山西省旱作農(nóng)業(yè)中水資源高效利用和土壤肥力的調(diào)控

旱作農(nóng)業(yè)下可利用的水資源非常有限，田間降雨集蓄及灌溉水資源的高效利用是關(guān)鍵，其目的是對降雨及洪水資源進行短期儲蓄與調(diào)控，同時在灌溉過程中提高灌溉效率。此外，利用田間耕作與管理措施，發(fā)揮“土壤水庫”天旱地不旱特點。因此，提出了有機旱作農(nóng)業(yè)中水資源高效利用及水肥調(diào)控措施的體系（圖1），從工程、生物和耕作管理多個方面協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)需水和用水之間的平衡。

3.1 有機旱作農(nóng)業(yè)中提高自然降水和灌溉用水效率的措施

雨水集流是雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)中對季節(jié)性降雨的匯集利用，是提高主動抗旱能力的有效途徑[12-13]。選擇有一定產(chǎn)流能力的坡面、路面、屋頂、經(jīng)過夯實防滲等處理的區(qū)域，用于雨水匯集，將作物生長前期的降水進行短期儲蓄，可采用集雨旱井、魚鱗坑等，或在田間地頭利用旱井梯田等水土保持工程收集徑流和雨水，在作物需水關(guān)鍵期進行補充灌溉，既增加雨水利用率，又抵御自然干旱的不利影響。山西省孝義市在應(yīng)對連續(xù)干旱方面，在沒有條件修建水利工程情況下，利用旱井、旱窖、旱池等集雨灌溉設(shè)施，將降雨時空分配不均、集中降雨多時的水集蓄起來后再分配，使作物得到適時和抗旱灌溉[14]。壟作覆膜栽培模式也是旱作地區(qū)常用模式，可有效減少土壤水分蒸發(fā)而起到保墑作用[15]。此外，在現(xiàn)有灌溉設(shè)施條件下，引進推廣節(jié)水灌溉新技術(shù)，亦可較大程度地提高水資源利用率，對于高附加值農(nóng)產(chǎn)品，或是鹽堿、低洼等不宜種植土壤的改良利用中，亦可引入噴灌、滴灌、微潤灌等節(jié)水灌溉設(shè)施，結(jié)合水肥一體化等設(shè)施，提高水肥利用效率。

對于坡地等地形，可通過梯田或沿等高線耕作，充分利用降水資源并減少水土流失；對無灌溉條件的平地，通過構(gòu)筑壟溝，實施壟膜溝種，促使壟面上自然降水向溝內(nèi)富集，改善作物根區(qū)土壤水分環(huán)境，有效提高農(nóng)田降水資源化程度和作物水分滿足率，是減少水土沖刷和流失、保蓄土壤肥力的重要措施。

3.2 有機旱作農(nóng)業(yè)中調(diào)控土壤肥力的耕作管理措施

旱作農(nóng)業(yè)中可通過多種農(nóng)藝措施改善土壤蓄水保墑能力。借助免耕、深松、耙耱、秋耕地、秸稈覆蓋、塑料薄膜覆蓋、間作套種等耕作措施，利用土壤孔隙積蓄降水，減少土壤表面無效蒸發(fā)量，改善作物根層土壤墑情、養(yǎng)分、溫度狀況，達到蓄水保墑、節(jié)水增產(chǎn)的目的[16]。

此外，對不同類型土壤，還需根據(jù)土壤類型和土壤特性分析其保水保肥性能和蓄水供肥性能，協(xié)調(diào)土壤水肥保蓄和供應(yīng)性能，以肥調(diào)水，以水促肥，發(fā)揮水分協(xié)同效應(yīng)和激勵機制，提高抗旱能力和水分利用效率[17]。適度用有機肥替代化肥能降低土壤容重并提高田間持水量，逐漸改變土壤物理性狀[18]。山西晉北大部分土壤為栗鈣土，地面多是砂質(zhì)或礫質(zhì)，具有較強的透水性能，但土壤中有機質(zhì)含量極少，土壤孔隙度大，土體結(jié)構(gòu)性差，保水保肥性差。對此，可相應(yīng)采取改良土壤、增施有機肥和因地制宜種植等措施。在增施有機肥、加強水土保持、實施綠肥作物輪作等一系列抗旱背景下的耕作管理中，改善土壤理化性狀并不斷提升土壤肥力，構(gòu)建增強作物抗旱能力并奪取高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的農(nóng)業(yè)耕作模式[19]。

3.3 作物抗旱耐旱品種選育與調(diào)虧灌溉

不同作物品種、品系之間的抗旱和耐旱特性有很大差異。在生產(chǎn)實踐中，要重視抗旱耐旱品種選育和選擇。此外，亦可利用將作物水分生理調(diào)控機制與作物高效用水技術(shù)相結(jié)合的調(diào)虧灌溉，使有限的水最優(yōu)分配到作物的不同生育期內(nèi)，確保作物產(chǎn)量，達到節(jié)水增產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)高效的目的。

4 結(jié)語

有機旱作農(nóng)業(yè)，基于傳統(tǒng)旱作農(nóng)業(yè)，但絕非靠天農(nóng)業(yè)，而是基于土壤學(xué)、耕作學(xué)、作物生理學(xué)、水文水資源學(xué)等多學(xué)科之上，因地制宜且用地養(yǎng)地相結(jié)合的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。長期自然和歷史選擇下，勞動人民在干旱發(fā)生規(guī)律、農(nóng)作物抗旱特性、土壤耕作的抗旱機理、環(huán)境建設(shè)的抗旱功能等方面，積累了豐富的經(jīng)驗，發(fā)展了以旱作農(nóng)業(yè)為主體的農(nóng)業(yè)格局。在如今強調(diào)生態(tài)文明建設(shè)的大背景下，從傳統(tǒng)旱作農(nóng)業(yè)中汲取精華，構(gòu)建并創(chuàng)新發(fā)展有機旱作農(nóng)業(yè)，將有助于解決山西省農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境脆弱、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全等問題，在確保山西省區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、糧食安全及生態(tài)文明建設(shè)方面具有重要意義。