1北方旱地农业研究的意义

北方旱地农业区是我国农业的重要组成部分,它既是我国粮、棉、油、豆的重要产地,也是林果业和畜牧业的重要基地,并且名特优农产品资源丰富,出口创汇优势明显。该区是国家重点扶持的脱贫攻坚、维护生态安全的区域,对我国农业乃至整个国民经济发展具有举足轻重的作用。

1•1战略地位

地处昆仑-秦岭-淮河一线以北的旱地农业区土地面积占全国的56%,耕地面积占全国的51%。该区的农业受频繁的旱灾、脆弱的生态环境以及其他社会经济诸多因素的制约,长期徘徊不前,作物产量低而不稳。经过20多年的综合治理,北方的旱地农业有了长足的发展,已经成为我国农业增长和国民经济增长的战略要地,该区的粮食、棉花、大豆、油料、木材生产分别占全国的46%、61%、72%、46%和57%。果品生产及其加工业也在全国占主导地位,苹果、梨、葡萄、杏、桃、杏等产品均占全国同类水果产量的90%以上;本区集中了全国的五大牧区,具有发展草食畜牧业的优势。

1•2发展潜力

北方旱农地区增产潜力对保证我国粮食安全具有重要意义。该区虽然水资源短缺,在一定程度上制约了农业的发展,但可利用的土地资源潜力巨大,气候资源多样,农业增产潜力为全国最大的区域之一。本区主要粮食作物平均水分生产潜力的理论值为5595kg/hm2,试验值为4287kg/hm2,而实际产量水平为2585kg/hm2,分别比理论潜力值和试验潜力值低3010kg/hm2和1702kg/hm2[2]。本区一方面要提高农业生产的比较效益,充分发挥资源和农产品优势,调整产业结构,走种养加工一体化的道路,发展农产品加工业和饲料工业,提高种植业与养殖业的增值效益;另一方面,该区受经济发展水平的制约,乡村工业的发展只能以农业为依托,延长产业链,实现本区农业资源的增值。尽管本区有一批大中城市,但与农村联系不紧密,所以该区乡村工业应以农业的深开发和深加工为主,逐步实现产业结构的优化[3]。

1•3生态安全

国家的生态安全有赖于北方旱农地区的可持续发展,北方旱农地区的可持续发展又受地理环境的制约。北方旱地农业区是一个特殊的自然生态类型区域,生态系统极为脆弱,加之人口增长过快,为了保证粮食供给,大量开荒造田,毁林毁草,又加速了干旱和水土流失。水资源严重短缺,降水量少而分布不均,自南而北递减,降水量70%集中在6~9月,在其余时间里旱灾频繁。据估计,由于不适当的垦殖以及广种薄收,重农轻牧、轻林,造成天然植被减少和退化严重,近10年来草地面积减少1•3亿hm2。同时,近半个世纪形成的沙漠化土地约5万hm2,正在演变的潜在沙漠化土地面积约15万hm2[4]。北方旱地的这些生态问题不仅直接危害旱地农业系统的生产力和稳定性,同时也对国家的生态安全造成影响,最近几年华北地区频繁发生的沙尘暴正是由于北方的沙漠化地区为其提供了源头。从这一层面分析,旱地农业发展必须以区域农业资源可持续利用和生态环境的良性循环为基础,进而建立我国北方旱地农业可持续发展的模式,这无异于在北方筑起一条生态长城,有效地保证北方和全国的生态安全。

2国内外旱地农业研究进展

2•1国外旱地农业研究

近50年来,世界各国旱地农业生产和研究取得了许多重要成果,尽管地处半干旱地带的世界各国自然条件和经济发展状况有很大差异,但有一个共同的经验,就是特别重视改善生态环境和提高粮食产量的结合,采取使两者共同发展的措施。在作物布局方面,保持耕作、水分动态、资源管理以及防旱地土壤退化与恢复等方面形成了完整的技术体系。各国针对水资源大范围短缺的情况,普遍重视区域性水土资源的优化配置,特别是水分利用效率持续增进的研究与基础设施的配套,以及径流集截利用技术体系,高效节水可控微灌技术和集约旱作生产技术等。美国的旱地农业主要集中在中西部大平原,开发较晚,仅有百年历史,但发展很快,现已成为美国农畜产品主要产业之一。美国农业在发展过程中充分注意了保护性耕作的重要性,特别是近几十年来,美国旱地农业耕作方式由多耕到少耕、免耕,由表层松土覆盖到残茬秸杆覆盖,由机械除草到化学除草,逐步提高保土、保肥、保水效果和农业产量。根据长期的研究结果,将耕作次数由1930年前的7~10次,减少到现在的一次或不耕,休闲地蓄水量由102mm增加到215mm,蓄水量由占降水量的19%提高到40%,小麦单产从1050kg/hm2提高到2700kg/hm2。

到目前为止,美国至少有50%的耕地实行保护性耕作[5],并且都已取得良好的效果。澳大利亚的地表水资源较为贫乏,大陆内部和西部高原地区雨量很少,干旱、半干旱地区面积约占全国土地总面积的65•7%,农业生产以旱地农业为主。澳大利亚旱地农业发展有以下三个特点:①实行混合农业。澳大利亚探索小麦种植和混合型农业是以商品生产为目的,以效益为出发点的农业,通过在小麦种植期间发展农产品经营和在农闲季节经营畜牧业,既提高了劳动生产率和设备利用率,又有利于保持生态平衡,使农业与畜牧业互相促进,共同发展;②实行以豆科牧草为基础的草粮轮作制度,即一年生豆科牧草与小麦轮作,这是近10年来被确认的一种最佳的耕作制度,豆科牧草的根瘤菌通过固氮作用积累土壤中氮素营养,提高了土壤肥力水平,改善了土壤结构,为小麦的生长和产量的提高创造了条件。同时种植牧草又可用于生产饲料,进一步增加了农民的收入;③重视旱地农业研究。澳大利亚把粮食的研究和牧草的研究结合起来,着重基础研究,特别是对旱农地区“土壤有机质衰弱-土壤结构破坏-水分的入渗和储存减少-风蚀水蚀加剧,生态环境变化-产量下降”的研究取得了重大成果[6]。印度的旱地农业研究从1970年开始注重旱地农业工程学与农业、土壤科学、植物育种学的综合研究,特别是加强对流域开发、水土保持、节水灌溉、盐碱良等的综合研究:①流域的管理与开发。印度非常重视旱地小流域和微型流域的研究,特别是对旱地流域的水文、农业和社会经济因素进行监控;②水土保持措施。在荒坡顶部的非耕地开挖鱼鳞坑,种草种树,保持水土。12~15%的坡沟地段,采用打埂、拦蓄洪水径流。

5~12%的山坡地带筑等高垄沟或拦水埂,坡度较大时筑等高垄沟。2~5%缓坡农田实行不同作物(高杆与矮杆)等高带状间作,每种作物间均开挖10cm深的蓄水沟,使其就地渗入的降水汇集沟内,然后渗入植物根部;③旱地集水结构,主要是将大面积的有限降水集中起来,以保证和促进旱地作物生产,或将前期有限的降水集中起来,为以后作物的生产提供水源[7]。综观国外旱地农业的发展,有两点值得我们认真研究与借鉴:①世界旱地农业发达国家始终注重生态环境保护和生产管理技术的统一。生态环境保护与生产管理技术的结合,保证了旱地农业的可持续发展;②机械化水平的不断提高,技术产业化研究的迅猛发展,使发达国家的生产效率在近10年里提高了约2•5倍,基本形成机械化与技术产业化相互促进的良性循环。

2•2我国旱地农业研究进展

按照J•R•Harlan提出的农业起源中心和非中心论,我国的北部、中东和中美洲是世界最干旱的三大农业发源地,并对东南亚和东印度群岛、非洲和南美洲等非中心区起着传播和带动作用。这3个农业起源中心都发生在大陆的35度纬线上,并与温带的气候及半干旱稀树草原的丘陵地带或流域密切相关。黄河流域是我国传统旱作农业奠基与精耕细作农业的形成地,在近7000~8000年的旱地农业发展过程中,积累了丰富的旱地农业经验和技术成就。我国旱地农业形成及其发展的特点主要有:旱地农业形成时期是我国传统农业与精细农业奠基时期,以耐旱作物种植为基础,实行农牧结合,以农业内部物质能量低层次有效循环利用为特征;以手工劳动为主体、综合多种经营的小农经济;以经验为主导,强调天时、地利、人和、物相的自然生态农业;以流域灌溉为手段,提倡发展豆谷、薯类合理种植的抗灾御旱农业[8]。新中国成立以来,我国的旱地农业发展很快,突出的成就有:荒地垦植和沟坡地治理取得显著成就,耕地面积明显增加。1949年全国耕地面积为0•84亿hm2,其中旱地占76•9%,到1984年为1•33亿hm2,其中旱地占58•8%,这期间总耕地扩大0•49亿hm2;农田水利基本建设取得突出成就,在耕地面积扩大的同时,水浇地比率由1949年的23•2%扩大到41•2%,最高时达46•0%,使我国成为世界上耕地灌溉面积比例较高、发展最快的国家之一;传统旱作农业更加模式化,如西北地区治沙治碱,米脂县高西沟退耕还草,农牧结合模式等;化肥、农药的使用技术有了一定基础,有机与无机相结合显示出较好的增产效果。在学科研究方向上,50年代引进的草田轮作法、深松耕法,70年代兴起的少耕法和免耕法及粮草轮作法等,对我国旱地农业耕作制度研究都曾起到重要作用。

这一阶段旱地农业发展的一个很大缺点是对环境保护的意识很薄弱,这也是由当时特定的社会环境造成的。在扩大耕地面积的同时,人为地破坏了自然环境自身存在的协调性,再加上化肥农药的扩大使用,对环境造成很大的破坏,同时在一定程度上影响了农业开发的经济效益。1984年至1995年是我国国民经济高速发展时期,旱地农业研究也取得了突飞猛进的发展:基本摸清我国旱地农业的家底,提出分类指导、分区治理的依据,通过广大学者的联合攻关,得出以秦岭淮河一线作为我国干湿气候的分界线,并且明确了北方旱区涉及干旱、半干旱偏旱、半干旱、半湿润偏旱和半湿润5个一级区和57个二级区的北方471个县,分布于北方16个省市自治区,其面积占国土面积的52•5%。全国旱区面积占国土面积的56•5%。北方旱区耕地面积为全国耕地面积的38%,全国旱地面积占耕地面积的58•2%[9];通过对自然资源的综合评价,提出了北方旱地农业的发展要抓住旱区的光热生产潜力,实行多学科联合攻关,重点解决旱、薄、粗问题的思路。探索具有旱区地域特色的农业结构模式是这一时期的主攻方面,经过“六五”-“八五”的科技攻关,业已形成丘陵、沟壑、农村结合发展模式,半干旱山区小流域包户治理模式以及黄淮海平原农业综合开发模式等;通过联合攻关、技术改造和引进,基本建立了不同特征的农田保护耕作体系。通过实施蓄水覆盖丰产沟耕作法,不仅使粮食单产由0•75t/hm2提高到6•0~9•0t/hm2,也使自然降水利用率由38•5%提高到82•5%。垄沟盖膜集水栽培使半干旱夏闲地得以开发利用,免耕和深松覆盖使播前土壤水分增加到796•8mm/hm2;现代生物技术与计算机优化筛选技术相结合,使旱区作物“二高一优”规范技术得到了保证。而不同途径的遗传育种与抗逆生物技术创造了适宜多种环境的生物种质,从而推动秦晋旱区油菜北移,东北地区冬麦北移和高寒山区作物产量的大幅度提高,农作物优化栽培技术使增产管理成本趋向合理,也提高了旱区有限水资源的利用率[10]。这一时期旱地农业研究的主要特点是重视了旱地农业的综合性,在抓产量的同时,也注意对环境的保护。提出了在不破坏生态平衡的前提下,最大限度地利用现有资源的若干模式。同时也认识到旱地农业发展的复杂性,不仅提出因地制宜发展旱地农业,而且通过各种手段的联合来发展旱地农业。

但是,这一阶段对环境保护的强调还是不够,而且对于环境与经济的协调发展没有找到很好的解决方法,环境的保护主要是以牺牲经济效益为前提的。随着世界对食物、能源、水资源和环境等问题的重视,发达国家都把可持续发展作为战略重点摆上了议事日程,我国政府也制定了21世纪议程,北方旱区农业也将步入可持续发展阶段。首先在旱区农业总体规划方面,在现有5个一级区和57个二级区的基础上,构建和完善适于不同类型旱作区域的农业产业结构和抗旱农田耕作栽培体系,通过有效的技术和资金投入,围绕“纳、蓄、集、保、截、节”,以提高水资源利用率,进而调控社会、经济、自然复合生态系统的发展[11]。其次,强化保护可更新资源的合理开发利用与不可更新资源的人工替代合成利用,以达到永续利用的目标,从可持续发展的观点来看:①旱作农业是我国重要的农林牧产业发展区和产品加工增值区,对推进国家经济转移和改善国民食物构成有重大的意义;②北方旱区是少数民族集中、经济发展相对滞后的区域。该区有48个少数民族,人均收入低于全国平均水平的1/3,许多矿产资源和土地资源有待开发利用;③旱区光、热、水、煤、油、气等资源潜力巨大,技术市场广阔,在国家产业化发展中将产生许多新的经济增长点;④该区受水土流失、风害、冰害等不利自然条件的影响,生态环境十分脆弱。但随着旱区农业生态系统研究的深入以及“三北”防护林、南水北调、黄河综合治理等项目的实施,其环境质量将得到很大的改善[11]。这一阶段最主要的特点就是可持续发展观的提出和实施,这对于北方旱作农业区的经济、社会和生态效益的协调统一非常重要,并且将作为指导北方旱地农业开发的核心思想长期贯彻下去。

3研究原则与对策

3•1研究原则

我国北方旱地农业研究必须采用整体、系统、宏观、多维的思路,重视该领域基础自然科学研究之进展,采用新的研究方法、理论和思维,把北方旱农地区农业和农村经济发展问题放在一个特殊的背景下来研究。就旱地农业研究而言,要特别注意以下几方面:①改变单要素研究,从只注重单一作物的研究扩展到多种作物的复合群体,乃至有关的连作、轮作等耕作栽培技术研究;②有限的水资源和严重的土壤侵蚀是导致旱农地区旱、薄、粗的主要原因,水土资源匹配失衡是限制经济效益和抗灾能力长期得不到提高的主要原因,要提高自然降水的利用率和生产效益,必须加强对水土资源的协调问题的研究[12];③研究目标要进行合理调整,从过去单纯追求产量,转移到着眼于高产、优质、高效并有利于规模发展和产业化经营;④研究领域从单纯研究农业的区域性、经济性、社会性、延伸到自然性、生物性、生产性,以及产前、产中、产后整个生产体系;⑤研究手段从单一的、静止的观点和定性的方法,发展到以自然为基础,经济、社会、环境相结合,以连续的、系统的、动态的观点和定量与定性相结合的方法。

3•2发展对策

旱地农业最主要的特征是供水量接近于作物需水的底限,这种临界状态既表明北方旱农地区生产潜力较大,又说明水分胁迫造成其发展难度很大。北方旱农地区之所以迄今生产力较低,一个主要原因就是我们对这种临界性质农业的水分问题及区域水土资源优化配置认识不足,因而对临界农业的复杂性和它特有的规律没能很好地把握。

3•2•1建立水土资源的高效利用与调控机制改变过去水土研究的分离状态,将水土资源的开发、利用、保持作为一个整体,研究不同区域水土资源高效持续利用的途径与关键技术。重点是水土资源的优化配置与土地生产力的多元化系统研究,特别是解决目前持续干旱的气候条件下农业生产问题。近年来北方旱农地区一方面持续干旱,另一方面,有限的降水资源尚未得到充分利用,导致该区农田实际生产力明显低于降水生产潜力。因此,通过多种技术途径提高水资源利用率是挖掘该区生产潜力的中心环节,主要包括减少降水的就地入渗流失、使渗入土壤的水分得到最大限度的保存及利用和提高单位水量的生产效能三个方面。各种作物对水分的需求和反应不同,适应干旱方式的途径各异,从作物整体水平上研究抗旱机理是目前研究的热点,主要研究内容为不同作物在不同生长期对干旱的反应及水分限制下的光合作用的高效适转与调控等[14]。

3•2•2建立北方不同类型农田生态系统农作体系作物体系研究对象包括环境状况、生产力水平、技术水平等各种因素。它属于综合研究范畴,充分体现资源、经济、技术的综合,包括种植业的合理布局与技术组装,并涉及农牧和农产品加工等环节,这也是旱作农田抗旱增产的基础。主要研究内容包括耕地产量潜力及其开发策略,不同类型区域农作物的建立,主要农作物合理布局和结构调整,作物体系集约化耕作栽培技术等,建立作物生产潜力、农业资源评价、种植制度调整、作物布局规划、养分吸收和运转、产量形成等过程模拟模型和宏观决策系统,加强为区域农业多年、多地、多种作物的生产及其环境描述的研究,建立宏观多层次的气象、土壤、作物生育及农业措施等方面的数据库、区域农作物生产和决策的专家支持系统等。

3•2•3促进农牧结合,实现农林牧综合发展近年来我国北方在旱地农业发展战略思想指导下,结合当地生产实际和自然资源优势,建立了农牧结合、农林牧综合发展的模式,取得了明显的效果。地处冀北坝上高寒半干旱区的张北地区近年来注意调整农牧副产业的比例,由“七五”的70∶28∶2调为“九五”的51∶21∶28。新的产业结构在整体效益上效果明显,“九五”期间人均粮食581kg,比“七五”期间增长了152•6%,人均收入也比“七五”期间增长2•64倍。目前,张北地区还注意林草业的发展,推广草粮轮作、油草混播技术,建立农田以人工草地为骨干的多元结构饲料基地,形成农林牧草四单元三层次结构体,各单元层次间相互依存,协调发展,形成了有机整体,从而提高了自然资源的合理利用,促进了农牧结合,实现了农林牧综合发展。

3•2•4因地制宜,实施分类发展战略虽然北方旱农地区的落后有共同的影响因素,但是也应该看到,区内自然社会经济条件千差万别,5个规划一级区和57个二级区发展方向和重点亦不同。对旱地农业区产业结构的研究应从上述特点出发,做到因地、因时、因区位制宜,实行分区分类指导和规划,选准突破口,扬长避短发挥优势。以资源的合理组合和适应开发利用为基础,以年度较低成本和最大收入为规划目标的产业结合,进行总体设计,步入优化框架,以适应市场经济和资源合理利用的要求。北方旱区产业作物优化应包括种植业结构、畜牧业结构、林业生态结构及非农产业结构,以便形成“两高一优”农业综合发展指标,同时要以科技进步为核心,由传统单一型向综合型、产量型向效益型的农业结构转换,以市场为导向,以“两高一优”为目的,以旱地农业技术集成为依托,以增加农民收入为核心,这应该是21世纪旱地农业和农村经济发展的主导思想。