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1北方旱地農業研究的意義

北方旱地農業區是我國農業的重要組成部分,它既是我國糧、棉、油、豆的重要產地,也是林果業和畜牧業的重要基地,并且名特優農產品資源豐富,出口創匯優勢明顯。該區是國家重點扶持的脫貧攻堅、維護生態安全的區域,對我國農業乃至整個國民經濟發展具有舉足輕重的作用。

1•1戰略地位

地處昆侖-秦嶺-淮河一線以北的旱地農業區土地面積占全國的56%,耕地面積占全國的51%。該區的農業受頻繁的旱災、脆弱的生態環境以及其他社會經濟諸多因素的制約,長期徘徊不前,作物產量低而不穩。經過20多年的綜合治理,北方的旱地農業有了長足的發展,已經成為我國農業增長和國民經濟增長的戰略要地,該區的糧食、棉花、大豆、油料、木材生產分別占全國的46%、61%、72%、46%和57%。果品生產及其加工業也在全國占主導地位,蘋果、梨、葡萄、杏、桃、杏等產品均占全國同類水果產量的90%以上;本區集中了全國的五大牧區,具有發展草食畜牧業的優勢。

1•2發展潛力

北方旱農地區增產潛力對保證我國糧食安全具有重要意義。該區雖然水資源短缺,在一定程度上制約了農業的發展,但可利用的土地資源潛力巨大,氣候資源多樣,農業增產潛力為全國最大的區域之一。本區主要糧食作物平均水分生產潛力的理論值為5595kg/hm2,試驗值為4287kg/hm2,而實際產量水平為2585kg/hm2,分別比理論潛力值和試驗潛力值低3010kg/hm2和1702kg/hm2[2]。本區一方面要提高農業生產的比較效益,充分發揮資源和農產品優勢,調整產業結構,走種養加工一體化的道路,發展農產品加工業和飼料工業,提高種植業與養殖業的增值效益;另一方面,該區受經濟發展水平的制約,鄉村工業的發展只能以農業為依托,延長產業鏈,實現本區農業資源的增值。盡管本區有一批大中城市,但與農村聯系不緊密,所以該區鄉村工業應以農業的深開發和深加工為主,逐步實現產業結構的優化[3]。

1•3生態安全

國家的生態安全有賴于北方旱農地區的可持續發展,北方旱農地區的可持續發展又受地理環境的制約。北方旱地農業區是一個特殊的自然生態類型區域,生態系統極為脆弱,加之人口增長過快,為了保證糧食供給,大量開荒造田,毀林毀草,又加速了干旱和水土流失。水資源嚴重短缺,降水量少而分布不均,自南而北遞減,降水量70%集中在6~9月,在其余時間里旱災頻繁。據估計,由于不適當的墾殖以及廣種薄收,重農輕牧、輕林,造成天然植被減少和退化嚴重,近10年來草地面積減少1•3億hm2。同時,近半個世紀形成的沙漠化土地約5萬hm2,正在演變的潛在沙漠化土地面積約15萬hm2[4]。北方旱地的這些生態問題不僅直接危害旱地農業系統的生產力和穩定性,同時也對國家的生態安全造成影響,最近幾年華北地區頻繁發生的沙塵暴正是由于北方的沙漠化地區為其提供了源頭。從這一層面分析,旱地農業發展必須以區域農業資源可持續利用和生態環境的良性循環為基礎,進而建立我國北方旱地農業可持續發展的模式,這無異于在北方筑起一條生態長城,有效地保證北方和全國的生態安全。

2國內外旱地農業研究進展

2•1國外旱地農業研究

近50年來,世界各國旱地農業生產和研究取得了許多重要成果,盡管地處半干旱地帶的世界各國自然條件和經濟發展狀況有很大差異,但有一個共同的經驗,就是特別重視改善生態環境和提高糧食產量的結合,采取使兩者共同發展的措施。在作物布局方面,保持耕作、水分動態、資源管理以及防旱地土壤退化與恢復等方面形成了完整的技術體系。各國針對水資源大范圍短缺的情況,普遍重視區域性水土資源的優化配置,特別是水分利用效率持續增進的研究與基礎設施的配套,以及徑流集截利用技術體系,高效節水可控微灌技術和集約旱作生產技術等。美國的旱地農業主要集中在中西部大平原,開發較晚,僅有百年歷史,但發展很快,現已成為美國農畜產品主要產業之一。美國農業在發展過程中充分注意了保護性耕作的重要性,特別是近幾十年來,美國旱地農業耕作方式由多耕到少耕、免耕,由表層松土覆蓋到殘茬秸桿覆蓋,由機械除草到化學除草,逐步提高保土、保肥、保水效果和農業產量。根據長期的研究結果,將耕作次數由1930年前的7~10次,減少到現在的一次或不耕,休閑地蓄水量由102mm增加到215mm,蓄水量由占降水量的19%提高到40%,小麥單產從1050kg/hm2提高到2700kg/hm2。

到目前為止,美國至少有50%的耕地實行保護性耕作[5],并且都已取得良好的效果。澳大利亞的地表水資源較為貧乏,大陸內部和西部高原地區雨量很少,干旱、半干旱地區面積約占全國土地總面積的65•7%,農業生產以旱地農業為主。澳大利亞旱地農業發展有以下三個特點:①實行混合農業。澳大利亞探索小麥種植和混合型農業是以商品生產為目的,以效益為出發點的農業,通過在小麥種植期間發展農產品經營和在農閑季節經營畜牧業,既提高了勞動生產率和設備利用率,又有利于保持生態平衡,使農業與畜牧業互相促進,共同發展;②實行以豆科牧草為基礎的草糧輪作制度,即一年生豆科牧草與小麥輪作,這是近10年來被確認的一種最佳的耕作制度,豆科牧草的根瘤菌通過固氮作用積累土壤中氮素營養,提高了土壤肥力水平,改善了土壤結構,為小麥的生長和產量的提高創造了條件。同時種植牧草又可用于生產飼料,進一步增加了農民的收入;③重視旱地農業研究。澳大利亞把糧食的研究和牧草的研究結合起來,著重基礎研究,特別是對旱農地區“土壤有機質衰弱-土壤結構破壞-水分的入滲和儲存減少-風蝕水蝕加劇,生態環境變化-產量下降”的研究取得了重大成果[6]。印度的旱地農業研究從1970年開始注重旱地農業工程學與農業、土壤科學、植物育種學的綜合研究,特別是加強對流域開發、水土保持、節水灌溉、鹽堿良等的綜合研究:①流域的管理與開發。印度非常重視旱地小流域和微型流域的研究,特別是對旱地流域的水文、農業和社會經濟因素進行監控;②水土保持措施。在荒坡頂部的非耕地開挖魚鱗坑,種草種樹,保持水土。12~15%的坡溝地段,采用打埂、攔蓄洪水徑流。

5~12%的山坡地帶筑等高壟溝或攔水埂,坡度較大時筑等高壟溝。2~5%緩坡農田實行不同作物(高桿與矮桿)等高帶狀間作,每種作物間均開挖10cm深的蓄水溝,使其就地滲入的降水匯集溝內,然后滲入植物根部;③旱地集水結構,主要是將大面積的有限降水集中起來,以保證和促進旱地作物生產,或將前期有限的降水集中起來,為以后作物的生產提供水源[7]。綜觀國外旱地農業的發展,有兩點值得我們認真研究與借鑒:①世界旱地農業發達國家始終注重生態環境保護和生產管理技術的統一。生態環境保護與生產管理技術的結合,保證了旱地農業的可持續發展;②機械化水平的不斷提高,技術產業化研究的迅猛發展,使發達國家的生產效率在近10年里提高了約2•5倍,基本形成機械化與技術產業化相互促進的良性循環。

2•2我國旱地農業研究進展

按照J•R•Harlan提出的農業起源中心和非中心論,我國的北部、中東和中美洲是世界最干旱的三大農業發源地,并對東南亞和東印度群島、非洲和南美洲等非中心區起著傳播和帶動作用。這3個農業起源中心都發生在大陸的35度緯線上,并與溫帶的氣候及半干旱稀樹草原的丘陵地帶或流域密切相關。黃河流域是我國傳統旱作農業奠基與精耕細作農業的形成地,在近7000~8000年的旱地農業發展過程中,積累了豐富的旱地農業經驗和技術成就。我國旱地農業形成及其發展的特點主要有:旱地農業形成時期是我國傳統農業與精細農業奠基時期,以耐旱作物種植為基礎,實行農牧結合,以農業內部物質能量低層次有效循環利用為特征;以手工勞動為主體、綜合多種經營的小農經濟;以經驗為主導,強調天時、地利、人和、物相的自然生態農業;以流域灌溉為手段,提倡發展豆谷、薯類合理種植的抗災御旱農業[8]。新中國成立以來,我國的旱地農業發展很快,突出的成就有:荒地墾植和溝坡地治理取得顯著成就,耕地面積明顯增加。1949年全國耕地面積為0•84億hm2,其中旱地占76•9%,到1984年為1•33億hm2,其中旱地占58•8%,這期間總耕地擴大0•49億hm2;農田水利基本建設取得突出成就,在耕地面積擴大的同時,水澆地比率由1949年的23•2%擴大到41•2%,最高時達46•0%,使我國成為世界上耕地灌溉面積比例較高、發展最快的國家之一;傳統旱作農業更加模式化,如西北地區治沙治堿,米脂縣高西溝退耕還草,農牧結合模式等;化肥、農藥的使用技術有了一定基礎,有機與無機相結合顯示出較好的增產效果。在學科研究方向上,50年代引進的草田輪作法、深松耕法,70年代興起的少耕法和免耕法及糧草輪作法等,對我國旱地農業耕作制度研究都曾起到重要作用。

這一階段旱地農業發展的一個很大缺點是對環境保護的意識很薄弱,這也是由當時特定的社會環境造成的。在擴大耕地面積的同時,人為地破壞了自然環境自身存在的協調性,再加上化肥農藥的擴大使用,對環境造成很大的破壞,同時在一定程度上影響了農業開發的經濟效益。1984年至1995年是我國國民經濟高速發展時期,旱地農業研究也取得了突飛猛進的發展:基本摸清我國旱地農業的家底,提出分類指導、分區治理的依據,通過廣大學者的聯合攻關,得出以秦嶺淮河一線作為我國干濕氣候的分界線,并且明確了北方旱區涉及干旱、半干旱偏旱、半干旱、半濕潤偏旱和半濕潤5個一級區和57個二級區的北方471個縣,分布于北方16個省市自治區,其面積占國土面積的52•5%。全國旱區面積占國土面積的56•5%。北方旱區耕地面積為全國耕地面積的38%,全國旱地面積占耕地面積的58•2%[9];通過對自然資源的綜合評價,提出了北方旱地農業的發展要抓住旱區的光熱生產潛力,實行多學科聯合攻關,重點解決旱、薄、粗問題的思路。探索具有旱區地域特色的農業結構模式是這一時期的主攻方面,經過“六五”-“八五”的科技攻關,業已形成丘陵、溝壑、農村結合發展模式,半干旱山區小流域包戶治理模式以及黃淮海平原農業綜合開發模式等;通過聯合攻關、技術改造和引進,基本建立了不同特征的農田保護耕作體系。通過實施蓄水覆蓋豐產溝耕作法,不僅使糧食單產由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%。壟溝蓋膜集水栽培使半干旱夏閑地得以開發利用,免耕和深松覆蓋使播前土壤水分增加到796•8mm/hm2;現代生物技術與計算機優化篩選技術相結合,使旱區作物“二高一優”規范技術得到了保證。而不同途徑的遺傳育種與抗逆生物技術創造了適宜多種環境的生物種質,從而推動秦晉旱區油菜北移,東北地區冬麥北移和高寒山區作物產量的大幅度提高,農作物優化栽培技術使增產管理成本趨向合理,也提高了旱區有限水資源的利用率[10]。這一時期旱地農業研究的主要特點是重視了旱地農業的綜合性,在抓產量的同時,也注意對環境的保護。提出了在不破壞生態平衡的前提下,最大限度地利用現有資源的若干模式。同時也認識到旱地農業發展的復雜性,不僅提出因地制宜發展旱地農業,而且通過各種手段的聯合來發展旱地農業。

但是,這一階段對環境保護的強調還是不夠,而且對于環境與經濟的協調發展沒有找到很好的解決方法,環境的保護主要是以犧牲經濟效益為前提的。隨著世界對食物、能源、水資源和環境等問題的重視,發達國家都把可持續發展作為戰略重點擺上了議事日程,我國政府也制定了21世紀議程,北方旱區農業也將步入可持續發展階段。首先在旱區農業總體規劃方面,在現有5個一級區和57個二級區的基礎上,構建和完善適于不同類型旱作區域的農業產業結構和抗旱農田耕作栽培體系,通過有效的技術和資金投入,圍繞“納、蓄、集、保、截、節”,以提高水資源利用率,進而調控社會、經濟、自然復合生態系統的發展[11]。其次,強化保護可更新資源的合理開發利用與不可更新資源的人工替代合成利用,以達到永續利用的目標,從可持續發展的觀點來看:①旱作農業是我國重要的農林牧產業發展區和產品加工增值區,對推進國家經濟轉移和改善國民食物構成有重大的意義;②北方旱區是少數民族集中、經濟發展相對滯后的區域。該區有48個少數民族,人均收入低于全國平均水平的1/3,許多礦產資源和土地資源有待開發利用;③旱區光、熱、水、煤、油、氣等資源潛力巨大,技術市場廣闊,在國家產業化發展中將產生許多新的經濟增長點;④該區受水土流失、風害、冰害等不利自然條件的影響,生態環境十分脆弱。但隨著旱區農業生態系統研究的深入以及“三北”防護林、南水北調、黃河綜合治理等項目的實施,其環境質量將得到很大的改善[11]。這一階段最主要的特點就是可持續發展觀的提出和實施,這對于北方旱作農業區的經濟、社會和生態效益的協調統一非常重要,并且將作為指導北方旱地農業開發的核心思想長期貫徹下去。

3研究原則與對策

3•1研究原則

我國北方旱地農業研究必須采用整體、系統、宏觀、多維的思路,重視該領域基礎自然科學研究之進展,采用新的研究方法、理論和思維,把北方旱農地區農業和農村經濟發展問題放在一個特殊的背景下來研究。就旱地農業研究而言,要特別注意以下幾方面:①改變單要素研究,從只注重單一作物的研究擴展到多種作物的復合群體,乃至有關的連作、輪作等耕作栽培技術研究;②有限的水資源和嚴重的土壤侵蝕是導致旱農地區旱、薄、粗的主要原因,水土資源匹配失衡是限制經濟效益和抗災能力長期得不到提高的主要原因,要提高自然降水的利用率和生產效益,必須加強對水土資源的協調問題的研究[12];③研究目標要進行合理調整,從過去單純追求產量,轉移到著眼于高產、優質、高效并有利于規模發展和產業化經營;④研究領域從單純研究農業的區域性、經濟性、社會性、延伸到自然性、生物性、生產性,以及產前、產中、產后整個生產體系;⑤研究手段從單一的、靜止的觀點和定性的方法,發展到以自然為基礎,經濟、社會、環境相結合,以連續的、系統的、動態的觀點和定量與定性相結合的方法。

3•2發展對策

旱地農業最主要的特征是供水量接近于作物需水的底限,這種臨界狀態既表明北方旱農地區生產潛力較大,又說明水分脅迫造成其發展難度很大。北方旱農地區之所以迄今生產力較低,一個主要原因就是我們對這種臨界性質農業的水分問題及區域水土資源優化配置認識不足,因而對臨界農業的復雜性和它特有的規律沒能很好地把握。

3•2•1建立水土資源的高效利用與調控機制改變過去水土研究的分離狀態,將水土資源的開發、利用、保持作為一個整體,研究不同區域水土資源高效持續利用的途徑與關鍵技術。重點是水土資源的優化配置與土地生產力的多元化系統研究,特別是解決目前持續干旱的氣候條件下農業生產問題。近年來北方旱農地區一方面持續干旱,另一方面,有限的降水資源尚未得到充分利用,導致該區農田實際生產力明顯低于降水生產潛力。因此,通過多種技術途徑提高水資源利用率是挖掘該區生產潛力的中心環節,主要包括減少降水的就地入滲流失、使滲入土壤的水分得到最大限度的保存及利用和提高單位水量的生產效能三個方面。各種作物對水分的需求和反應不同,適應干旱方式的途徑各異,從作物整體水平上研究抗旱機理是目前研究的熱點,主要研究內容為不同作物在不同生長期對干旱的反應及水分限制下的光合作用的高效適轉與調控等[14]。

3•2•2建立北方不同類型農田生態系統農作體系作物體系研究對象包括環境狀況、生產力水平、技術水平等各種因素。它屬于綜合研究范疇,充分體現資源、經濟、技術的綜合,包括種植業的合理布局與技術組裝,并涉及農牧和農產品加工等環節,這也是旱作農田抗旱增產的基礎。主要研究內容包括耕地產量潛力及其開發策略,不同類型區域農作物的建立,主要農作物合理布局和結構調整,作物體系集約化耕作栽培技術等,建立作物生產潛力、農業資源評價、種植制度調整、作物布局規劃、養分吸收和運轉、產量形成等過程模擬模型和宏觀決策系統,加強為區域農業多年、多地、多種作物的生產及其環境描述的研究,建立宏觀多層次的氣象、土壤、作物生育及農業措施等方面的數據庫、區域農作物生產和決策的專家支持系統等。

3•2•3促進農牧結合,實現農林牧綜合發展近年來我國北方在旱地農業發展戰略思想指導下,結合當地生產實際和自然資源優勢,建立了農牧結合、農林牧綜合發展的模式,取得了明顯的效果。地處冀北壩上高寒半干旱區的張北地區近年來注意調整農牧副產業的比例,由“七五”的70∶28∶2調為“九五”的51∶21∶28。新的產業結構在整體效益上效果明顯,“九五”期間人均糧食581kg,比“七五”期間增長了152•6%,人均收入也比“七五”期間增長2•64倍。目前,張北地區還注意林草業的發展,推廣草糧輪作、油草混播技術,建立農田以人工草地為骨干的多元結構飼料基地,形成農林牧草四單元三層次結構體,各單元層次間相互依存,協調發展,形成了有機整體,從而提高了自然資源的合理利用,促進了農牧結合,實現了農林牧綜合發展。

3•2•4因地制宜,實施分類發展戰略雖然北方旱農地區的落后有共同的影響因素,但是也應該看到,區內自然社會經濟條件千差萬別,5個規劃一級區和57個二級區發展方向和重點亦不同。對旱地農業區產業結構的研究應從上述特點出發,做到因地、因時、因區位制宜,實行分區分類指導和規劃,選準突破口,揚長避短發揮優勢。以資源的合理組合和適應開發利用為基礎,以年度較低成本和最大收入為規劃目標的產業結合,進行總體設計,步入優化框架,以適應市場經濟和資源合理利用的要求。北方旱區產業作物優化應包括種植業結構、畜牧業結構、林業生態結構及非農產業結構,以便形成“兩高一優”農業綜合發展指標,同時要以科技進步為核心,由傳統單一型向綜合型、產量型向效益型的農業結構轉換,以市場為導向,以“兩高一優”為目的,以旱地農業技術集成為依托,以增加農民收入為核心,這應該是21世紀旱地農業和農村經濟發展的主導思想。