李鳳民,張 峰,杜彥磊,周立垚,楊祁峰

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,江蘇 南京 210095;2.蘭州大學(xué)生態(tài)學(xué)院,甘肅 蘭州 730000;3.甘肅省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳,甘肅 蘭州 730000)

甘肅農(nóng)作物種植區(qū)主要分布在河?xùn)|半干旱地區(qū)與河西綠洲農(nóng)業(yè)區(qū),甘南和隴南山地農(nóng)業(yè)占比相對較少。全省72.0%的耕地屬于旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)[1],全省61.7%的人口分布在蘭州黃河以東旱地農(nóng)業(yè)區(qū)[2]。旱地農(nóng)業(yè)區(qū)十年九旱,土壤貧瘠,靠天吃飯,千百年來一直與饑餓相伴,貧困一直都是甘肅的標(biāo)簽。

甘肅旱地農(nóng)業(yè)區(qū)主要分布在黃土高原中西部和中北部水熱條件相對較差的地區(qū),其脫貧攻堅(jiān)和社會發(fā)展對旱地農(nóng)業(yè)的依賴程度之高卻是黃土高原其他省(區(qū))所沒有的。甘肅黃土高原沒有寧、蒙那樣的引黃灌區(qū),沒有晉、陜那樣的汾渭灌區(qū)和良好的水熱條件,更沒有晉、陜、蒙那樣的大型能源化工基地,可以為當(dāng)?shù)厝罕娞峁┛捎^的經(jīng)濟(jì)收入。甘肅黃土高原群眾除了旱地農(nóng)業(yè)和外出打工之外,幾乎沒有其他收入來源。甘肅旱地農(nóng)業(yè)面臨更加突出的生態(tài)環(huán)境脆弱、發(fā)展生產(chǎn)和保護(hù)生態(tài)的矛盾,以及更加艱巨的脫貧攻堅(jiān)任務(wù)。解決這些矛盾和困難的主要途徑只能依靠旱地農(nóng)業(yè)的科學(xué)發(fā)展。探索更加有效的生態(tài)和生產(chǎn)雙贏的旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展方式是擺在甘肅各級政府和干部群眾面前的重大任務(wù),是甘肅科技界義不容辭的責(zé)任。

1 甘肅旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展思路的轉(zhuǎn)變和主要做法

保持水土和培肥地力是旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。新中國建立數(shù)十年以來,在黃土高原治理水土流失、發(fā)展旱地農(nóng)業(yè)等方面做出了大量的探索。朱顯謨院士提出的“全部降水就地入滲攔蓄,米糧下川上塬、林果下溝上岔、草灌上坡下坬”黃土高原國土整治“28字方略”[3],成為黃土高原生態(tài)治理的重要依據(jù)。平田整地、修建梯田、攔蓄雨水、合理施肥、以肥調(diào)水、優(yōu)化栽培等一系列措施為黃土高原旱地農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到了重要作用[4-7]。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來,甘肅旱地農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)力水平依然不能滿足社會發(fā)展的需要,必須另辟蹊徑,尋找新的增長點(diǎn),旱地集水農(nóng)業(yè)思想應(yīng)運(yùn)而生,即將分散的降水(包括其它小水源)集中起來使用,最大限度地降低無效蒸發(fā),提高降水資源的利用率、利用效率和收益[8-10]。自1996年國家支持甘肅開展集水農(nóng)業(yè)試驗(yàn)示范以來,在各級政府和社會各界的支持下,將傳統(tǒng)的水窖集水系統(tǒng)和微灌等節(jié)水灌溉系統(tǒng)相結(jié)合,黃土高原地區(qū)開始了大規(guī)模的反季節(jié)蔬菜生產(chǎn),一改過去城鄉(xiāng)居民冬季沒有蔬菜的局面[11];微灌馬鈴薯脫毒苗生產(chǎn)為甘肅馬鈴薯產(chǎn)業(yè)走向全國奠定了重要基礎(chǔ),為壯大馬鈴薯產(chǎn)業(yè)、促進(jìn)貧困地區(qū)增收發(fā)揮了重要作用[12];對于玉米、馬鈴薯等大田作物,采用不同的地膜覆蓋方式極大地提高了單位面積產(chǎn)量[13-16]?？萍冀?、政府和群眾進(jìn)行旱地農(nóng)業(yè)創(chuàng)新的積極性空前高漲,形成了豐富的旱地作物集雨栽培系統(tǒng)。

經(jīng)過多年的探索,全膜覆蓋雙壟溝播技術(shù)成為旱地玉米種植效果最好的栽培方式,其主要技術(shù)原理就是溝壟覆膜,即將農(nóng)田整理成“M”形的、溝壟相間的微地形,兩壟夾一“V”形溝,寬壟和窄壟相間,用地膜將溝壟表面完全覆蓋,播種時(shí)將作物種植于溝內(nèi)[17]。大壟的作用主要在于方便田間管理,大小壟的寬度可根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件和作物類型適當(dāng)調(diào)整;水熱條件越好,種植密度越大。由于上層土壤水熱條件的改善,作物播種密度一般略高于常規(guī)栽培[18],可獲得穩(wěn)定高產(chǎn)。2009年開始,依靠全膜覆蓋雙壟溝播技術(shù),甘肅開始實(shí)施新增25億kg糧食生產(chǎn)能力計(jì)劃,并取得超出預(yù)期目標(biāo)的實(shí)際成效[19]。

由于溝壟覆膜栽培帶來的旱地作物高產(chǎn)性和高效益,各地農(nóng)技專家和群眾針對不同作物特點(diǎn),創(chuàng)造出了很多覆膜栽培方式[15,19],形成了不同類型的作物輪作系統(tǒng)。為了減少地膜投入和廢舊地膜殘留量,發(fā)展出了“一次覆膜多年使用”等多種技術(shù)路線[15,20];同時(shí)研發(fā)了多款廢舊地膜收撿機(jī)械,用于清理揭膜后殘留在土壤中的廢舊地膜,以保持土壤清潔生產(chǎn)。

2 甘肅旱地農(nóng)業(yè)主要發(fā)展成就

2000年甘肅全省糧食總產(chǎn)713萬t,人均糧食生產(chǎn)量278 kg,遠(yuǎn)低于350 kg溫飽水平和全國人均糧食生產(chǎn)量365 kg[2]。進(jìn)入21世紀(jì)以來,河西綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)的制種產(chǎn)業(yè)和草牧業(yè)迅速發(fā)展,糧食生產(chǎn)卻有所下降;而在河?xùn)|旱作農(nóng)業(yè)區(qū),以全膜雙壟溝播技術(shù)為代表的旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)極大地提高了玉米、馬鈴薯等主要作物生產(chǎn)力,在半干旱偏旱地區(qū)甚至可以成倍提高糧食作物產(chǎn)量,旱作農(nóng)業(yè)區(qū)代替河西綠洲農(nóng)業(yè)成為了全省主要的糧食生產(chǎn)基地。甘肅馬鈴薯、玉米和小麥持續(xù)增產(chǎn),由長期依賴省外糧食調(diào)入的省份一躍成為糧食總量自給有余的省份。從2009到2012年,甘肅旱作農(nóng)業(yè)區(qū)實(shí)現(xiàn)了26億kg糧食增產(chǎn)能力[19],4年增幅超過1/3。從2009年到2013年,全省糧食總產(chǎn)量從800萬t上升到1 100萬t,2020年到2021年,糧食生產(chǎn)連續(xù)超過1200萬t,10年間增產(chǎn)50%[2]。到2021年底,全省人均糧食占有量達(dá)到491.5 kg,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人均450 kg的富裕水平,并高于全國人均水平483 kg[2],糧食自給率達(dá)到123%,位居全國各省(市、自治區(qū))第11位[21],為國家糧食安全作出了重要貢獻(xiàn)(圖1、圖2)。

圖1 浙江和甘肅糧食作物面積和人口變遷(a,b),糧食生產(chǎn)能力變遷(c,d,e,f)(數(shù)據(jù)來自國家統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站[2])Fig.1 Changes of grain crop area and population in Zhejiang and Gansu (a,b),changes of grain production capacity (c,d,e,f) (Data from the National Bureau of Statistics[2])

圖2 甘肅省和江蘇省小麥總產(chǎn)和單產(chǎn)動態(tài)(數(shù)據(jù)來自國家統(tǒng)計(jì)局[2])Fig.2 Dynamics of total yield and unit yield of wheat in Gansu and Jiangsu Provinces, China (Data from the National Bureau of Statistics[2])

由圖1可見,1980年浙江糧食總產(chǎn)是甘肅的2.93倍,人均糧食占有量是甘肅的1.46倍;而到2021年,甘肅糧食總產(chǎn)是浙江的1.98倍,人均糧食占有量是浙江的6.73倍。41年間,甘肅糧食單產(chǎn)增加幅度是浙江的3.72倍。甘肅糧食生產(chǎn)能力大幅度增加,在彌補(bǔ)工業(yè)強(qiáng)省糧食生產(chǎn)能力下降方面做出了積極貢獻(xiàn)。圖2是2000—2020年甘肅省與江蘇省小麥總產(chǎn)和單產(chǎn)變化情況。由圖2可知,甘肅小麥播種面積持續(xù)下降,而小麥單產(chǎn)卻持續(xù)提高,特別是2010年以后單產(chǎn)增長更加明顯。江蘇省小麥總產(chǎn)和單產(chǎn)波動較大,2004—2015年單產(chǎn)持續(xù)增加,此后似有增長乏力之感。甘肅小麥單產(chǎn)穩(wěn)定增加,正在填補(bǔ)糧食主產(chǎn)區(qū)單產(chǎn)增加勢頭疲軟帶來的主糧缺口,甘肅糧食生產(chǎn)正在全國主糧生產(chǎn)中發(fā)揮越來越重要的作用。

繼馬鈴薯和玉米獲得大幅度增產(chǎn)之外,近年來,甘肅小麥生產(chǎn)形勢也快速好轉(zhuǎn)。進(jìn)入21世紀(jì)以來,隨著脫貧攻堅(jiān)和“牛羊菜果薯藥”六大特色產(chǎn)業(yè)的深入發(fā)展,全省小麥播種面積不斷下降,而小麥單產(chǎn)卻持續(xù)提高,保持了小麥生產(chǎn)總量的基本穩(wěn)定。在21世紀(jì)的前10年,小麥單產(chǎn)基本穩(wěn)定,2009年小麥單產(chǎn)為183 kg·667m-2,到2019年,小麥單產(chǎn)達(dá)到253 kg·667m-2,10年間單產(chǎn)增加36%。

近年來甘肅旱地小麥高產(chǎn)育種不斷取得新進(jìn)展。2022年在甘肅清水縣小麥品種‘蘭天36號’、‘蘭天47號’、‘蘭天43號’實(shí)際測定產(chǎn)量分別達(dá)到714、691、628 kg·667m-2[22];2021年‘蘭天42號’和‘蘭天36號’在清水縣測產(chǎn)分別為595 kg·667m-2和584 kg·667m-2[23];2022年小麥新品種‘蘭大211’實(shí)測產(chǎn)量在莊浪縣為524kg·667m-2、寧縣504 kg·667m-2[24]、平?jīng)鲠轻紖^(qū)402 kg·667m-2[25];2021年‘蘭大211’品種在張家川和通渭兩縣分別達(dá)到507 kg·667m-2和455 kg·667m-2[26-27]。在水熱條件相對較好的陜西與河南旱地小麥產(chǎn)量表現(xiàn)更加優(yōu)異。2022年陜西銅川的‘銅麥6號’單產(chǎn)766 kg·667m-2[28],刷新全國旱地小麥小面積單產(chǎn)最高紀(jì)錄。2022年陜西渭南市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院孫鎮(zhèn)試驗(yàn)站‘渭麥9號’平均單產(chǎn)達(dá)到602 kg·667m-2[29]。河南洛陽的‘洛旱22’刷新全國旱地小麥大面積高產(chǎn)紀(jì)錄,2022年平均單產(chǎn)達(dá)到659 kg·667m-2[30]。在當(dāng)今全國乃至全球小麥單產(chǎn)難以突破的情況下,包括甘肅在內(nèi)的中西部旱地小麥單產(chǎn)增加卻十分亮眼。

在馬鈴薯、玉米和小麥單產(chǎn)和總產(chǎn)持續(xù)提高的同時(shí),農(nóng)田化肥使用量不僅沒有增加,反而不斷下降。根據(jù)我們在甘肅、陜西、山西三省旱作農(nóng)業(yè)區(qū)13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的入戶問卷調(diào)查,種植覆膜玉米施化肥折算純氮200 kg·hm-2,而不覆膜玉米施氮肥(純氮)300 kg·hm-2,覆膜玉米比不覆膜玉米減少施氮量1/3(未發(fā)表數(shù)據(jù))。

在旱地農(nóng)作物獲得高產(chǎn)的同時(shí),長期困擾黃土高原旱地土壤干燥化問題迎刃而解。溝壟覆膜農(nóng)田深層土壤水分獲得顯著改善,高產(chǎn)農(nóng)田土壤水分儲量不僅沒有減少,反而有顯著增加。土壤有機(jī)質(zhì)含量穩(wěn)中有升,特別是高產(chǎn)玉米大幅度提升了青儲飼草的品質(zhì)和產(chǎn)量,草食畜牧業(yè)獲得快速發(fā)展,擴(kuò)大了土壤有機(jī)肥來源,為提高整個(gè)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的功能水平奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在甘肅旱地農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的基礎(chǔ)上,省政府進(jìn)一步提出了“實(shí)施現(xiàn)代絲路寒旱農(nóng)業(yè)優(yōu)勢特色產(chǎn)業(yè)三年倍增行動”計(jì)劃[30],計(jì)劃從2021年到2023年,全省農(nóng)業(yè)重點(diǎn)優(yōu)勢特色產(chǎn)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值由3 240億元增長到5 452億元,增長68%,效益實(shí)現(xiàn)倍增。這一計(jì)劃目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn),將為壯大甘肅旱農(nóng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出更加積極的貢獻(xiàn)。

3 旱地農(nóng)業(yè)研究的學(xué)科前沿問題

旱地作物增產(chǎn)的核心是提高降水利用效率,這是甘肅旱地農(nóng)業(yè)獲得快速發(fā)展的靈魂。在旱地農(nóng)田大幅度增產(chǎn)的基礎(chǔ)上,使數(shù)十年以來舉步維艱的草食畜牧業(yè)獲得穩(wěn)定發(fā)展,并支撐多產(chǎn)業(yè)齊頭并進(jìn),土壤水分、農(nóng)田肥力和區(qū)域植被覆蓋均有明顯提高,經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益得到重要改善[31-33],在作物個(gè)體、農(nóng)田和生態(tài)系統(tǒng)等不同尺度上的水分利用效率都獲得顯著提升,為旱地農(nóng)業(yè)研究提出了諸多新穎的學(xué)科前沿問題[33]。

(1)旱地作物高效用水新理論與新技術(shù)亟待突破。隨著旱地農(nóng)田環(huán)境不斷改善和作物產(chǎn)量不斷提高,對旱地作物高效用水生物學(xué)機(jī)理的理解也在不斷深化,研究理念和重點(diǎn)也在隨之調(diào)整。作物抗旱性同野生植物抗旱性研究有著本質(zhì)區(qū)別：前者以在農(nóng)田適度干旱環(huán)境中獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)為依據(jù)來表征抗旱性,后者則以在干旱環(huán)境中獲得更多生存機(jī)會為準(zhǔn)則。農(nóng)田環(huán)境經(jīng)過人們的改造,土地更加肥沃,水肥條件更加穩(wěn)定,是相同地區(qū)自然環(huán)境所不能比擬的。作物和植物抗旱性的科學(xué)內(nèi)涵和研究目標(biāo)均有顯著區(qū)別,作物抗旱性研究不宜照搬植物抗旱性研究的理念和方法。建立以生產(chǎn)性狀優(yōu)化為目標(biāo)的作物群體抗旱性研究體系應(yīng)作為今后作物生產(chǎn)研究努力的重要方向[34-37]。

(2)旱地作物水土資源高效利用研究面臨新突破。旱地作物溝壟覆蓋大幅度提高了水土資源利用效率,目前已對作物產(chǎn)量提升和水土資源利用過程開展了大量研究[13-18,38-40],但總體來看還處于較為初步的階段,與降水和肥力變化相協(xié)調(diào)的作物產(chǎn)量潛力和實(shí)現(xiàn)途徑研究很不夠,對水土資源協(xié)同高效利用和產(chǎn)量提高的機(jī)理研究依然表面化,系統(tǒng)深入的機(jī)理研究還比較欠缺,作物種類之間的比較研究還不多,相匹配的品種篩選和選育工作還比較少或者還不夠深入細(xì)致,距離形成新形勢下水土資源高效利用研究格局和據(jù)此優(yōu)化作物種植業(yè)布局的要求還有很大差距[38-40]。

(3)旱地作物增產(chǎn)與多樣化綠色、低碳與生態(tài)化發(fā)展的有機(jī)結(jié)合應(yīng)該受到更多關(guān)注[30]。集水農(nóng)業(yè)思想使旱地作物栽培獲得顯著增產(chǎn),為作物多樣化生產(chǎn)提供了空間。為獲得更多穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)收入,各類高價(jià)值的經(jīng)濟(jì)作物種植快速發(fā)展,在綠色、低碳、品質(zhì)和產(chǎn)量提升等方面有著巨大的發(fā)展空間。如何實(shí)現(xiàn)多樣化種植條件下,促進(jìn)作物增產(chǎn)與品質(zhì)提升具有很大的發(fā)展空間。

(4)旱地農(nóng)業(yè)的發(fā)展應(yīng)該遵循生態(tài)優(yōu)先原則。進(jìn)入21世紀(jì)以來,甘肅旱地農(nóng)業(yè)研究和實(shí)踐取得了重要進(jìn)步,在推進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、生態(tài)環(huán)境改善、脫貧攻堅(jiān)等方面發(fā)揮了重要作用。生態(tài)優(yōu)先是旱地農(nóng)業(yè)遵循的基本原則,尤其是在全面完成脫貧攻堅(jiān)任務(wù)之后,旱地農(nóng)業(yè)的生態(tài)優(yōu)先原則如何落到實(shí)處?如何與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能協(xié)調(diào)發(fā)展?降水資源的合理利用仍然是解決這些問題的金鑰匙。作物高效用水研究如何服務(wù)于旱地農(nóng)業(yè)綠色、低碳和生態(tài)化發(fā)展目標(biāo),是未來需要研究的重要科學(xué)問題。在作物個(gè)體和群體尺度、農(nóng)田生態(tài)尺度、以及區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間協(xié)調(diào)發(fā)展等方面如何實(shí)現(xiàn)抗旱、高效和協(xié)調(diào)發(fā)展,有著大量科學(xué)問題需要持久關(guān)注和深入研究。