摘 要 北疆干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到當(dāng)?shù)貧夂驐l件和土壤質(zhì)量的嚴(yán)重制約。為有效提升北疆干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，保障糧食安全，并為農(nóng)民增收提供支持，探討人工降雨技術(shù)在改善當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用潛力，通過(guò)分析人工降雨技術(shù)的原理、優(yōu)勢(shì)及北疆干旱地區(qū)的氣候和土壤特點(diǎn)，提出利用人工降雨技術(shù)調(diào)節(jié)氣候波動(dòng)減輕作物生長(zhǎng)壓力、提高土壤濕度和肥力改善土壤條件、發(fā)展基于人工降雨技術(shù)的智能抗旱農(nóng)業(yè)新模式等策略。

關(guān)鍵詞 人工降雨；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；智能抗旱；北疆干旱地區(qū)

中圖分類號(hào)：P481 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.07.056

北疆干旱地區(qū)是我國(guó)重要的糧食和經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)基地，但該地區(qū)氣候條件惡劣，降水量少，導(dǎo)致土壤水分保持能力弱，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨諸多障礙。為改善該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，人工降雨技術(shù)由于其可控性和高效性而備受關(guān)注。本文介紹了人工降雨技術(shù)的原理及優(yōu)勢(shì)，分析了北疆干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的主要問(wèn)題，并提出利用人工降雨技術(shù)改善北疆干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用策略，以期為相關(guān)決策提供參考。

1 "人工降雨技術(shù)的原理及優(yōu)勢(shì)

人工降雨技術(shù)的原理是通過(guò)在云層中人為引入凝結(jié)核促使水汽凝結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)降雨。常見(jiàn)的人工降雨方式有兩種。1）在云層較淺時(shí)施放碘化銀等固體粒子。2）在云層較厚時(shí)施放液體碳酸鹽或干冰。這兩種方式的原理都是在適宜降水的云層中引入凝結(jié)核，通過(guò)吸濕作用促使水汽達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，從而凝結(jié)成水滴，形成降雨過(guò)程。例如，在溫度為0 ℃、相對(duì)濕度大于90%的云層中，施放碘化銀顆?？稍谄浔砻嫖竭^(guò)量水汽，促使大量水汽凝結(jié)成水滴降落[1]。碘化銀凝結(jié)核的效率更高，每克碘化銀可凝結(jié)水汽約10萬(wàn)g，產(chǎn)生大量降水。此外，人工降雨技術(shù)可以通過(guò)對(duì)流層人工增濕、人工改變?cè)频奈⑽锢磉^(guò)程等方式實(shí)現(xiàn)降雨。相比天然降雨，人工降雨技術(shù)具有操作時(shí)間和強(qiáng)度可調(diào)控的優(yōu)勢(shì)。適當(dāng)應(yīng)用人工降雨技術(shù)可以有效提高干旱地區(qū)的水資源利用率，緩解區(qū)域水資源緊張的局面。

2 "北疆干旱地區(qū)的氣候和土壤特點(diǎn)

北疆干旱地區(qū)地處內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候。該地區(qū)年平均氣溫8～10 ℃，極端最高氣溫在40 ℃以上，最低氣溫可在-30 ℃以下。年平均降水量在100～200 mm，植被覆蓋度較低，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量[2]。土壤類型以灰鈣土、荒漠土為主，耕作層深度一般在50～100 cm。灰鈣土表層結(jié)構(gòu)松散，中層結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬，顆粒組成以粘粒為主；下層極度干旱，鹽漬化嚴(yán)重。荒漠土層次不明顯，土質(zhì)疏松，風(fēng)蝕、水蝕作用強(qiáng)烈。該地區(qū)氣候干旱，地表水資源匱乏，因此土壤含水量低，水分墑情差，不利于作物生長(zhǎng)。尤其是對(duì)于雜交水稻等對(duì)土壤水分要求較高的農(nóng)作物，生長(zhǎng)期極易遭遇旱情，產(chǎn)量波動(dòng)較大。為確保北疆干旱地區(qū)糧食安全，有效提高該地區(qū)作物的生產(chǎn)能力，開(kāi)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)改革刻不容緩。而人工降雨技術(shù)的應(yīng)用將有助于緩解干旱對(duì)北疆地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的影響。

3 "面臨的障礙

3.1 "氣候條件不穩(wěn)定

不穩(wěn)定的氣候條件是阻礙北疆干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素之一。該地區(qū)降水量分配極不均勻，年際變率在50%以上。有關(guān)資料顯示，20世紀(jì)80年代以來(lái)，該地區(qū)出現(xiàn)旱情的概率大于80%，出現(xiàn)嚴(yán)重旱情的概率在30%左右。尤其近10年來(lái)，全球氣候變暖的影響使得該地區(qū)高溫?zé)崂祟l發(fā)，加劇了干旱程度。例如，2017年7月底，北疆干旱地區(qū)最高氣溫突破44 ℃，最大風(fēng)速突破20 m·s-1，造成大范圍嚴(yán)重干旱。這種極端高溫強(qiáng)風(fēng)的氣候條件會(huì)加速水分的蒸散損失，降低農(nóng)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用率，從而對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生嚴(yán)重負(fù)面影響[3]。以水稻為例，雜交水稻整個(gè)生育期對(duì)土壤水分的需求量較大，尤其孕穗期對(duì)水分的需求量最大[1]。而北疆干旱地區(qū)水稻主要生育期正值高溫少雨季節(jié)，土壤水分嚴(yán)重不足。氣候條件的反復(fù)無(wú)常不僅會(huì)降低糙米產(chǎn)量和品質(zhì)，還會(huì)影響第二季作物的種植面積。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，北疆干旱地區(qū)雜交水稻平均每667 m2產(chǎn)量?jī)H330 kg，比全國(guó)水平的1/2還低，嚴(yán)重制約了區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。此外，高溫和干旱會(huì)加重土壤鹽漬化程度，降低土壤肥力，繼而影響其他經(jīng)濟(jì)作物的種植面積和產(chǎn)量。

3.2 "土壤水分保持能力低下

北疆干旱地區(qū)土壤類型復(fù)雜，包括灰鈣土、荒漠土、沙地等多種類型。這些類型土壤水分保持能力普遍較差。該地區(qū)分布廣泛的灰鈣土，表層結(jié)構(gòu)松散易碎，中層堅(jiān)硬，水分滲透性差，蓄水肥力較低。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，灰鈣土的平均蓄水量?jī)H為125 mm·m-1。荒漠土覆蓋面積也較大，風(fēng)蝕、水蝕作用強(qiáng)烈，層次不明顯，土質(zhì)疏松；持水能力差，體積含水量小于25%，田間持水量小于15%。該地區(qū)沙地面積約占總面積的10%，這部分土壤基本沒(méi)有持水能力。以上類型土壤蓄水性能普遍較差，不能有效存儲(chǔ)和維持水分。這與雜交水稻等農(nóng)作物對(duì)土壤水分的高要求形成了明顯的矛盾。北疆干旱地區(qū)0～100 cm土層土壤平均蓄水量?jī)H為90 mm，100～200 cm土層土壤平均蓄水量也只有100 mm[4]。而模擬作物模式分析認(rèn)為，種植單季雜交水稻要求土壤蓄水量至少為250 mm，如此才能滿足其生長(zhǎng)需求。由此可見(jiàn)，該地區(qū)土壤類型與農(nóng)作物用水需求之間存在較大差距，土壤水分儲(chǔ)備不能有效維持農(nóng)作物正常生長(zhǎng)。

3.3 "農(nóng)業(yè)抗旱技術(shù)應(yīng)用存在瓶頸

雖然北疆干旱地區(qū)重視開(kāi)發(fā)各種農(nóng)業(yè)抗旱技術(shù)，但這些技術(shù)在應(yīng)用時(shí)均面臨一些問(wèn)題。例如，遮陰網(wǎng)技術(shù)是通過(guò)在田間架設(shè)遮陰網(wǎng)改善微氣候，其被廣泛應(yīng)用于該地區(qū)的抗旱工作。但遮陰網(wǎng)技術(shù)對(duì)土壤水熱的調(diào)節(jié)作用有限，不能從根本上增加土壤水分；使用遮陰網(wǎng)還會(huì)增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，影響經(jīng)濟(jì)效益。滴灌技術(shù)是通過(guò)節(jié)水提高水分利用效率，其在實(shí)際生產(chǎn)中也得到大面積推廣。但該技術(shù)的應(yīng)用需要依賴大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)，工程量大、投資高，還需要解決水源地有限、水資源總量不足等問(wèn)題。目前，該技術(shù)的覆蓋率低于5%。抗旱變異品種選育技術(shù)研發(fā)進(jìn)度滯后，優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)抗旱稻種供應(yīng)不足?；瘜W(xué)抗旱劑在實(shí)際應(yīng)用中雖然獲得一定成效，但仍存在殘留風(fēng)險(xiǎn)。除上述技術(shù)外，北疆干旱地區(qū)還測(cè)試了鹽水淡化利用、傅里葉變換紅外測(cè)溫遙感等方法，但均面臨推廣難題[5]?？傮w來(lái)看，現(xiàn)有農(nóng)業(yè)抗旱技術(shù)或設(shè)備投入大但效果有限，或數(shù)據(jù)支持不足，或環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)高，均面臨推廣應(yīng)用困難。這些技術(shù)手段都屬于被動(dòng)或局部調(diào)控，不能徹底緩解干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的影響。

4 "人工降雨技術(shù)應(yīng)用策略

4.1 "利用人工降雨技術(shù)調(diào)節(jié)氣候波動(dòng)對(duì)作物的影響

利用人工降雨技術(shù)針對(duì)性地調(diào)節(jié)氣候，可以有效緩解北疆干旱地區(qū)氣候波動(dòng)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)造成的不利影響。1）在雜交水稻等農(nóng)作物的關(guān)鍵生育時(shí)期，選取適宜的云系和氣象條件實(shí)施人工將雨，可補(bǔ)充土壤水分，確保水分供應(yīng)滿足作物需求。例如，在水稻的孕穗期，針對(duì)性地實(shí)施人工將雨，可確保稻谷籽粒飽滿，防止出現(xiàn)“空心米”。2）監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)北疆干旱地區(qū)的高溫天氣過(guò)程，利用升華降溫作用，針對(duì)性地在農(nóng)田上空實(shí)施人工將雨，抑制極端高溫天氣的出現(xiàn)，防止熱浪對(duì)作物造成損害，確保作物正常生長(zhǎng)。3）加強(qiáng)對(duì)農(nóng)作物關(guān)鍵生育時(shí)期的水熱聯(lián)合監(jiān)測(cè)。建立模擬預(yù)警系統(tǒng)，判斷人工降雨實(shí)施的必要性及預(yù)期效果。動(dòng)態(tài)調(diào)整人工降雨的實(shí)施位置、時(shí)間和強(qiáng)度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣候波動(dòng)的精準(zhǔn)調(diào)控。初步測(cè)算表明，如果在雜交水稻生育期針對(duì)性地實(shí)施2～3次人工降雨，預(yù)計(jì)可增加土壤蓄水量30～50 mm，較好地滿足農(nóng)作物對(duì)水分的需求，可以明顯抑制氣候反復(fù)導(dǎo)致的減產(chǎn)潛在風(fēng)險(xiǎn)，確保農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。經(jīng)測(cè)算，人工降雨的經(jīng)濟(jì)效益比在（1∶5）～（1∶8）。這意味著通過(guò)人工降雨調(diào)節(jié)氣候波動(dòng)，可大幅提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力。

4.2 "通過(guò)實(shí)施人工降雨提高土壤濕度和肥力

利用人工降雨技術(shù)可以有效增強(qiáng)北疆干旱地區(qū)土壤的水分儲(chǔ)備和肥力維持能力，為農(nóng)作物生長(zhǎng)提供良好的土壤條件。1）充分利用夏秋兩季干旱地區(qū)較大的降雨潛力，在適宜的云系條件下，采取人工將雨的方式促進(jìn)降雨過(guò)程的發(fā)生。通過(guò)對(duì)多年氣象資料的分析，7—9月是北疆干旱地區(qū)實(shí)施人工降雨的最佳時(shí)段。同時(shí)實(shí)施人工降雨可直接增加土壤的滲透補(bǔ)給，加大土壤水分的儲(chǔ)備量。2）進(jìn)行定向分散的小范圍人工降雨，避免引發(fā)泥石流等次生災(zāi)害。同時(shí)，開(kāi)展土壤水文監(jiān)測(cè)，評(píng)估人工降雨的實(shí)施效果。3）重視實(shí)施人工降雨后的土壤管理工作，利用覆蓋和間作的方式減緩水分的蒸發(fā)損失。在適當(dāng)時(shí)期施用有機(jī)肥，固定水肥，提升土壤肥力。根據(jù)模擬測(cè)算，如果在7—9月對(duì)北疆主要農(nóng)業(yè)區(qū)實(shí)施5～8次人工降雨，每次降雨50～80 mm，預(yù)計(jì)可以增加土壤蓄水量150～250 mm，基本滿足雜交水稻等農(nóng)作物的生長(zhǎng)需求。這可以從根本上提高土壤質(zhì)量，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供支撐。

4.3 "發(fā)展基于人工降雨技術(shù)的智能抗旱農(nóng)業(yè)新模式

開(kāi)發(fā)應(yīng)用先進(jìn)的人工降雨技術(shù)，構(gòu)建新型智能抗旱農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，是補(bǔ)齊北疆干旱地區(qū)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式在抗旱利用等方面暴露出的諸多短板的重要舉措。1）充分利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等高新技術(shù)手段，開(kāi)發(fā)高精尖的農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵農(nóng)事氣象要素的精確監(jiān)測(cè)與評(píng)估。例如，結(jié)合衛(wèi)星遙感、地面觀測(cè)、數(shù)值模型等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)北疆干旱地區(qū)0～20 cm土層土壤濕度、0～100 cm土層土壤墑情等信息，精確判斷土壤水分狀況。建立數(shù)模聯(lián)合的智能決策系統(tǒng)，根據(jù)氣候、土壤等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)最佳的人工降雨方案。2）開(kāi)展多模式信息融合，建立精細(xì)的作物生長(zhǎng)模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)主要農(nóng)作物在不同人工降雨條件下的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的模擬預(yù)測(cè)。例如，開(kāi)發(fā)高精度的水稻生長(zhǎng)模型，結(jié)合土壤墑情、氣象參數(shù)，動(dòng)態(tài)模擬水稻的出苗率、分蘗數(shù)、末期產(chǎn)量等，為實(shí)施人工降雨的區(qū)域分布提供依據(jù)。3）構(gòu)建新型農(nóng)作物互作系統(tǒng)。充分利用人工降雨帶來(lái)的土壤水分條件優(yōu)勢(shì)，探索高產(chǎn)的種植結(jié)構(gòu)與模式。實(shí)現(xiàn)不同抗旱性作物的配套配置，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益的協(xié)同最大化。4）加快抗旱良種培育。利用分子標(biāo)記等技術(shù)手段，培育適應(yīng)干旱條件的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)抗病型水稻新品種。根據(jù)人工降雨實(shí)施區(qū)域分布，合理調(diào)整農(nóng)作物品種配置，確保其抗災(zāi)能力。綜上，建立基于精確人工降雨、模擬預(yù)報(bào)和智能決策的抗旱農(nóng)業(yè)新模式，不僅可有效規(guī)避氣候變化帶來(lái)的種植風(fēng)險(xiǎn)，還可顯著提高土地產(chǎn)出率和資源利用效率。

5 "結(jié)語(yǔ)

北疆干旱地區(qū)氣候條件惡劣，土壤質(zhì)量差，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨諸多困難。為解決這一問(wèn)題，人工降雨技術(shù)作為一種高效的水資源調(diào)控手段，應(yīng)用前景廣闊。筆者闡述了人工降雨技術(shù)的科學(xué)原理，分析了北疆干旱地區(qū)的氣候土壤特征和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的主要問(wèn)題，并提出若干利用人工降雨技術(shù)提高北疆干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的應(yīng)用策略。實(shí)施這些策略可以顯著提高北疆干旱地區(qū)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，增加農(nóng)民收入，確保區(qū)域糧食安全。隨著相關(guān)技術(shù)和支持系統(tǒng)的不斷進(jìn)步，基于人工降雨技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)在北疆干旱地區(qū)的應(yīng)用前景將更加廣闊。

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（責(zé)任編輯：敬廷桃 "張春雨）