我国半干旱地区农业用水现状及发展方向

我国半干旱地区农业用水现状及发展方向

山仑1，邓西平1,2，康绍忠2
(1.西北农林科技大学中国科学院水利部水土保持研究所；
2.西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室)

摘要：通过对国外旱地农业成功经验和我国半干旱地区农业发展的历史阶段性回顾与现状分析，认为我国半干旱地区农业的可持续发展战略应该以实现资源的高效利用、提高作物生产力为目标，在协调、优化和永续利用农业资源和改善生态环境的基础上，重点实施以水土资源高效利用和基因资源的潜力开发为中心的旱地农业科学技术体系，服务于半干旱地区社会经济、食物、资源、环境的可持续发展。针对我国半干旱地区农业的特点，提出了培育节水品种、实施有限灌溉、推广生物节水和抗旱化学调控等若干技术选择。

关键词：半干旱地区；农业发展阶段；生物节水；技术选择

1 半干旱地区生态环境特点及农业生产现状

半干旱地区是一个特定的生态类型和重要的农业区域，其特点可归结为：(1)生态环境极为脆弱，严重的土壤侵蚀和频繁的干旱在同一地域每年之中交替发生。如我国西北黄土丘陵即属于典型的半干旱地区，多数地方年降水量300～550mm，土壤侵蚀模数达5000t/km2·年以上。(2)天然植被、人工草地和旱作农业并存是半干旱地区土地利用的一般特征，林业受到地域降水的限制，只能局部发展，因此其成功的经营往往采取农牧结合的方式，以增强生产的稳定性和抗御自然灾害的能力，通常农牧业产值约各占一半。(3)由于降水量尚处在允许从事农业生产的范围之内以及土地利用的多方向性等因素，往往在人口压力较大的情况下盲目开垦土地，造成土地利用不合理，引发人为的水土流失和土地贫瘠化，使得本来就很脆弱的农业生态环境持续恶化[1]。

尽管半干旱地区农业的生产仍然存在着许多限制因素，在耕地不断减少和人口持续膨胀的形势下，由于该地区土地广阔，开发潜力大，是进一步解决世界性农业问题的关键地区，一些国家已在这类地区建成了重要的粮畜供应基地。国际上治理、开发半干旱地区的成功经验，集中到一点就是：寻求改善生态环境和提高工地生产力的结合点，采取使两者同时受益的关键技术。这种因地制宜的关键技术，在美国中西部可归结为“少耕覆盖”，澳大利亚南部为“粮草轮作”，在以色列可称之为“节水集约耕作”，而在我国西北黄土高原，以水平梯田为主的基本农田既控制了水土流失，又有利于增产，在一定发展阶段起到了关键技术作用。上述这些关键技术的核心都在于防治土壤侵蚀，促进有限水资源的高效利用[2]。

我国是世界上干旱半干旱地区面积较大的国家，旱地面积占全国总土地面积的52.5%，主要分布在我国北方的东北、华北和西北的15个省区。农业生产条件不稳定的半干旱地区占国土面积的21.7%，年降雨量在300～550mm左右黄河中游的黄土高原地区是我国主要的旱作农业实施区。其中典型地带——黄土高原水土流失区，耕地约占半干旱地区的1/3，坡耕地占到耕地面积的75%，平均单位(667m2)产量低于150kg，不少地方还在100kg以下。我国半干旱地区的耕地面积约有2000万hm2，在我国21世纪农业中占有重要地位，是解决未来中国粮食问题的希望之寄托。但是目前该地区的灌溉面积仅为20%左右，单位面积产量仅为全国平均值的一半，其中典型半干旱地区，如黄土高原丘陵沟壑区，灌溉面积不足10%，单产仅为全国平均的三分之一[3]。我国以黄土高原为中心的半干旱地区与国外同类地区相比有许多对农业发展不利之处。我国半干旱地区农业的特殊性表现在：一是人口密度大，二是坡耕地比例高，三是土壤肥力低下。因此，国际成功经验只可作为参考，我们必须根据我国半干旱地区的实际走自己的发展道路。

2 我国半干旱地区旱作农业发展阶段及主要措施

概括而言，本地区旱作农业大体经历了这样几个发展阶段：(1)传统旱作农业阶段；(2)兴修基本农田阶段；(3)以增施化肥和更新品种为主要措施的阶段；(4)新阶段。以黄土高原为例，这几个阶段的大体时期和产量水平依次为：1949～1964年，450～750 kg/hm2；1965～1983年，900～1200kg/hm2；1984～1995年，1500～1800kg/hm2；1996年至今，少量地块产量增长较快。当然，这几个阶段的划分是相对的，而且互为条件，至今，基本农田建设仍然是农业增产的基础。

2.1 传统旱作农业阶段 土地由集体经营，绝大部分为旱坡地，采用传统的旱地耕作技术，如实施等高种植、增施少量有机肥、采用抗逆性强但低产的农家品种，延续传统的轮作制和休闲制等，粮食产量维持在较低的生产水平上。粮食增产的途径主要靠开垦荒地，扩大种植面积。在这一发展阶段，坡耕地水土流失严重，产量低而不稳是其主要特征。

2.2 兴修基本农田阶段 坡耕地改造为梯田后水土流失得到了基本控制，由于相应采取了深耕、增施有机肥等措施，农田土壤蓄水明显增加，产量有所提高。据测定，在连续降雨120mm的情况下，高质量的水平梯田可以全部拦蓄。在这一阶段，有限降水资源虽得到了较好的保持，但未实现有效利用。

2.3 增施化肥、更新品种阶段 我国旱地农业作物产量在这一阶段有一次突破，主要受益于增施化肥和更新品种，北方旱农地区增产约一倍，其中化肥的作用占到50%以上。旱地施肥增产的原因主要在于：(1)提高了作物水分利用效率，研究资料表明，低产条件下增施化肥148.5kg/hm2(纯量)，产量提高57%，作物水分利用效率提高49%，而作物耗水量仅增8%；(2)促进了根系扩展，增加了作物对土壤深层储水的利用；(3)合理配比条件下，增强了作物生理耐旱性。在这一阶段，半干旱地区作物低产的主要原因不是降水不足，而是由于土壤肥力低下导致对降水未能有效利用。在降水量约为500mm的条件下，小麦产量提高到2250～3000kg/hm2的主要限制因子是肥。我们在宁夏固原的试验结果，春小麦在旱作条件下单产难以超过2700kg/hm2，在拔节期增加一次60mm的补充灌溉，产量可提高到3900kg/hm2，增产44%[4]。由此可见，在旱作栽培条件下作物产量只能达到通常所说的中产水平，要进一步提高产量，则必须寻求新的途径。

2.4 新阶段 进入这一阶段，正常土壤供水已不能满足作物进一步增产的需求，解决的途径有两条：一是广泛推广覆盖技术，二是通过雨水集流技术发展集雨补灌农业。当前半干旱黄土丘陵区降水在农田下垫面的分配是，50%～60%损失于蒸发，30%～40%用于蒸腾，10%左右形成径流或其他损失，故采取抑制蒸发的覆盖措施至关重要。另一方面，按年均降水量推算，黄土高原地区年降水总量约2700亿m3，故通过雨水集流发展有限补充灌溉存在很大潜力。目前，一些地区已开始推广这两项技术，收到明显成效，如甘肃省提出的“梯田+覆盖+集雨”的栽培新模式。虽然覆盖技术较为成熟，但如何因地制宜地应用地膜覆盖，如何广泛推行秸杆覆盖，还须作出努力。在集雨补灌技术方面，目前已成功地用于发展庭院经济，大田应用刚刚起步，在水资源评估、规划设计、施工管理、灌溉方法、资金投入等方面尚有许多有待进一步解决的问题。在这些问题未得到有效解决之前，应该避免盲目扩大。

应该指出的是，新阶段只是一种发展趋势，目前多数地方常规旱作技术并非应用的很好，仍有很大潜力可挖。今后应当倡导常规技术与新技术的紧密结合，对新技术要不失时机地引进、消化与推行，对常规技术也要不断改进和完善。只有这样，才能够不断推进我国旱地农业的可持续发展。

3 半干旱地区农业水资源高效利用问题

位于我国北方的半干旱地区水资源十分匮乏。从我国南北地区来看，1997～1998年北方地区水资源总量仅为南方水资源总量的20%～30%，较南方地区平均少18000亿m3；但北方地区用水总量却超过了南方，不仅如此，北方地区的用水量还远远超过了其本身所拥有的水资源总量的20%，达到62%(1997)和36%(1998)，而南方地区用水总量仅占到其水资源总量的10%左右[5]。因此，按照国际上界定的可能发生水资源危机的用水标准，北方半干旱地区又成为我国水资源危机紧缺地区的重中之重。在半干旱气候较集中的黄河中上游地区，水资源短缺加之气候干旱和水土流失的双重作用，致使该地区农业用水更加紧张。因此，我国半干旱地区农业水资源合理利用的原则应该是水的有效保持和水的高效利用并重，“保持”是前提，“利用”是关键。

解决半干旱地区农业缺水问题并进而实现有限水资源高效利用的中心环节是农业节水[6]。因此，集雨补充灌溉和现代旱地农业的有机结合是半干旱地区农业发展的必然选择。半干旱地区的节水灌溉和旱作节水农业要攻克的共同难关是如何提高自然降水和灌溉水的利用率和利用效率。

通过提高农田降水利用率和利用效率实现半干旱地区农业有限水资源的高效利用技术途径，可用以下框图示意：

图1半干旱地区农业有限水资源高效利用的技术途径

除工程节水外，生物性节水是一个需要大力开拓的农业节水方向。生物节水的基础在于植物在高效用水方面存在着很大的生理和遗传潜力，即：不同基因型和同一基因型不同生育阶段对水分亏缺的敏感性存在显著差异；产量、耗水量、水分利用效率之间，水与养分之间存在很大的调节余地；水分亏缺对与产量形成直接有关生理过程的影响程度明显不同，其顺序为：细胞扩张(生长)→气孔运动→蒸腾作用→光合作用→物质运输，为采取灵活节水对策提供了可能。基本一点是，在适度(有限)水分亏缺下作物可产生生理、水分利用和生长上的补偿效应(见表1)。

4 我国半干旱地区农业发展的技术选择

(1)当前，生物节水只有与综合节水技术相结合才能充分发挥其应有效果。为此，需要建立提高农业水分利用效率技术体系，这一体系应以最大限度提高下述比率为目标：土壤储水量/降水量(灌水量)、耗水量/土壤储水量、蒸腾量/耗水量、生物量/蒸腾量、经济产量/生物量，这是一个从工程——农业——生物紧密结合的系统过程。应用这方面成果进行的技术组装实验，已经收到了明显的节水增产效果[8]。

表1 适度干旱下作物产生的补偿效应[7]

生理反应方面

水分利用方面

生长和产量方面

(2)旱地农业与补充灌溉相结合将作为今后半干旱地区农业供水技术的主要选择。由于水资源进一步紧缺，半干旱地区发展大规模常规灌溉已不可能，现有灌溉方式也受到挑战；但随着人口增长和人民生活水平的提高，该地区旱地农业生产也出现了对补充灌溉的要求。随着科学技术的进步，采取旱地农业与补充灌溉相结合的供水制度——有限灌溉制度将使节水与增产同时实现成为可能。在本文中，我们所阐述的作物对有限水高效利用的生物学基础，为半干旱地区发展这种供水制度提供了依据。

面向未来，在环境水得以有效控制之后，提高植物自身的用水效率——生物节水就成为农业高效用水的中心环节和最终难点。结合上述研究结果，我们认为近期内有可能在以下3个问题上取得突破：

(a) 创造高WUE品种类型。过去针对半干旱地区的育种往往重视抗旱性的提高而忽略高WUE品种的选育。由于作物抗旱性本身与丰产性不易结合，表现在目前生产上的生理耐旱品种往往很少丰产，加之作物抗旱性由多基因控制和多途径实现，应用基因工程——DNA重组技术创造抗旱新类型的难度很大，前景尚不十分明朗。现已明确WUE是一个可遗传性状，高WUE有可能将抗旱性和丰产性结合为一体。研究表明，随着由野生种到栽培品种的驯化，由旱地低产型到水地高产型的进化，小麦旗叶WUE有递增趋势[9]，这一结果启示我们：定向培育高产与高WUE相结合的新类型是现实的、这一育种技术路线应受到重视。

(b) 实行精确灌溉。应用有限水分亏缺可使作物产生一定补偿效应的原理，在田间试验中证实：一定生育阶段中少量补充供水可达到节水与增产同时实现的目标[10]。虽然原则已明确，但要广泛运用必须实行以信息技术为手段、以作物需水规律为依据的精确灌溉。为此，一方面要更加精细地掌握作物需水规律，同时要通过多学科协作，特别是有效应用遥感技术和自动监控技术，并将低成本微灌技术应用于大田。实行精确灌溉的原理与技术条件已接近成熟，关键是如何降低成本，以及将作物需水加以量化和细化。

(c) 应用化学调控。通过研究提供的GA/Ca处理种子技术和增磷技术已证明有一定抗旱节水效果[11，12]。说明除抗蒸腾剂类外，今后拟从多个途径选择抗旱化学制剂，包括增强吸收，提高耐力，促进诱导等化学制剂的研制。

综上所述，我们认为我国半干旱地区农业的可持续发展战略应该以实现资源的高效利用、提高作物生产力为目标，在协调、优化和永续利用农业资源和改善生态环境的基础上，重点实施以水土资源高效利用和基因资源的潜力开发为中心的旱地农业科学技术体系，服务于半干旱地区社会经济、食物、资源、环境的可持续发展。旱地农业与补充灌溉相结合的供水制度为同时实现节水与增产提供了一条新的途径。我们将有限灌溉定义为：缺水地区根据水资源状况和作物需水规律，在充分利用自然降水的基础上进行低限补充供水(包括集雨补灌)的一种农业类型。尽管作物对有限水高效利用的机理研究，为半干旱地区发展这种供水制度提供了有力依据，但要付诸实施，还必须统筹考虑各种技术和经济因素，继续做大量的研究工作。

参 考 文 献：

[1] 孙鸿烈.寓资源环境保护于发展之中[J].自然资源学报，1995，10(3)：199-202.

[2] 山仑，邓西平.黄土高原半干旱地区的农业发展与高效用水[J].中国农业科技导报，2000，4：34-38.

[3] 山仑，我国西北半干旱地区农业可持续发展技术对策——发展有限灌溉农业是必然选择[J].中国科学基金，1999，13(1)：13-15.

[4] 邓西平，山仑，稻永忍.旱地春小麦有限灌水高效利用的研究[J].干旱地区农业研究，1995，13(13)：43-46.

[5] 罗良国，任爱胜，王瑞梅，郭鸿鹏.我国农业可持续发展的水危机及广泛开展节水农业前景初探[J].节水灌溉，2000，5：6-13.

[6] 山仑，邓西平，等.挖掘作物抗旱节水潜力.中国农业科技导报，2000，2(2)：66-70.

[7] 苏佩，山仑.多变低水环境下高梁高产节水生理基础的研究[J].应用与环境生物学报，1997，3(4)：305-305.

[8] 梁宗锁，康绍忠，等.隔沟交替灌溉对玉米根系分布和产量的影响及节水效益[J].中国农业科学，2000，33(6)：27-33.

[9] 张正斌，山仑.小麦旗叶水分利用效率比较研究[J].科学通报，1997，42(17)：1876-1880.

[10] 邓西平.渭北地区冬小麦的有限灌溉与水分利用研究[J].水土保持研究，1999，6(1)：41-45.

[11] 山仑，郭礼坤.干旱条件下钙与赤霉素混合处理种子的生理效应及增产效果[J].干旱地

区农业研究，1994，12(1)：85-91.

[12] 张岁岐，山仑，薛青武.氮磷营养对小麦水分关系的影响[J].植物营养与肥料学报，2000，6(2)：147-151.

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