论我国半干旱地区农业生产力与生态系统可持续发展.pdf

收稿日期:1999-07-123 国家重点基础研究培植项目;国家“九 五”科技攻关(No.962020201202202)和教育部重点资助项目。作者简介:李凤民(1962),男,河北新乐市人,博士,教授。主要从事植物生态学和旱地农田生态系统研究,在国内外发表学术论文38篇,获省部级二、三等奖各一次。论我国半干旱地区农业生产力与生态系统可持续发展3李凤民(兰州大学干旱农业生态国家重点实验室,兰州 730000)摘 要:我国半干旱地区农业生产力低下和生态环境恶化的根源在于系统内的同化作用被强烈弱化,而异化作用却异常活跃。表现为植被破坏、农业生产力低下、土壤水蚀和风蚀严重、土壤肥力持续下降,扩大开垦面积进一步导致问题的严重化。这两大系统功能的不协调变化就是所谓的“生态平衡失调”,只有同化作用得到有效提高,才能抑制异化作用的恶性发展。核心就是大幅度提高系统生产力,对以人为中心的生态系统而言,提高农业生产力是生态环境改善和生态系统可持续发展的关键环节。首先改善农田水分状况,在大幅度提高作物单产的基础上,发展以集水技术为基础的生态农业,从而实现农业生态系统的可持续发展。关 键 词:半干旱地区;农业生产力;生态环境;降水利用;生态系统;可持续发展中图分类号:S181(24)文献标识码:A 文章编号:1007-7588(1999)05-0025-06ON AGRICULTURAL PRODUCTIVITY AND ECOSYSTEMSSUSTAINABILITY IN SEMIARID AREAS OF CHINAL I Feng2min(State Key Lab of Arid Agroecology,Lanzhou University,Lanzhou730000,China)Abstract:In view of agroecosystem,the study holds that the main causes resulting in low agriculturalproductivity and eco2environmental deterioration are the weakening of assimilation and strengthening ofdissimilation.The processes such as vegetation devastation,soil and water erosion,soil fertility declineand further expansion of cultivated land are actions of dissimilation.The weakening of assimilation is re2flected as the decrease of vegetation coverage and ecosystems productivity.The inhomogeneouschanges happened between both processes of assimilation and dissimilation of ecosystems are called“e2cosystem inequilibrium”.only the assimilation is effectively strengthened can the deteriorated develop2ment of assimilation be controlled.This is the core to the restoration of the ecotones ecosystem.Theraise of the agroecosystems productivity lies in the substantial improvement of the ecosystems produc2tivity and the maintenance of ecosystems sustainability.To this end,it is necessary,first of all,to im2prove field water2holding capacity and increase per unit area yield.And then,based upon this,the devel2opment of rainwater2harvesting technology oriented ecoagriculture can guarantee the sustainable devel2opment of the argoecosystem of the concerned area.Key words:Semiarid area;Agricultural productivity;Eco2environment;Rainwater harvesting technolo2gy;Agroecosystem;Sustainable development21卷第5期1999年9月资 源 科 学RESOURCES SCIENCEVol.21,No.5Sep.,1999 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.1 提高农业生产力是生态环境改善和生态系统可持续发展的关键环节半干旱地区是我国著名的生态脆弱带,按地带性规律,这一区域应为森林草原 典型草原 荒漠化草原地区。如果不考虑人口压力,只考虑农业可持续发展,那么,这些地区农业发展的主体应为草地畜牧业11,23。随着人口压力的增加,种植业成分越来越大,以致于现在必须以农为主,形成了旱地农业的下极限地区14,26,27,29。这里降水量少,时间分布不稳定,而农业生产又几乎完全依赖降水,没有外来水资源提供灌溉,即所谓旱地农业1,2,12,18,28。这就决定了此类生态系统必然具有明显的不稳定性和较低的抵抗外来扰动的能力。同时,它的地带性特征又决定了其具有较大的生产潜力。因此,这里一直是有关方面密切关注的焦点,其农业与生态环境的可持续发展意义重大14,10,30。半干旱地区土壤无效蒸发量大。在典型半干旱地区,休闲期土壤蒸发可占到同期降水量的60%80%,半干旱偏旱地区达到72%98%,在半湿润地区为最低,但也要达到60%。在作物生长季节,裸地和种植作物地的年耗水量基本相同1,2,再加上降水的年变率和季节变率都较大的不利因素,产量低而不稳成为必然14。培肥地力可以提高产量已成为人们的共识510,1220,28,39。但培肥地力又是以土壤水分的改善和第一性生产力的提高为基础的40。干旱土壤团粒结构较差,营养成分直接和空气接触,容易氧化损失。有机质是肥力的重要基础和指标,提高第一性生产力首先需要解决的就是水的问题。然而,传统水土保持型农业虽然可以在一定范围内控制降水的无效径流,但土壤水分状况的改善程度仍很有限。在这种背景下培肥地力只能是一句空话。如果说传统的水土保持型农业在早期特别强调了环境效益的话,那么在其不断发展过程中也注意到了经济效益问题3,510,24,首先是发展粮食生产,然后是种植经济作物、利用人工草地发展畜牧业,走农牧混合型发展道路。面对如此严酷的环境条件,解决问题的关键是改善农业生产条件,如种草种树,改善生态环境,远距离调水发展灌溉或半灌溉农业,增施化肥,以肥调水等。但是,除增施化肥较好地提高了单产1之外,其它方面多年来似乎并没见有多大的突破。增施化肥的增产作用目前也基本到了顶点,进一步增产的潜力已经不大14,20,23。但农业问题归根到底还是农民的生产问题,最终必须靠农民自身来解决,国家一定的投入是必要的,但不可能长期大量投入。关键问题还是有没有一个或数个有效的生态农业模式及其相关技术体系,这种模式或技术体系首先应当以提高农民自身主动参与和投入的能力为根本,同时必须兼顾生态环境的改善和维持。从生态系统分析,以上问题的根源是系统内的同化作用被强烈弱化,而异化作用却异常活跃。植被破坏、农业生产力低下、土壤水蚀和风蚀严重、土壤肥力持续下降,在这种情况下扩大开垦面积,便进一步导致问题的严重。是系统异化作用异常活跃的表现。系统内同化作用强烈弱化的具体表现就是植被覆盖下降,农业生产力和自然生产力低下。这两大系统功能的不协调变化就是“生态平衡失调”。解决问题的关键是努力提高同化作用 大幅度提高系统生产力,对以人为中心的农业(广义的)生产力。此为生态环境改善和生态系统可持续发展的关键环节。2 国外旱地农业发展的经验及对我们的启示211 国外旱地农业经验北美的旱农发展经验可以简单地概括为1,37,38:重视水土保持和农田基本建设,改粗放经营为集约经营,有机农业与无机农业结合,选育优良品种,注重农林牧综合发展,提高机械化程度与劳动生产率。在提高水分利用效率,改善和维持生态环境稳定性方面采取的措施有:休闲制,秸秆覆盖,少免耕技术,等高种植和梯田,草田轮作等。这些技术措施在保证旱作农业系统土壤水肥状况等方面发挥了重大作用,特别是发生于30年代著名的黑风暴,在采取这些措施后得到了重大改观,粮食产量得到稳定增加。但有些技术如雨水集流,能够抑制植物蒸腾的化学制剂,地膜覆盖,土壤表面覆盖长链有机单分子膜等虽经大量研究,仍不成功,因其效果短暂,费工,投入资金较高,且影响机械化作业。澳大利亚的旱地农业经验主要来自南澳1,34,44。传统作物为小麦。开垦初期土壤肥力连续下降,导致产量30 a间下降了43%。后采用小麦2休闲耕作制,增施磷肥,产量开始回升。但随着耕作时间的延长,土壤有机质破坏严重,土壤结构恶化,侵蚀加剧,作物产量开始低而不稳。此后逐渐采取豆科牧草与作物轮作,对苜蓿施用磷肥,取消夏季休闲。农业生产系统趋于稳定发展。印度在60年代以前是粮食进口国,到1977年粮食开始自给有余。关键有3个方面的进展1,36,41,一是扩大水浇地面积,二是改良品种,三是扩大耕地面积。也就是说,提高单产和增加面积同时在起作用。主要经验有:扩大高产和抗旱性强的作物种类,如黍,红花,绿豆,鹰嘴豆,荞麦,大麦,大豆等,尤其认为黍子是旱地粮食生产的最大潜力所在。发展集水种植。采取的措施有:收集存储和利用降水,进行一定的灌溉;在天然集水区种植作物(径流农业);在田间建设集水区和种植区,在种植区可取得高产。实行农林耕作制度。针对不合理开垦导致的严重生态问题和作物产量下降,把林草纳入农业系统,起到保护和稳定生态环境的作用。前苏联62资 源 科 学21卷第5期 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.旱地农业1的技术关键是蓄水保土保墒耕做法。针对干旱和肥料不足,风蚀水蚀和粗放耕作等问题,采取不翻耕和少翻耕,减少水土的风蚀和水蚀。用无臂犁进行深松或浅层松土,小麦留茬20cm,并在差地上用茬地播种机直接播种。以色列是发展干旱农业的典型,其主要特点是高投入高产出,设施农业高度发达,大量采用温室和微灌系统,高度节水。借助气温较高的优势,进行四季生产,主要为经济作物和园艺作物,素有“欧洲厨房”之称。80年代末期以来,发达国家开始重视可持续农业的发展思路31,42,43。美国农业部还专门出版了“可持续农业研究与教育”一书43。指出,可持续农业并不意味着贬低化学物质和化肥的作用。重点在于在寻找减少它们使用量的同时,提高其利用效率,维持生态环境和社会经济的可持续性。从各国旱地农业经验来看,世界上几乎所有的旱地农业生态系统都出现过问题,现在的农业生态系统都是在解决了或正在解决已经出现的问题之后得到新生的。简言之,旱地农业生态系统一直都在努力寻找可持续发展之路。212 国外旱地农业经验对我们的启示与我国的基本做法国外发达国家的旱地农业值得我们借鉴的经验有:通过保护耕作,减少水蚀、风侵,保护水土的思路。在这一方面,我们从建国以来一直都在进行,但由于我国半干旱地区人口密度高,休闲制难以实现,且保水效果不好;再因我们的半干旱地区绝大部分是缓坡丘陵或丘陵沟壑型地貌,不具备大面积集约化生产的特点,因此我国进行水土保持的做法有所不同;发展农林草混作和农牧结合。我国大部分旱作地区,人口密度过高(平均约在80人/km2100人/km2左右,部分地区已经超过200人/km2,远远高于联合国粮农组织推荐的每平方公里20人的密度10),由于没有显著高效的旱作种植业做保证,农民温饱问题无法解决,严重制约了草地畜牧业的发展;发达国家的旱作农业几乎全部是农场式经营,经济效益第一,经济效益的提高为改善农业生产条件创造了较为宽松的环境,使其比较容易吸收新的科学技术成果,改进生态系统运行状况。更进一步提高旱地农业的经济效益。但我国的半干旱地区,人口多,粮食作物单产低,群众为了解决温饱问题,只能尽最大可能发展种植业,造成产业结构单一,经济效益低下,无力扭转生态系统恶化的倾向;优良作物种类和品种的选择,这是印度发展旱作农业的主要经验之一。它是代表人多地少、条件相对较差的发展中国家旱地农业发展的一种思路。我国近10 a来,在旱作农业的较快发展中,作物品种的更新换代亦起了重要作用,但我们对筛选更为合适的作物种类重视不足,种植业结构较为单一,影响了生产水平的稳定发展。旱地农业在各国都有不同的特点33,虽可借鉴国外经验,但我们必须创造自己的模式,因为:我国的旱地农业发展历史至少在7 0008 000 a,大规模开发也在2 000 a以上4。而发达国家大面积开发旱地农业的历史大都不超过200 a37(表1),有的不过六七十年。悠久的开发历史和超高密度的人口压力,使我国在旱地农业中对土地的总体干预强度非常之高。农田已开发到山顶,在大于25度的坡地上进行农耕已是屡见不鲜,有的地区梯田也修到了山顶,甚至出现了梯田化县。表1是美国西部5个半干旱区采取休闲制后作物的增产情况37。该表清楚地说明了休闲制的优越性,但其产量水平与我们现在的旱地产量水平基本相当,并不比我们高。我们在精耕细作的情况下甚至还高于这个水平,这正是我们悠久旱地农业发展中长期积累的丰富经验的具体体现。残茬和秸秆覆盖被认为是改善土壤结构,保持水土的重要措施之一32,34,35,44,45。表2显示了这种作用的重要性。随着秸秆覆盖量的增加,产量也在增加,但产量增加的幅度远不及秸秆覆盖量的增加速度。要达到2 600 kg/hm2的产量水平,同一地块的自产秸秆根本不能满足需要。更何况我国旱地农业系统中的秸秆还要用来补充农民的薪柴和支持一定的畜牧业生产。表1 美国西部5个半干旱区年降水量,连作和隔年种植的小麦籽粒产量Table 1Precipitation wheat grain yield of continuous cropping and grown every other year in five semiarid areas of western America地区开垦年数(a)小麦类型年降水量(mm)产量(kg/hm2)水分利用效率(kg/hm21mm)休闲连作休闲连作北部大平原359春3941 42796211812144中部大平原165冬4621 62965311761141西北部平原76冬3682 4033126西北部平原60冬4211 0102140西北部平原70春3491 95889521812156南部大平原28冬5001 01064611011129西南部平原4春(秋播)4172 37676721851184平均109415191 800822212511997221卷第5期李凤民:论我国半干旱地区农业生产力与生态系统可持续发展 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.表2 秸杆覆盖对蓄水效率和粒用高梁籽粒产量的影响(降水量318 mm)Table 2Impact of stubble mulching on w ater storage efficiency and increase of sorghum grain yield(precipitation 318mm)覆盖量(kg/hm2)01 0002 0004 0008 00012 000蓄水效率(%)2216c3111b3114b3615b4317a4612a籽粒产量(kg/hm2)1 780c2 410b2 600b2 980b3 680a3 990a 注:同一行不同字母表示差异显著(p=0105)。3 我国集水农业的提出和兴起311 集水技术将是我国旱地农业发展中的关键31111 实现可持续发展必须改善土壤水分条件 农业生产条件不外乎光、温、水、肥四大要素。从生态学角度看,土地肥力衰退的根本原因是水分不足及掠夺性开发。因此,在水肥关系上更突出水的重要性。黄土高原大面积远距离调水的可能性很小,支离破碎的地貌特征也不允许通过调水发展灌溉农业。地表水和地下水又十分贫乏。我们从土壤水分、降水量分布和春小麦需水量分布分析发现,5月底6月初土壤水分达到全年最低值,这时又是春小麦大量耗水期和生理临界需水期(孕穗期)。缓解这一矛盾的有效途径显然就是在土壤水分低谷到来之前供给一定的水分,缓解土壤水分亏缺17,23,26,27。根据这一思路,我们于1988年1989年在甘肃定西进行小麦玉米带状种植的补灌试验,5月下旬灌溉900 m3/hm2,比对照旱地增产7倍,产量达到7 845 kg/hm2。既然补灌效果如此明显,在既无地表水又无地下水的半干旱地区水从何来?这里虽然缺水,但并非绝对没有水,而是降水和作物生长严重错位23。在甘肃河东地区,降水资源量年均可达500108m3600108m3左右。因此,挖掘降水资源的潜力是巨大的。农业中的集水技术就是利用人工集水面或天然集水面形成径流,将径流储存在一定的储水设施中以供必要时的有限灌溉,或者将径流引向一定的作物种植区,使降水在一定面积内富集叠加,大幅度改善植物种植区的水分状况,通过减少土壤表面蒸发降低作物的耗水系数,充分发挥环境资源和水肥生态因子的协同增效作用,提高农业生产力水平。这样,农业中的土地利用基本上可分为两部分,即集水面区和作物种植区。集水面的目的就是产生最大径流和最小入渗。在特殊处理过的集水面上土壤侵蚀极小,即使不对土壤表面进行任何处理,因为径流要充分利用,所以,它所携带的土壤仍然不会流失,其中的营养成分也会得到重新利用。作物种植区为水肥富集区,集约程度高,管理完善,无效径流会更少,可以更为有效地控制水土流失,提高水分利用率23,17,14。31112 集水农业的尝试 以典型半干旱地区的定西为例。这里年降水量420 mm。春小麦生育期降水占年降水量的53%,非生长季降水作为底墒用于春小麦生长占同期降水量40%19,因此,对春小麦的总供水量为420 mm53%+420 mm47%40%=301 mm。19611990年春小麦平均需水量为357 mm(330 mm380 mm)。平均水分亏缺56 mm,合计555 m3/hm2。这就是说,每公顷450 m3600 m3补充供水在不采取特殊节水灌溉措施的条件下就可以基本满足春小麦需要,实现稳产高产14,25。集水有限灌溉技术同有效的农业技术相结合,在试验点上粮食产量成数倍增加,刺激产生了新的高效作物生产系统,经济植物产量和质量也有大幅度提高。甘肃省榆中县中连川村试验点1966年建成集水水窖30眼,蓄水容积525 m3,落实农田集雨灌溉田1167 hm2,种植经济作物0141 hm2。粮食每公顷产由原来的750 kg增加到6 000 kg。群众第一次吃上了自己种的蔬菜。甘肃定西县馋口乡利用山洪和部分道路集水,发展高效农业,已建成的24个日光温室种植蔬菜,春节前上市,效益好的温室收入可达6 000元左右,一个季节就可收回成本。河南卫辉市道士坟村石质山地,利用集水滴灌技术,粮食每公顷产由原来的2 865 kg增加到5 490 kg,不仅彻底结束了长年吃国家返销粮的历史,而且开始向国家交纳商品粮。在集水基础上开始发展养殖业和小型加工业,经济效益逐年大幅度提高。我们在半干旱地区自然条件基本为最差的甘肃省榆中县中连串乡李家岘村扶持的示范基地,年均降水量仅350 mm,海拔高度2 375 m,年平均气温5,无霜期仅100 d左右。在1995和1997年特大干旱年小麦和玉米带田种植每公顷产量达4 500 kg以上,而在非示范点上基本绝收。在热量条件较好的地区所产生的效益更明显。31113 发展集水农业的基础 在黄土高原典型半干旱地区,降水在下垫面的分配比例大致是20%25%用于第一性生产,10%15%形成径流,水土流失,60%75%为无效蒸发23。在这里,形成径流和无效蒸发的水分实际上就是集水农业的主要利用对象,可集水量丰富。本地区人均耕地高于全国水平,利用一定的可耕地或荒地修筑集水面或田间微型集水工程是完全可以实现的。黄土高原缓坡丘陵的地形是大自然赐予的天然集水面,稍加修饰即可用来82资 源 科 学21卷第5期 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.集水,较大的地势差可为自流灌溉提供可能。同时,还可利用道路、场院、庭院等场所进行集水。深厚的黄土母质为降水的集存创造了良好的条件。频率较高的大(暴)雨又可提高降水的富集效率。大范围的低产现状和很低的大气湿度有利于提高有限供水的增产效益和水分利用效率。同时,传统水土保持措施已经相当完善,为集水农业的发展奠定了良好的基础条件。在技术上西北老百姓有上千年的水窖集水经验,再加上现代科学技术,构筑速度加快,质量提高。节水灌溉措施的实用化,市场经济的活跃为实现商品利润奠定了基础,为资源优化组合和顺利走向市场创造了条件。半干旱和半湿润易旱地区以修梯田和小流域综合治理为代表的农田基本建设取得了巨大成绩12,仅甘肃省就已修13313104hm2梯田。梯田修筑区正是集水农业的适合发展区,这也为发展集水农业创造了良好的基础条件。4 以集水技术为支撑的生态农业一种观点认为,黄土高原半干旱区的问题已很清楚,主要是通过水土保持来改善生态环境,解决办法也很明确,政策要对头、大幅度增加国家投入,提高农业生产力。这种观点忽视了一个事实:这里首先是农民的生产问题而不是生态环境问题!农民为了解决温饱,无休止地开荒,农田种到了山顶上,这是生态环境恶化的根本原因。多年以来考虑问题的中心是生态环境。要认识到,通过改善生产水平和生活状况,才能减轻人口对生态环境的压力,才有可能解决生态环境恢复的重建问题。这就需要从以生态环境为本转向以人为本,研究主体要发生改变,这一点致关重要。只有人的问题解决了,才能发挥其主观能动性,进一步优化产业结构,同时改善生态环境,实现生态效益和经济效益的统一。集水农业的提出和兴起很好地说明了这一点,同时也表明了硬技术的巨大威力。只有在适用的硬技术及其支撑的生态农业模式成熟之后,合理的政策和国家投入才能发挥作用。集水农业仍属旱地农业范畴,它与传统水土保持型农业的根本区别在于14,26,27:后者是被动地接纳天然降水,在时空上缺少主动调节能力,在以高降水变率著称的半干旱地区,遇到干旱季节和年份就显得无能为力,而这种情况出现的频率又较高;集水农业突出的是降水在时空上的可调性,利用存储的降水实现对水分利用的主动调节,以主动抗旱解决降水供需错位和提高有限环境中的资源丰度问题,这是高度集约化的旱地农业,对环境的干预强度远远高于以前任何一种农业措施。集水农业背景下人们对水肥热条件的控制能力增强,可根据需要创造出多种不同的水肥热组合,这就为引入各种价值较 高的经济植物创造了条件。半干旱地区昼夜温差大,光照条件好,有利于光合产物的积累,这是较大幅度提高产品质量和产量的有利条件。因此,发展高附加值农产品的生产,提高整个农业生产过程的经济效益便由传统水保型农业的无能为力变为集水农业中的大有可为,为整个农业和农村发展注入新的活力。黄土高原半干旱区畜牧业一直占有较强的优势,大量研究指出应当发挥这种优势510,15,16。然而,随着时间的推移和人口的增加,粮食生产和畜牧业生产争地的矛盾却日益突出。在集水农业中,由于粮食单产大幅度提高,种植面积即可相应减少,高附加值农产品的生产可以较大幅度地提高经济效益,这就为退耕还草(灌),增加土地的植被覆盖,改善生态环境。同时,调整和优化产业结构创造了较为宽松的前提条件,也为打破原来封闭的恶性循环奠定了坚实的基础。这些目标的逐步实现就是本地区生态农业的逐步形成和完善过程。可以预见,集水节灌技术将作为旱地农业(广义的)一个新的生长点,随着我们对本地区生态农业建设机理和过程认识的深入,将在经济效益、社会效益和生态效益建设三方面协调发展中起到重要作用,对黄土高原半干旱区整个农业和农村发展将具有重要意义。参考文献:1 山仑,陈国良 1 黄土高原旱地农业的理论与实践M1 北京:科学出版社,19931 2 山仑,陈培元 1 旱地农业生理生态学基础M1 北京:科学出版社,19971 3 山西大学黄土高原地理研究所 1 黄土高原整治研究 黄土高原环境问题与定位实验研究M1 北京:科学出版社,19921 4 中国农业科学院,南京农业大学中国农业遗产研究室 1 北方旱地农业M1 北京:中国农业科技出版社,19861 5 中国科学院资源环境局 1 黄土高原小流域综合治理与发展M1 北京:科学技术文献出版社,19921 6 中国科学院黄土高原综合科学考察队 1 黄土高原地区农林牧业综合发展与合理布局M1 北京:科学出版社,19911 7 中国科学院黄土高原综合科学考察队 1 黄土高原地区重点县综合治理与经济发展战略规划问题研究M1 北京:科学出版社,19921 8 中国农业科学院 1 中国北方不同类型旱地农业综合增产技术M1 北京:中国农业科技出版社,19931 9 王维敏 1 中国北方旱地农业技术M1 北京:中国农业出版社,1994110 西北农业大学 1 旱农学M1 北京:农业出版社,1991111 李 博 1 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