论我国半干旱地区农业生产力与生态系统可持续发展.pdf
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1、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
2、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 PRODUCTI
3、VITY 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 t
4、he 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 cov
5、erage 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 th
6、e 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 i
7、ncrease 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 harvestin
8、g 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1
9、1,23。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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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 r
16、eserved.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
17、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
18、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
19、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
20、),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,
21、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
22、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 Optica
23、l 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 980b
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