新一代中低產田治理技術及其在大面積均衡增產中的潛力*

張佳寶 林先貴 李 暉

（1 中國科學院封丘農業生態國家實驗站 封丘 453301 2 中國科學院南京土壤研究所 南京 210008 3 河南省封丘縣人民政府 封丘 453300）

《全國新增1000億斤糧食生產能力規劃（2009—2020年）》中明確要求，黃淮海地區新增糧食產能占38.7%，其中來自中低產田改造的貢獻必須在40%以上，這就意味著未來10年通過中低產田改造新增糧食生產能力必須超過155億斤。如何實現這一目標，已成為各級政府正在面對的問題。本文以中科院在河南省封丘縣長期從事中低產田改造所取得的成功經驗為例，通過分析當前中低產田改造所面臨的技術問題，闡述新一代治理技術的內容及其在大面積均衡增糧試驗示范中的效果，為黃淮海地區新一輪中低產田改造提供思路、技術和可借鑒的樣板。

1 中低產田治理已有的經驗及當前所面臨的技術問題

封丘縣位于河南省東北部的黃河北岸，面積 1225km2，其中耕地 6.47萬 hm2，另有可利用為耕地的黃河灘區2.27萬hm2。歷史上的封丘，長期飽受旱、澇、風、沙、鹽堿等自然災害困擾，糧食單產在1500kg/hm2左右。1963—1966年，以我國著名土壤學家、中科院南京土壤所熊毅院士為首的多學科研究隊伍進軍鹽堿窩，發明了“井灌井排”治理鹽堿核心技術，并通過配套技術的集成，建立了10萬畝（6667hm2）鹽堿地治理示范，為中低產田改造提供了成功范例。改革開放后，以中科院南京土壤所為主的大批院內外專家再次會聚封丘，在原有工作的基礎上，開展了以治水為中心，農學、生態技術配套的綜合治理研究，總結形成了 “田成方，林成網，路相通，渠相連，橋、涵、閘綜合配套，農業和生態技術集成，旱能灌，澇能排，旱澇保豐收”的中低產田綜合治理技術。經過在封丘潘店鄉萬畝試區的試驗示范，糧食單產由原2910kg/hm2上升到7620kg/hm2[1,2]。1988年后，封丘治理模式連同禹城、曲周、德州等治理模式，在國家黃淮海平原綜合開發計劃中得到全面推廣，經過5年的努力，黃淮海平原的糧食年生產能力提高了500億斤[3]。隨后黃淮海平原中低產田綜合治理的成功經驗和技術在全國進行推廣，為我國的糧食生產邁上新臺階做出了巨大貢獻。

封丘縣1989—2000年的12年間，通過上述綜合治理技術共改造了3萬hm2中低產田，全縣夏糧和秋糧平均產量分別從1989年的 4170kg/hm2和 3315kg/hm2上升到 2000年的 6405kg/hm2和 5895kg/hm2，年增產率分別達3.6%和4.9%，使封丘一舉成為我國重要的商品糧基地縣。然而，2001—2006年的6年間，封丘縣的糧食單產始終徘徊不前，其中夏糧比2000年僅增產15kg/hm2， 秋糧比2000年減產了390kg/hm2（圖1）?？偨Y分析其原因發現，除了缺乏行之有效的調動農民種糧積極性的政策以外，廣泛采用的中低產田綜合治理技術存在下列問題。

圖1 封丘中低產田改造與糧食單產的關系

1.1 土壤旱、漬障礙因子消減缺乏長效工程治理新技術

旱、漬是黃淮平原中低產田土壤普遍存在的共有障礙因子。以治水整地為中心的中低產田工程治理技術，盡管已被證明對消減旱、漬，甚至鹽堿效果顯著，但由于缺乏高新技術的應用，治理的標準、效果和保持的時間受到嚴重影響，許多治理區的旱、漬、鹽堿障礙卷土重來，重歸中低產田行列。另一方面，與治水配套的基礎設施建設，由于缺少前瞻性設計，難以適應農村勞動力大量外移后高技術的集成以及現代化、規?；纳a，使中低產田脆弱的生產能力無法通過生產方式轉變和高技術應用獲得提升。

1.2 土壤屬性障礙因子治理技術沒有得到有效發展

中低產田障礙因子除旱、漬外，還包括瘠、沙、鹽堿、粘閉板結的耕性不良等，而對于任何一種中低產田又具有多重障礙的特點。這些障礙因子按性質分類，可分為由水衍生的障礙，即衍生性障礙，如旱、澇、漬、鹽堿等，以及土壤本身屬性所引起的障礙，即屬性障礙，如沙、瘠、粘閉板結的耕性不良等。過去的治理技術對衍生性障礙治理效果明顯，而對土壤屬性障礙的消減并沒有根本性突破，在生產上仍然表現出中低產的特點。

1.3 中低產田地力快速提升關鍵技術急需創新

中低產田特點之一是基礎地力水平普遍較低（基礎地力是指在不施肥不灌溉條件下的產量，是土壤理化和生物性質的綜合反映）。過去的中低產田改造中依靠大量水肥投入提高生產力是一項重要措施。大量的調查表明，這項措施對提升地力的貢獻很小。我們的研究表明，農田基礎地力具有水漲船高效應，即在同樣的品種和水肥投入下，基礎地力越高，產量和水肥利用率越高。因此，通過大水大肥提升中低產田生產力，不僅難以擺脫對大量水肥的依賴，而且難以促進產量的進一步提高和超高產的創建。傳統培肥模式由于耗時費工不適應現代經濟發展實際，在中低產田改造中已被放棄，發達國家養用結合的休閑型地力提升模式因不適合我國高復種指數國情而難以采用。近年來盡管政府倡導推廣秸稈還田，但由此衍生出的播種質量差，秸稈因灌溉飄浮堆積而導致壓苗，腐解的有害有機物影響根生長以及病蟲害累積爆發等問題未能得到有效解決，農民抵觸情緒大，實際地力提升效果也未能顯現。

1.4 中低產田治理與高產栽培及水肥高效利用技術集成增效的潛力有待進一步挖掘

中低產田治理的最終目的是提高耕地的產能。目前的中低產田改造重視工程治理，輕視現代高產栽培及水肥高效利用技術的開發和配套集成，導致基礎設施建設先進而生產方式落后，治理不增效。根據我們的研究，灌排網建設需要有墑情監測和精量灌溉技術的配套，才能達到節水目標；瘠薄地改造需要有測土配方施肥技術的配套，才能提高肥料利用效率；秸稈還田提升地力需要有機械化精播、一體化施肥技術的配套，才能實現持續增產；田成方的規?；a需要優良種普及、機械化高產栽培、大面積病蟲害防治技術的配套，才能實現生產方式的轉變，創造出中低產田改造的現代化高產高效模式。

2 新一代中低產田治理技術的開發與主要技術內容

面對當前中低產田改造過程中存在的技術問題，開發新一代治理技術已成為新形勢下進一步提升耕地產能的迫切需求[4]。自2005年，在河南省“打造糧食生產核心區”項目[5]和中科院-河南省合作項目“耕地保育與持續高效現代農業試點工程——封丘試區”的支持下，我們組織中科院和河南省相關科研單位，研發了新一代中低產田治理技術，即中低產田地力產量雙跨越技術。該技術的主要創新在于通過土壤屬性障礙因子消減和農田基礎地力提升兩方面的技術突破，以及現代工程治理和現代高產水肥高效兩方面的技術配套，實現中低產田地力、產量雙跨越和生產方式向現代化、規?；霓D變，大幅度提高中低產田的生產力、資源利用效率、經濟效益和可持續性。具體技術內容如下（圖 2）：

2.1 中低產田基礎設施建設的旱漬長效防控新技術集成

圖2 新一代中低產田治理技術內容

在田成方，林成網，路相通，渠相連，井、橋、涵、閘綜合配套基礎上，集成了“五化”技術（工程治理的標準化、機械化，灌排系統的井渠管網機電化，農田電力供應的電網化，農田基本信息的數字化，農田墑、旱、漬情監控的智能化），使農田旱、澇、漬害得到了長效防控，同時為生產方式轉變的高技術集成和現代化、規?；洜I提供高標準的基礎設施。

（1）實施工程治理的規范化機械作業，確保農田基礎設施建設高標準。按全縣中低產田治理總體規劃、分步實施原則，對治理區進行優化設計，通過建立工程治理技術規范和質量標準，進行機械化施工和工程化管理，大幅度提高路、橋、涵、閘、井、灌排渠管網，特別是田面平整度的建設質量和標準，確?，F代化生產方式能夠集成。

（2）井渠管網機電優化配套，保證治理區實現“兩防三節”。灌排系統建設是治理區旱、澇、漬防控的最關鍵措施。根據封丘井渠結合的特點，優化設計了灌排能力強、水分利用效率高的井渠管機電優化配套的灌排網，改變了過去灌排渠不分、大水漫灌的情況。具體做法是，實施灌排分離，井灌區與引黃區分離，在沙土區建立引黃的灌排網，以獲得灌溉和改土的雙重效果。在其他地區建立井灌的灌排網，灌溉網采用井與地埋低壓輸水管網、地埋電網相結合方式，以井房機電總控，將水送到每塊地頭，不僅節水、節地、節能，而且可集成精量灌溉技術對每塊地進行配水，提高水分利用效率。試驗結果表明，農田土地平整，輸水管抗壓強度無需太高，每畝地的管網投資成本僅為幾十元。井渠管網機電優化配套使治理區實現了防旱、防漬、節水、節地、節能的“兩防三節”。

（3）農田基本信息的數字化，為生產管理科學化現代化奠定基礎。以GIS系統為平臺，構建治理區農田GIS系統，對包括道路、井、渠、管網、電網、林網以及土壤類型、土壤基本屬性、土壤養分狀況、水資源、作物種植、地力水平等農田基本信息進行高分辨率數字化。為農業生產精準管理決策和技術集成奠定基礎，為農田水分、養分、障礙因子、地力、生產力狀況監測提供數字平臺。

（4）農田墑情和旱漬狀況監測的智能化，有效提高了旱澇漬災害的防控能力。農田40cm和80cm深處的墑情是灌溉和預測干旱與漬害的重要依據。在改造區建設包括數字化水分監測傳感器、智能化分測站，水分信息實時采集、基于通訊網的無線信息傳輸網絡、基于農田GIS系統的監測數據管理平臺在內的智能化農田墑情、旱漬狀況監測系統，為治理區的旱澇漬防控和精準灌溉提供支持。

2.2 土壤屬性障礙因子消減的關鍵技術

土壤屬性障礙因子一般難以通過上述工程治理進行消除，需要發展專項技術進行治理。

（1）引黃放淤，改良土壤沙性。盡管在黃灌區引黃放淤治理沙土是一項成熟的措施，但在過去的治理中并沒有很好利用，原因是近年來引黃的額度不斷減少，第二是在工程治理設計中沒有充分考慮這一措施。我們將引黃灌溉設計在沙土區，使土壤沙性通過引黃放淤得到有效改良。

（2）培育土壤結構，改善土壤耕性和保水保肥能力。在不能引黃的區域，無論是沙性土還是耕性不良的粘重土壤，培育土壤結構是消減土壤屬性障礙因子的最有效措施。我們的試驗結果表明，通過種植根系發達的作物，進行生物修復，有效地促進了土壤結構的形成，緩解土壤屬性障礙對作物生長的不利影響；施用有機或化學結構改良劑亦可取得很好的效果，如以難分解的有機物質作為改良劑，能改良土壤耕性；采用機械化深層掩埋秸稈，培育耕層特別是亞耕層土壤團聚體結構，有效地提高了土壤的水分養分保持能力。

2.3 一步變高產關鍵技術

根據封丘20年的長期試驗發現，偏堿性土壤，即使長期施用化肥，只要能保持氮磷鉀養分平衡，都一直持續高產（但不能創建超高產）。進一步研究發現其機理為：

（1）偏堿性土壤能有效地緩沖長期施用化肥引起的土壤酸化[6]；（2）作物高產的同時也促進了光合物質向土壤的輸送，加上大量根系和根系分泌物，實際上作物生長本身也是一個施用有機肥過程，盡管貢獻有限；（3）施化肥只會引起土壤微生物群落豐度不同，不會產生明顯的多樣性和功能群落的缺失，整個物質轉化過程保持正常。而對于酸性土壤而言，機理正好相反，生產力不能持續。這一重要結論為偏堿性土壤中低產田改造一步變高產提供了依據。我國淮河以北地區都是偏堿性土壤，河南正好位于淮河以北，通過工程技術消除農田水衍生的旱漬障礙后，只要足量平衡施用化肥，就能立刻獲得高產，并可持續高產，但此時由于缺乏基礎地力支撐，不僅強烈依賴大量化肥的投入，而且難以創造超高產。這就需要在一步獲得高產的同時，開展農田地力培育，以逐步擺脫對化肥的依賴。試驗示范的結果表明，使用該技術的當年小麥和玉米產量分別達到 7500kg/hm2和 9000kg/hm2。

2.4 農田地力快速提升與定向培育關鍵技術

農田地力提升的難點主要是如何突破高強度種植的束縛，采用的措施既要確保作物高產，又要有效促進地力提升。主要包括下列3個方面技術：

（1）秸稈還田培育地力技術。針對機械化秸稈粉碎直接還田衍生出的一系列問題，研發了配套的消除技術，包括改善播種質量的機械化精播勻播技術，病蟲害爆發防治的技術規程。同時研發了精制有機肥激發式秸稈還田技術和行間掩埋式秸稈還田技術，前者通過用1500kg/hm2左右的精制有機肥替代等量化肥，以其含有的大量腐解菌和速效碳氮源，激發土壤中土著腐解微生物，促進秸稈的快速腐解，縮短地力提升周期；后者通過機械在行間開溝掩埋，并添加精制有機肥或快腐劑或無機氮調整碳氮比促進快速腐解，苗期根系生長不接觸腐解區，拔節后根系生長接觸到腐解區實現供養。 通過上述技術的集成，形成一體化機械秸稈還田技術。

（2）保護性耕作培育地力技術。保護性耕作是歐美國家提升地力所采用的一項重要措施。我們首先研發了保護性耕作的基本技術，包括免耕播種技術、秸稈處理技術、深松技術、雜草及病蟲害控制技術。以這些基本技術構建了保護性耕作適宜模式，包括適于兩熟種植制度的免耕、深松、耙地或翻耕技術組合模式；不同耕作形式下的適宜秸稈覆蓋率和覆蓋量；不同土壤類型對保護性耕作模式的選擇要求。以免耕播種技術、秸稈處理技術、深松技術、雜草及病蟲害控制技術為核心，與先進機械及適宜模式集成。試驗表明，3年需要耕翻一次，產量與常規耕作無差異，但地力得到大幅度提升，節省了大量人工和機械動力。

（3）養殖廢棄物資源化回田提升技術。激發式秸稈還田需要大量的精制有機肥，養殖廢棄物的有機肥化是最主要來源。采用傳統堆腐技術耗時長勞動強度大，難以推廣。我們研發了特制的催腐反應系統和環保型催腐組劑，保證在短時間內完成畜禽糞便無害化和腐解。同時研制了適用于傳統好氧堆肥設備的三元高效腐熟菌劑和新型梯次發酵工藝，克服了外接微生物與土著微生物的拮抗問題，降低堆肥成本。并針對倉儲式、堆放式等無氧發酵處理，研發出了好氧快速連續發酵設備，保證發酵時間短，質量均勻穩定。該系統能使傳統的2－3個月堆肥周期縮短到1周左右，并能實現工廠化生產。按需求，該系統可組建成年產1萬－10萬噸的不同有機質組分有機肥料，有效保護了環境。

2.5 配套現代高產栽培技術

解決上述關鍵技術問題是中低產田治理的核心，但要發揮效益，必須配套現代高產栽培技術，我們集成包括新品種的優選及良種良法技術，機械化精播勻苗壯苗技術，提高成穗率和千粒重的水肥調控技術，病蟲害防治技術，精量灌溉技術，基于測土配方的兩熟作物一體化施肥技術等，形成了完整的地力產量雙跨越技術體系。

3 新一代治理技術的示范推廣效果

2005—2007年，以新開發集成的新一代治理技術對封丘縣西南部應舉、荊宮、回族鄉等8267hm2中低產田進行了治理，項目區的農業基本生產條件和生態環境得到根本改善，抵御自然災害的能力顯著增強，科技應用水平大幅度提高，農業綜合生產能力跨上新臺階，形成了穩產、高產、旱澇保收、資源高效的高標準農田生態系統。2008年驗收結果表明，萬畝治理示范區的夏糧獲得8370kg/hm2的產量，水分利用率達1.79kg/m3，氮肥回報率達38.1kg麥/kg·N。5000畝推廣示范區獲得平均8040kg/hm2的產量，玉米平均單產在9000kg/hm2以上，真正實現了低產變高產的一步到位目標。整個項目區的秸稈還田率達80%以上，夏糧平均產量達7140kg/hm2，較治理前增2325kg/hm2。玉米畝產達8145kg/hm2，較治理前增產2445kg/hm2。

2008—2009年在封丘東南部的曹崗村2400hm2中低產田治理區的示范應用結果表明，項目區的秸稈還田率超過90%，鹽堿旱漬害得到有效控制，年新增糧食生產能力997萬kg，每公頃年增產糧食4155kg/hm2。

2009—2010年在封丘東南部的李莊對1533hm2低產田治理中的應用再次表明，項目區秸稈還田率100%，并適當加施精制有機肥進行激發，有效抵御了2010年年初的大旱，年節約灌溉用水總量17萬m3，年新增糧食生產能力460萬kg，糧食播種區每公頃年增產糧食4560kg/hm2。

2009—2010年利用新一代治理技術在封丘東南部黃陵開展了1萬畝高標準農田建設，小麥產量達7545kg/hm2，玉米產量超過7500kg/hm2，比治理前分別增加2580 kg/hm2和2370kg/hm2。項目區年新增糧食作物生產能力268.6萬kg，生產方式全部實現現代化。

根據對應舉、曹崗、李莊和黃陵治理示范區增產效果的統計，小麥玉米輪作比改造前增加糧食生產4605kg/hm2。以復種指數178%，糧食播種比例70%計算，5年改造的1.29萬hm2中低產田年新增糧食生產能力3690萬kg。如果3.47萬hm2中低產田全部進行改造，新增糧食生產能力可達1億公斤。從封丘糧食生產情況來看，2006—2010年5年間，小麥和玉米單產分別從6420kg/hm2和5550 kg/hm2上升到7560 kg/hm2和7200 kg/hm2。糧食總產也從5.45億kg提高到6億kg。另一方面，按農業部農田地力分級標準，改造后的中產田地力水平提高了1—2個等級，低產田地力水平提高了2—3個等級。項目區的平均年耗水量從1200mm降至953mm，氮肥施用量從原來的每季300kg/hm2降至250kg/hm2。農田基礎設施得到根本改善，實現了規模化生產，提高了工作效率。

4 新一代治理技術在推動大面積均衡增產中的潛力

以河南省為例進行分析可以看出，河南省擁有我國最優良的作物品種，特別是小麥和玉米品種，但河南省2008年的糧食單產水平僅位居全國各省市的第8位，在12個超過年產400億斤糧食生產大省中也僅位居第5位，低于山東、江蘇、湖南、湖北，在黃淮海5大產糧省份中只高于河北、安徽。小麥、玉米、水稻3大作物的單產僅有小麥排在12個糧食大省的第1位，玉米和水稻單產分別排在第4位和第6位。因此，河南第一產糧大省地位主要是通過更大的播種面積獲得。根據我們對氣候生產潛力的研究，河南與河北以北的地區相比，有更高的熱量和水資源，與淮河以南地區相比，有更強的光照資源。我們通過剔除土壤因素影響試驗還證明，河南擁有我國最高的氣候產量。既然河南的品種、氣候生產潛力都處于優勢，為什么單產比江蘇、山東低10%呢？科技、管理、中低產田改造存在差異可能是主要原因。按國家中低產田分類標準，河南尚有466萬hm2中低產田，其中有333萬hm2左右分布在最具改造效益的黃淮海平原地區。按平均每季單產比改造前提高了1500—2250 kg/hm2，復種指數為170%，糧食播種面積為70%計算，年增產糧食60億—90億公斤之間。由于改造后農民的生產性投入基本與改造前相當，其效益主要出自于中低產田改造，按每公斤糧食2元價計算，即使不計算30%播種其他作物帶來的效益，改造所需的500億元（每公頃15000元）投入，凈回收率也只有5年左右。更為重要的是，河南在現有的基礎上提高了糧食生產能力10%—15%，相當于擴大了耕地面積10%—15%。同時實現了大面積均衡增產和持續穩產，提高了資源利用效率和耕地質量，推動了糧食生產的現代化、規?；?。

河南省領導近年來多次視察封丘示范區，充分認識到新一代中低產田治理技術在大面積均衡增糧中的潛力，于2009年5月28日，簽署了中科院、河南省關于“河南省高產高效現代農業示范工程”的合作協議，制定了“河南省高產高效現代農業示范工程實施方案”，籌措14億元資金，以封丘縣為核心示范縣，禹州、西平、潢川、方城為4個擴展示范縣，用5年時間，開展縣域推廣，引領全省333萬hm2中低產田改造工作。2010年8月20日，河南省政府在封丘召開了全省中低產田改造和高標準農田建設現場會，新的封丘模式與經驗正在全省傳播推廣。

1 傅積平.黃淮海平原區域治理技術體系研究.北京:科學出版社,1987,0-307.

2 傅積平,王尊親.豫北平原旱澇鹽堿綜合治理.北京:科學出版社,1992,0-198.

3 李振聲.“農業黃淮海戰役”的成功經驗及對當前商品糧基地建設的建議.中國科學院院刊，2004,19（1）：61-63.

4 丁聲俊.關于河南農業綜合開發糧食核心產區建設的調查與思考(一)——從河南打造“中原大糧倉”說開去.農業展望,2009，（6）：23-26.

5 丁聲俊.關于河南農業綜合開發糧食核心產區建設的調查與思考(二)——從河南打造“中原大糧倉”說開去.農業展望,2009,（7）：23-28.

6 Huang P,Zhang JB,Zhu AN et al.Acid and alkali buffer capacity of typical Fluvor-Aquic soil in Huang-Huai-Hai Plain.Agricultural Sciences in China,2009,8（11）：1378-1383.