供需平衡原則在資源高效研究與作物學教學中的指導作用

杜 雄，張繼宗，張永升，邊大紅，王紅光

（河北農業大學農學院，河北 保定 071001）

供需平衡是來源于經濟學領域的一個名詞，其解釋為“消除供求之間的不適應，使供應與需求相互適應、相對一致，消除供求差異，實現供求均衡”[1]。無論是社會領域還是在自然領域，若出現了不同程度的供需失衡，隨之會出現一系列問題。社會領域突出案例為資本主義經濟危機，即在自由市場經濟條件下生產供給超過了市場需求，從而出現了周期性、大規模的“相對過剩”，導致生產“滯漲”的蕭條局面。對供需平衡原則的再認識來自于作者的科學研究與實踐，認為供需失衡可視為解釋幾乎所有問題出現原因的根本哲學方法。客觀事物是不斷運動和變化的，相對平衡是在一定條件下產生的，當條件發生改變后，相對平衡將轉為相對失衡狀態，而通過分析和明確供需失衡的原因或條件實現新的平衡，即“螺旋式上升”。其中分析和明確供需失衡的原因或條件就是科學研究，再次實現相對平衡的方法和手段就是技術創新。分析原因和條件是進行過程調控的前提和依據，有效的手段是在原因或條件明晰下產生的，即“科學”先于“技術”。

在農業科研與教學方面，針對現實的資源要素供應和當前社會需求及其變化，研究明確“光、熱、水、肥、氣”與作物需求數量之間的時空分布及其矛盾關系，在揭示作物生長發育需求同資源供應間的內在規律和運動過程基礎上，通過實施人為的過程調控和干預實現作物與資源的相互適應，即可達到糧食產量和資源利用協同提高的目的。

1 指導資源高效利用技術創新，豐富教學內容

1.1 水資源高效利用技術的研發與教學方向

河北省平原區既是我國的重要糧食產區，又是水資源最為匱乏的地區之一。我國長期的糧食短缺使其形成了小麥-玉米一年兩熟種植制度。改革開放初期，該地區在經濟與社會資源存量迅速增長的前提下，通過開采當時較為豐富的地下水，小麥、玉米的產量大幅提高，為保證國家糧食安全做出了重大貢獻。40 a以后，因迅速發展的工農業生產過度開采地下水，造成地下水資源日趨匱乏，繼續延續小麥-玉米兩熟種植制度會進一步加劇區域水生態的脆弱性，以提高產量為目的的農業生產導致的水資源匱乏會進一步威脅到北京都市圈的生態與經濟安全。

河北省處在一年兩熟的北界，并受冬、夏季風交替控制，兩種季風強度的消長決定了其熱量和降水資源的不穩定性。因此，根據水資源的“供需平衡”原則，從社會和自然2個層面如何重新實現水資源“開源（擴大供應）”與“節流（減少需求）”為核心的“供/需抑1”便成為當前理論技術創新與教學內容更新的方向。

1.1.1 水資源宏觀管理政策層面 通過分析明確了地下水使用中存在的外部不經濟性是導致其過度開采或“供不應求”的重要原因[2]。因此，依據公共資源政府干預的“庇古稅”和私有資源市場交易的“科斯定理”原理，通過對水資源立法和確立水資源產權，政府根據用水資源類別、經濟有效用水和可更新水資源的數量等條件，確定用水定額、水質、水價，實施水資源開采政府許可和用水配額制度，這樣用水者必須根據用水配額來科學且高效用水，否則超過用水配額后將付出高額累進的水資源費用[3]。因此在市場競爭過程中，用水者必須考慮如何用更少的水資源創造出更多的產值和效益，不斷進行節水技術創新以減少水資源的消耗來降低生產成本，則成為其獲得更多利潤的最有效的手段。這種在分析水資源利用的經濟學原理基礎上，改變目前農業水資源有值無價的被動局面，通過收費制度和定價機制，合理提高用水者生產成本，在考慮商業利益最大化的前提下，由此激勵用水者不斷進行節水技術的創新，使節水和節水技術創新成為水資源使用者的主動行為。例如發明滴灌技術的希勒爾就是一個農場主，而后他創建的第一家生產滴灌裝置的工廠繼而成為世界聞名的耐特菲姆公司。如此創新出的技術會更具有適用性和實用性，從而實現水資源通過“節流（減少需求）”使用向供需平衡轉移。這部分內容為外部理論解決實際資源問題提供了生動案例，豐富了外部理論的教學內容，實現了自然層面水資源管理與社會層面法律政策的融合貫通，可以使學生認識到社會政策調整和價格刺激是自然層面技術創新的原動力，以及對培養學生樹立系統思想、利用經濟學觀點拓展創新能力層次具有很好的指導意義。

1.1.2 水資源中觀空間配置方面 河北省因大陸性季風氣候導致降水季節性分布不平衡，除修建水庫在汛期貯水、干旱期跨地區供水實現水資源供需平衡的例證外，實現城鄉、工農之間的水資源供需平衡則又是一個用水機制和技術創新的方向，這種機制即是農業用水的“開源”。以色列特拉維夫附近的沙夫丹污水處理廠凈化過濾出達到農業灌溉用水標準后的清水注入地下，供農業抽取灌溉使用[4]。為鼓勵農業經營者更多的使用二次凈化水，以低廉價格鼓勵并使全國3/4農業生產用水使用污水凈化水。這不僅節約了水資源，同時也最大限度地避免了各種廢水大量排放對有限土地資源與環境的污染。華北地區有著全國較為密集的城市群和工業群，水資源消耗數量巨大。而華北地區目前工業廢水生活污水，僅簡單甚至未經處理就排入就近水域，這部分水不但未得到合理利用，而且污染了現有水資源，進一步加劇了可利用水資源的短缺[5，6]。通過對比分析則可以發現，促進河北省農業用水供需平衡的另一條途徑是實現工農與城鄉結合，通過國家政策或法律提高污水處理的強制標準，城市與工業廢水凈化后供農業使用，結合獎罰與價格機制，從根本上遏制地下水的開采數量，在不提高水資源開采數量的前提下通過農用水“開源（擴大供應）”而實現供需平衡，從而實現工業與城市廢棄物的資源化利用和遏制地下水日趨匱乏的態勢。這部分內容為實現資源的互補性開發利用提供了現實案例，從而指導京津冀水資源高效協同開發與利用。這也為豐富耕作學的教學內容，在新的社會與經濟背景下突破“農牧結合”范疇，達到城鄉區域結合和功能耦合、在大尺度實現污廢水或其他廢棄物（例如城市生活糞便發酵后作為農業生產的肥料，如此可以減少生物生理廢物對環境污染，并減少化肥的工業生產而造成的能源消耗和環境污染）的資源化利用具有很強的指導意義。

1.1.3 在水資源微觀時間調用方面 在農田層面，通過分析區域降水分布、土壤水分供應與作物需求在時間序列上的矛盾關系，作者團隊創新出土壤水分以“夏秋蓄積、冬季貯存、春季供應”為核心的跨季節、跨作物調度的高效用水技術。以供需平衡原則為指導，發現了一年兩熟種植制度下，秋季小麥播后相對充足的土壤貯水經過秋冬和早春的蒸發，無法實現春季利用，維持小麥產量須在春季拔節期前后進行灌溉，土壤水分供應和小麥生育需水在時間層面存在著特征性的供需失衡矛盾。緩解這種矛盾，實現供需平衡便是節水技術創新需要解決的問題。因此采用土下微膜無隙覆蓋種植新方法，通過0.004 mm地膜和硬胚芽鞘小麥品種的合理搭配，實現了小麥自動破膜出土和農田的無縫隙覆蓋，顯著減少尤其是秋冬季節田間環境性無效蒸發，達到土壤水分的秋貯春用的效果，顯著降低了春季灌溉水量并維持了小麥產量[7]。同時利用小麥吸水較深的特點擴大了在夏玉米季的土壤水分庫容，豐水年份發生的土壤水滲漏又為補充地下水創造了條件。也由此提出了以有水時蓄水保水和無水時供水用水的時間、空間和數量的供需平衡為核心農田節水機制，以及節水的關鍵在有水、節水的目的在用水，有水時不保則干旱時無水可用的節水指導思想。這為從系統學上指導作物栽培學教學，拓展了通過作物篩選改變需求去適應資源供應、通過改變資源供應來適應作物需求的相互適應而實現穩產高效的思路，為兼顧作物產量維持與減少資源消耗提供了生動素材。

1.2 熱量資源的高效利用技術創新與教學內容更新

1.2.1 基于供需平衡原則的熱量條件分析 地下水灌溉和化學肥料投入條件下，水肥供應不再是產量的限制因子，小麥、玉米獲得了相對的高產或超高產。若持續增加水分和養分的投入，“供過于求”會造成糧食增產速率開始小于水肥投入增加速率，結果是產量不再繼續提高，還出現了以“報酬遞減”為基本原理的資源利用效率持續降低和環境污染。探明在供應持續時間、空間分布位以及數量多寡等方面不適應小麥、玉米生長發育需求的資源要素，確立水肥之外資源限制要素并將其科學緩解或消除而實現“供需平衡”，可視為持續提升糧食產量、提高資源效率和降低農田環境污染的指導策略。

通過對河北省平原區區位特點與現行種植制度進行研究的結果表明，自然區位決定的農業水熱資源不穩定性造成了兩熟生產的不穩定性，水資源稀缺和大陸性氣候決定的地面較低熱容量，導致漫長冬季過后春季快速升溫，返青后小麥生長發育被高溫驅使造成有效生育時間過短而導致形成小穗小花數少且退化多、灌漿時間短且被高溫逼熟，結果是穗粒數少、粒重輕而產量偏低；而在氣候變暖的背景下周年熱量仍不能滿足冬小麥-夏玉米一年兩熟糧食生產的需求。延緩小麥穗發育過程、延長穗發育時間和灌漿時間、促進其早發育早收獲避開干熱風危害的技術創新成為河北平原小麥增產的關鍵所在。在小麥提前收獲后，夏玉米的生育時間延長從而實現增產的連鎖反應。

1.2.2 基于供需平衡原則增加周年積溫和產量 依據供需平衡原則，本團隊探明了河北平原小麥季環境溫度供應及變化同小麥生長發育需求適宜溫度間存在著以剪刀差為特征的時序錯位、夏玉米季熱量資源總量不足的矛盾。據此創新出晚冬早春麥田通過搭建簡易透光棚室、實施從春化后覆蓋至拔節期的階段性（1月下旬-3月中旬）升溫促其早發育、而后揭膜降溫延緩后續生長的方法，平衡了環境溫度供應與小麥對適宜溫度需求間的矛盾，實現了小麥提前生長發育，有效延長了返青至成熟的生育時間，促進了各產量構成要素的協同提高，充分利用了原不能利用的光、水、肥、氣等非限制性資源，又可提前成熟避開干熱風的危害[8]。在熱量緊張的河北平原區冬小麥-夏玉米兩熟種植區，用此方法實現的冬小麥提早成熟收獲又為夏玉米早播和延長其生育期開辟了增產出路，產生了周年兩熟均衡增產的連鎖反應，深化了河北省糧食豐產工程課題12年前提出的“雙搶兩晚”的技術實踐，探索出夏玉米生長短季問題由冬小麥提早成熟來解決的系統學新途徑。

通過方法的創新，打破了目前小麥、玉米栽培學教學中“各自為政”的孤立格局，以熱量為軸線將小麥玉米重新作為同一系統進行講授，通過對比與分析當前的資源條件與現行種植制度的需求，以及理論與技術創新的科學脈絡，使學生以系統學視角、用對立統一的觀點對作物栽培學產生新的認識，加深了學生利用系統分析和通過人為方法把對立變統一、把失衡變平衡即為理論與技術創新的哲學認識，并培養了其探究的科學意識與反思創新精神。

2 對作物學教學內容與方法提出了更高要求

社會需求勝過十所大學。培養符合社會需求，具有人文思想、國際視野、市場意識和實用技能，且能夠勝任鄉村振興戰略任務的作物學專業人才是新時代賦予農學學科的歷史任務。面對早已完成自給自足，正在向商業化、國際型、高效性邁進的我省農業，生產結構正在進行戰略性調整，作物學相關課程結構與教學內容必須協同演進，教學內容領先社會生產是對其最基本的要求。按照高效、高產、優質、生態、安全，可持續的標準與社會、經濟、生態需求，現代農業客體的升級運動勢必由目前的作物生產系統向農業生態系統、經濟系統和經營管理更為綜合宏觀的方向發展，而另一發展方向則向生物個體以下的微觀層次延伸。鑒于作物學的技術科學與工程技術的交叉與過渡性質，上述宏觀發展應作為其主要增長點，而農學門類向微觀的基礎科學發展，會直接進入生物學尤其是分子生物學、生態學領域，這將對現代作物學發展和知識創新具有重要作用[9]。

2.1 對作物學宏觀類課程的指導與要求

宏觀類課程包括作物栽培學、耕作學等課程。教學內容領先農業生產，授課內容引領發展方向和提出未來需要解決的問題是作物栽培學、耕作學等宏觀核心課程的任務。在農業自足性福利生產的社會使命完成以后，作物向商品性盈利生產和生態性環境服務的轉型勢在必行。面向社會需求，以形態生物學（植物學）和土壤肥料學為指導、以高產為首要任務的教學內容需向以自然資源稟賦為基礎、減少資源性成本性投入為依據、以簡化勞動生產為手段、以經濟與生態高效為目標的轉變。相應的作物學科的研究與調控對象也由糧食作物向經濟作物、農牧結合、城鄉融合、農業資源與環境等方向拓展，種植制度與養地制度也需向大型智能化機械裝備、規模化生產為標志的經濟生態型方向轉變。從教學方法上，通過對比分析和辯證解析的方式，以供需平衡原則為指導，培養學生類比反思和辯證反思的能力，面對社會發展需求不斷思考未來的農業生產發展方向、面對的問題和解決辦法，根據未來需求提前做好思想和行為準備、技術儲備的供應。同時讓學生認識作物生產的社會使命不斷向高級化演進，不同歷史階段、不同社會使命下的技術創新方向和創新技術也迥然不同，以及科學的永恒性和技術的時代性。

例如，當我國在加入WTO的過渡期結束后，以玉米為代表農產品受到了國際市場的強烈沖擊，因此在玉米栽培教學中需要加入中外玉米的市場運作、生產方式、生產過程、成本投入和產出效果的對比分析，明確我國、我省玉米生產同發達國家的差距，探索玉米生產未來的發展方向，從多個層面入手以有效扭轉不利的競爭局面。通過對比分析發現，玉米全程機械化生產是降低玉米生產投入、提高生產經濟效益的基本前提。由此產生的我省當前種植制度改革（平原區中北部一年兩熟變為兩年三熟或一年一熟）、種植品種改良（適合機械化直收籽粒的玉米品種）、資源循環利用（秸稈過腹后糞便發酵還田）和規模化生產是在當前資源與技術條件下實施全程機械化降低生產成本的關鍵，從而提出了目前與未來需求解決的技術問題，從而使學生自動思考種植模式改進和品種改良的方向、如何去適應當前自然和社會條件，并從更深層次上認識到所選擇的農學專業對社會發展的時代意義。

例如，在耕作學中講授間作的意義就是在于更好的利用生物的多樣性，更好的利用有限環境資源生產更多的生物與糧食，其生產單位是一塊農田。該內容的歷史與生產意義就在于在城鄉二元制和大量剩余勞動力條件下，利用有限的自然與社會資源最大限度的解決溫飽問題。如果目前還按照現行教科書的內容進行講授，顯然喪失了其時代意義，甚至還會使得學生失去學習興趣。而在當前以追求經濟和生態效益為目的背景下，同一田塊的間作無法適應規模化生產對大型智能機械的使用和產品品質同一性的要求，同一田塊的間作需要演變成不同農場或區域的間作，而過去同一田塊的間作就變成了空間大尺度上的混作。由此加深了學生對作物種植方式的理解，還培養對同一事物在不同時空范疇下的辯證認知，以及滿足未來生產目的對生產技術的思考。同時也適應時代需求，整合作物栽培學與耕作學等作物生產教學內容，并重新編著以農業生態學、資源經濟學、土壤肥料學和精準農業為理論指導的作物生產學，以課程與教學內容改革為手段，賦予作物生產新的內涵。

2.2 對作物學微觀類課程的指導與要求

微觀類課程包括遺傳學、作物育種學等課程。教學內容以通過生物學尤其是分子生物學技術改良作物本身，調整育種方向和目標，使培育出的新品種適應降低生產成本和機械化收獲，提高生產經濟效益和食物品質與安全，種植制度改革和資源稟賦條件的需求。從育種思路上，通過轉基因和組織培養技術，加快育種速度，培育高抗和耐旱、耐瘠品種，減少化學農藥和水肥的使用。以玉米為例，河北平原地處一年一熟和兩熟的過渡地帶，種植制度改變后的玉米品種性狀應具有生育期長、耐高溫性能好、籽粒脫水快、收獲前抗倒性強的特點，以充分適應和利用區域水熱資源條件，并滿足種植制度發生變化后玉米直接收獲籽粒的生產方式、降低勞動力投入成本和提高生產效率的社會需求。同時以適應河北省氣候條件和資源狀況，在其特殊的自然地理區位下，需走出一條極早熟夏播玉米和極晚熟春播玉米的特殊路子。從教學方法上，同樣采用對比分析和辯證解析的方式，培養學生的辯證思維能力。

還以玉米品種為例，在作物的自足性福利生產和計劃經濟階段，通過培養葉片保綠時間長和活桿成熟的品種，實現了最大限度的利用光熱資源和產量有效提升。而在市場經濟條件下面對國際市場競爭和以提高經濟效益為目標時，以前增加產量為目的的品種優良性狀反而成為通過機械化直接收獲籽粒降低生產成本的突出障礙，所以說品種特性的優劣隨社會發展不斷發生改變，以此在育種學教學方面培養學生的宏觀思辨能力，準確把握育種方向，減少或避免無效或低效勞動。同時在講授當前和未來機械化生產對玉米品種需求時，例證并辨析當前業內普遍認為的玉米籽粒脫水快即是適合機械直接收獲籽粒的片面觀點，深入闡述苞葉松散利于籽粒脫水、秸稈與葉片干燥快利于秸稈切割、粉碎和減少雜質率、熟后站桿性能好以防收前倒伏、穗位高度一致以避免果穗損失、穗位上部小有利于通風透光、籽粒與穗軸結合不緊密以減少籽粒破碎率均是機械直收籽粒的必要條件。以此培養學生的系統認知的能力。