河北省典型缺水區適水型種植制度改革的討論

胡立峰,張繼宗，張立峰

(1.國家開放大學農林醫藥教學部,北京 100039; 2.河北農業大學農學院,河北 保定 071001)

1 河北水資源與農業生產的基本背景

包括北京、天津的河北區域地處北溫帶，受太行山、燕山山脈對東南季風阻滯作用，形成了太行山與燕山山前的迎風坡半濕潤、山前平原半濕潤偏旱、黑龍港低平原與壩上高平原區半干旱的水資源環境[1]；加之河北又處于我國東南季風北行的尾閭區，降水量年際與季節間寬幅波動，使干旱、洪澇成為影響區域作物穩定生產的主要農業水文災害。20世紀70年代之前，河北黑龍港低平原地區“旱、澇、堿、咸、薄”[2]，壩上高平原地區“寒、旱、沙、堿、薄”曾是河北省區域農業資源環境的基本特征[3]。

河北省耕地面積652.05萬hm2，其中冬小麥230萬hm2。全省水資源總量138.3億m3，其中地表水資源量60億m3，地下水資源量116.3億m3，重復計算量38億m3，人均水資源占有量184.5 m3(2017年)。河北省農業生產受制于水土資源稟賦,長期自給不足，20世紀70年代末，全省人均占有糧食僅301 kg(1980年)[4]。為了開發相對優越的光溫生產力，提高作物產量,自20世紀70年代黑龍港低平原地區開展了以打井灌溉為主的農田水利化,實行了以冬小麥-夏玉米為核心的農田生產兩熟化的耕作制度改革[5]；在壩上高平原區，自20世紀80年代末繼“壩上生態建設工程”后，90年代末實施了大規模的打井開采淺層水、種植喜涼蔬菜的市場型農田生產結構[6]。以地下水灌溉所支撐的集約化作物生產，在低平原區實現了“噸糧田”[7](世界同緯度地區最高的耕地單產)，在高平原地區形成了“冷涼蔬菜基地”[8](中國最大的夏秋季北菜南運基地)。這兩個地區農業的發展，為河北地區食物的自足生產與全國食物的穩定、高效供給發揮了重要作用。

河北平原區隨著水澆地的發展，地下水以年均0.34 m的速度下降，2000年地下水開采量達164.2億m3；從1980—2000年，地下水年均超采46.0億m3，約占全國地下水超采量的1/3，形成約4萬km2的地下水漏斗區[9]。低于臨界水位的土地逐漸走向脫鹽化[6]，鹽堿地面積縮減，作物產量同步快速提高。據統計，河北省用占全國0.5%的水資源、4.8%的耕地面積，生產了占全國5.6%的糧食產量(2017年)(表1)，成為全國水資源超載率最高的地區；持續的地下水超采，快速降低了地下水位，形成了全球最大的連片地下水漏斗區[10-11]。在壩上高平原區，隨著打井與補水地的建設，以大白菜、白蘿卜、圓白菜、西蘭花、架蕓豆等為主的喜涼蔬菜，以占區域5%的耕地面積，生產了農民1/4～1/3的經濟收入，地下水同樣快速下降[12]，直接影響著京津等下游地區水資源的安全。河北省地下水供水量已占了用水量的78.5%(2000年)[9]，地下水資源的超采與耗竭，不僅加重了本區農業再生產的負擔，而且嚴重威脅著毗鄰的京津地區的生態環境與社會經濟發展，成為華北的心腹之痛。2017年河北省水資源公報顯示，農業灌溉用水量占了全省總用水量的63.0%[13]。因此，以降低水資源消耗量為核心的農業生產結構與生產方式的戰略性調整成為大勢所趨。

表1 河北省水土資源與支撐的糧食產量、人口比較

2 缺水區適水種植制度思路

社會生產的進步是生產的分工與合作協同發展的過程。對于具有顯著的地域性、季節性與自然資源依賴性的農業來講，農產品的區域與時域分工性生產是自給自足農業完成之后，進入市場性農業必然的進步過程。圍繞著糧食生產，河北省走過了一條農田灌溉化、種植多熟化、結構單一化、品種耐肥化的集約農作之路。按照生產進步的分工-合作原則[14-15]，農業朝著集約化與簡約化兩個方向的發展，應成為農業進步的根本機制(圖1)。

圖1 農業生產的集約化-簡約化進步圖示Fig.1 The progress way of agricultural production in intensification-simplification pattern

對于同一區域不同的農產品類型來講，忌儲運產品如蔬菜、水果、花卉等更適于集約化生產，而耐儲運產品如小麥、玉米、棉花等更適于簡約化生產?；趨^域間生產合作的原則[16]，本區域適宜的農產品生產類型，將直接取決于其比較經濟優勢。因此，在目前生產結構基礎上，尋求更為集約化與更為簡約化的農作發展方向與技術，成為區域農業生產進步的基礎。在河北省水資源匱乏地區，選擇耐旱作物與品種，農田雨養旱作化、多作輪種與休耕成為農田適水種植、簡約化生產的進步方向。

為促進耕地休養生息和農業可持續發展，2016年農業部印發了《探索實行耕地輪作休耕制度試點方案》，在河北省嚴重干旱缺水的黑龍港地下水漏斗區連續多年實施季節性休耕，實行“一季休耕、一季雨養”生產；在北方農牧交錯區開展“一主四輔”輪作種植，發揮豆科作物根瘤固氮養地作用，提高土壤肥力[17]。

休耕是指在能夠種植作物的田塊上與季節內不進行作物生產，只進行地力恢復作業的耕地管理方式。休耕方式包括耕地全年休耕與多熟地區的季節性休耕。休耕多用于由于頻耕多種(多熟種植)而引發的農田生產資源耗竭與環境破壞的恢復與重建過程，如在水土流失、水養耗竭、土壤污染的耕地，以及農田生產的資源環境難以承載之境況。休耕的實施可分戰術性與戰略性休耕。戰術性的休耕，通常作為農作技術滿足短期的恢復農田土壤養分與水分、防除病蟲雜草等需求；而戰略性的休耕，則需要進行農作制度的調整與改革，以適應業已質變的社會需求或生產資源支撐條件。河北省黑龍港低平原區的農田休耕，屬于后者。

輪作是指在同一田塊上，將幾種不同的作物，按照一定的順序輪換種植的方式。輪作包括年內作物輪作與年間作物輪作，多作物輪種生產對小規模經濟下滿足農產品多樣化的自給自足需求發揮了積極的作用。輪作多用于解決由于長期連作而引發的兩類作物再生產障礙。其一是有害生物脅迫，如土傳病害與蟲害、雜草猖獗等；其二是土壤肥力耗損，如土壤水分、養分等肥力因素的耗竭導致的作物生產效率降低，土壤風蝕、水蝕導致的土壤肥力條件變劣等。河北省壩上高平原區的農田休耕與輪作屬于后者。

多熟與連作種植，其根本的作用在于最為充分地利用周年的自然地氣資源，與充裕的社會經濟資源，以滿足亢進的社會需求，當然這一種植方式在經濟上應是有效率的。從農業的發展史看，多熟與連作種植對于我們這樣一個人多地少的國家快速增加食物產量，滿足多元化的社會需求是發揮了巨大作用的[18]。如今,河北省面對著地下水耗竭生產的資源障礙與高經濟成本而導致的農產品相對過剩性生產問題，農田生產制度需要進行歷史性、戰略性的轉變，建立河北省水資源適水種植制度勢在必然。

3 適水種植制度與技術策略

面對河北省資源型缺水的自然稟賦與農田超載低效生產的局面，按照《中共中央國務院關于實施鄉村振興戰略的意見》(2018)要推進鄉村綠色發展，打造人與自然和諧共生發展的新格局；有序退出超載的邊際產能，擴大耕地輪作休耕制度試點的要求，建立河北省適水型種植制度至為重要。

3.1 縮減冬小麥種植面積，降低熟制

冬小麥在河北黑龍港低平原區具有很好的光熱生態適應性，其水分利用效率(WUE)已達15 kg·mm-1·hm-2[9]，在土下微膜全田覆蓋條件下甚至高達 25.2～25.4 kg·mm-1· hm-2[19]，但畢竟冬小麥消耗了農田70%以上的灌溉水量[20]。因此，從作物生產系統的結構性節水方面考慮，由“冬小麥-夏玉米”一年兩熟調整為“春作物→冬小麥-夏作物”兩年三熟種植制度，春作物一熟年份實行“一季休耕、一季雨養”生產[17]，是減少開采地下水的首選技術。

河北省地處我國一年一熟區的南界、一年兩熟區的北界，積溫與降水不足一直是區域作物兩熟生產的“瓶頸”約束，不僅限制了作物產量，而且影響了營養品質。我們預想，由一熟玉米的簡約化生產代替冬小麥-夏玉米兩熟生產，就可選擇生育期長的玉米類型與品種，預期獲得比夏玉米更高的產量與品質(表2)。如美國非灌溉田玉米產量達到24 358.5 kg·hm-2(2018)[21]，我國“登海618”春玉米攻關田產量達22 676 kg·hm-2(2013)[22]，成為春玉米每666.7 m2產量“一熟噸糧田”的實例。相應兩年三熟的夏玉米，除了可選擇生育期稍長的品種以提高玉米產量，或者晚收獲而提高玉米的品質外，還可用于青飼玉米生產，通過畜牧業的加工實現玉米生產的增值，由此啟動農牧結合甚或“為牧而農” 的新型農業制度。如此，爭取每666.7 m2產量在1 t基礎上，兩年三熟年均耗水量有望降至700 mm以下，較一年兩熟生產[19]年節水約100～150 mm。而最為關鍵的限制是如何消除超長生育期(130～140 d)的春玉米品種覆膜保水條件下后期增溫的不利影響[23]，以及可資利用的高效地面覆蓋減蒸措施。

3.2 田間覆蓋，集水保水

依靠自然降水的雨養農作，以提高降水土壤儲蓄率、土壤水分利用效率為要。田間覆蓋具有顯著影響土壤水分儲蓄與蒸發的作用。冀中平原采用冬小麥秸稈覆蓋的高產夏玉米田，田間耗水量相當于未覆蓋玉米田耗水量的11.2%～15.3%[24-25]，全生育期總節水量可達33.1～68.6 mm；西北黃土旱塬半濕潤偏旱區不同降水年型下，采用全膜雙壟覆蓋溝播玉米，玉米產量與水分利用效率分別較露地栽培提高17.8%～91%和23.1%～85%[26]。

壟部覆膜、溝部種植，可將<5 mm的無效降水集聚于溝部而滲入土壤，成為有效降水，因此是雨養農作的一項有效技術。本課題組在河北省壩上高平原區作物生育期平均降水量270 mm的草甸栗鈣土田進行的覆膜方式對飼用玉米水分利用試驗研究表明(表3)，地膜覆蓋的集水與保水效果顯著促進了玉米生育，提高了玉米產量與水分利用效率。在豐水年，雙壟溝覆膜玉米較露地栽培增產67.2%，相應水分利用效率較露地提高了87.5%，覆膜處理相當于較露地多供水232.1 mm。在偏旱年，雙壟溝覆膜增產51.5%，水分利用效率提高60.3%，相當于較露地多供水121.0 mm。

表2 春玉米→冬小麥-夏玉米種植制度的預期生產效果

表3 不同覆膜處理飼用玉米耗水量、產量及水分利用效率

秸稈覆蓋在低溫環境下如華北平原冬麥田，由于降低土溫而致小麥減產[27],地膜覆蓋在黃土高原半干旱雨養條件下由于促進了作物前期發育而致玉米抽雄期提早到旱季，影響結實而造成減產[28]，甚或在高溫環境下覆膜直接危害作物幼苗發育等，成為覆蓋栽培方法面臨的障礙。探索新型的田間覆蓋方式與適用作物，如水泥硬殼覆蓋[29]、土下地膜覆蓋[30]，以及主動集雨-節水灌溉的集約生產方式，對于拓展農田集水、節水保水與高效用水技術有重要的意義。

3.3 選配適水型作物，轉型質量化生產

3.3.1 選配適水作物 在黑龍港低平原區，隨著冬小麥面積的減少，為發展具有無限開花習性的棉花、花生、大豆，以及有較好抗旱特性的谷子、高粱等一熟作物，充分利用區域充沛的光熱資源與干旱環境生產優質產品創造了季節資源，也為多作物輪種與資源高效生產提供了作物基礎。中國農業大學吳橋實驗站在引選春花生的基礎上，集成創新了輕簡機械化栽培技術，采用“覆膜壟作高產栽培模式”，創造了單產6 508 kg·hm-2的黑龍港低平原區高產紀錄，實現花生平均產量5 898 kg·hm-2，產值45 000元·hm-2的生產效果[31]。與傳統的冬小麥—夏玉米種植結構相比，這項技術既提高了單位面積的產值，又在一定程度上減少了對地下水資源的消耗[32]，是地下水超壓采區重要的兩熟生產的有效替代技術方案。

在壩上高平原區，傳統的自給生產已逐漸轉變為市場型農業生產。本課題組研究表明，利用冷涼氣候雨養種植低芥酸、低硫甙的“雙低”甘藍型油菜籽“華油雜62”(表4)，不僅品質優于當地芥菜型油菜“大黃”，而且油菜籽產量提高了65.7%，相比當地傳統油料作物亞麻，其產量也提高了40.3%。新型油料作物甘藍型油菜籽的利用，不僅豐富了壩上地區作物倒茬類型，而且能夠有效替代高耗水作物馬鈴薯的生產。

3.3.2 保證安全成苗率，提高補水生產技術 雨養旱作的最大問題是生產的不穩定性，土壤干旱導致春季播種難以適時與安全成苗，夏秋降水時間與數量的寬幅變異使得農田投入轉化效率低。因此，提高補水生產技術是農田高產、高效的前提。

在壩上地區，甜菜作為主要的經濟作物，秧苗移栽的成活率與壯苗率是決定甜菜產量的最關鍵因素。本課題組2012年(降水量373.4 mm)試驗表明，在壤質草甸栗鈣土農田，移栽時每株補水量100 ml即可保障甜菜全部成活，即使在補水量50 ml情況下，較未補水甜菜成活率也能提高58.34%。實現壯苗則需補水100～150 ml·株-1，較未補水甜菜塊根產量提高68.78%～81.82%，糖產量提高69.27%～81.82%(表5)

3.3.3 由追求高產轉為優質生產

(1)提高農產品生產質量。由傳統追求農產品高產轉向優質生產，這不僅是由目前我國食物生產的國際環境所決定的，而且也是河北省在京津冀一體化背景下農業轉型發展的一次重要機遇。在黑龍港低平原區，發揮區域充沛的光熱資源優勢與旱境條件，生產旱作花生、大豆、棉花、高粱等工業原料作物，以及與區域雨熱同步的多年生果樹、飼草作物等，實現農業增收。在壩上高平原地區，簡約化地雨養生產糖用甜菜、淀粉馬鈴薯、油菜籽，以及飼用玉米、飼用莜麥、飼用谷子等，通過工業與畜牧業加工拉長產業鏈；創新發展集約化的大棚雨養節灌無害蔬菜生產技術，促進農業增值。

表4 壩上栗鈣土田油菜籽品比產量

表5 草甸栗鈣土農田補水移栽甜菜苗期的生長狀況及產量品質變化

(2)提高勞動生產效率。農業的專業化、產業化水平低，直接導致了農產品的成本高、效益低，而本質的癥結在于勞動效率低。由農戶合作(或托管)而組織的大規模農田生產，由機械化與智能化組成的大規模機械作業，由職業化農民實施的農場化生產經營，不僅是提高農業勞動效率的要求，而且也是此次河北省農業旱作化轉型中必經的過程。這對于向簡約化生產方向發展的河北省黑龍港低平原區與壩上高平原區的產業升級更為重要。本課題組通過對華北寒旱區典型村莊定點監測表明，農村人口的非農轉移逐年增加，1999年至2008年，9年間人口的非農化轉移36.9%，并且勞動力成本已上升到經濟作物(蔬菜)生產總成本的50%左右[33]。經濟作物的生產典型地伴隨機械化與智能化農田作業過程的實現，將進一步解放出更多的農村勞動力，促進其向非農產業或城市化的轉移，提高社會組織化水平，提高勞動力效率，提高農民收入。

(3)開發優質環境產品。面對地下水耗竭的資源環境問題，以旱作化為核心的種植制度改革勢在必行。在這一資源環境的恢復與重建過程中，開發符合新的社會需求的優質環境產品，以實現對高耗水生產的等效或優效替代，是農業轉型發展的重要途徑。開發以優質環境為依托的地標性產品，如以低平原區桃園為依托的春賞桃花夏采摘[34]，以壩上夏秋涼爽、花田草海為依托的休閑游憩[35]以及無病蟲危害、無農藥施用的壩上無害果菜生產等，成為生態優先背景下滿足社會迫切需求的優質綠色產品生產的重要方向 。