延安市旱作梯田水分有效保持與高效利用技術

劉 隆，李 慧，李 浩

(陜西省地質礦產實驗研究所有限公司，陜西 西安 710061)

1 引言

糧食安全作為一個全球性話題，受到國際社會的廣泛關注由來已久。而造成糧食供給壓力的因素不單是人口數量的增加，還表現在生產要素、結構變動等多個方面。在農業生產領域，隨著水資源的開發利用，灌溉面積的繼續擴大已經接近極限，必須十分重視旱地增產技術的改進。延安地區正處在黃土高原的半干旱地帶，不但水資源緊缺，而且土質疏松，淺層土壤水分容易蒸發流失，而濕潤的土壤層卻很深，很難被作物吸收利用，加之在長期粗放式的開墾中造成的水土流失和植被破壞使得該地區的自然環境特征更加明顯，屬于生態環境脆弱地區。處在雨養農業區的延安地區，應加大坡改旱作梯田建設投入，不僅能提高糧食產量，還可以改善區域生態環境。

在旱地梯田在各地體現出強大優勢的同時，長期同自然環境抗爭的黃土高原地區的人民已經積累了豐富的水平梯田的實踐經驗。而延安地區目前的農業形勢決定其坡地改梯田應把水土保持、水資源高效利用和發掘并提高作物抗旱潛力和能力作為未來旱作梯田農業的發展方向。

2 延安地區概況

延安地區坡耕地較多，其中60%是耕層淺薄而且保持水分和肥力較差的，這種土地易形成地表徑流和水土流失。而坡耕地的坡度也在很大程度上影響了其土質條件，如肥力，水分含量等。根據水土流失(水蝕)評價指標體系的標準，大于15～25°坡面就能引發極嚴重水土流失[1]。在延安水土流失嚴重的地段坡度大于25°的坡耕地占總面積的40.3%，根據水土侵蝕對糧食產量的影響估算，延安地區坡度大于15°的坡耕地每年損失糧食產量高達1.43×105kg。延安土地干旱貧瘠，但是其自然降水量和土壤條件仍然可以允許農業生產的發展。為保證本地區糧食生產的蓬勃發展，就必須把治理水土流失和有限的自然降水的有效保持和高效利用有機的結合起來。因為這不僅是延安局部地域的問題，而且也是中國西部大開發策略中改善生態環境的重要內容。

3 旱作梯田的優越性

與水平旱作梯田相比，傳統的坡耕地有以下不利條件：第一，地形復雜，在耕作、灌溉、運輸方面造成很大的困難，更不利于機械化耕作的實現。第二，坡勢較陡，極易形成強勁的地表徑流，沖刷土層，摧毀作物，導致糧食減產。旱作梯田的優越性在于不僅避開這些不利因素，還解決了由于水土流失而引發的農作物根部土壤水分與養分的流失轉移并在底部發生富集現象。通過對坡耕地的底部泥沙的分析，其水分和養分含量都明顯的高于同一地塊耕層的對應水平，而研究表明這些水分與養分流失都發生在農作物生長發育和產量形成階段。另一方面，在坡耕地發生湍急的地表徑流很多也在作物生長的高峰階段，嚴重地影響農作物的正常生長。根據我國科學院對安塞地區的考研調查，可以估算出由于水土流失引起各種植物減產情況。

表1 坡耕地水土流失對農作物產量影響

表1數據表明，延安地地區水土流失導致了嚴重的糧食減產，同時也體現出其糧食生產有很大的潛力。所以，解決水分和養分流失和地表徑流等問題，加大坡地改水平梯田投入，應是今后延安地區農業生產中的主要發展方向[2]。

4 水資源保持技術

梯田不僅可以保持水土，防止養分富集和流失，而且在水資源保持方面也有廣闊的發展前景。延安地區的梯田耕地是傳統的雨養農業區，對自然降水依賴性極高。實現本地區的生態環境的改善和糧食單產量的提高，可采取以下幾種途徑：第一，提高農業耕作中機械應用水平，盡可能人工補充灌溉；第二，按照當地資源配置和經濟實力以及農戶的承受能力，研究耕地土壤高效保水技術，提高自然降水的利用率。由于延安地處半干旱地區，且坡耕地較多，因此控制水土流失，保護并高效合理利用有限的降水更是改善本地區生態環境、提高糧食產量的有效途徑(表2)。

表2 各項水資源保持方法的影響

4.1 控制水土流失

陜北地區年際和年內降水分布不均，在作物生長和形成產量時節降水極少，嚴重影響產量提升。再者，地形原因也使得集中性的降雨造成大量降雨在地表形成快速徑流，沖刷作物并使大量表土隨水流失,大量的營養元素也無效流失，自然降水的利用率低。

控制水土流失可采取在梯田的高處種植能夠涵養水源的經濟樹木或者作物如果樹，谷子等，既合理高效的利用了土地，又改善了土壤環境。研究表明歸一化植被指數NDVI[8]達到0.6時，土壤的含水量達到最高。河北省燕山山脈低丘陵地區，在水平梯田上挖埯條田，埯田種玉米，條田種高粱，谷子等[3]。這些措施簡單、便捷，能夠有效地控制水土流失并且可延緩土壤供水時間。延安與燕山低丘陵地區氣候，地理條件相似，可種植的經濟作物也很豐富。在延安燕溝試驗基地，經過有效的控制水土流失后，糧食單產量有了明顯的提高。試驗基地的糧食生產具體調查結果見表3[2]。

表3 1998年延安燕溝試驗基地糧食單產量調查結果

燕溝實驗基地的調查數據顯示出保持水土，減少水土流失對糧食增產潛力的實現和糧食單產量的提高的有重要意義，同時又解決了退耕還林和糧食生產間的矛盾。

4.2 提高降水的利用率

制約延安梯田農業的發展不僅有水土流失，糧食作物缺水也在很大程度上影響著糧食增產。延安地區年內降雨異常不均，集中性的降雨很容易形成湍急的徑流，不但沖毀了作物，而且大部分的降水以細流的形式流入到坡底，匯入河流，作物對降雨的利用率相當低，然而在作物生長旺盛時節降水極少。可行性較高的方法是開挖蓄積雨水和雪水的溝池，變無效降雨為有效儲水灌溉。同時，建成的蓄水窖或者設施必須鋪設防滲漏的材料以及減少蒸發等設施。雖然可收集的水量有限，但在干旱，半干旱地區提供了有利的條件，尤其在春耕和夏旱時節儲水池的效果更直觀明顯。河北省青龍縣的實踐表明，儲水窖儲水達100～200 m3，可滿足第二年春耕1.67 hm2旱地的播種用水[4]。延安的地理氣候和降雨特性使修建蓄水設施更為緊迫，不僅在春季播種時節保證作物正常生長，還可在產量形成時進行適當的灌溉，經推廣建立后延安糧食生產必創佳績。

相對作物需水量，坡改梯田上的蓄水量是很少的，而作物的不同生長階段對水分的需求程度和干旱的敏感度也會有明顯的差異，所以要在了解作物的需水規律情況下，制定合理科學的灌溉計劃，充分發揮有限水資源的效益，收獲其最大的經濟效益。近年來的一些地區的旱作田的蓄水補充灌溉試驗表明只要在最佳的灌溉時期內，灌溉量適當合理，效果非常顯著。其中間歇，周期性的涌灌技術在陜西各地的實踐應用表明其不但節水，而且效率高。涌灌與連續灌溉灌水質量比較見表4[5]。

表4 涌灌與連續灌溉灌水質量比較

延安屬于半干旱地區，在利用蓄水灌溉時既要節約灌溉用水，又必須注重提高水分的利用效率，爭取創立陜北梯田高產先例。

為進一步提高降水的綜合利用率，必須把山作為整體，做區域綜合規劃，如山頂種植經濟果樹，保持水土涵養水源，山腰水平梯田與儲水設施相間開，提高雨水采集率。同時也要協調好擴大蓄水量與土方工程造價的矛盾，實現生態環境改善與產業經濟提高的雙重目標。

4.3 提高作物對土壤水分利用率

植物從土壤中吸收的水分只有1%被利用轉化成植物細胞組織，99%經過植株進入大氣，每公頃生長的植物每天可蒸騰9400 kg的水。黃土地的土質疏松，空隙度大，地表蒸發的水分所占比例更大，而深層水分不易被植物吸收利用。因此，延安地區的坡耕梯田在提高降水采集率的同時還要重視梯田農作物對土壤水分的利用率，從而達到增產、高產的目的。以肥培水，地膜覆蓋等技術方法對保持土壤水分都有顯著的效果(表5)。

表5 土壤水分高效利用技術及影響

4.3.1 以肥培水

長期農業耕作經驗和生物原理表明土壤中有機質等營養物質含量與植物吸收水分的能力和利用率有密不可分的關系。研究表明：土壤肥力越強，植物對土壤中水分利用率越高。以肥培水的關鍵在于根據土地特性和作物生長特性，適合并適量的配給土壤所需的各類營養物質，發揮肥力的最大效應，汲取更多水分。延安境內地表含水相對少，土壤作物需水必須從根系土壤中汲取。耕作實踐證明適當施加有機肥，可促進植物根系的生長，增加根的數目，根系的穿透土壤的力度也會加強，根系可伸展到更深，吸收深層水源，達到保墑目的。有機肥施加量對小麥的水分利用率影響可見表6[6]。

表6 有機肥對小麥水分利用率的影響

注：* “-”表示降低，“+”表示升高

研究表明：人、畜 、禽糞是有機質含量極高的一類有機肥。延安地區地緣廣闊，人口多，種植作物繁多，家畜、家禽養殖也多，應改變以往粗放式做法，按照科學的方法堆肥，增加堆肥的有機質含量，同時加大玉米等秸稈堆肥還田，改廣種薄收為培改高產田，提高糧食單產量，退坡地為林地，擴大退耕還林面積，改善生態環境。

4.3.2 地膜保水技術

在干旱半干旱和缺少水資源的地區的農業生產中不僅要注重作物吸收土壤水分的能力，更值得被重視的是減少土壤水分的無效流失。各地的生產經驗表明采用0.002～0.02mm地膜覆蓋可有效地切斷土壤蒸發與大氣之間的通道，從而使水分在土壤與地膜之間流動，即使附著在地膜下表面的水也會再次回滴在土壤中。不僅如此，與裸地相比，膜覆蓋地土壤溫度和二氧化碳的濃度可高出405.9%。在太行山地的地膜覆蓋耕地的可耕作土層的含水量顯著的提高，更顯示出地膜技術的增產作用。

地膜覆蓋技術有效地解決淺土層水分的無效流失，同時作物生長環境中有充足的二氧化碳和所需溫度，直接促進了產量的形成和提高(表7)[7]。

表7 地膜覆蓋地與裸地對比

其次，地膜覆蓋技術可發展膜下滴灌技術[8]即在降雨量極少的季節，以少量的水從膜孔或者苗孔漫流至土壤，實現少水濕潤，滿足各個生長期的需水需求的節水抗旱技術。從苗孔直接流入，可使水分較大程度的進入作物根系土壤，土壤濕潤度升高使細菌生長活躍和有機質含量的升高，根部生長加快，從而間接的提高了水分利用率。實踐表明這項技術可以節省30%水分，水分利用率提高40%～50%以上，如此就可以少量的水，也就是少量的勞力，獲得較高的糧食產量。

4.4 因地制宜，發掘并提高抗旱潛力和能力

延安地區地理和氣候決定其糧食增產方向不僅要“保水”，還必須考慮植物的生長特性，以求農作物與土壤環境更適宜。延安的耕地土壤貧瘠疏松，淺層土壤中的水分容易被蒸發至大氣中，雖然深土層有強大蓄水能力，但農作物難以吸收利用之，以致影響糧食單產量增加。現代旱作梯田農業對改造土壤環境和不同農作物的生長特性的研究，運用科學技術，提高作物的抗旱能力，將對作物生長和糧食增產產生重大影響。

傳統的農業生產經驗表明:不同的農作物對土地的適宜度不同，抗旱潛力也會大不相同，相應的產量也會有差異。傳統梯田種植的都是普通谷子，大豆，綠豆，馬鈴薯等作物，耐旱能力一般，而現代農業中，生物基因工程創造出了各種改良旱作品種在實踐中取得了理想的效果。如在延安市燕溝試驗地中選育出的玉米品種陜單931，與先前的農大60或者中單2號相比，成熟時間早，抗旱能力強，對其他的病蟲的抵抗力也大幅提高，成熟后穗大，產量高(表8)[2]。

表8 陜單931與農大60、中單二號產量比較

與此同時，谷子豫谷二號、綠豆中綠一號、大豆的鐵豐27、馬鈴薯的克新一號等品種的成功選育，發揮了抗旱節水的優勢，在多地推廣普及使旱田產量和經濟效益獲得大幅提高。

4.5 采取最佳的耕作方法

選育出的作物種子擁有了“先天”優勢，“后天”的科學耕作將對糧食產量形成起到決定性的作用。在作物整個生命周期中，采用正確耕作方式對農作物的成活和生長都有重要意義。在半干旱的延安地區采取科學的耕作方式，如保墑，深耕等，可實現土壤水分的高效利用，對梯田農業建設發展有重要意義(表9)。

表9 不同耕作方法及產生效果

4.5.1 合理保墑

農作物種子的正常萌發是植株生長和糧食產量形成的先決條件，而土壤水分對種子萌發非常關鍵。在春耕之前，土壤中水分含量相對較高，而大氣溫度回升后，土壤中的水分就可經土壤毛細氣孔蒸發至大氣中，造成反漿現象。所以，在土壤解凍之前，疏松淺層土壤，破壞毛細氣孔，阻止地表水反漿蒸發而無效流失在大氣中，如此不但充分保護了土壤水分，還提高了水資源的利用率。在秋季，農作物收割完成，采取施加有機肥后再次進行深耕的措施后，土壤有效蓄水量會更高。一般來講，簡單深耕不施肥時，在0～60 cm有效蓄水量為16.1 mm，而施肥后卻高達28.6 mm[9]。

4.5.2 深耕作業

陜北地區，地表水分的含量很低，播前保墑的應用也不能充分滿足幼苗發育的正常需水。在春季，延安地區的梯田耕作都以家畜拉犁為主，而傳統的拉犁耕層較淺，不但不能充分地利用土壤中水分，而且也對植物的成活率造成消極影響。而應用機械深耕或者耕層較深的犁進行春耕，可最大限度利用的土壤水分，滿足種子或幼苗需水。通過對玉米的穗部性狀分析，淺耕區穗長和穗重比深耕區的差[10]，從而間接的影響玉米產量的提升。

4.5.3 施加化學藥劑

保墑、深耕技術在傳統糧食生產中體現出其特有的優勢，而在現代農業建設中，化學藥劑農用價值卻越來越高。不僅是一些試劑改善了種子的質量，更是其大幅提高了糧食產量。近年來，在旱作田中使用的種子包衣和作物保水劑等化學試劑的應用，在抗旱成苗與提高苗數等方面也有很明顯的效果[11]。 如一些細胞植物分裂素在春小麥、地膜玉米、馬鈴薯種植試驗中都體現出明顯的增產作用。春小麥、地膜玉米、馬鈴薯種植試驗中每公頃增產都達到10%以上，收入平均增長450元左右。其他化學試劑如植物健生素金幫一號、抗旱劑旱寶一號、旱地龍[12]和保水劑的應用也都取得顯著的經濟效益。

5 結論

延安地區貧乏的水資源和嚴重的水土流失始終制約著農業經濟的發展，旱作梯田是根據黃土高原特別是延安的地理氣候提出的以有效保持和高效利用土壤水分為中心的農業發展新模式。在國家西部大開發的號召下，豐富了建設生態農業的內容，為農業產業經濟增長和建設秀美山川延安注入新鮮血液。

在梯田建設取得豐碩成果的同時，人們也必須認識到實現農業經濟的騰飛還需要把保持水土的方法和設施形成科學體系來運作，所以糧食生產的困難形勢還沒有從根本上消失。保持和提高延安的梯田建設，還有許多要做：第一，年內降雨分布不均，降雨量大小也不一，由于土質疏松，急湍的地表徑流可沖毀梯田的壟、邊埂或者簡單的蓄水設施，所以應及時的修補和保護梯田；第二，延安市政府相關部門加大對旱作梯田建設的關注和投入，引進科學的技術和方法，鼓勵農民動腦動手等方向做整體思考規劃，實促進產業經濟發展，更好地配合改善生態環境。