作物栽培與耕作學科發展

陳 阜，趙 明

（1中國農業大學農學院，北京100094；2中國農業科學院作物科學研究所，北京100081）

0 引言

作物栽培與耕作學是研究作物生長發育規律及其與外界環境的關系，探討作物高產、優質、高效、可持續生產的調控措施，以及構建合理種植制度與養地制度的理論、方法和技術途徑，是農業科學中重要的骨干學科之一[1]。盡管作物栽培與耕作學作為獨立學科體系只有60年左右的歷史，但在理論建設、技術創新和技術體系構建等方面取得了顯著成效，在支撐中國糧、棉、油等農產品生產能力穩步提升，有效保障國家糧食安全、農民增產增收和區域經濟發展方面做出巨大貢獻[2]。

1 作物栽培與耕作學科的形成與發展

中國農業素有精耕細作的傳統，作物栽培與耕作技術有著悠久的歷史發展。早在春秋戰國（公元前770年）時期的《呂氏春秋》中就有作物栽培耕作的相關記載，《汜勝之書》（西漢）、《齊民要術》（后魏）、《農桑輯要》（南宋）、《授時通考》（清代），記載著古代的精耕細作、間套復種、用地養地、抗逆栽培等經驗，所提出的“順天時，量地利，則用力少而成功多；任情返道，勞而無獲”及“谷田必須歲易”、“地力常新壯”等論述，不僅在中國傳統農業的精華，對現代農業生產仍有重要指導價值。

進入20世紀，發達國家的農學學科體系逐步建立和完善，尤其植物生理學、植物營養學、植物生態學的發展，為人們深入揭示作物-環境條件-培耕作措施三者之間的關系提供了可能，推動了作物栽培耕作技術的研究逐步由經驗階段上升到理論階段。西方國家的作物栽培與耕作學的相關課程已經開設，如美國、英國大學的《作物生產學》(Crop Production)，德國大學的《植物生產原理》等，開始系統介紹農作物生產管理的相關原理與技術，內容涉及農業氣象、土壤、肥料、種植制度以及作物栽培管理等。受西方農學學科發展影響，日本大學的《作物學》(Crop Science)和原蘇聯院校的《農業原理》等課程體系也逐步建立，內容涉及包括土壤、施肥、輪作、雜草、土壤耕作、灌溉等。其中原蘇聯的農學學科將西方的《作物生產學》、《植物生產原理》等分解為《作物栽培學》和《農業原理》兩門學科，這也是后來中國農學專業學科設立主要的模版[1]。

20世紀50年代，新中國成立后引進了原蘇聯的教育體系和課程設置體系，中農學專業引進的《農業原理》和《作物栽培學》成為中國作物栽培與耕作學的專業骨干課程，作物栽培學與耕作學開始逐步形成獨立學科。1952年將原蘇聯雅庫什金的“作物栽培學”翻譯成中文作為中國農業院校推薦教材，1958年集中了中國農業院校的一些著名專家和教授編寫出版了第一本作物栽培學教科書；當時作物栽培科學研究的重點是作物生育的各個環境因子及其變化規律，探索如何通過肥水運籌和其他措施來造就一個理想生育環境，使作物能夠實現合理的生育進程而取得高產，但主要是總結中國傳統的種植經驗、施肥技術及“看天、看地、看莊稼”。1953年北京農業大學孫渠教授首先引進前蘇聯的《農業原理》課程，并譯為《耕作學》出版作為農業院校推薦教材，當時耕作學的主要內容是土壤肥力、團粒結構、草田輪作、雜草、土壤耕作[2]。

在此后的近半個世紀，中國的作物栽培學與耕作學一直致力于中國化，結合中國作物生產實踐需求與理論和技術積累，從體系框架、理論原理、技術內容等都在不斷調整完善，不斷走向成熟壯大，作物栽培學、耕作學一起成為中國作物學的二級學科。20世紀50年代至70年代，其特征為以總結群眾經驗為主，主要依靠農業科技人員深入農村，學習、總結和推廣農民作物豐產栽培經驗、改進栽培技術，以及耕作制度改革、間套復種模式優化、土壤培肥等經驗與技術，上升到作物栽培與耕作學的原理和技術研究。20世紀80年代至90年代，其特征為從經驗技術型向理論技術型發展，作物栽培學重點研究作物生育規律、器官建成、產量形成、立體多熟、高效抗逆高產綜合理論與技術，耕作學圍繞作物布局優化、提高耕地周年單產、高功能高效益種植模式、農藝與農機結合等理論與技術。進入21世紀，作物栽培與耕作學開始從單一高產目標向高產、優質、高效、生態、安全多目標發展，不斷吸納現代生物技術、信息技術和新材料、新裝備等，開始向機械規模化、信息精確化、可持續簡化、氣候變化適應性、抗逆穩產等技術發展，積極探索建立作物增產、農民增收、農業增效、產業協調、資源高效于一體的現代耕作制度模式與配套技術體系[3]。

2 作物栽培與耕作學理論及技術創新

60多年來，中國作物栽培與耕作學在理論建設、技術創新和技術體系構建上不斷進步，創新成果不斷涌現，不僅支撐了中國糧、棉、油等農產品由長期短缺到總量平衡、豐年有余，而且實現了農業發展由粗放生產到不斷提高集約化水平，在推動中國“三農”發展的歷史性跨越方面貢獻巨大。

2.1 作物栽培與耕作學理論創新

作物栽培理論創新主要是基于作物產量形成、生長發育規律、作物與環境關系等應用基礎研究的不斷深化，結合作物高產、優質、高效、生態、安全生產需求，在作物生育調控理論及技術途徑上取得突破。耕作學理論創新重點圍繞區域農業資源高效利用和用地與養地結合，以及構建高產優質高效和生態安全的種植制度和新型種植模式生產需求，在作物配置、布局和農作制度優化理論與技術途徑上取得突破。

（1）作物生育過程中器官相關與肥水效應理論。作物各器官生長發育具有一定的相關性，如營養生長與生殖生長的關系，地上部生長與地下部生長的關系，作物器官的同伸關系等。根據不同器官之間相關關系，創建了以器官相關與肥水效應為核心的葉齡促控的理論與技術，即以不同葉齡時期的肥水效應為依據，用主莖葉齡作為形態指標，制定因地制宜、因苗管理的相應促控措施。該理論在小麥、水稻等作物葉齡指標促控法栽培管理技術上取得了顯著突破，器官同伸理論的應用更加廣泛，為作物栽培調控和生長模擬提供了理論依據。

（2）作物高產形成定量化理論。提高作物產量是作物栽培學的重點任務，在高產和超高產產量目標下，研究作物產量提高過程“產量構成、光合性能、源庫關系”3個作物產量的理論特點和內在聯系，明確產量形成“源”、“庫”性能的數量向質量過渡規律，形成作物高產超高產理論體系。以源庫理論為主題，源與光合性能相連，庫與產量構成理論相連，構成了源庫不同層次和數質量性能的產量分析框架，可通過不同產量條件下產量性能構成分析，提出不同產量目標的定量化[4]。

（3）作物營養高效平衡理論。作物必需的各種養分同等重要，相互不可替代，缺乏任何一種元素作物都不能正常生長。作物產量受土壤中作物必需的某種有效養分含量相對最低的營養元素控制。所有養分都最優，產量可達最高，缺少一種養分否定了其它所有養分的價值，產量損失。平衡施肥的原理是在土壤養分狀況評價和測土推薦施肥中，綜合考慮各大、中、微量營養元素的缺素臨界指標，在提出作物施肥推薦時，根據土壤測試和吸附試驗結果、作物類型和產量目標等確定各營養元素的施肥量，形成一套完整的土壤養分綜合評價系統和平衡施肥推薦技術，促進作物的增產增收。

（4）多熟種植高產高效理論。以間套復種等多熟種植為主體內容多熟農作制，作物從平面、時間上多層次地利用空間，可以充分利用光熱和土地資源，對協調人多地少矛盾、提高土地利用率、協調糧經作物（養殖業）生產，有十分顯著的增產增效作用。多熟種植在復合群體高光效模型與互補競爭原理、農田生物多樣性利用和時空資源互補實現抗逆增產增效等方面不斷深入，提出葉日積(LAI-D)理論在延長光合時間同時要保證維持一定的葉面積，多熟種植的密植效應、邊際效應、時空效應、補償效應等光熱水土資源集約利用原理，有效指導了中國多熟種植的技術創新。

2.2 作物栽培與耕作關鍵技術創新

（1）密植高產技術。通過增加種植密度，充分挖掘群體生產潛力是作物單產不斷提高的重要途徑。20世紀80年代以來，大批適應密植的高產、穩產、抗逆性強的作物品種在生產中推廣應用。栽培科研工作者依據地域的氣候生態條件、品種特征、土壤條件、耕作栽培管理水平因地制宜的研究確定合理種植密度。隨著棉花品種的不斷改良，種植密度不斷增大，新疆棉區“密、矮、早”的種植技術體系，對確保棉花早發早熟和增產穩產有重要作用。

（2）土壤耕層優化技術。耕層變淺，犁底層加厚，耕層有效土壤數量明顯減少，耕層土壤理化性狀趨于惡化的問題在全國農田普遍存在。近年來，因地制宜研發的各種形式的深松、深翻、壟作及殘差處理技術，在改土、蓄水保水、抗旱除澇、減少水土流失，保護生態環境和增產增收方面發揮了重要作用。包括條深旋精細播種技術、粉壟耕作技術、保護性耕作技術等，在耕層調控優化和簡化栽培技術方面取得顯著進展。

（3）作物定向化控技術。化學調控技術是指在作物生長發育的不同階段，根據氣候、土壤條件、種植制度、品種特性和群體結構要求，連續數次使用植物生長調節物質（激素類）進行定向誘導，塑造理想株型、群體冠層結構的技術。化學調控技術在棉花、玉米、小麥、水稻、大豆、油菜等作物生產的推廣應用，發揮了其廣適應性、高抗逆、高產穩產的技術優勢，體現了穩產增產高效抗逆的定向調控栽培技術特征。

（4）資源優化配置技術。針對中國作物一年多熟生產特點，以及氣候資源配置不合理、限制高產高效的障礙因素等導致的不同季節作物產量不平衡、周年產量低和資源利用效率低等問題，在多熟制作物光熱資源優化配置、高產高效技術創新以及不同種植模式配套技術完善等方面取得顯著成效。包括有重大影響的“噸糧田”創建、夏玉米晚收和冬小麥晚播的“雙晚雙高”技術、雙季稻三熟制資源優化配置技術等。

（5）保護性耕作技術。圍繞減輕農田水土侵蝕、培肥地力和節本增效，建立起以少免耕技術和秸稈還田、生物覆蓋技術為核心的糧食主產區保護性耕作技術模式。從20世紀90年代以來，在中國不同農業生態類型區研究探索保護性耕作關鍵技術及其配套技術體系的研究與示范。近年來，在土壤少免耕與殘茬覆蓋、秸稈還田、土壤輪耕模式等方面取得了一批有推廣應用價值的研究成果。

2.3 技術集成創新與應用

（1）作物高產優質高效栽培技術集成。中國在不同的作物與不同的區域技術集成出了不同的技術模式，為各種作物的高產高效，增產增收起到了重要技術支撐作用。近年來實施的國家糧食豐產科技工程與高產創建活動，在東北、華北、西南及長江中下游地區的玉米、小麥、水稻、大豆等主要農作物豐產高效進行了技術集成與創新研究，形成一大批具有地方區域特色的高產高效栽培技術體系，在高產潛力開發、水肥資源高效利用與土壤培肥等方面取得大批成果，并直接推動了中國糧食生產持續高產。

（2）作物精準、簡化、高效栽培技術集成。作物栽培定量化、精確化、數字化技術已成為作物生產和作物栽培耕作科技發展的新方向，開始在作物生產管理中正在發揮重要作用。在栽培方案設計、生育動態診斷與栽培措施實施的定量化和精確化，有效地促進栽培技術由定性為主向精確定量的跨越，作物栽培智能化管理水平不斷提升[5]。同時，在作物生長指標的光譜監測、作物生產力的模擬預測相關軟硬件產品研發等得了顯著的進展，推動中國數字農作的發展，并開始大面積應用于生產。

（3）作物機械規模化生產技術集成創新。近30多年來，中國作物生產規模化和全程機械化，裝備研發農業裝備數字化、智能化以及綠色制造等核心技術創新步伐加快，不斷為作物生產管理提供更加簡便適用、節本節能、大面積應用的機械化作業新機具及其配套技術，有效支撐了作物持續高產高效發展。在玉米、水稻、小麥、棉花、大豆等主要農作物的全程機械化配套技術研究和集成應用取得多項重大成果，農藝農機配套和豐產高效技術創新水平持續提高[6]。

（4）多熟種植與新型農作制模式技術集成創新。將多熟種植與現代農業新技術充分結合，并逐步拓展到農田復合系統的生態高效功能開發，形成類型豐富的糧、經、飼（養殖）復合高產高效種植技術模式，以及農牧結合、農林復合等高效種養技術模式。同時，圍繞協調農業生產、農民增收與資源生態保護的重大需求，探索了適合不同類型區域的種植-加工、種植-養殖及種植-養殖一體化和規范化的農作制模式與技術，節地、節水、節肥等資源節約高效型農作制模式與技術。在推動高產高效生產、農民增收及可持續發展方面發揮巨大作用。

3 作物栽培與耕作學科發展展望

確保糧食安全和資源環境安全是世界農業生產面臨的巨大挑戰，破解作物豐產增效協同和降低資源環境代價，已經成為現代作物栽培與栽培學科發展的艱巨任務。當前，中國開始步入轉變農業發展方式、推進農業結構調整和促進農業轉型升級的關鍵時期，發展生態綠色高效安全的現代農業技術成為主流，迫切需要盡快建立起“產出高效、產品安全、資源節約、環境友好”的農業生產體系。因此，如何將資源高效、環境安全與作物高產高效并重，建立新型農業集約化模式，協調“生態”與“高效”的矛盾，構建用養結合、生態高效、生產力和競爭力持續提升的作物生產體系，是中國作物栽培與栽培學科創新發展的總體目標和艱巨任務。

3.1 作物栽培耕作的全程機械化、信息化與簡化高效

穩步提高糧、棉、油等主要農作物生產能力的高產優質高效栽培關鍵技術研究，加強大面積豐產高效簡化栽培技術的集成創新，加強作物機械化簡化生產、精確定量化的高效栽培技術和數字化農作技術的研究與創新，重點開展作物全程機械化、生長信息快速獲取與智能化處理、作物生產的定向數字化設計與管理、農田作物精準作業導航與變量作業控制、知識網絡等數字農業技術研究，集成建立作物生產精準作業系統和標準化生產水平，實現作物栽培過程的高產、簡化、高效。

3.2 創建集高產、優質、生態、安全一體的新模式與新技術

針對中國由于人多地少、資源短缺矛盾突出，糧食安全、農民增收壓力大等國情，在不斷探索作物高產潛力挖掘的同時，需要更多關注農產品外觀品質，加工品質、營養品質和適口品質等，有效破解高產與優質的矛盾，構建專用化、標準化栽培技術體系。同時，針對當前作物高產過多依賴化學投入品，破解產品安全和高產矛盾的難題，確保產地環境、生產過程、產品有害物含量的安全性，在作物綠色增產關鍵技術上取得突破，并轉化為作物大面積高產、優質、生態、安全生產的成熟模式與實用技術。

3.3 開發旱作節水高產高效作物栽培耕作的新模式與新技術

水資源短缺將是中國農作物生產長期面臨的突出問題，不僅而且農業生產水資源供需缺口的絕對量增加，而且水資源分配日益向城市、工業、生態建設傾斜造成的農業用水額持續減少，開發新型旱作節水作物栽培耕作技術是非常緊迫和艱巨任務。一方面，需要積極探索在現有作物生產體系中如何減少灌水次數及數量的高效節水分管理模式，顯著提高作物生產水分效率；另一方面，需要大力提高自然降水的集水、蓄水能力和水分利用效率，在嚴重缺水地區構建旱作高產高效作物栽培耕作技術模式。

3.4 構建用養結合和生態高效的種植模式及耕作制度

將資源高效、環境安全與高產高效并重，將生產、生態、生活服務功能一體化開發，是中國耕作制度發展必須關注和解決的難題。一方面，構建資源高效利用、生態良性循環、經濟合理的種植模式，包括輪作休耕、間混套作、種養結合等模式，有效解決種植結構單一、地力消耗過大、化學投入品過多、生產成本過高問題；另一方面，充分考慮區域資源承載能力、環境容納能力對作物布局與種植制度影響，進行作物結構、布局及模式調整優化。此外，提高種植模式優化加強農田生態景觀建設，可以有效挖掘農業文化、休閑旅游功能。

3.5 構建氣候智慧型農作制度

氣候智慧型農業(Climate Smart Agriculture,CSA)是糧農組織(FAO)在2010年在海牙農業糧食安全和氣候變化會議上正式提出的一個新農業發展模式，充分考慮了應對糧食安全和氣候變化挑戰的經濟，社會、環境等復雜性，提出通過發展技術,改善政策和投資環境，實現在氣候變化條件下保證糧食安全和農業持續高效發展[7]。氣候智慧型農作制度圍繞農業高產、集約、彈性、可持續和低排放目標，探索提高生產系統的整體效率、應變能力、適應能力和減排潛力的可行途徑，構建有彈性的作物生產管理技術體系，增強氣候變化適應能力、實現固碳減排。

[1]中國科學技術協會,中國作物學會.作物學學科發展報告(2011—2012)[M].北京:中國科學技術出版社,2011.

[2]中國科學技術協會,中國作物學會.2012—2013基礎農學學科發展報告[M].北京:中國科技出版社,2014.

[3]陳阜,任天志主編.中國農作制戰略優先序[M].北京:中國農業出版社,2010.

[4]趙明,李從鋒,張賓,等.作物產量性能與高產技術[M].北京:中國農業出版社,2013.

[5]曹衛星,朱艷,田永超,等.作物精確栽培技術的構建與實現[J].中國農業科學,2011,44(19):3955-3969.

[6]李少昆,趙久然,董樹亭,等.中國玉米栽培研究進展與展望[J].中國農業科學,2017,50(11):1941-1959.

[7]陳阜“.氣候智慧型農業”—一種“更新”理念的農業發展模式[J].農業環境科學,2017,05,05.