延安市旱作梯田水分有效保持與高效利用技術(shù)

劉 隆，李 慧，李 浩

(陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究所有限公司，陜西 西安 710061)

1 引言

糧食安全作為一個(gè)全球性話題，受到國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注由來(lái)已久。而造成糧食供給壓力的因素不單是人口數(shù)量的增加，還表現(xiàn)在生產(chǎn)要素、結(jié)構(gòu)變動(dòng)等多個(gè)方面。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，隨著水資源的開(kāi)發(fā)利用，灌溉面積的繼續(xù)擴(kuò)大已經(jīng)接近極限，必須十分重視旱地增產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)。延安地區(qū)正處在黃土高原的半干旱地帶，不但水資源緊缺，而且土質(zhì)疏松，淺層土壤水分容易蒸發(fā)流失，而濕潤(rùn)的土壤層卻很深，很難被作物吸收利用，加之在長(zhǎng)期粗放式的開(kāi)墾中造成的水土流失和植被破壞使得該地區(qū)的自然環(huán)境特征更加明顯，屬于生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)。處在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)的延安地區(qū)，應(yīng)加大坡改旱作梯田建設(shè)投入，不僅能提高糧食產(chǎn)量，還可以改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

在旱地梯田在各地體現(xiàn)出強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，長(zhǎng)期同自然環(huán)境抗?fàn)幍狞S土高原地區(qū)的人民已經(jīng)積累了豐富的水平梯田的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。而延安地區(qū)目前的農(nóng)業(yè)形勢(shì)決定其坡地改梯田應(yīng)把水土保持、水資源高效利用和發(fā)掘并提高作物抗旱潛力和能力作為未來(lái)旱作梯田農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。

2 延安地區(qū)概況

延安地區(qū)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(zhì)條件，如肥力，水分含量等。根據(jù)水土流失(水蝕)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的標(biāo)準(zhǔn)，大于15～25°坡面就能引發(fā)極嚴(yán)重水土流失[1]。在延安水土流失嚴(yán)重的地段坡度大于25°的坡耕地占總面積的40.3%，根據(jù)水土侵蝕對(duì)糧食產(chǎn)量的影響估算，延安地區(qū)坡度大于15°的坡耕地每年損失糧食產(chǎn)量高達(dá)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。為保證本地區(qū)糧食生產(chǎn)的蓬勃發(fā)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(jī)的結(jié)合起來(lái)。因?yàn)檫@不僅是延安局部地域的問(wèn)題，而且也是中國(guó)西部大開(kāi)發(fā)策略中改善生態(tài)環(huán)境的重要內(nèi)容。

3 旱作梯田的優(yōu)越性

與水平旱作梯田相比，傳統(tǒng)的坡耕地有以下不利條件：第一，地形復(fù)雜，在耕作、灌溉、運(yùn)輸方面造成很大的困難，更不利于機(jī)械化耕作的實(shí)現(xiàn)。第二，坡勢(shì)較陡，極易形成強(qiáng)勁的地表徑流，沖刷土層，摧毀作物，導(dǎo)致糧食減產(chǎn)。旱作梯田的優(yōu)越性在于不僅避開(kāi)這些不利因素，還解決了由于水土流失而引發(fā)的農(nóng)作物根部土壤水分與養(yǎng)分的流失轉(zhuǎn)移并在底部發(fā)生富集現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)坡耕地的底部泥沙的分析，其水分和養(yǎng)分含量都明顯的高于同一地塊耕層的對(duì)應(yīng)水平，而研究表明這些水分與養(yǎng)分流失都發(fā)生在農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成階段。另一方面，在坡耕地發(fā)生湍急的地表徑流很多也在作物生長(zhǎng)的高峰階段，嚴(yán)重地影響農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)。根據(jù)我國(guó)科學(xué)院對(duì)安塞地區(qū)的考研調(diào)查，可以估算出由于水土流失引起各種植物減產(chǎn)情況。

表1 坡耕地水土流失對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量影響

表1數(shù)據(jù)表明，延安地地區(qū)水土流失導(dǎo)致了嚴(yán)重的糧食減產(chǎn)，同時(shí)也體現(xiàn)出其糧食生產(chǎn)有很大的潛力。所以，解決水分和養(yǎng)分流失和地表徑流等問(wèn)題，加大坡地改水平梯田投入，應(yīng)是今后延安地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的主要發(fā)展方向[2]。

4 水資源保持技術(shù)

梯田不僅可以保持水土，防止養(yǎng)分富集和流失，而且在水資源保持方面也有廣闊的發(fā)展前景。延安地區(qū)的梯田耕地是傳統(tǒng)的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，對(duì)自然降水依賴性極高。實(shí)現(xiàn)本地區(qū)的生態(tài)環(huán)境的改善和糧食單產(chǎn)量的提高，可采取以下幾種途徑：第一，提高農(nóng)業(yè)耕作中機(jī)械應(yīng)用水平，盡可能人工補(bǔ)充灌溉；第二，按照當(dāng)?shù)刭Y源配置和經(jīng)濟(jì)實(shí)力以及農(nóng)戶的承受能力，研究耕地土壤高效保水技術(shù)，提高自然降水的利用率。由于延安地處半干旱地區(qū)，且坡耕地較多，因此控制水土流失，保護(hù)并高效合理利用有限的降水更是改善本地區(qū)生態(tài)環(huán)境、提高糧食產(chǎn)量的有效途徑(表2)。

表2 各項(xiàng)水資源保持方法的影響

4.1 控制水土流失

陜北地區(qū)年際和年內(nèi)降水分布不均，在作物生長(zhǎng)和形成產(chǎn)量時(shí)節(jié)降水極少，嚴(yán)重影響產(chǎn)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?gòu)搅鳎瑳_刷作物并使大量表土隨水流失,大量的營(yíng)養(yǎng)元素也無(wú)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(yǎng)水源的經(jīng)濟(jì)樹(shù)木或者作物如果樹(shù)，谷子等，既合理高效的利用了土地，又改善了土壤環(huán)境。研究表明歸一化植被指數(shù)NDVI[8]達(dá)到0.6時(shí)，土壤的含水量達(dá)到最高。河北省燕山山脈低丘陵地區(qū)，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(jiǎn)單、便捷，能夠有效地控制水土流失并且可延緩?fù)寥拦┧畷r(shí)間。延安與燕山低丘陵地區(qū)氣候，地理?xiàng)l件相似，可種植的經(jīng)濟(jì)作物也很豐富。在延安燕溝試驗(yàn)基地，經(jīng)過(guò)有效的控制水土流失后，糧食單產(chǎn)量有了明顯的提高。試驗(yàn)基地的糧食生產(chǎn)具體調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表3[2]。

表3 1998年延安燕溝試驗(yàn)基地糧食單產(chǎn)量調(diào)查結(jié)果

燕溝實(shí)驗(yàn)基地的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示出保持水土，減少水土流失對(duì)糧食增產(chǎn)潛力的實(shí)現(xiàn)和糧食單產(chǎn)量的提高的有重要意義，同時(shí)又解決了退耕還林和糧食生產(chǎn)間的矛盾。

4.2 提高降水的利用率

制約延安梯田農(nóng)業(yè)的發(fā)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(chǎn)。延安地區(qū)年內(nèi)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(xì)流的形式流入到坡底，匯入河流，作物對(duì)降雨的利用率相當(dāng)?shù)停欢谧魑锷L(zhǎng)旺盛時(shí)節(jié)降水極少。可行性較高的方法是開(kāi)挖蓄積雨水和雪水的溝池，變無(wú)效降雨為有效儲(chǔ)水灌溉。同時(shí)，建成的蓄水窖或者設(shè)施必須鋪設(shè)防滲漏的材料以及減少蒸發(fā)等設(shè)施。雖然可收集的水量有限，但在干旱，半干旱地區(qū)提供了有利的條件，尤其在春耕和夏旱時(shí)節(jié)儲(chǔ)水池的效果更直觀明顯。河北省青龍縣的實(shí)踐表明，儲(chǔ)水窖儲(chǔ)水達(dá)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(shè)施更為緊迫，不僅在春季播種時(shí)節(jié)保證作物正常生長(zhǎng)，還可在產(chǎn)量形成時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓喔龋?jīng)推廣建立后延安糧食生產(chǎn)必創(chuàng)佳績(jī)。

相對(duì)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(zhǎng)階段對(duì)水分的需求程度和干旱的敏感度也會(huì)有明顯的差異，所以要在了解作物的需水規(guī)律情況下，制定合理科學(xué)的灌溉計(jì)劃，充分發(fā)揮有限水資源的效益，收獲其最大的經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái)的一些地區(qū)的旱作田的蓄水補(bǔ)充灌溉試驗(yàn)表明只要在最佳的灌溉時(shí)期內(nèi)，灌溉量適當(dāng)合理，效果非常顯著。其中間歇，周期性的涌灌技術(shù)在陜西各地的實(shí)踐應(yīng)用表明其不但節(jié)水，而且效率高。涌灌與連續(xù)灌溉灌水質(zhì)量比較見(jiàn)表4[5]。

表4 涌灌與連續(xù)灌溉灌水質(zhì)量比較

延安屬于半干旱地區(qū)，在利用蓄水灌溉時(shí)既要節(jié)約灌溉用水，又必須注重提高水分的利用效率，爭(zhēng)取創(chuàng)立陜北梯田高產(chǎn)先例。

為進(jìn)一步提高降水的綜合利用率，必須把山作為整體，做區(qū)域綜合規(guī)劃，如山頂種植經(jīng)濟(jì)果樹(shù)，保持水土涵養(yǎng)水源，山腰水平梯田與儲(chǔ)水設(shè)施相間開(kāi)，提高雨水采集率。同時(shí)也要協(xié)調(diào)好擴(kuò)大蓄水量與土方工程造價(jià)的矛盾，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境改善與產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)提高的雙重目標(biāo)。

4.3 提高作物對(duì)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(zhuǎn)化成植物細(xì)胞組織，99%經(jīng)過(guò)植株進(jìn)入大氣，每公頃生長(zhǎng)的植物每天可蒸騰9400 kg的水。黃土地的土質(zhì)疏松，空隙度大，地表蒸發(fā)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(qū)的坡耕梯田在提高降水采集率的同時(shí)還要重視梯田農(nóng)作物對(duì)土壤水分的利用率，從而達(dá)到增產(chǎn)、高產(chǎn)的目的。以肥培水，地膜覆蓋等技術(shù)方法對(duì)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(shù)及影響

4.3.1 以肥培水

長(zhǎng)期農(nóng)業(yè)耕作經(jīng)驗(yàn)和生物原理表明土壤中有機(jī)質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量與植物吸收水分的能力和利用率有密不可分的關(guān)系。研究表明：土壤肥力越強(qiáng)，植物對(duì)土壤中水分利用率越高。以肥培水的關(guān)鍵在于根據(jù)土地特性和作物生長(zhǎng)特性，適合并適量的配給土壤所需的各類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，發(fā)揮肥力的最大效應(yīng)，汲取更多水分。延安境內(nèi)地表含水相對(duì)少，土壤作物需水必須從根系土壤中汲取。耕作實(shí)踐證明適當(dāng)施加有機(jī)肥，可促進(jìn)植物根系的生長(zhǎng)，增加根的數(shù)目，根系的穿透土壤的力度也會(huì)加強(qiáng)，根系可伸展到更深，吸收深層水源，達(dá)到保墑目的。有機(jī)肥施加量對(duì)小麥的水分利用率影響可見(jiàn)表6[6]。

表6 有機(jī)肥對(duì)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(jī)質(zhì)含量極高的一類有機(jī)肥。延安地區(qū)地緣廣闊，人口多，種植作物繁多，家畜、家禽養(yǎng)殖也多，應(yīng)改變以往粗放式做法，按照科學(xué)的方法堆肥，增加堆肥的有機(jī)質(zhì)含量，同時(shí)加大玉米等秸稈堆肥還田，改廣種薄收為培改高產(chǎn)田，提高糧食單產(chǎn)量，退坡地為林地，擴(kuò)大退耕還林面積，改善生態(tài)環(huán)境。

4.3.2 地膜保水技術(shù)

在干旱半干旱和缺少水資源的地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(wú)效流失。各地的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明采用0.002～0.02mm地膜覆蓋可有效地切斷土壤蒸發(fā)與大氣之間的通道，從而使水分在土壤與地膜之間流動(dòng)，即使附著在地膜下表面的水也會(huì)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(shù)的增產(chǎn)作用。

地膜覆蓋技術(shù)有效地解決淺土層水分的無(wú)效流失，同時(shí)作物生長(zhǎng)環(huán)境中有充足的二氧化碳和所需溫度，直接促進(jìn)了產(chǎn)量的形成和提高(表7)[7]。

表7 地膜覆蓋地與裸地對(duì)比

其次，地膜覆蓋技術(shù)可發(fā)展膜下滴灌技術(shù)[8]即在降雨量極少的季節(jié)，以少量的水從膜孔或者苗孔漫流至土壤，實(shí)現(xiàn)少水濕潤(rùn)，滿足各個(gè)生長(zhǎng)期的需水需求的節(jié)水抗旱技術(shù)。從苗孔直接流入，可使水分較大程度的進(jìn)入作物根系土壤，土壤濕潤(rùn)度升高使細(xì)菌生長(zhǎng)活躍和有機(jī)質(zhì)含量的升高，根部生長(zhǎng)加快，從而間接的提高了水分利用率。實(shí)踐表明這項(xiàng)技術(shù)可以節(jié)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(chǎn)量。

4.4 因地制宜，發(fā)掘并提高抗旱潛力和能力

延安地區(qū)地理和氣候決定其糧食增產(chǎn)方向不僅要“保水”，還必須考慮植物的生長(zhǎng)特性，以求農(nóng)作物與土壤環(huán)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(fā)至大氣中，雖然深土層有強(qiáng)大蓄水能力，但農(nóng)作物難以吸收利用之，以致影響糧食單產(chǎn)量增加。現(xiàn)代旱作梯田農(nóng)業(yè)對(duì)改造土壤環(huán)境和不同農(nóng)作物的生長(zhǎng)特性的研究，運(yùn)用科學(xué)技術(shù)，提高作物的抗旱能力，將對(duì)作物生長(zhǎng)和糧食增產(chǎn)產(chǎn)生重大影響。

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明:不同的農(nóng)作物對(duì)土地的適宜度不同，抗旱潛力也會(huì)大不相同，相應(yīng)的產(chǎn)量也會(huì)有差異。傳統(tǒng)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(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，生物基因工程創(chuàng)造出了各種改良旱作品種在實(shí)踐中取得了理想的效果。如在延安市燕溝試驗(yàn)地中選育出的玉米品種陜單931，與先前的農(nóng)大60或者中單2號(hào)相比，成熟時(shí)間早，抗旱能力強(qiáng)，對(duì)其他的病蟲的抵抗力也大幅提高，成熟后穗大，產(chǎn)量高(表8)[2]。

表8 陜單931與農(nóng)大60、中單二號(hào)產(chǎn)量比較

與此同時(shí)，谷子豫谷二號(hào)、綠豆中綠一號(hào)、大豆的鐵豐27、馬鈴薯的克新一號(hào)等品種的成功選育，發(fā)揮了抗旱節(jié)水的優(yōu)勢(shì)，在多地推廣普及使旱田產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)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(yōu)勢(shì)，“后天”的科學(xué)耕作將對(duì)糧食產(chǎn)量形成起到?jīng)Q定性的作用。在作物整個(gè)生命周期中，采用正確耕作方式對(duì)農(nóng)作物的成活和生長(zhǎng)都有重要意義。在半干旱的延安地區(qū)采取科學(xué)的耕作方式，如保墑，深耕等，可實(shí)現(xiàn)土壤水分的高效利用，對(duì)梯田農(nóng)業(yè)建設(shè)發(fā)展有重要意義(表9)。

表9 不同耕作方法及產(chǎn)生效果

4.5.1 合理保墑

農(nóng)作物種子的正常萌發(fā)是植株生長(zhǎng)和糧食產(chǎn)量形成的先決條件，而土壤水分對(duì)種子萌發(fā)非常關(guān)鍵。在春耕之前，土壤中水分含量相對(duì)較高，而大氣溫度回升后，土壤中的水分就可經(jīng)土壤毛細(xì)氣孔蒸發(fā)至大氣中，造成反漿現(xiàn)象。所以，在土壤解凍之前，疏松淺層土壤，破壞毛細(xì)氣孔，阻止地表水反漿蒸發(fā)而無(wú)效流失在大氣中，如此不但充分保護(hù)了土壤水分，還提高了水資源的利用率。在秋季，農(nóng)作物收割完成，采取施加有機(jī)肥后再次進(jìn)行深耕的措施后，土壤有效蓄水量會(huì)更高。一般來(lái)講，簡(jiǎn)單深耕不施肥時(shí)，在0～60 cm有效蓄水量為16.1 mm，而施肥后卻高達(dá)28.6 mm[9]。

4.5.2 深耕作業(yè)

陜北地區(qū)，地表水分的含量很低，播前保墑的應(yīng)用也不能充分滿足幼苗發(fā)育的正常需水。在春季，延安地區(qū)的梯田耕作都以家畜拉犁為主，而傳統(tǒng)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(duì)植物的成活率造成消極影響。而應(yīng)用機(jī)械深耕或者耕層較深的犁進(jìn)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(guò)對(duì)玉米的穗部性狀分析，淺耕區(qū)穗長(zhǎng)和穗重比深耕區(qū)的差[10]，從而間接的影響玉米產(chǎn)量的提升。

4.5.3 施加化學(xué)藥劑

保墑、深耕技術(shù)在傳統(tǒng)糧食生產(chǎn)中體現(xiàn)出其特有的優(yōu)勢(shì)，而在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)中，化學(xué)藥劑農(nóng)用價(jià)值卻越來(lái)越高。不僅是一些試劑改善了種子的質(zhì)量，更是其大幅提高了糧食產(chǎn)量。近年來(lái)，在旱作田中使用的種子包衣和作物保水劑等化學(xué)試劑的應(yīng)用，在抗旱成苗與提高苗數(shù)等方面也有很明顯的效果[11]。 如一些細(xì)胞植物分裂素在春小麥、地膜玉米、馬鈴薯種植試驗(yàn)中都體現(xiàn)出明顯的增產(chǎn)作用。春小麥、地膜玉米、馬鈴薯種植試驗(yàn)中每公頃增產(chǎn)都達(dá)到10%以上，收入平均增長(zhǎng)450元左右。其他化學(xué)試劑如植物健生素金幫一號(hào)、抗旱劑旱寶一號(hào)、旱地龍[12]和保水劑的應(yīng)用也都取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

延安地區(qū)貧乏的水資源和嚴(yán)重的水土流失始終制約著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，旱作梯田是根據(jù)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(nóng)業(yè)發(fā)展新模式。在國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)的號(hào)召下，豐富了建設(shè)生態(tài)農(nóng)業(yè)的內(nèi)容，為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和建設(shè)秀美山川延安注入新鮮血液。

在梯田建設(shè)取得豐碩成果的同時(shí)，人們也必須認(rèn)識(shí)到實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的騰飛還需要把保持水土的方法和設(shè)施形成科學(xué)體系來(lái)運(yùn)作，所以糧食生產(chǎn)的困難形勢(shì)還沒(méi)有從根本上消失。保持和提高延安的梯田建設(shè)，還有許多要做：第一，年內(nèi)降雨分布不均，降雨量大小也不一，由于土質(zhì)疏松，急湍的地表徑流可沖毀梯田的壟、邊埂或者簡(jiǎn)單的蓄水設(shè)施，所以應(yīng)及時(shí)的修補(bǔ)和保護(hù)梯田；第二，延安市政府相關(guān)部門加大對(duì)旱作梯田建設(shè)的關(guān)注和投入，引進(jìn)科學(xué)的技術(shù)和方法，鼓勵(lì)農(nóng)民動(dòng)腦動(dòng)手等方向做整體思考規(guī)劃，實(shí)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，更好地配合改善生態(tài)環(huán)境。