現代農業雙優工程試驗原理與方法
——以毛烏素沙地為例

王永生 ，李玉恒 ，劉彥隨 ,

（1. 中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；2. 中國科學院區域可持續發展分析與模擬重點實驗室，北京 100101；3. 中國科學院大學資源與環境學院，北京 100049）

一、研究背景與進展

我國農業生產存在生產資源與需求、農業人口與勞動力、基礎設施與自然災害、產品總量與結構、經營成本與效益等突出矛盾和挑戰，需要加快構建與資源環境承載力相匹配的新型農業生產方式。土地是人類賴以生存與發展的重要資源和物質基礎，現代農業的發展依賴于健康、生態、高效的土地。然而，快速工業化、城鎮化進程使土地資源可持續利用面臨一系列問題，城市大幅擴張造成農地非農化、鄉村無序建設導致土地廢棄化、污染亂排引起土地污損化，優質耕地數量不斷減少[1]。其次，土地沙化、鹽堿化及水土流失化趨勢尚未得到根本性扭轉，亟需推進土地開發、利用和整治的集約化、工程化和技術化，為實現土地資源數量管理、質量管控和生態管護提供科技支撐[2,3]。

“三深一土”科技創新戰略強調土地工程技術在耕地質量提升、退化土地治理、荒廢土地利用與土地生態修復中的重要作用，提出要強化土地整治的工程化、生態化技術應用。從區域層面看，土地整治包括基本農田建設整治區、農用地綜合整治區、農村居民點整治區、未利用及退化用地整治區[4]。近年來，土地整治的工程實踐不斷創新與發展，包括田塊整形、農田水利和田間道路等高標準農田建設、農村空廢識別拆除與農田本底營造[5,6]、沙地與紅膠土（砒砂巖）復配成土[7]、黃土丘陵區治溝造地[8]、喀斯特區域石漠化綜合治理[9]、鹽堿地“改排為蓄”模式利用[10]。土地整治工程也從增加耕地面積轉變為提升耕地質量，從優化土地功能轉變為改善土地結構。但消除土地利用的結構性障礙，改良作物生長的“水土氣生”環境，為不同作物生長需求提供最適宜的“土地配方”，實現問題土地的“訂單式整治”仍是當前面臨的主要問題。

當前，現代農業發展趨勢包括依托海洋資源開發的藍色農業、依托工廠微生物資源的白色農業、依托動植物遺傳和轉基因技術的分子農業、依托航天技術改變動植物遺傳技術的太空農業。作物品種的改良是現代農業發展的關鍵，也是滿足人類糧食需求的重要手段[11]。破解水土資源約束和退化，優化農業生產環境是實現農業現代化的根本。超級稻在安徽省大面積減產甚至絕產的根本原因在于作物適應性問題，缺少良種良田和農藝農技等相關研究。因此，將作物的生理適應性與土壤的生態適宜性相結合，提升良種與良田的耦合度，是現代農業發展的關鍵。

干旱及半干旱區域擁有全球41%的陸地面積和38%的人口，受到氣候變化和土地退化的雙重威脅[12]。中國是土地退化和沙化最嚴重的國家之一，截至2104年，我國沙化土地面積為1.721×106km2，主要分布在北方的農牧交錯區和西北干旱區[13]，嚴重損害生態環境、自然資源、社會經濟及人類生活。我國農牧交錯區主要為風沙土覆蓋區和黃土覆蓋區，風沙區土壤貧瘠，松散易流動，黃土區結構疏松，溝壑縱橫。水土資源供需矛盾的不斷加劇，成為限制農牧交錯區農業可持續發展的重要障礙[14]。受自然環境和人為因素影響，土地沙化嚴重、耕地面積減少、生產力下降、農村貧困化加劇[15]。農牧交錯區退化土地整治，對于補充耕地資源、緩解人地關系、農業提質增效和農民增收具有重要意義。因此，本研究通過對農牧交錯區沙化土地整治工程的綜述，提出土體優配和作物優選的沙化土地訂單整治思路，基于“中國科學院地理科學與資源研究所現代農業雙優工程試驗站”的研究內容及初步結果，從宏觀的人地關系到微觀的作土關系，探討農牧交錯區沙化土地整治與現代農業的耦合發展模式。

土壤顆粒組成是土壤質地和結構的重要表征，土地沙化的核心問題是砂粒含量過高，缺少粉粒和黏粒。沙化土地質地松散，土粒間隙大，保水保肥能力差，最有效的整治策略是進行質地改良，改善沙化土地的土粒結構和土層結構[16]。增加沙化土地的保水性，是沙化土地持續利用的關鍵，但大多數措施均未從沙化土地的結構性問題入手，應用推廣難度大。秸稈、碎石和塑料薄膜等覆蓋措施費時費力；化學保水劑成本高，而且其中的高分子聚合材料存在環境污染風險；城市污泥、湖泊底泥等物質養分含量較高，但來源有限、重金屬含量超標；木屑、秸稈、火山灰等物質不存在環境污染風險，但持續保水能力有限，無法大面積推廣[17]。客土法是較為常見的沙化土地整治措施之一，利用黃土改良沙地，能顯著增加土壤持水性、有機質和有效氮含量[18,19]。Han等[20]提出將毛烏素沙地境內豐富的砒砂巖和沙混合，利用其物理互補性，復配成為新型“土壤”，砒砂巖與風成沙的復配比例在1∶2～1∶5范圍內，復配土壤的結構和質地顯著改善，生產力得到顯著提升。易志堅團隊[21]研究發現，向沙中添加植物性纖維黏合劑，使沙粒之間重新獲得萬向結合約束力，使“沙漠土壤化”，成為植物生長的理想載體，但因缺少觀測數據支撐、成本高、環境污染風險等問題，爭議不斷。土壤剖面中砂土層、壤土層或黏土層的厚度及其在剖面中所處的部位對水分運動和肥力發揮具有重要的作用[16]，對于農牧交錯區沙化土地土層結構的改良研究亟待開展。

沙化土地整治利用是一項系統工程，土粒及土體結構的改善與農藝措施的結合，土壤性質與種植結構的合理匹配是農業可持續發展和水土資源保護的關鍵[9,22]。目前，大多數研究還局限于理論構思和試驗模擬，缺少田間試驗數據的支撐和內在機制的探討。毛烏素沙地區域的研究表明，砒砂巖與沙復配成土后，通過耕作、增施有機肥、種植綠肥、添加營養物質、生物肥料等物理、化學和生物途徑，加速新造土壤熟化和培肥過程[7]。不同作物在復配土壤中的種植適宜性結果表明，小麥、玉米和大豆在砒砂巖與沙混合比例為1∶2時產量最高，馬鈴薯在砒砂巖和沙混合比例為1∶5時產量最高[20]。通過砒砂巖與沙復配土壤的水肥利用效率評價，Wang等[23]分別提出了干旱年份、中水年份和濕潤年份的灌溉和施肥策略，在復配土壤上種植馬鈴薯，并進行節水灌溉，可節約用水61%[7]。2016年，在陜西榆林召開的首屆現代農業土地工程技術專家研討會上，提出了土地整治良田優配與現代農業良種優選的耦合關系，提出了推進創新符合我國國情特點、農牧交錯區地域特色的現代農業雙優工程技術體系的思考和對策。

二、現代農業雙優工程試驗

（一）工程試驗設計

試驗站位于陜西省榆林市榆陽區牛家梁鎮榆卜界村（38°22′43″ N，109°26′05″ E），坐落在榆林現代農業科技示范區（國家農業科技園區）。試驗區東西長125 m，南北寬65 m，總面積約為0.8 hm2。榆林市北部為風沙草灘區，南部為黃土丘陵溝壑區，分別占榆林市總面積的42%和58%。其中，沙地面積為5.3×106hm2，約占榆林市未利用土地面積的91.65%。研究區為溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫和降水分別為8.1 ℃和413.9 mm。研究區有豐富的地下水資源，河床底下20 m左右擁有豐富的地下水流，光照資源豐富、熱量充足，因此，2103年，榆林被認定為陜西省第二糧倉的重要建設基地。

圖1 毛烏素沙地周邊紅黏土資源分布

試驗區原始土質為天然沙地，風蝕嚴重，主要由石英等礦物組成，土壤粒徑組成以砂粒為主。在我國北方第四季黃土-古土壤序列下，普遍發育了一套晚第三紀的北方紅黏土，分布范圍遍及整個黃土高原（見圖1），厚度穩定在50～70 m之間，榆林佳縣的紅黏土厚度為65 m[24]。紅黏土的成土母質是第三紀紅色黏土，覆蓋于黏土上的黃土層因水土流失侵蝕殆盡后，黏土層露出地表。紅黏土質地黏重、通氣性差，暴露在地面時表面容易龜裂，紅黏土粒徑與黃土相當，與黃土相比沒有濕陷性，主要用于磚瓦燒制。黃土是在干燥氣候條件下形成的多孔性具有柱狀節理的黃色粉性土，在遇水1～2 min內發生塌陷[25]。在榆林市長城沿線附近，紅黏土、黃土和砂土呈不連續分布狀，紅黏土在毛烏素沙地邊緣及內部廣泛分布（見圖1），為沙地結構改良提供了材料，而且運輸距離短、成本低。

（二）土體優配原理

土壤顆粒是構成土壤固相骨架的基本顆粒，土粒的大小和排列方式對土壤水、肥、氣、熱狀況及土壤微生物有著重要影響和制約，土壤顆粒分級標準主要包括石礫、砂粒、粉粒和黏粒[16]。沙化土地因缺少黏粒和有機質，不能黏結為微團聚體和大團聚體，保水保肥性弱，不利于作物生長。沙化土地結構的改良主要包括土壤顆粒重組、土體結構改良和土壤肥力提升。現代農業雙優工程試驗利用砂粒與粉粒、砂粒與黏粒的物理互補性，在毛烏素沙地周圍選取粉粒和黏粒作為沙地顆粒重組的原材料。將大小適當的粉粒或黏粒覆蓋在平整的沙地上，并在粉粒或黏粒上覆蓋砂粒，通過翻耕，使砂粒和粉粒或黏粒充分混合，使表層土壤質地由砂土轉變為砂粉土或中砂土，土壤顆粒大小適宜（見圖2）。本研究選取毛烏素沙地周圍30 km范圍內廣泛存在的紅黏土和黃土作為黏粒和粉粒，按照體積比為 1∶1、1∶2、1∶3和 1∶5，將沙地與紅黏土、沙地與黃土分別混合，同時設置純沙地、純紅黏土和純黃土處理，作為對照（見圖3）。

以1∶1砂土和紅黏土復配為例，為確保復配后的新造土體結構合理，應將大塊的紅黏土拍壓粉碎為0～5 cm的塊狀，使微小的顆粒填充砂粒之間的空隙，較大的土塊可與砂粒結合成為團聚體。為確保混合后的土壤層次合理，在平整后的沙地上部覆蓋30 cm的紅黏土，然后在紅黏土上方繼續覆蓋15 cm的原始沙土，利用深耕機械（翻耕深度約為30 cm）多次翻耕，使沙土與底部15 cm的紅黏土充分混合，形成耕作層土壤，土體中部剩余的15 cm的紅黏土作為保水保肥層（見圖2）。新復配的耕作層土壤養分含量較低，應通過施用有機肥和化肥提升土壤養分的庫容，使貧瘠的復配土壤變為養分庫容適當、結構合理的土壤。在種植作物前增施腐熟的雞糞15～20 m3/hm2，并及時翻耕，促進土壤快速熟化。根據作物種植種類，按照當地常規施肥量的1.5倍施用氮、磷、鉀肥料，提高土壤養分。按照該施肥量種植2～3年后，可遵照當地的施肥量與施肥方法進行作物種植。

沙化土地整治的投入主要來源于復配材料，沙地平整、覆蓋，有機肥，深耕等環節。從沙化土地整治投入的結構來看，復配材料方面的投入最高。其中，紅黏土和黃土的價格分別為30元/m3和20元/m3，紅黏土對沙化土地進行改良整治的總投入高于黃土。在不同復配比例下，利用紅黏土和黃土分別與沙復配成土的費用為67 200～97 200元/ hm2和 47 200～67 200 元 / hm2（見表 1）。

圖2 毛烏素沙地土體優配結構

（三）作物優選方法

各種作物的生物學特性和耕作栽培要求不同，所需的土壤條件也不同。因此，匹配作物的生理適應性與土壤的生態適宜性，充分發揮良種的優越性，是實現問題土地整治利用的關鍵。本研究選取當地傳統作物玉米、馬鈴薯和大豆作為研究對象，試驗小區分布圖，如圖3所示。通過試驗觀測、監測和對比不同復配方案中玉米、馬鈴薯和大豆的長勢及產量情況，優選適宜不同作物生長的最佳復配比例。

（四）精準管理試驗

通過現代農業雙優工程實踐，在毛烏素沙地區域建設高標準農田，發展現代特色高效農業，需要研究土地工程后規模化種植的灌溉和施肥方法、灌水量和施肥量。水資源是毛烏素沙地土地整治工程的關鍵因素，復配成土工程后，根據不同作物的用水需求，進行精準灌溉，避免大水漫灌，造成水資源過度開采利用。其次，隨著灌溉方式的改變，傳統的撒施、穴施追肥等施肥方式不再適用。現代農業雙優工程試驗根據田間作物的種植，利用自主設計的水肥一體化設備，實現了多作物水肥同步定量管理（見圖4）。利用混肥水泵將肥料罐中的不同肥料泵入文丘里混合器，實現水肥混合；通過智能控制箱，啟動電動球閥和水流傳感器，實現水肥定量；根據田間作物種植種類，利用滴灌帶實現水肥管理。

圖3 現代農業雙優工程試驗區設置

表1 沙化土地整治投入分析 元/hm2

圖4 水肥一體化設備示意圖

通過土體優配和作物優選，本研究的主要內容包括：① 物質差異：紅黏土和黃土對毛烏素沙地顆粒重組和土體結構改良的差異；② 配比差異：不同復配比例對土壤養分庫和釋放速率的影響差異；③ 作物差異：玉米、大豆和土豆在復配土體中的生長差異；④ 效益差異：復配成土的投入與作物產量等經濟效益的差異。因此，現代農業雙優工程試驗站的主要監測內容包括：土壤顆粒組成、團聚體、容重、有機質等物理性狀，土壤全氮、全磷、全鉀、速效氮、有效磷和速效鉀等土壤化學性狀，土壤微生物群落結構、氮循環微生物功能基因豐度及多樣性等生物性狀；不同土層中根系生物量、形態、產量及品質等作物性狀。

三、成果應用展望

針對毛烏素沙漠地區（榆林）退化土地的生產性、農業經營的高效性、生產方式的生態型與科學性問題，通過紅黏土與沙、黃土與沙復配成土，構建沙化土地整治土體優配和現代農業良種優選的復合技術體系，促進沙化土地整治精細化、良種推廣精準化，實現“沙化土地的訂單式整治”和“把良種播在沃土上”，為毛烏素沙漠地區（榆林）退化土地整治與現代農業的耦合發展提供科技支撐。

紅黏土與沙、黃土與沙復配成土后，為加快新造土地的熟化，應充分利用農牧交錯區畜牧業發達的優勢，依托當地的雞糞、羊糞、牛糞等農家肥，結合部分商品有機肥及微生物肥料，改善土體營養結構。從水資源利用效率來看，復配成土過程顯著增加了土壤的持水和保水能力[7]，與當地傳統的沙地耕種過程相比，是一種節水措施。毛烏素沙地區域降雨存在增加趨勢[14]，地下水資源豐富，埋深較淺，河床底部20 m內具有豐富的地下水，為沙化土地整治利用提供了水資源保障。其次，現代農業雙優工程中利用水肥一體化設備，利用滴灌的方式對水肥進行了精準管理，規避了該區域水土資源開發的生態風險。從模式推廣及應用上來看，可在當地開展小規模生產型農戶和規模化種植企業的行動研究，探索適合農戶家庭化種植和企業規模化種植的沙化土地整治與利用模式。通過田間工程試驗，模式篩選、應用及優化，為現代農業發展提供專業化技術、全鏈式生產體系，可有效提高模式應用的匹配性，在一定程度上降低了生產成本。

圖5 問題土地整治與現代農業發展框架圖

當前，全球變化、快速城鎮化和不合理的土地利用，導致沙漠化、鹽堿化、水土流失等退化型的問題土地，通過理化試驗、小區試驗和田間觀測，遵照土地利用適宜性與作物生理適應性相匹配的原理，實行測地配方施土，探究結構化土地整治技術，科學營造健康土體和生態農田系統。通過土地綜合整治，建設高標準農田，創新土地經營機制，營造田園綜合體，發展以多功能現代農業為支撐，以人-地-業融合為特色的鄉村振興戰略（見圖5）。未來應重點加強土地工程鏈研究，應用系統論原理和理學、工學、農學、管理學和經濟學等多學科理論，以破解土地利用問題為目標，將定位觀測和工程示范相結合，推進土地工程化、工程問題技術化、技術問題精準化；利用工程管理、資源管理和信息管理等相關理論，創建全鏈式土地工程管理機制，實現微觀土地復配、中觀土體營造、宏觀土質改良工程的系統化、標準化，將宏觀的人地關系問題，通過微觀的水土關系和作土關系加以解決。