東北一熟區種植業資源配置與模式優化研究進展

向午燕蔡 倩馮良山白 偉張 哲鄭家明馮 晨

(遼寧省農業科學院耕作栽培研究所,遼寧 沈陽 110161)

東北地區地處118°53′～135°5′E,38°43′～53°33′N,是我國重要的糧食生產基地,據《2018 年國家統計年鑒》統計顯示,2017 年東北三省糧食產量達13 895 萬t,占全國糧食產量的21%,其中玉米、豆類分別占全國產量的33.75%、43.86%,是糧食的主產區。2000 年至2017 年東北三省糧食產量占全國產量的比例從11.52%增至21%,國家糧食安全“壓艙石”地位穩固并逐漸上升(圖1)。

1 東北一熟區自然資源概況

東北一熟區屬溫帶大陸性季風氣候,年平均氣溫為-3.8～11.7 ℃,年降水量在450～850 mm 之間,雨熱同季,對作物生長十分有利。土壤資源類型豐富,耕地面積由北向南減少,其中東北三省以黑龍江省耕地面積最大,遼寧省面積最小,2017 年三省的總耕地面積為2 780.4 萬hm2,占全國耕地的 20.6%,人均耕地面積為0.26 hm2/人,高于全國人均水平的0.097 hm2/人(圖2)。

2 東北一熟區種植業發展現狀

東北一熟區農作物主要以糧食作物為主,1985 年糧食作物播種面積占農作物總播種面積81.9%,到2017 年這一比例上升至92.6%,其中糧食作物以玉米、水稻、大豆、高粱為主。2000 年以來玉米的播種面積迅速攀升,2015 年面積達1 453 萬hm2,占當年糧食播種面積的62.05%,直到2016 年,國家取消了長達 8 年的玉米臨時收儲計劃,并按照農業供給側結構性改革的要求進行農業結構調整,玉米種植面積和比重調減取得成效;水稻播種面積2012 年為694 萬hm2,達到小峰值,自2013 年以來面積和比重呈現平穩趨勢;大豆播種面積在連續幾年的下滑后,自2015 年以來開始有所回升;高粱播種面積與占比自1985 年以來均呈穩定減少趨勢(圖3、圖4)。

3 東北一熟區種植業發展資源配置與模式優化存在問題

東北地區地勢以平原為主,雨熱同季,自然資源條件為農業生產活動提供了有利條件,春種秋收,一年一熟制,但存在光、溫、水資源配置不合理,時空分布不均等問題,近年來氣候的不斷變化,單一的種植結構方式,地力持續下降等問題使得東北地區的糧食豐產面臨著挑戰。

圖2 人均耕地面積

圖3 主要糧食作物播種面積

圖4 主要糧食作物播種面積占糧食總播種面積的比重

3.1 氣候冷涼,種植結構單一,資源利用效率低

東北地區春季氣候冷涼,≥10 ℃ 積溫為1 664～3 750 ℃[1],主要種植玉米、大豆、水稻、春小麥、高粱等生育期長的糧食作物,低溫冷害發生率為8.7%～18.7%,黑龍江省為最重區,致災強度大[2]。雖然近年來氣候變暖,低溫冷害發生頻率有所下降,但氣候異常現象增多,潛在危害有擴大的趨勢[3]。

2005～2015年,玉米主導型種植結構比例由60%增加為85%,水稻主導型由原來的2.5%翻了一番,而玉米—大豆、玉米—水稻等組合型種植結構由2005 年的12.5%降至2.5%,種植結構類型變化趨勢以玉米、大豆和水稻主導型為主,種植結構趨于單一化明顯[4～5]。近幾年,農業供給側改革力度加大,種植結構不斷優化,東北三省2017 年調減籽粒玉米種植面積總計140 余萬hm2,增加了水稻、花生、雜糧雜豆等糧食作物以及中藥材等經濟作物的種植面積,但連年單作糧食作物仍是主要的種植制度。作物長期連作會加大土傳病害的發生,引起土壤微生物多樣性失調、關鍵酶活性下降、土壤養分失衡,降低作物株高、葉面積、葉綠素含量與光合速率,影響糧食作物的產量、品質與經濟效益[1]。此外,同種作物對光、溫、水、肥等資源的需求量與需求時期一致,資源爭奪競爭激烈。

崔讀昌利用作物經濟產量計算出東北地區糧食作物光能利用效率為0.13%～0.20%,喜溫作物的光能利用效率為0.26%～0.38%,降水利用效率為6.58～8.45kg/hm2·mm[6];王曉煜等通過分析東北地區65個氣象臺站1961～2010年6種主要糧食作物,得出光能利用效率為0.9%～2.7%,降水利用效率為8～35kg/hm2·mm[7]。由于光能利用效率和降水利用效率與作物生長季內的光合有效輻射總量、作物生長季內的降水總量以及作物產量關系密切,因此氣候變化背景下的結果差異影響較大,但均認為東北地區資源利用效率仍具有較大提升空間。

3.2 土壤有機質降低,地力持續下降,秸稈還田難

東北黑土區是世界第三大黑土帶,新中國成立以來,經過了半個多世紀的不斷開墾,東北地區由“北大荒”轉變連續8 年糧食產量超過1 億t 的“北大倉”,為我國從解決糧食緊缺到提升糧食綜合生產能力做出了重要貢獻。但長期的過度開發利用,缺乏黑土的保護,導致近年來黑土流失嚴重,黑土層厚度變薄。關于黑土開墾后厚度的變化,多數學者認為從開墾初期的60～70 cm 下降為現在的20～30 cm,每年流失0.3～1 cm 的厚度,雖然張之一認為此數字與事實有偏差,但也認同存在黑土水土流失,并認為這種在一定限度內的變薄是由于坡耕地的面蝕和耕作使土壤變緊實造成的[8]。

東北黑土區的土壤有機質也表現出下降趨勢,黑龍江省70.58%處于輕度貧瘠及以上程度,其中土壤有機質是土壤養分貧瘠化的主要障礙因素之一,定位觀測資料顯示,黑龍江近20 年黑土耕層有機質含量每年下降速度大約是0.01%～0.02%[9～10];遼寧省處于有機質較缺乏水平(10～20 g/kg)的耕地面積占比從第二次土壤普查的42.3%上升到2013 年的79.1%,1982 年至2012 年,30 年來土壤有機質下降了 2.67 g/kg[11～12];吉林省監測資料表明,黑土耕層有機質正在以年平均0.1%的速度下降,微生物總量減少[13]。雖然康日峰等對東北黑土區17 個監測點26 年來的土壤養分變化進行分析,得出土壤有機質并沒有下降的結論[14],但監測區域主要以輪作方式為主,與目前東北一熟區的種植制度真實情況有差異。

近年來,相關研究表明秸稈還田可以提高土壤呼吸速率、土壤活性碳庫組分含量和土壤酶活性,具有提高土壤有機質、改善土壤耕層結構的優點[15]。但東北地區秸稈還田率不高,氣候冷涼,秸稈腐解速度慢,且還田技術與農機農藝配套技術不成熟,秸稈還田受到制約。

3.3 旱災頻發,水資源利用效率不高

東北一熟區種植業生產主要是旱作農業,依靠自然雨養,降水是該地區的農業用水的主要來源,東北西部地區屬半干旱區,20 世紀90 年代后期以來,降水量減少,旱災是東北地區最嚴重的農業氣象災害[2]。尤其是遼西地區,年降水量僅為300～500 mm,經常性“十年九旱”,2017年甚至遭遇了66 年來最嚴重的春旱,連續超過100 d 的無效降雨,給春播工作帶來了較大困難。

東北地區的農業用水效率不理想,在全國處于中下等水平[16]。水土資源不匹配,耕地面積占全國的20.6%,而水資源僅占4.6%;水資源供給與農作物種植結構不協調,2005～2011 年,東北稻谷種植發展“旱改水”灌溉農業,長此以往,東北一熟區農業水資源出現“超載”[17];此外,東北地區大水漫灌現象依然常存在,農業節水灌溉技術推廣較慢,灌溉技術和設備粗放,甚至存在設施損壞嚴重的問題。

4 資源優化配置技術途徑

通過合理的肥水管理、土壤耕作、機械化配套等技術,能夠實現不同尺度不同區域光能利用效率、水分利用效率、養分利用效率的同步提高,優化光、溫、水、肥等資源的配置。

4.1 單作玉米田間優化模式

合理調整作物種植間距排布,有助于改善群體通風、透光條件,提高資源利用率,利于糧食作物增產增效。玉米大壟雙行種植能夠顯著提高土壤保水供水能力、肥料利用率、玉米抗倒伏能力、苗期地溫以及光合利用率,具有可以實現機械化,種管便捷的優點[18]。尤其是對于耐密玉米品種利于提高產量及其構成因素,對吐絲期和成熟期葉面積指數、光合勢、營養生長后期干物質的積累有明顯優勢[19],在遼寧和黑龍江地區種植效果佳。而三比空種植對于中密品種可以增加穗行數、行粒數與百粒重,降低禿尖長度,提高灌漿初期葉面積指數、灌漿期的光合速率和蒸騰速率、穗位葉葉綠素含量以及群體干物質的積累[20],在遼寧地區種植效果佳。寬窄行種植凈光合速率最高的葉片位置降低,利于光合物質的積累[21],促進根系傷流液量和氣生根的生長發育,根系活力強[22],在吉林地區種植效果佳。

4.2 間作、輪作種植模式

玉米花生間作改善了作物群體光分布條件,冠層光資源得到優化配置,提高玉米對強光和花生對弱光的利用,間作玉米具有明顯的邊行優勢。作物發育成熟期時,間作玉米的根長密度高于單作24.12%(2M:4P)、30.24%(4M:4P),根表面積密度高于單作31.92%(2M:4P)、11.04%(4M:4P)[23],間作玉米可能通過吸收花生條帶的土壤水分,降低對自身條帶水分的過度消耗,水分當量比大于1,提高農田水分利用效率,實現間作系統對土壤水分的優化配置[24]。

玉米大豆輪作微團聚體中的脂肪族、芳香族和含烷氧結構物質高于連作,利于碳氮固定,促進土壤結構穩定[25]。可以通過大豆根瘤固氮,提高氮肥利用效率,利于土壤地力恢復。相同施肥條件下,輪作利于調節作物耗水量,增加土壤蓄水能力,提高水分利用效率[26]。

4.3 保護性耕作技術

保護性耕作是通過少耕、免耕、深松等技術減少土壤擾動并增加秸稈覆蓋來減少風蝕、水蝕,增加蓄水量、提高水分利用效率,調節土壤溫度的旱作農業技術[27～28]。連作種植下,生長季內平均土壤含水量免耕比秋翻增加14.6%,輪作時免耕與秋翻差異不明顯[29]。免耕結合秸稈覆蓋有利于提高降雨的糙率和截留率,延緩徑流,增強雨水的入滲,減少水分蒸發[30～31]。

秋夏年際壟溝交替間隔深松技術(秋季壟臺深松,隔年初夏玉米拔節前壟溝中耕)能夠充分發揮深松及其后效作用,可以在土壤中形成虛實并存的耕層結構,在保留間隔深松優點的同時,實現全方位深松的蓄水效果,作物生育期100 cm 土壤貯水量較春季旋耕增加10.9～17.2 mm,作物單產增加 17.22%～28.65%,水分利用效率提高0.27～0.73 kg/m3[32]。

4.4 農田地力提升技術

秸稈深翻還田可以降低耕層(0～20 cm)、顯著降低亞耕層(21～40 cm)的土壤容重;寬窄行種植模式下與均勻壟模式下分別顯著增加耕層與亞耕層的土壤含水量;顯著增加土壤耕層和亞耕層的有機質含量,顯著增加了亞耕層的土壤速效氮,寬窄行模式下顯著增加了耕層與亞耕層、均勻壟模式下顯著增加了亞耕層的土壤速效鉀的含量。覆蓋還田方式可以顯著增加均勻壟下亞耕層的土壤含水量與土壤耕層的有機質和土壤速效氮含量[33]。

5 結語

本文基于東北一熟區農業自然資源、種植業發展現狀,針對氣候冷涼,種植結構單一,資源利用效率低;土壤有機質降低,地力持續下降,秸稈還田難;旱災頻發,水資源利用效率不高等問題,提出了單作玉米田間優化、間作、輪作種植模式、保護性耕作技術以及農田地力提升技術途徑,以期為東北一熟區種植業健康發展提供科技支撐。