旱作覆盖集雨农业探索与实践

　　樊廷录，生于1965年，甘肃省农业科学院旱地农业研究所研究员，博士生导师，全国农业科研杰出人才和甘肃省专家，入选国家“新世纪百千万人才工程”及“甘肃省千名领军人才”，享受国务院特殊津贴，被授予“全国野外科技工作先进个人”。长期致力干旱作节水农业研究，主持和参加国家科技计划课题多项。先后获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步一等奖3项和二等奖5项，发表论文50余篇，参编出版专著6本。

旱作覆盖集雨农业探索与实践()()()章国内外覆盖集雨农业研究进展章国内外覆盖集雨农业研究进展节覆盖集雨农业概念与内涵水，孕育了生命，也造就了人类文明，四大文明古国就是在适合农业耕作的大河流域诞生的，其各具特色的文明发展史，构成了灿烂辉煌的大河文明，对整个人类进步做出了巨大贡献。人类社会的发展总是伴随着科学技术的进步而不断提升，促进了人类文明的不断升华，带来了用水文明的进步。随着干旱趋势的加剧和水资源短缺的压力，广大的旱作农业区受发展与生存之动力牵引，人们再次把对水资源的渴求转向源头水——自然降水资源的利用，认为仅将地表水和地下水作为水资源总量是一个不完整的水资源总量的概念，降水资源总量才是水资源总量，地表水与地下水由其转化而来，属于降水派生的资源。然而，我国降水资源化系数仅45%,二次转化系数不足14%，大部分降水尚未得到较好利用。随着经济持续增长和粮食及农产品需求刚性增加，加剧了水资源短缺与用水矛盾，同时用水生态文明、农业水生态建设和高效用水也越来越迫切。因此，水利工程、集雨、结构调整、覆盖、节水无疑就成为解决水问题的五大战略选择，农业领域降水资源利用行为已经不再是一种简单的生产行为，而是基于农产品生产稳定增产与水资源可持续利用的协调发展。为实现这一目标，需要创新农业用水理念，尤其是要丰富旱作区高效用水概念与内涵。

一、径流集蓄及覆盖集雨农业的概念

雨水资源的利用有广义和狭义之分。从广义上讲，凡是利用雨水的活动都可以称为雨水集流利用。如兴建水库、塘坝和灌溉系统等开发利用地表水，打井开采地下水以及人工增雨措施等活动,而狭义的雨水集流是指直接利用雨水的活动，如利用一定的集水面收集雨水用于生活、农业生产和城市环境卫生等。雨水集流初被定义为“收集和贮存径流或溪流用于农业灌溉使用”（Geddes，1963），后来在此基础上进行了修改，发展为“通过人为措施处理集流面增加降雨和融雪径流，进而收集利用的过程”，并指出“贮存”是集水系统重要的有机组成部分（Myers，1964，1967)。20世纪80年代，有些学者全面地将雨水集流定义为收集各种形式的径流（Reij等，1988)，用于工农业生产、人畜饮水或其他用途。地表径流是集水系统中的关键因素，包括降雨、融雪径流和季节性溪流。

径流是在降雨条件下地表出现的超渗或超蓄产流。即当降雨强度或降水量超过土壤的入渗能力或超出土壤的保蓄能力时，水在地表积存并发生流动迁移的现象。由此看来，径流是一种正常的自然现象，遍布世界各地，径流产生及产流量受制于地貌类型、土壤类型和土壤入渗率、植被类型和植被覆盖度、土地利用方式、土壤含水量和土壤容重、降雨强度与历时、不透水面积比例与位置、风向和风速等因素的综合影响。综观全球地球水分循环特征，径流形成过程是陆地水文循环的一个重要环节。从全球观点看，大大小小的径流汇聚形成了河流，推动全球水体循环，对促进农业发展，滋养人类文明产生着积极的作用，生活在河流下游的人们，也正是依赖来自河川上游的径流水资源及其蕴含的极为丰富的营养物质灌溉、滋润着下游的农田，保证那里的人们正常地繁衍生息。从这个意义上讲，一切以径流水资源（河川、水库、冰川、湖泊、塘坝等）作为灌溉水源的灌溉农业，包括绿洲农业等，都是径流集蓄利用农业的形式，分布在河口三角洲、开阔的山前洪积扇、四面八方径流汇聚的盆地，以及依附于流域河口径流源的水库、堰塘、沟坝等工程聚流的灌溉农业，实为径流集蓄农业的精华所在，这可称之为广义上的径流农业。

然而，径流又以其特有的形式——水土流失破坏农业文化，阻碍人类进步，尤其在植被匮乏和降水量少的旱农地区，径流的这种消积作用表现明显，在西北黄土高原地区径流的这种负面作用更为突出。从这个意义上讲，旱作覆盖农业的实质是对径流的拦蓄和水土环境的保护，提高降水的利用率和利用效率。它一方面是控制径流非目标性输出和汇聚非耕地的径流，另一方面是对汇聚的径流资源加以充分、高效的利用。现今的集水农业、集雨农业、聚流农业、窑窖农业等，特指在雨养农区旱作农业较为艰难的半干旱地区的一种有别于灌溉农业的微型径流农业技术，其核心是将较大范围内的降水以径流形式聚集到较小面积的田块中，或者将雨季降雨暂时贮存在贮水容器或土壤水库中，以备作物播种或生长季节抗旱之需，这称之为旱作地区的集雨农业。但旱作地区散见性降雨比较多，低效降水次数多、数量多，难以利用，加之土壤裸露时间长，大量水分通过蒸发损失掉了，抑制蒸发损失是解决旱地缺水问题的核心。

因此，以降水资源化利用为核心，实施非耕地径流向耕地富集和耕地降水就地富集，通过覆盖措施限度抑制水分的无效蒸发损失，增加作物水分满足率和土地生产力的综合农业技术体系，称之旱作地区的覆盖集雨农业。由于灌溉农业已成体系，人们在习惯上将灌溉农业与覆盖集雨农业截然分开，但从本质上看，灌溉农业与覆盖集雨农业同为径流向耕地富集和高效利用。

二、覆盖集雨农业意义及中国实践

水资源短缺是全球农业面临的共同难题。在黄土高原为典型代表的中国雨养农业区，年降水量在300～550mm，降雨时空分布不均，与作物需水期之间出现严重供需错位，是制约该地区粮食生产和社会经济发展的主要因素。如何充分利用天然降雨、确保粮食生产安全和农田生态系统可持续性是长期以来难以破解的理论难题和实践难题，解决问题的关键途径是要研发和推广高效、低廉的旱作栽培技术。旱作集雨栽培技术在中国历史上有2 000余年的发展历程，早在公元前157—前87年的《汉书·食货志》中就有“代田法”记载：甽陇相间，苗生甽中。今岁为垄者，明岁作甽；今岁作甽者，明岁为垄。

自20世纪80年代地膜引入中国农业生产，经历了几次更新换代。中国集水农业创始人赵松龄教授在20世纪80年代中期便系统地阐明了适合中国西北地区集雨农业发展的新思路和新技术。20世纪90年代中期，我国学者提出了生态型集水农业（李凤民，2000）和集水高效农业概念（马天恩和高世铭，1997）；90年代后，根据旱塬农田土壤水库蓄水特征与7—9月雨热同季规律，提出了旱地夏休闲期农田覆膜集雨保墒土壤水库扩蓄增容概念，研究形成了旱地冬小麦周年覆膜降水高效利用技术（樊廷录，王勇等，1999），在陕西渭北旱塬提出了夏休闲期地膜与秸秆全程覆盖高效用水技术（韩思明，2001）。近10多年，集水农业在西北雨养农业区得到了长足发展，其中核心技术就是秋覆膜保墒技术、垄沟集雨全膜覆盖技术。以甘肃省为例，2013年以来该技术年推广面积1 000万亩1亩≈667平方米，全书同，在玉米、小麦、马铃薯等所有大宗作物及其他经济作物得到广泛应用。该技术主要利用田间起垄、沟垄相间、垄面产流、沟内高效集雨，并依靠增温、抑蒸等生理生态效应，已经作为水分缺乏的干旱和半干旱地区一项重要的抗旱措施。沟垄覆盖结合的栽培模式可使当季无效和微效的降水形成径流，叠加到种植沟内，覆盖之后还可抑制下层土壤水分的无效蒸发，促进降水下渗，改善作物根区的土壤水分供应状况，进而提高作物产量和水分利用效率。

大量的研究表明，垄沟结合地膜、禾草、秸秆和砾石等覆盖材料通过合理的耕作还具有提高作物养分利用率，增加土壤表面温度，活化土壤养分，缓解水土流失，抑制土壤盐碱，改善作物光照条件和提高光合强度等作用，终促进作物生长发育和实现产量品质的提高。发展至今，该技术不仅广泛应用于小麦、玉米、马铃薯等大宗作物上，如谷子、苜蓿等其他小杂粮和牧草栽培中同样也得以实现。

垄沟覆盖集雨技术为缓解日益增长的人口与粮食紧缺的矛盾，目前在旱地农业的生产中发挥着至关重要的作用。然而，当前以追求高产和经济效益化为目的，对该技术，尤其是垄沟地膜覆盖技术进行多年重复的单一操作势必使潜在可持续问题日益凸显，如土壤质量下降、地膜残留和土壤底墒下降等问题。在黄土高原雨养农业区，多年高强度耕作、作物秸秆难以还田、降水时空分布不均衡等导致土壤肥力衰退，土地承载力下降，严重影响该地区农业和环境的可持续发展。学术界已经重视并致力于该方面的研究，但是在生产实践中仍面临较大的挑战。

三、农田覆盖集雨技术研究进展

对垄沟覆盖集雨栽培技术的现状进行总结，分析可能带来的环境恶化和气候变化问题，为其在未来的应用和发展提出一些建议和意见。

（一）沟垄集雨和覆盖系统的设计

田间微集雨和覆盖技术一般为垄沟相间排列，垄上产流，沟内集流，在沟内种植作物，两者共同构成了田间微集雨种植系统，称为沟垄系统。因作物类型、当地气候条件、耕作习惯和生产实践等因素，垄沟覆盖栽培体系设计包含了丰富的内容，主要包括垄沟尺寸比例、覆盖物类型、覆盖持续时长等。由于不同设计的沟垄和覆盖模式在不同气候条件和作物栽培下均会产生各异的雨水收集和利用效率，进而形成不同的田间气候、土壤、水分微环境，终导致作物产量和水分利用效率的明显不同。田间设计模式在黄土高原旱地农业区的种类较多，地域差异也很大。

1垄沟比例

对于垄沟规格的设计，依据作物类型、降水量等因素的不同，同样有差异性表现。以马铃薯为例，有研究指出通过对经济产量和沟垄的宽度进行回归分析，发现在年降水量300～450mm的半干旱地区，沟垄比为60cm40cm，马铃薯经济产量，而在降水量较高的地区没有发现固定的设计模式。近年来，在各地政府推动下，黄土高原半干旱地区推广全膜双垄沟播高产玉米栽培技术。该技术按照模式化的垄沟尺寸和地膜覆盖可以获得较高的产量，垄沟尺寸比例以30cm70cm和60cm60cm的种植模式较为广泛。

垄沟覆盖栽培技术的种类较多，不同自然条件对技术的要求均不相同。通过总结在不同作物类型下能带来相对高产和普适性较好的设计模型发现，对于大宗作物玉米而言，半干旱偏干旱地区垄沟宽度比为 60cm60cm是相对较为广泛采取的种植模式，甘肃全膜双垄沟宽垄70cm和小垄40cm。马铃薯属喜凉作物，较小的垄沟宽度能够很好地形成郁闭的冠层从而改善地下部分的生物量积累，50cm50cm的垄沟宽度比例是半干旱和干旱区较为普遍适用的。对于一些密植作物，如小麦、燕麦、谷子等，因受种植密度、农业机械的限制，目前尚未发展出推广成熟的垄沟覆盖栽培模式。

2覆盖材料

目前，国内外传统覆盖材料有沙石、卵石、树叶、畜粪、谷草、秸秆、油纸、瓦片、泥盆、铝箔和纸浆等。黄土高原旱地雨养农业生产实践中主要依靠地膜，这主要是因为地膜抑蒸效果好、增产效果显著且价格低廉所致。随着保护性耕作农业受到广泛关注，一些环境友好型的覆盖物如禾草、作物秸秆、树叶及砾石等材料逐渐被采用。近年来，随着覆盖技术有利于农田生态环境良性发展的转变，新型覆盖材料开始问世，例如生物降解膜和液态膜覆等也正在研发之中，它们不仅满足普通地膜蓄水保墒效果和增产增收效应，也能降低对环境的污染。

3覆盖农具

伴随地膜覆盖栽培技术的日益成熟和完善，与之相配套的农机设施也得以广泛的发展和推广。因黄土高原主要农业产区地理条件所限，近年来以发展中小型机械化，以及半机械化农具等配套设施为思路的农机创新，对促进地膜覆盖技术的高产高效发挥了至关重要的作用。以全膜双垄沟栽培技术为例，从播种前土地整理至垄沟修筑，地膜覆盖到播种，再到中期追肥及后期地膜回收，相配套的农机具依次有：整地机、起垄覆膜机、播种机和残膜回收机。就整地机而言，一些集灭茬、旋耕和深松于一体的联合整地机的发展避免了多次扰动土壤给土壤环境带来的不利，如1GSZ-350型灭茬旋耕联合整地机，1LZ系列联合整地机。研制的起垄施肥铺膜机，可完成起垄、施肥、喷药、铺膜和覆土压膜联合作业，2BFM-8玉米全膜双垄沟播种植施肥起垄覆膜机，能一次性完成田间松土整地、深施化肥、开沟起垄、大小双垄成形和铺膜覆土压膜作业过程，在该机具上安装开沟器，拆除起垄铺膜覆土装置后，可实现对小麦、黄豆、糜子、油菜等作物的机械播种，达到一机多用的功能。为了更有效地贮存播前水分，目前全膜双垄沟栽培技术在覆膜时间上较作物播种时间早，如秋覆膜、顶凌覆膜等，这使得耕作一体化的农具发展较为受限，尽管目前已经出现了一些集土地整理、起垄覆膜、施肥和播种等于一体的农具设备，但增产效应不及提前覆膜后播种的耕作措施明显。针对地膜残留问题，近年来同样发展的一些回收装置使得这一问题在很大程度上得以缓解。如1SM-Ⅱ地膜回收机，05-2残膜回收机，SMJ-2地膜回收集条机，4JSM-1800棉秆还田及残膜回收联合作业机，4MBCX-15棉花拔秆清膜旋耕机等，均针对作物收获后农田土壤中的地膜残留进行设计。尽管，一系列配套于全膜双垄沟栽培技术的农机设备在近年来得以发展和应用，但对地块地理条件要求高、一种作物和技术对一种农机、系统化程度低而导致的未能灵活拆装和组合，实现多子模块协调控制和综合管理等诸多问题仍亟待解决。

4田地选取、施肥和播种问题

全膜双垄沟栽培技术其设计思路围绕建造农田降雨的产流面和收集区供作物生长所需。这便决定了该技术对田块的选择有一定的限制。目前的研究表明：选择地势相对平坦，坡度在15°以下的地块为适宜。在一些坡度较大的山区或沟壑地带，该技术在集雨效率上将受到不同程度的影响。全膜双垄沟栽培技术下作物的播种时间一般取决于当地的气候条件和品种本身特征，的要求是5～10cm 表层土壤温度通过7～10℃被认为是可进行播种操作。播种深度一般为3～5cm，每穴下籽 2～3 粒，并用细沙土封严播种孔，以防散墒和遇雨板结而影响出苗。根据品种特性和土壤肥力状况确定种植密度，肥力较高的地块株距27～30cm，每公顷保苗63 000株左右；肥力中等的地块株距30～35cm，每公顷保苗55 000株左右。肥力稍差的地块株距35～40cm，每公顷保苗48 000株左右。施肥可分底肥和追肥两个阶段，底肥的实施可在起垄覆膜前进行或利用机械设备实现一体化，施肥位置在种子一侧5～7cm，土深 7～10cm为宜。作物中后期的追肥可按照作物自身的需肥特征曲线进行叶面喷施和根旁侧点施。

（二）田间水分动态变化1土壤水分迁移和变化在黄土高原干旱半干旱区，降水主要集中在7—9月，占全年降水的 60%左右，造成雨季与春季作物生长季的严重错位。而垄沟覆盖系统主要从时间和空间上拉小了黄土高原作物需水期和雨水供给期错位的矛盾。

一方面，沟垄集雨种植建立的垄沟产流、集水、蓄墒系统，改善了土壤水分生态环境，能够使降

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