旱作节水农业

旱作节水农业

（一）旱作农业的概念及在我国的起源

旱作农业（Dryland Farming）是旱地农业、雨养农业、集雨补充灌溉农业生产活动类型的总称，是指在没有灌溉条件下，完全靠降水和地下水提供作物生长需要的水分而从事的农业生产，包括了种植业、畜牧业、林果业，以及其他农业生产和经营行业。旱作农业的本质是提高降水利用率和水分利用效率，是我国最重要的农业生产方式之一。

我国旱作农业源于8000年以前的新石器时代初期，黄河流域在公元前5405年的磁山文化时期已出现了迄今为止发掘出最早的旱粮作物——粟，同期有了木制和骨制的耒耜，并开始了以耜耕逐步代替原始的刀耕火种的旱农耕作。黄河流域农业的起源与发展是一部与干旱作斗争的历史，也是一部中国旱地农业的发展史。

传统（古代）旱作农业以精耕细作为主要特征，基本思想是最大限度地将天然降水蓄存在土壤中供作物利用。近代旱作农业主要是充分利用天然降水和自然资源，实现农业生产的数量增长。现代旱作农业是科学技术得到大量应用，注重生产、经济、资源、环境协调发展，见表6。

表6　几种旱作农业概念内涵的比较

（二）我国发展旱作节水农业的战略选择

在我国发展旱作节水农业具有十分重要的现实意义和深远的历史意义。

首先，是由我国水资源禀赋和农业用水现状所决定的。

（1）水资源短缺，总量不足，增量有限，用水现状堪忧，缺水加剧，亩（0.067hm²）耕地1480m³，考虑到复种，不及世界平均的50%。预计，2010年农业缺水800亿m³，2020年1200亿m³。

（2）时空分布不均，季节性和区域性缺水严重，北方耕地51%，水资源19%，输出商品粮；南方耕地49%，水资源81%，调入商品粮。缺水的北方向富水的南方输送商品粮，就等于变相地输送水资源。

（3）降水集中，2/3为雨洪水资源，利用难度大，易形成旱涝灾害。

（4）农业用水效率高、效益低，结构性耗水高；水资源利用率和利用效率低；降水利用率45%，灌溉水利用系数0.45；农业水资源的循环利用率约10%，水分利用效率不到1 kg/m³。

（5）水污染和干旱洪涝问题较严重：点源与面源污染导致水质下降，旱涝灾害频繁。

其次，旱作农业是粮食安全的基础。我国旱作农业区有7333万hm²耕地，73%的旱耕地，75%的可利用草场，40%的林地资源，20%的水资源。

第三，旱农区是重要的农产品生产基地：北方旱区生产了全国46%的粮食，61%的棉花，72%的大豆，46%的油料，57%的林木产量，46%的畜牧产值。

（三）国外旱作农业的基本模式

世界14亿hm²耕地中，主要依靠自然降水从事农业生产的旱地占80%。1950～1985年，全球灌溉面积年均增长5%以上，占耕地18%的灌溉面积，生产了世界食物总量的1/3。1980年以来，世界灌溉面积增长速度明显下降，年增长率不到1%。大力变革和开发旱作节水（旱地）农业，提高旱地农业的综合生产力，满足日益增长的人口对食物的需求，已成为一个世界性的目标。国外旱作农业的模式有以下几种。

（1）保护性耕作（美国）：多耕到少耕免耕，表层松土覆盖到残茬秸秆覆盖，机械耕作除草到化学除草。

（2）粮草轮作（澳大利亚）：小麦—养羊旱地农作制（农牧结合制）。

（3）集水种植（印度）：利用蓄水池收集田间降雨；田内集水；微型集水区。

（4）设施节水农业（以色列）：喷、微灌发展高效作物，和平环境下走贸易节水的道路。

（四）国内外旱作农业比较分析

我国旱作农业区生态环境最为恶劣，土地人口承载量最高，自给性粮食生产格局难以在短期根本改变，见表7。

表7　国内外旱作农业分析比较表

我国以粮食产量表示的WUE最高值高于其他国家，但农业用水的经济效益低于其他国家。这种“高效率、低效益”的事实从一个侧面反映了旱作农业存在的产业结构缺陷，即：现阶段我国旱作农业处于一个生产性低耗水而结构性高耗水的尴尬局面。

我国粮食生产平均的水分利用效率与最高的水分利用效率相差2.7倍，高于美国和澳大利亚。这一方面表明我国旱作农业区条件差异很大，但另一方面也揭示了旱作农业广种薄收的状况依然十分普遍，带来的环境问题不容忽视。

我国降水利用率低于美国、澳大利亚和以色列，同印度相当，这与我国相当一部分旱作农业区降水缺乏、分布不均、利用难度大有直接关系。

我国耕地灌溉率高于美国、澳大利亚和印度，同以色列相当，农业用水比例较高。我国耕地灌溉率和农业用水比例居高不下，而降水利用率和灌溉水利用率低下，揭示了长期以来农田水利建设“重工程，轻农艺”的倾向。

我国旱作农业产业带还没有形成，影响了技术产业化进程，技术装备水平也低于发达国家。这种状况导致劳动生产率低下，也加剧了资源的低效利用和浪费。

（五）我国旱作农业的分布与技术战略

我国无灌溉条件的旱区农田面积占耕地的60%以上，即是在现有的不足5333万hm²的灌溉耕地中，绝大部分也是井水浅表灌溉，同现代高效的美国加州旱作节水农业相比，无论在软件上和硬件上都存在很大的差距。特别是西北、华北的旱作农业区，降水量在250～600mm之间，属干旱、半干旱及半湿润易旱区，分布在昆仑山脉、秦岭、淮河一线以北15个省、市、自治区的大部分地区，占全国国土面积9.6亿hm²的50%以上，旱地面积占总耕地面积的3/4（1亿hm²）。我国南方，虽然降雨充沛，但由于降雨年内分布不均，而耕地分布在丘陵山区，受地形条件、技术、经济等因素的制约，也无法发展灌溉，农作物生长时期常常遇到季节性旱灾的威胁，如伏旱、秋旱等。

1.旱作农业发展目标与方向

食物生产目标：粮食以自给性生产为主，商品性生产为辅，发展木本粮油和动物蛋白生产；

结构调整目标：加快发展林果和草业畜牧业；

生态环境目标：加强旱作基本农田建设，发展旱地生态农业；

产业发展目标：逐步建设以玉米、棉花、草食畜、特有优质水果和杂粮等为重点的若干旱农产业带。

2.旱作节水农业技术战略

（1）集水

土壤水库—田间、根域集雨—集雨补灌。

（2）保水

耕作—覆盖—制剂。

（3）用水（节水）

品种—制度—水肥一体化—生理节水。

（4）集水

通过土壤水库增容有效利用降水。如：雨水集蓄、沟笼种植—田间集水、梯田和等高种植、改土培肥（土壤“海绵体”）、根域化学物质集水、水窖及集雨补灌。

（5）保水

减少水土流失和土壤蒸发，最大限度保住土壤水；少耕、免耕、轮耕、地膜和秸秆覆盖、化学覆盖。

（6）用水

提高可用水的利用效率，抗旱和高水分利用作物及品种利用，建立适合当地水资源状况的农作制度，发展生理节水抗旱技术，水肥耦合和一体化管理。

3.旱作节水农业技术体系

包括旱作农田土壤水库扩蓄增容技术，保护性耕作技术与覆盖栽培技术，集雨栽培及集雨补充灌溉技术，抗旱节水作物和品种改良与利用技术，水肥一体化管理技术，粮经饲间作和粮草轮作技术，抗旱节水生化制剂技术，农牧结合、农林牧综合发展技术

（1）土壤水库扩蓄增容技术

包括坡改梯技术、蓄水丰产沟技术、等高种植技术、有机培肥技术、农田集雨工程技术。

（2）保护性耕作与覆盖栽培技术（见表8）

包括少耕免耕技术、秸秆覆盖（还田）技术、地膜覆盖技术、活体生物覆盖技术、砂石覆盖。

表8　秸秆覆盖对作物产量和水分利用效率的影响

（3）集雨栽培及集雨补充灌溉

包括根域集水—吸水保水化学制剂、田间集水—沟垄种植、集雨面集水—窑窖技术及补充灌溉（家用重力滴灌系统）。

（4）抗旱节水作物和品种改良与利用技术

（5）水肥交互作用与耦合技术

（6）粮经饲间作和粮草轮作技术（见表9）

粮豆间作（玉米—大豆，谷子—大豆）、粮菜间作、粮草轮作及休闲期绿肥生物覆盖。

表9　旱地作物间作与平作的效益比较

（7）节水抗旱生化制剂技术

包括抗旱种衣剂、抗旱剂及蒸腾抑制剂、保水剂及水土保持剂（PAM）。

（8）农牧结合、农林牧综合发展（见表10）

包括秸秆饲料技术（青贮、氨化、菌化等）、人工草场建植技术及畜牧草业、林粮间作、林草间作、经济林与防护林间作。

表10　旱地作物间作与平均水分利用比较

（六）我国旱作农业技术的发展与应用

1．旱农工程技术

旱农工程技术包括以坡改梯和丰产沟、垄沟为主的耕作技术及微型集雨工程设施（即田边地头建造井窖及配置滴溉和喷灌技术）。实施旱作农业工程是为最大限度地提高土壤降水的拦蓄，减少地表径流和土壤水分蒸发，以保证作物对水分的需要。对改善农业基本生产条件，防止水土流失、拦蓄降水、提高土壤含水量有重要作用。这也是旱作农业区特别是丘陵沟壑山区坚持不懈实施的治本工程。

2．旱作生物技术

生物技术是通过种植绿肥作物，应用生物肥料，实施粮草轮作或粮肥轮作方式，培肥土壤养分，涵养土壤水分，防止水土流失，减少土壤水分蒸发，调节土壤生态环境，确保作物生长。

3．旱作农艺技术

农艺技术是指通过用选抗旱作物品种，合理调整作物布局及蓄水保水耕作措施等，以提高水的利用率，提高旱地作物产量。

（1）选用耐旱作物品种及合理调节种植结构

选用耐旱品种可以减少用水量而获得较高产量。比如玉米、高粱、糜谷、薯类等作物比小麦耐旱性强，因此是旱作农业区的“当家”作物。同时针对当地条件采用合理轮作（玉米—豆类—小麦，小麦—草木樨—小麦等方式）、间作套种（粮食间作、粮药间作、麦玉套种、薯豆套种、玉豆套种等）以提高降水利用率，增加作物产量及效益。

（2）增施有机肥

有机肥是农业生产的基础，旱作农业区更要强调有机肥投入。增施有机肥能提高耕作层土壤含水量，达到以肥调水的目的。

（3）推广秋施肥和旱追肥

秋施肥的试验表明：实施秋施肥的田块，亩（0.067hm²）产春小麦比春施增产24.8%。增施有机肥，结合秋施肥（秋后最后一次耕地施入）是增强作物抗旱能力，提高作物对水利用率，实现稳产、高产的重要措施。

旱追肥（或深施肥）是用特制施化肥的机械，由机引和畜犁将肥料精量播施于土壤一定深度和作物根毛区范围内。

（4）蓄水保墒耕作措施

通过合理的耕作措施把雨水蓄积起来。其基本的方法是：深耕蓄水耙耱保墒。冬春碾压，中耕除草。根据不同类型旱区及降雨集中特点，在雨季深翻蓄水，中耕锄草时开沟或内打横埂，创穴培垄等均可将降水拦蓄在垄间沟穴中，增加土壤透水性，使降水缓慢地渗入土层中，并减少蒸发。

（5）抗旱保水技术

通过应用保水剂或其他生物制剂拌种、浸种、蘸根、种子包衣、叶面喷施（根外追肥）、利用作物育苗基质等技术可减少叶面蒸腾，提高多种酶的活性和叶绿素含量，从而增强作物抗旱、耐寒、抗风蚀及病虫害能力，达到增产目的。

（6）地膜覆盖栽培技术

小麦覆盖栽培曾引进有覆膜穴播、膜侧栽培技术等，只有膜侧种植比较成功。许多地方还根据雨水季分布不均，秋季降雨较丰的情况推行“秋季覆膜、春季播种”的耕作方式，取得很好的效果。

总之，旱作农业技术的推广应用，重要的是各种技术的合理组合配套及分类指导，这还有待于科技人员和广大农民群众不断探索。

4．保水剂技术

在农林业生产上应用的高吸水性树脂俗称保水剂，它是一种新型功能高分子吸水材料，能吸收并保持自身重量百倍甚至千倍的水分。20世纪70年代中期，首先在美国研制成功，并在美国西部干旱地区推广。之后，日本、法国、加拿大、俄罗斯和中东一些国家也相继进行试验和应用。

保水剂在功能上，集保水、营养、调理、防病害等于一体；在性状上，要有合适的pH值，易复配，感观好；在用法上，多种方式直接简单应用和间接组配使用；在经济上，有极好的投入产出比，一般情况为1∶10～30，高者可达1∶100以上。

保水剂外观形态多样，以粉末和颗粒状为主，无毒、无臭、无害，以白色或淡黄色居多，pH值一般呈中性，不溶解于水，但能吸水膨胀，是一种调节水分的理想制剂。具有吸水性强、保水力大、释水性好、有效期长的特性。

保水剂具有：抗旱保水，提高水利用效率；改善土壤结构；降低土壤容重，增加土壤团粒体；促进作物生长发育，提高出苗度和成活率等功效。可拌种、蘸根，用作育苗基质或土壤直接施用，广泛用于旱区粮食作物、瓜菜作物、果树栽培和植树种草。

（七）旱区雨水集蓄及高效利用

集雨农业又称径流农业，主要是指通过一定的手段，把降雨产生的地表径流汇集贮存起来，在作物生长出现水分亏缺时进行有效补充灌溉，确保作物生长发育，以获得持续增产。以我国北方为例，旱区年平均降雨量在250～600mm之间，大部分地区降雨集中在7、8、9三个月，约占全年总降雨量的60%～70%。冬春雨季的降雨量只占10%～15%，春旱在北方发生频率相当高。夏季降雨相对较多，然而雨量过于集中，阵雨、大雨、暴雨、冰雹时有发生，在丘陵山区。大多形成地表径流而流失掉，作物对雨水的利用率不足30%。如果把70%的径流水充分利用起来，可产生巨大的经济效益。其中，利用一家一户，修筑蓄水窖，把夏秋雨水积蓄起来，成为旱区雨水资源利用的一种新的方式。

（1）蓄水窖的组成

一个完整的蓄水窖系统主要由集水场、引水沟、沉泥池和蓄水窖四部分组成。

集水场　集水场的作用是收集降雨。一般山区坡地、乡间旧柏油路、田间压实路，直接或经过改造后作为集水场。还可利用300mm降雨量的地区，一个容量50～60m³的水窖，需要集水场0.08～0.134hm²。

引水沟　在集水场的下方是引水沟，其作用将集水场的水顺利地引流蓄水窖。在旱区，一条引水沟可能作用于多个蓄水窖。

沉泥池　设在水窖口近旁，一般长2～3m，宽1.5～2m，深1m。其作用是减少进入水窖的泥沙，窖口固定细眼铁网防杂质入窖。

蓄水窖　形状像埋入地下的水缸或暖水瓶（或脖细大肚的晏酒瓶）。窖脖直径50cm，高60cm。窖盖高1.5m，窖盖底直径4m。窖体深4.5m，窖底直径3m，水窖总容积50～60m³。一个窖所蓄水可浇灌0.134hm²地2次透水。寿命可达10年，造价1200～1500元。

（2）雨水的有限利用与有限灌溉

由于蓄积的水量有限，因此在应用中必须是配天然降水，在作物播种到收获期间遇到降雨不足，土壤严重缺墒，水分亏缺影响到作物生长发育时，利用窖水进行有限补充灌溉。

坐水种　一般用点种作物时。每穴浇2kg左右。浇灌的水全部渗到土壤中后，再施于穴一边，另一边点上种子，覆盖上干土并轻压，用塑膜覆盖，可以抗旱20～30天，保证出苗率95%以上。

根际土壤注射灌溉技术　即用旱追肥枪安装在喷雾器上，依靠喷雾的打气压力，通过枪嘴将水注入到作物根际5cm土壤中。特点是灌水、追肥、根际施药一次完成。主要用于果树、瓜类、地膜玉米等稀植作物。

膜下灌　溉利用灌溉设备，将滴水孔插入地膜下方将水引入作物根际，减少水分蒸发损失。

地下灌和地上移动式灌溉　利用黑色皮管埋入土中固定到作物根际，需水时，打开阀门送水或将水管移动到田块浇灌。

（3）滴灌量及效益

根据宁夏、甘肃、内蒙、江西等地实际用水量及效果，利用窖水补充灌溉：每窖可补灌地膜玉米0.134hm²，确保玉米亩（0.067hm²）产400kg，每亩（0.067hm²）每次用水18m³。侧膜小麦0.134hm²，确保亩（0.067hm²）产200kg以上，每亩（0.067hm²）灌水量15～20m³。果树加压滴灌每亩（0.067hm²）用水16m³，蔬菜每亩24m³，每窖灌地膜西瓜1亩（0.067hm²）。确保亩（0.067hm²）产2500kg。每窖灌温棚蔬菜0.134hm²，每棚收入达6000元。

附：小麦膜侧种植技术要点

（1）选地整地

要选择地势平坦，保水保肥好的川旱地或台地、梯田、沟坝地，轻壤或中壤土质的地块，前茬作物收获后，深耕20～25cm，以充分接纳雨水，雨后浅耕耙耱。冬小麦临播前结合耕地施肥重耱，若地太虚可参耱实平。春小麦在白露前后适时浅耕收耱，翌年早春镇压打碾。通过以上精细整地，使土壤达到无土块、无根茬、无杂草，上实下虚，田面平整，墒情良好的标准。

（2）增施肥料

冬小麦播种前后结合浅耕每亩（0.067hm²）施农家肥2000～3000kg，尿素10～15kg，磷酸二铵10kg或普钙25～30kg，带种肥磷酸二铵3.5～5kg，尿素2.5～3.5kg；返青后旱追肥尿素5kg或碳铵25kg。春小麦秋施农家肥2500～3000kg，磷酸二铵10～15kg，尿素15kg或碳铵25kg，带种肥磷酸二铵3.5～4kg，尿素1.5～2.5kg；拔节期借雨或滴灌追施尿素5kg。

（3）配套农机具

配套农机具为机引和畜力两种覆膜播种机。机引铺膜条播机适应在地势平坦的旱川地、台地和塬地等比较大的田块使用；畜力铺膜播种机比较适宜在梯田和缓坡小坡地上使用。两种播种机均能一次性完成起垄、覆膜、播种、施肥等工序。

（4）种植规范

以60cm为一带，垄底宽30cm，垄高10cm，垄顶圆弧形垄间距30cm，每垄两边膜侧各种一行小麦，行距15cm。

（5）选择品种

根据不同气候类型区域选用适应品种，一般地选用抗旱性、抗倒伏、丰产性的强分蘖品种和大穗大粒品种。冬小麦干旱区选“洛夫林”、“77～7”，河谷川道区、阴湿区选用“中引6号”；春小麦干旱区选用806、602等。

（6）种子处理

用精选机精选种子，晾晒后进行药剂拌种或抗旱保水剂拌种。冬小麦用60%“3911”和100ml促丰宝或100g旱地宝加15kg清水稀释后喷洒在25kg麦种上，搅拌后堆闷12小时后播种。

春小麦采用冬小麦相同的方法用促丰宝或旱地龙拌种后再用25%可湿性粉锈宁按种子量的0.1%拌种。

（7）适期播种

冬小麦比当地常规露地种植适宜播期推迟3～5天，从9月10日至9月底，最适播期为9月中旬；春小麦比当地常规种植适宜播期提前3～5天，即3月下旬至4月上旬，最适为3月下旬。

（8）精量播种

冬小麦掌握为当地常规种植50%～60%的播种量，即12.5～20kg；春小麦掌握为当地常规种植60%～70%的播种量，即15kg。

（9）严格播种质量

机具起步时，要将膜头压紧压实，行走带度要均匀，膜边力求用土压严，不露边，膜上每隔2～3cm横压一土腰带，以防风揭膜。冬小麦播种深5～6cm。开沟犁口塞土挂柴要及时停走打通，并补种断垄部分。若未发现没补种上的，出苗后应及时补种。

（10）田间管理

出苗后及时查苗，发现缺苗断垄的行段，要用同种小麦品种浸种催芽补种，墒情差的要浇水补种；间匀丛撮苗；发现有因土塞犁口或提犁而流种形成的丛撮苗，在4叶期及时疏苗；发现有风吹膜或压土不严的地方，要及时雍土护膜，严禁家畜禽踩踏地膜，啃吃麦苗，确保地膜完整，麦苗齐全；防治病虫害；喷施叶肥，可在灌浆中期喷施促丰宝或植物动力“2003”，磷酸二氢钾、尿素等肥液或防病虫害药液。