東北一熟區(qū)種植業(yè)資源配置與模式優(yōu)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(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所,遼寧 沈陽 110161)

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

1 東北一熟區(qū)自然資源概況

東北一熟區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)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(qū)種植業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

東北一熟區(qū)農(nóng)作物主要以糧食作物為主,1985 年糧食作物播種面積占農(nóng)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(dāng)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(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的要求進行農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,玉米種植面積和比重調(diào)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(xiàn)平穩(wěn)趨勢;大豆播種面積在連續(xù)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(wěn)定減少趨勢(圖3、圖4)。

3 東北一熟區(qū)種植業(yè)發(fā)展資源配置與模式優(yōu)化存在問題

東北地區(qū)地勢以平原為主,雨熱同季,自然資源條件為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(jié)構(gòu)方式,地力持續(xù)下降等問題使得東北地區(qū)的糧食豐產(chǎn)面臨著挑戰(zhàn)。

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(jié)構(gòu)單一,資源利用效率低

東北地區(qū)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(fā)生率為8.7%～18.7%,黑龍江省為最重區(qū),致災(zāi)強度大[2]。雖然近年來氣候變暖,低溫冷害發(fā)生頻率有所下降,但氣候異?，F(xiàn)象增多,潛在危害有擴大的趨勢[3]。

2005～2015年,玉米主導(dǎo)型種植結(jié)構(gòu)比例由60%增加為85%,水稻主導(dǎo)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(jié)構(gòu)由2005 年的12.5%降至2.5%,種植結(jié)構(gòu)類型變化趨勢以玉米、大豆和水稻主導(dǎo)型為主,種植結(jié)構(gòu)趨于單一化明顯[4～5]。近幾年,農(nóng)業(yè)供給側(cè)改革力度加大,種植結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化,東北三省2017 年調(diào)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(jīng)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(fā)生,引起土壤微生物多樣性失調(diào)、關(guān)鍵酶活性下降、土壤養(yǎng)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(chǎn)量、品質(zhì)與經(jīng)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(jīng)濟產(chǎn)量計算出東北地區(qū)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(qū)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(nèi)的光合有效輻射總量、作物生長季內(nèi)的降水總量以及作物產(chǎn)量關(guān)系密切,因此氣候變化背景下的結(jié)果差異影響較大,但均認為東北地區(qū)資源利用效率仍具有較大提升空間。

3.2 土壤有機質(zhì)降低,地力持續(xù)下降,秸稈還田難

東北黑土區(qū)是世界第三大黑土帶,新中國成立以來,經(jīng)過了半個多世紀的不斷開墾,東北地區(qū)由“北大荒”轉(zhuǎn)變連續(xù)8 年糧食產(chǎn)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(chǎn)能力做出了重要貢獻。但長期的過度開發(fā)利用,缺乏黑土的保護,導(dǎo)致近年來黑土流失嚴重,黑土層厚度變薄。關(guān)于黑土開墾后厚度的變化,多數(shù)學(xué)者認為從開墾初期的60～70 cm 下降為現(xiàn)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(shù)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(nèi)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(qū)的土壤有機質(zhì)也表現(xiàn)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(zhì)是土壤養(yǎng)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(zhì)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(zhì)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(zhì)下降了 2.67 g/kg[11～12];吉林省監(jiān)測資料表明,黑土耕層有機質(zhì)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(qū)17 個監(jiān)測點26 年來的土壤養(yǎng)分變化進行分析,得出土壤有機質(zhì)并沒有下降的結(jié)論[14],但監(jiān)測區(qū)域主要以輪作方式為主,與目前東北一熟區(qū)的種植制度真實情況有差異。

近年來,相關(guān)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(zhì)、改善土壤耕層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點[15]。但東北地區(qū)秸稈還田率不高,氣候冷涼,秸稈腐解速度慢,且還田技術(shù)與農(nóng)機農(nóng)藝配套技術(shù)不成熟,秸稈還田受到制約。

3.3 旱災(zāi)頻發(fā),水資源利用效率不高

東北一熟區(qū)種植業(yè)生產(chǎn)主要是旱作農(nóng)業(yè),依靠自然雨養(yǎng),降水是該地區(qū)的農(nóng)業(yè)用水的主要來源,東北西部地區(qū)屬半干旱區(qū),20 世紀90 年代后期以來,降水量減少,旱災(zāi)是東北地區(qū)最嚴重的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害[2]。尤其是遼西地區(qū),年降水量僅為300～500 mm,經(jīng)常性“十年九旱”,2017年甚至遭遇了66 年來最嚴重的春旱,連續(xù)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(qū)的農(nóng)業(yè)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(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào),2005～2011 年,東北稻谷種植發(fā)展“旱改水”灌溉農(nóng)業(yè),長此以往,東北一熟區(qū)農(nóng)業(yè)水資源出現(xiàn)“超載”[17];此外,東北地區(qū)大水漫灌現(xiàn)象依然常存在,農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)推廣較慢,灌溉技術(shù)和設(shè)備粗放,甚至存在設(shè)施損壞嚴重的問題。

4 資源優(yōu)化配置技術(shù)途徑

通過合理的肥水管理、土壤耕作、機械化配套等技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)不同尺度不同區(qū)域光能利用效率、水分利用效率、養(yǎng)分利用效率的同步提高,優(yōu)化光、溫、水、肥等資源的配置。

4.1 單作玉米田間優(yōu)化模式

合理調(diào)整作物種植間距排布,有助于改善群體通風(fēng)、透光條件,提高資源利用率,利于糧食作物增產(chǎn)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(xiàn)機械化,種管便捷的優(yōu)點[18]。尤其是對于耐密玉米品種利于提高產(chǎn)量及其構(gòu)成因素,對吐絲期和成熟期葉面積指數(shù)、光合勢、營養(yǎng)生長后期干物質(zhì)的積累有明顯優(yōu)勢[19],在遼寧和黑龍江地區(qū)種植效果佳。而三比空種植對于中密品種可以增加穗行數(shù)、行粒數(shù)與百粒重,降低禿尖長度,提高灌漿初期葉面積指數(shù)、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(zhì)的積累[20],在遼寧地區(qū)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(zhì)的積累[21],促進根系傷流液量和氣生根的生長發(fā)育,根系活力強[22],在吉林地區(qū)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(yōu)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(yōu)勢。作物發(fā)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(dāng)量比大于1,提高農(nóng)田水分利用效率,實現(xiàn)間作系統(tǒng)對土壤水分的優(yōu)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(jié)構(gòu)物質(zhì)高于連作,利于碳氮固定,促進土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[25]?？梢酝ㄟ^大豆根瘤固氮,提高氮肥利用效率,利于土壤地力恢復(fù)。相同施肥條件下,輪作利于調(diào)節(jié)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(shù)

保護性耕作是通過少耕、免耕、深松等技術(shù)減少土壤擾動并增加秸稈覆蓋來減少風(fēng)蝕、水蝕,增加蓄水量、提高水分利用效率,調(diào)節(jié)土壤溫度的旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)[27～28]。連作種植下,生長季內(nèi)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(jié)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(fā)[30～31]。

秋夏年際壟溝交替間隔深松技術(shù)(秋季壟臺深松,隔年初夏玉米拔節(jié)前壟溝中耕)能夠充分發(fā)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(jié)構(gòu),在保留間隔深松優(yōu)點的同時,實現(xiàn)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(chǎn)增加 17.22%～28.65%,水分利用效率提高0.27～0.73 kg/m3[32]。

4.4 農(nóng)田地力提升技術(shù)

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(zhì)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(zhì)和土壤速效氮含量[33]。

5 結(jié)語

本文基于東北一熟區(qū)農(nóng)業(yè)自然資源、種植業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,針對氣候冷涼,種植結(jié)構(gòu)單一,資源利用效率低;土壤有機質(zhì)降低,地力持續(xù)下降,秸稈還田難;旱災(zāi)頻發(fā),水資源利用效率不高等問題,提出了單作玉米田間優(yōu)化、間作、輪作種植模式、保護性耕作技術(shù)以及農(nóng)田地力提升技術(shù)途徑,以期為東北一熟區(qū)種植業(yè)健康發(fā)展提供科技支撐。