论半干旱黄土高原地区集水型生态农业
李凤民
兰州大学干旱农业生态国家重点实验室730000

    一、问题与现状
    半干旱地区是我国著名的生态脆弱带，按地带性规律，这一区域应为森林草原，应以草地畜牧业为主。但自古以来，我们的祖先就在这里生息繁衍，就有较大规模的农业。随着社会的发展和人口压力的增加，这里的农业成分越来越大，以致于现在必须以农为主，形成了旱地农业的下极限地区。与东部湿润半湿润区和西部干旱区相比其脆弱性都非常突出，东部湿润半湿润区降水量相对较高且比较稳定，同时还有相当大比例的灌溉农田；西部干旱区是完全的灌溉农业区，没有灌溉就没有农业，在这里节水和提高水的利用效率是核心问题，也是保持生态系统稳定性和生态环境维持与改善的根本。而在半干旱黄土高原区，降水量比东部偏少，且更不稳定，而农业生产又几乎完全依赖降水，没有外来水资源提供灌溉，即所谓旱地农业，这就决定了此类生态系统必然具有明显的不稳定性和较低的抵抗外来扰动的能力。这里又是国家经济发展战略西移的重要地理屏障和全国水土流失的重点区域，除自身存在着严重的环境问题之外，还对中东部生态环境和经济发展产生重要制约作用。同时，它的地带性特征又决定了其具有较大的生产潜力，这里光、温、土质条件良好，土壤肥力可调，唯水分条件是关键限制因子，只要水的问题解决得好，生产潜力还比较大。因此，这里一直是有关方面密切关注的焦点，其农业与生态环境的可持续发展意义重大。
    建国后几十年以来，尽管在本区域做了大量的科学考察和研究工作，但是，“黄土高原水土流失状况并未根本好转，干旱风沙、暴雨洪水、水土流失仍然制约着经济发展和人民生活的改善”［8］。那么，造成这种局面的原因在那里呢?

    半干旱地区土壤无效蒸发量大。在典型半干旱地区，休闲期土壤蒸发可占到同期降水量的60～80%，半干旱偏旱地区达到72～98%，在半湿润地区为最低，但也要达到60%。在作物生长季节，裸地和种植作物地的年耗水量基本相同［1］，再加上降水的年变率和季节变率都较大的不利因素，产量的低而不稳就成为必然。
    培肥地力可以提高产量已成为人们的共识。但培肥地力又是以土壤水分的改善和第一性生产力的提高为基础的。在干旱土壤中团粒结构较差，营养成分直接和空气接触，容易氧化损失。有机质是肥力的重要基础和指标，但是，如果没有第一性生产力的提高，不用说不会有更多的有机质投入，就连最起码的草根也会被拔出来当柴烧掉，何以有能力提高土壤的有机质含量而提高第一性生产力首先需要解决的就是水的问题。然而，传统水土保持型农业虽然可以在一定范围内控制降水的无效径流，但土壤水分状况的改善程度仍很有限。在这种背景下培肥地力只能是一句空话。
    如果说传统的水土保持型农业在早期特别强调了环境效益的话，那么在其不断发展过程中也注意到了经济效益问题，首先是发展粮食生产，然后是种植经济作物、利用人工草地发展畜牧业，走农牧混合型发展道路，提高经济效益。但十几年来不能说取得了很大成功。没有经济效益的提高，就没有农民的积极参与和主动投入，那么，任何治理措施和发展生产的理论和技术都将缺乏实施的基础。然而，面对如此严酷的环境条件，在农业上发展任何产业都步履维艰。显然，解决问题的关键最终又到了改善农业生产条件这一老生常谈的主题上了。如何改善也有一些思路，如远距离调水发展灌溉或半灌溉农业，增施化肥，以肥调水等。但是，多年来似乎也没见有大的成效。曾经强调过没有足够的投入是这里的中心问题，在短期内不可能有大量投入这也确是事实。但农业问题归根到底还是农民的生产问题，最终必须靠农民自身来解决，国家一定的投入是必要的，但不可能长期大量投入，如何利用这些有限的投入使现在黄土高原的恶性循环转化为良性循环，并且能够维持下去，这里的关键问题还是有没有一个或数个有效的生态农业模式及其相关技术体系，这种模式或技术体系首先应当以提高农民自身主动投入能力为根本，同时必须兼顾生态环境的改善和维持。荑{
    二、集水技术在旱地农业中的应用
    1、土壤水分的改善是可持续发展的关键
    解决黄土高原问题就是要重建优良的生态环境，构建新的高效农业生态系统。农业生产条件不外乎光、温、水、肥四大要素。其中光照充足，温度适中，水肥是重点考虑的问题。从生态学角度看，土地肥力衰退的根本原因仍然是水分不足以及掠夺性开发所致。因此，在水肥关系上更突出水的重要性，即强调"…肥力可控，唯水分胁迫是限制生产力的'短板'…"(赵松岭，1989)。尽管通过农业的产投比分析可以得到结论：半干旱黄土高原地区增加投入应以化肥为主，强调以肥调水。尽管有一定作用，但实际上在半干旱地区无水可调，增施化肥的效果也很不稳定，主要还是因为水分条件不稳定。这在近十多年来的大量研究文献中已经得到了很好的证明。
    既然以水为重点，那么如何解决水的问题呢黄土高原大面积远距离调水的可能性很小，支离破碎的地貌特征也不允许通过调水发展灌溉农业。地表水和地下水又十分贫乏。我们从土壤水分、降水量分布和春小麦需水量分布分析发现，5月底6月初土壤水分达到全年最低值，这时又是春小麦大量耗水期和生理临界需水期(孕穗期)。缓解这一矛盾的有效途径显然就是在土壤水分低谷到来之前供给一定的水分，缓解土壤水分亏缺。根据这一思路，我们在1988～1989在甘肃定西进行小麦玉米带状种植的补灌试验，5月下旬灌溉60方/亩，比对照旱地增产7倍，产量达到523kg/亩。
    既然补灌效果如此明显，在既无地表水又无地下水的半干旱地区水从何来半干旱地区的缺水并非绝对没有水，而是降水和作物生长严重错位。在甘肃河东地区，降水资源量年均可达600亿方左右，相当于约10个刘家峡水库的容量。因此，挖掘降水的潜力是巨大的。
    农业中的集水技术就是利用人工集水面或天然集水面形成径流，将径流储存在一定的储水设施中以供必要时的有限灌溉，或者将径流引向一定的作物种植区，使降水在一定面积内富集叠加，大幅度改善植物种植区的水分状况，通过减少土壤表面蒸发降低作物的耗水系数，充分发挥环境资源和水肥生态因子的协同增效作用，提高农业生产力水平。这样，农业中的土地利用基本上可分为两部分，即集水面区和作物种植区。集水面的目的就是产生最大径流和最小入渗。在特殊处理过的集水面上土壤侵蚀极小，即使不对土壤表面进行任何处理，因为径流要充分利用，所以，它所携带的土壤仍然不会流失，其中的营养成分也会得到重新利用。作物种植区为水肥富集区，集约程度高，管理完善，无效径流会更少，可以更为有效地控制水土流失，提高水分利用率。
    2、集水技术的应用与有限灌溉
    (1)作物有限灌溉需要多少水何时灌溉效果最好
    以典型半干旱地区的定西为例。这里年降水量420mm。春小麦生育期降水占年降水量的53％，非生长季降水作为底墒用于春小麦生长占同期降水量40％，因此，对春小麦的总供水量为420×53％＋420×47％×40％＝301mm。1961～1990年春小麦平均需水量为357mm(330～380mm)。平均水分亏缺56mm，合37方/亩。考虑到有限补偿灌溉的性质，以及传统水土保持措施的作用，实际供水量应有所减少，但考虑到降水的保证率问题，补充水量还应有所增加。因此，每亩30～40方补充供水在不采取特殊节水灌溉措施的条件下就可以基本满足春小麦需水，实现稳产高产。
    表1是近年来进行有限灌溉的优化方案［6，11，12］。玉米增产远远高于小麦。但在集水和地膜覆盖技术引进之前，由于苗期严重缺水且积温偏低，玉米基本不能成熟或产量极低。引进集水和地膜覆盖技术使玉米雨热同季的优势得到了充分发挥，表现出良好的产量优势。春小麦也表现出了突出的增产效应。另外还需要指出的是，灌溉水的利用效率远远高于世界先进国家的水分利用效率，表明补充灌溉具有巨大潜力。表1所列数据都是最高产的实验处理，这个最优时期每年都有较大差异，表明最优灌溉时期的管理是非常复杂的。お?

    表1有限补充供水的增产效果

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    (2)增产作用显著
    集水有限灌溉技术同有效的农业技术相结合，在试验点上粮食产量成数倍增加，刺激产生了新的高效作物生产系统，经济植物产量和质量也有大幅度提高，显示出了十分诱人的发展潜力。甘肃省榆中县中连川村试验点1966年建成集水窖30眼，蓄水容积525方，落实农田集雨灌溉田25亩，种植经济作物62亩。粮食亩产由原来的50多公斤增加到400公斤。榆中县李家岘村村民张世贵一家粮食就达到5000公斤，折现金5000多元，平生第一次和乡亲们吃上了自己种的蔬菜。甘肃的定西县馋口乡南二十里铺村利用山洪和部分道路集水，发展高效农业，已建成的24个日光温室种植蔬菜，春节前上市，效益好的温室收入可达6000元左右，一个季节就可收回成本。原来“生在石板坡，住在石板坡，一天不下雨，人畜无水喝，一场暴雨下，遍地是沟壑”的河南卫辉市道士坟村，利用集水滴灌技术，粮食亩产由原来的191公斤增加到366公斤，不仅彻底结束了长年吃国家返销粮的历史，而且开始向国家交纳商品粮，交粮总量逐年增加，在集水基础上开始发展养殖业和小型加工业，经济效益逐年大幅度提高。我们在半干旱地区自然条件基本为最差的甘肃省榆中县中连串乡李家岘村扶持的示范基地，多年降水量仅350mm，海拔高度2375米，年平均气温5℃，无霜期仅100天左右。在1995和1997年特大干旱年小麦和玉米带田种植每亩产量达300公斤以上，而在非示范点上基本绝收；1996年（丰水年）亩产达到近450公斤，并且当地农民从有史以来第一次收获到自家种植的青椒和茄子等新鲜蔬菜。在热量条件较好的地区所产生的效益更明显。
    (3)以集水技术发展农业的基础
    在黄土高原典型半干旱地区，降水在下垫面的分配比例大致是20～25%用于第一性生产，10～15%形成径流，水土流失，60～75%为无效蒸发［11］。在这里，形成径流和无效蒸发的水分实际上就是集水农业的主要利用对象，可集水量丰富。本地区人均耕地高于全国水平，利用一定的可耕地或荒地修筑集水面或田间微型集水工程是完全可以实现的。黄土高原缓坡丘陵的地形是大自然赐予的天然集水面，稍加修饰即可用来集水，较大的地势差可为自流灌溉提供可能。同时，还可利用道路、场院、庭院等场所进行集水。深厚的黄土母质为降水的集存创造了良好的条件。频率较高的大(暴)雨又可提高降水的富集效率。大范围的低产现状和很低的大气湿度有利于提高有限供水的增产效益和水分利用效率。同时，传统水土保持措施已经相当完善，为集水农业的发展奠定了良好的基础条件。在技术上西北老百姓有上千年的水窖集水经验，再加上现代科学技术，构筑速度加快，质量提高。节水灌溉措施的实用化，市场经济的活跃为实现商品利润奠定了基础，为资源优化组合和顺利走向市场创造了条件。
    半干旱和半湿润易旱地区以修筑梯田和小流域综合治理为代表的长期的农田基本建设也取得了巨大成绩，仅甘肃省就已修成2000多万亩梯田。梯田修筑地区正是集水农业的适合发展地区，因此，这也为发展集水农业创造了良好的基础条件。
    三、集水型生态农业的发展
    集水农业仍然属于旱地农业范畴，它与传统水土保持型农业的根本区别在于：后者主要是被动地接纳天然降水，在时间和空间上缺少主动调节能力，在以高降水变率著称的半干旱地区，遇到干旱季节和干旱年份就显得无能为力，而这种情况出现的频率又较高;集水农业所突出的就是降水在时间和空间上的可调性，利用存储的降水实现对水分利用的主动调节，以主动抗旱策略解决降水供需错位和提高有限环境中的资源丰度问题，实现环境效益、经济效益和社会效益共同提高。
    集水农业背景下人们对水肥热条件的控制能力增强，可以根据需要创造出多种不同的水肥热组合，这就为引入各种价值较高的经济植物创造了条件。黄土高原，特别是半干旱地区，由于昼夜温差大，光照条件好，有利于光合产物的积累，这是较大幅度提高产品质量和产量的有利条件。因此，发展高价值经济植物，提高整个农业生产过程的经济效益，由传统水保型农业的无能为力变为集水农业大有可为，为整个农业和农村发展注入新的活力。
    黄土高原半干旱区畜牧业一直占有较强的优势，大量研究都已经指出应当发挥这种优势。然而，随着时间的推移和人口的增加，粮食生产和畜牧业生产争地的矛盾却日益突出。在集水农业中，由于粮食单产大幅度提高，种植面积即可相应减少，又由于高价经济植物的引种栽培，较大幅度地提高经济效益，这就为退耕还牧、调整和优化产业结构创造了较为宽松的前提条件，在市场经济的推动下，农民可以自发地优化产业结构。可以预见，集水技术的引进作为旱地农业一个新的生长点，将在经济效益、社会效益和生态效益三方面协调发展，对黄土高原半干旱区整个农业和农村发展起到重要的推动作用［9，10］。
    四、集水技术对流域水分平衡的影响
    集水技术的广泛应用与黄河下游的关系是很多人关心的一个问题。有人担心，农业集水技术的长足发展可能会加剧黄河断流。但是，我们应当认识到，集水农业在集水期间正是黄河可能发生洪灾的时期，集水可以减轻洪峰压力，降低对下游的洪涝威胁。春季正是农业用水高峰期间，引黄灌区大量从黄河提水灌溉，造成黄河断流。而集水农业正是在此时释放水窖存水。如果集水农业搞得好，可以大量释放存水，就可以减轻引黄灌区对黄河水的提灌压力，从而有利于解决黄河断流问题。如果沿黄经济区在雨季也能大量蓄积天然降水，并提高水的重复利用率，同样可以大大缓解对黄河水的压力，在各种集水、蓄水、节水和提高水的重复利用率等措施到位并充分发挥其作用的前提下，将有可能最终解决黄河断流问题。因此我们认为，集水技术的应用不仅不会加重黄河断流问题，相反，还可能为最终解决这一问题作出重大贡献。

    参考文献
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