劉 振,寧堂原

(山東農(nóng)業(yè)大學,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物水分生理與抗旱種質(zhì)改良重點實驗室,山東 泰安 271018)

1 黃淮海地區(qū)小麥、玉米等糧食生產(chǎn)情況

黃淮海流域包括北京、天津和山東三省(市)全部、河北和河南兩省大部,以及江蘇和安徽兩省淮北地區(qū),這一地區(qū)的人口、國內(nèi)生產(chǎn)總值、工業(yè)總值、有效灌溉面積、糧食產(chǎn)量均約占我國的1/3,是我國重要的經(jīng)濟區(qū)和糧棉油主產(chǎn)區(qū),在我國國民經(jīng)濟與社會發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位。該地區(qū)土地面積約占全國總土地面積的6.3%,耕地面積約占全國總耕地面積的28.8%,糧食總產(chǎn)量約占全國糧食總產(chǎn)量的29.8%。其中小麥播種面積和總產(chǎn)量分別為1.7×107hm2和1.1×108t,分別約占全國的71.3%和79.1%;玉米播種面積和總產(chǎn)量分別為1.3×107hm2和7.8×107t[1]。該區(qū)是全國糧、棉、油生產(chǎn)大縣分布最集中的地區(qū)。

總體看,2011—2020年間,黃淮海地區(qū)的有效灌溉面積、糧食播種面積、糧食總產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值均呈現(xiàn)出穩(wěn)定持續(xù)增長趨勢。2011年黃淮海平原有效灌溉面積為2.2×107hm2,到2020年增加了10.2%(圖1);2011年黃淮海平原糧食播種面積占全國的32.2%,糧食產(chǎn)量占全國的34.9%,到2020年糧食播種面積和糧食產(chǎn)量分別占到了33.0%和34.6%(圖2、圖3)。黃淮海平原2020年比2011年糧食播種面積增加了5.9%、糧食產(chǎn)量增加了17.1%,10年間糧食平均產(chǎn)量為2.3×108t。2011年黃淮海平原農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值為1.4×1012元,占全國的35.8%,2020年黃淮海平原農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值比2011年增加了51%,且占全國的30.4%(圖4)。

注：圖1～5數(shù)據(jù)來源于中國統(tǒng)計年鑒[2]Note：Figure 1～5 data from China Statistical Yearbook[2]圖1 黃淮海平原區(qū)有效灌溉面積(2011-2020)Fig.1 Effective irrigation area in the Huang-Huai-Hai Plain from 2011 to 2020

圖2 黃淮海平原區(qū)糧食播種面積(2011-2020)Fig.2 Crop sowing area in the Huang-Huai-Hai Plain from 2011 to 2020

圖3 黃淮海平原區(qū)糧食總產(chǎn)量(2011-2020)Fig.3 Total grain yield in the Huang-Huai-Hai Plain from 2011 to 2020

圖4 黃淮海平原區(qū)農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值(2011-2020)Fig.4 Gross output value of agriculture in the Huang-Huai-Hai Plain from 2011 to 2020

2 黃淮海地區(qū)水資源狀況與利用情況

由于農(nóng)業(yè)用水的需求矛盾一直比較突出,盡管黃淮海平原加大了節(jié)約用水力度,但仍在過度開發(fā)利用地表水、大量超采地下水、不合理占用農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水以及使用未經(jīng)處理的污水,造成目前黃河下游斷流頻繁、淮河流域污染嚴重,海河流域基本處于“有河皆干”和地下水嚴重超采的局面[3]。黃淮海平原地區(qū)淺層地下水位在近30年間下降10.2 m,深層地下水位下降30.2 m,形成超過1.2 ×105km2的世界最大地下水開采漏斗區(qū)[4]。地下水超采帶來地面沉降、河道干涸、機井報廢、海水入侵等一系列生態(tài)問題[5]。黃淮海流域目前現(xiàn)狀為最小缺水量2.3×1010m3,預計2030年為3.2×1010～3.95×1010m3。黃河、淮河和海河三大流域的水資源開發(fā)利用率已分別高達67%、60%和>95%。水資源承載能力與經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾日趨尖銳,特別是海河流域由于地表水長期過量開發(fā)利用,平原河道長期干涸,被迫大量超采地下水,20年間已累計超采9.0×1010m3,造成地下水埋深大面積持續(xù)下降。黃淮海流域水資源的過量開發(fā)已導致河湖干涸、河口淤積、濕地減少、土地沙化、地面沉陷以及海水入侵等生態(tài)環(huán)境問題日趨惡化,嚴重制約經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展[6]。

黃淮海地區(qū)屬于溫帶季風性氣候,黃淮海平原區(qū)2011—2020年10年間平均降水量782.1 mm,降水變化比較顯著(圖5a)。降水可以滿足小麥-玉米需水的60%～70%,在山東省冬小麥-夏玉米生產(chǎn)中,全年耗水量625～750 mm,小麥季需要灌溉60～180 mm。黃淮海平原2011—2020年10年間平均水資源總量為 2×1011m3;2011年的農(nóng)業(yè)用水為9.3×1010m3,占當年水資源總量的47.2%,到2020年農(nóng)業(yè)用水為7.9×1010m3,占當年水資源總量的28.3%,2011—2020年平均農(nóng)業(yè)用水為8.5×1010m3,占平均水資源總量的41.9%(圖5b、c)。

圖5 黃淮海平原2011—2020年降水量、水資源總量和農(nóng)業(yè)用水量變化Fig.5 Changes in precipitation,total water resources and agricultural water consumption in the Huang-Huai-Hai Plain from 2011 to 2020

黃淮海地區(qū)灌溉面積占全國的42%,農(nóng)業(yè)用水約占總用水量的70%[3],而水資源量不到全國的8%,水資源嚴重緊缺。地下水是黃淮海平原農(nóng)業(yè)灌溉的重要來源[7]。除此之外,黃河流域在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中占據(jù)重要位置,引黃灌溉對穩(wěn)定黃淮海平原地區(qū)糧食生產(chǎn)和保障我國糧食安全均具有重要意義。黃淮海平原是全國最大的自流連片灌區(qū),有效灌溉面積為1.6×106hm2[8],但該地區(qū)仍存在水資源浪費嚴重、灌溉效率不高等問題。

3 灌溉節(jié)水技術

我國在高效灌溉節(jié)水方面起步較晚[9],噴灌、微灌、低壓管灌已經(jīng)在我國農(nóng)田水利工程中得到了推廣和應用[10]。水資源緊缺是黃淮海地區(qū)農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟、社會發(fā)展的主要制約因素。農(nóng)業(yè)是用水最多的產(chǎn)業(yè),作物高效用水是提高水資源利用率的重要突破口。當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水資源浪費嚴重,灌溉水有效利用率僅40%。每立方米水的糧食生產(chǎn)能力只有0.85 kg左右,低于發(fā)達國家2 kg以上的水平。因此,黃淮海地區(qū)節(jié)水潛力大,發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和緩解水資源供需矛盾的根本措施。

灌溉方式提倡滴灌+深松土。該方法對玉米產(chǎn)量和水分利用效率有一定影響,灌溉水會通過地表徑流及深層滲漏而產(chǎn)生損失,深松改善了土壤理化性質(zhì),在噴灌條件下,結(jié)合深松可以提高深層水分保持能力,從而提高水分利用效率[11]。

滴灌是典型的高效節(jié)水灌溉模式[12],可以減少灌溉次數(shù)、降低土表蒸發(fā),進而提高水分利用效率[13],特別是將滴灌與覆膜技術相結(jié)合,可以明顯提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[14-15]。但是地膜殘留阻礙了土壤中空氣和水分的運移,對作物生長造成了負面影響[16],同時覆膜也會導致白色污染。淺埋滴灌被廣泛使用[17],與傳統(tǒng)畦灌相比,淺埋滴灌可顯著提高玉米籽粒產(chǎn)量和水分利用效率,是黃淮海地區(qū)夏玉米的最佳灌溉方式[18]。另外,定額灌水結(jié)合秸稈或地膜覆蓋也有利于改善土壤理化性質(zhì),促進作物生長[19]。

為響應國家節(jié)水行動,促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn),農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大力推廣水肥一體化、測墑節(jié)灌、噴灌、微灌、低壓管道輸水,為減少地下水開采,提高灌水利用效率,增加農(nóng)民收入起到了積極作用。根據(jù)流域自然條件,以小麥、玉米、馬鈴薯等糧食作物為重點,兼顧棉花、蔬菜、水果等經(jīng)濟作物,推廣膜下滴灌、微噴灌、集雨補灌水肥一體化模式。加大試驗示范力度,優(yōu)化水肥一體化設施設備配置,建立科學灌溉施肥制度,篩選水溶肥料等配套農(nóng)資,積極采用墑情監(jiān)測、自動控制、信息化、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術,實現(xiàn)水肥利用效率雙提高。華北地區(qū)小麥、玉米一年兩季,應用水肥一體化技術可每年節(jié)約地下水1 650 m3·hm-2,節(jié)約化肥(折純)19 kg·hm-2。水肥一體化技術可以節(jié)水節(jié)肥20% 以上,可使玉米、馬鈴薯、冬小麥分別增產(chǎn)約3 000、2 2500、1 500～2 250 kg·hm-2。

4 節(jié)水高效耕作制度

4.1 小麥+玉米熟制節(jié)水高效耕作制度

4.1.1 秸稈還田與高效耕作 試驗一：在山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學實驗站進行,采用溝壟種植方式,秸稈壟行和種植行分開,秸稈處理方式為壟作(R)和平作(F),灌水梯度為田間持水量的75%～80%(水分充足,CK)、65%～70%(輕度干旱,SD)、55%～60%(干旱,D)。研究不同水分條件下秸稈壟作和秸稈平作2種秸稈利用方式對土壤含水量和玉米產(chǎn)量的影響。由圖6可以看出,不同水分梯度下,在玉米產(chǎn)量表現(xiàn)為CK>SD>D基礎上,發(fā)生干旱情況下壟作較平作均有一定幅度增產(chǎn),即RD產(chǎn)量比FD增加5.7%、RSD比FSD增加4.6%。

圖6 灌水控制下壟作與平作秸稈還田方式對玉米產(chǎn)量的影響Fig.6 Effects of irrigation and straw return on maize yield

試驗二：基于山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學實驗站長期定位保護性耕作試驗,設置常規(guī)耕作無秸稈還田(CT0)、常規(guī)耕作秸稈還田(CT1)、深松耕作無秸稈還田(ST0)、深松耕作秸稈還田(ST1)、旋耕無秸稈還田(RT0)、旋耕秸稈還田(RT1)6種處理。結(jié)果表明,在0～10 cm土層中,旋耕土壤含水量高于其他處理,與常規(guī)耕作相比,深松和旋耕土壤含水量分別增加了4.5%和12.3%(圖7)。除40～50 cm土層外,深松處理其他土層含水率均高于常規(guī)耕作,而旋耕處理10～60 cm土層中,含水量均低于其他處理。除20～40 cm土層外,其余土層秸稈還田土壤含水量均高于無秸稈還田。0～10 cm土層中,秸稈還田比無秸稈還田土壤含水量增加9.0%,0～60 cm土層中,秸稈還田比無秸稈還田土壤含水量增加1.4%。

圖7 玉米拔節(jié)期和灌漿期耕作方式與秸稈還田下的土壤含水量Fig.7 Soil water content depending on tillage and straw return during jointing and filling stage of maize

2018—2019年2 a數(shù)據(jù)表明,CT0處理玉米產(chǎn)量和水分利用效率均最低,與其相比,ST1處理玉米產(chǎn)量增加了16.5%,為最高;ST0處理的水分利用效率比CT0增加了19.2%,深松處理對于玉米產(chǎn)量和水分利用效率提高效果最好(圖8)。秸稈還田處理下玉米產(chǎn)量和水分利用效率分別比無秸稈還田增加了7.0%和3.8%。

圖8 耕作方式和秸稈還田下的玉米產(chǎn)量和水分利用效率Fig.8 Maize yield and water use efficiency depending on tillage and straw return practices

針對黃淮海平原缺水地區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)效益偏低和地下水嚴重超采導致的生態(tài)環(huán)境問題,研究了冬小麥-夏玉米的適宜節(jié)水技術,為黃淮海平原輪作與輪耕結(jié)合的節(jié)水技術體系提供支撐。基于山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學實驗站長期保護性耕作定位試驗,設置耙耕/深松(HT/ST)、旋耕/深松(RT/ST)、免耕/深松(NT/ST)3種輪耕方式,小麥播種前深松與玉米免耕播種相結(jié)合,耙耕、旋耕等方式一般每2～3 a要結(jié)合一次耕翻,通過合理輪耕實現(xiàn)節(jié)水增效。在控制性灌溉條件下結(jié)合小麥、玉米季深松,也可以提高水分利用效率,同等條件下小麥、玉米均可增產(chǎn)10%以上[20]。深松處理較旋耕可以提高玉米產(chǎn)量和水分利用效率[21]。在黃淮海地區(qū),小麥播種前進行深松,冬小麥灌水2次,夏玉米視降雨情況灌水0～2次,可以實現(xiàn)增產(chǎn)節(jié)水的目的[22]。

4.1.2 高桿噴灌與深松相結(jié)合 為探究耕作方式對土壤水分利用特征及作物產(chǎn)量的影響,明確噴灌條件下的適宜耕作措施,基于山東省龍口市長期保護性耕作定位試驗,設置旋耕(RT)、深松(ST)、翻耕(CT)3種耕作方式,研究不同耕作方式在固定管道式噴管系統(tǒng)下土壤水分、冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響。結(jié)果表明,CT和RT處理冬小麥生育期內(nèi)累計灌水量分別比ST增加了6.1%和4.7%、總耗水量分別比ST增加2.7%和1.8%(圖9)。各處理產(chǎn)量和水分利用效率表現(xiàn)相同,CT和ST處理比RT處理分別增加了12.9%和10.6%(圖10)。

圖9 不同耕作冬小麥生育期內(nèi)灌水量和耗水量Fig.9 Cumulative irrigation and water consumption of winter wheat in different tillage practices

圖10 不同耕作方式下冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率Fig.10 Wheat yield and water use efficiency under different tillage practices

冬小麥生育期內(nèi),在同一土層中,不同處理0～40 cm土層含水量表現(xiàn)為ST>RT>CT,40～60 cm土層含水量表現(xiàn)為CT>ST>RT,ST和CT處理60～100 cm土層平均含水量較RT處理分別提高9.9%和3.7%。深松提高了深層土壤蓄水能力,ST和CT處理由于耕層較深,有利于冬小麥根系下扎,較RT處理有較高的土壤耗水量和水分利用效率;相較于RT處理,ST和CT處理水分利用效率分別提高7.4%和9.1%(圖11)。

圖11 不同耕作冬小麥生育期內(nèi)灌水后土壤含水量Fig.11 Soil water content after irrigation during wheat growth period under different tillage practices

4.1.3 肥水耦合 本試驗在山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學實驗站進行,設置無秸稈還田(M0)、秸稈還田(M1)、秸稈、牛糞混合還田(M2)3種有機物料溝埋,玉米開花后灌水450 mm(W1)和325 mm(W2)2個水平,研究其對玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響。結(jié)果表明,在灌溉量相同時,玉米產(chǎn)量和水分利用效率隨有機物料還田(秸稈還田、秸稈+牛糞)的變化趨勢一致。灌水量為450 mm時,W1M2比W1M0和W1M1的水分利用效率均增加了3.5%。灌溉量為325 mm時,W2M2比W2M0和W2M1的水分利用效率分別增加了4.1%和3.5%。有機物料還田處理下,W2提高了水分利用效率(圖12)。因此,正常灌溉的玉米產(chǎn)量高于節(jié)水灌溉,但是節(jié)水灌溉提高了玉米的水分利用效率。

圖12 有機物料還田和灌水量對玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響Fig.12 Effects of organic materials and irrigation on maize yield and water use efficiency

設置玉米生育期無灌水(W0)和灌水85 mm(W1)2個灌水水平,并設置不施尿素(N0)、施常規(guī)尿素75 kg·hm-2(N1)、施常規(guī)尿素150 kg·hm-2(N2)、施控釋尿素75 kg·hm-2(CN1)、施控釋尿素150 kg·hm-2(CN2),研究對玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響。結(jié)果表明,相同水分條件下,施氮可以提高玉米產(chǎn)量和水分利用效率(圖13)。無灌水條件下,玉米產(chǎn)量平均比W0N0增加26.5%,灌水后平均增產(chǎn)21.3%。同一類型施肥,增施氮肥可以提高產(chǎn)量和玉米水分利用效率。施氮量相同時,灌水降低了水分利用效率,控釋尿素處理下產(chǎn)量和水分利用效率均要高于常規(guī)尿素處理。

圖13 不同灌水量和尿素施用對玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響Fig.13 Effects of irrigation and urea application on maize yield and water use efficiency

4.1.4 測墑補灌 在山東省氣候條件下,在作物生長的關鍵時期,0～40 cm土層的目標土壤相對含水量為田間持水量的70%,測墑補灌即根據(jù)此進行設置。設置無灌水(W0)、定量灌水60 mm×2次(W60)、測熵補灌(Ws)3種灌水量,結(jié)果表明,2011—2012年間,測墑補灌處理的灌水量比定量灌溉處理降低57.7 mm、籽粒產(chǎn)量提高10.7%、水分利用效率提高19.5%;2013—2014年間,測墑補灌處理的灌水量比定量灌溉處理降低43.4 mm、籽粒產(chǎn)量提高5.9%、水分利用效率提高13.0%(圖14)。

4.2 春播作物覆蓋節(jié)水耕作制度：花生、馬鈴薯等地膜覆蓋節(jié)水增產(chǎn)技術體系

試驗一：在山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學實驗站進行,以花生(‘花育22號’)為研究對象,設置不覆膜(N0)、普通地膜覆蓋(CK)、4種生物降解地膜(T1：100% PBAT、0%淀粉,T2：90% PBAT、10%淀粉,T3：85% PBAT、15%淀粉,T4：80% PBAT、20%淀粉),研究不同地膜覆蓋對花生產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明,2013年,T1、T2、T4處理分別比CK處理減產(chǎn)8%、5.8%、9.2%;2014年分別比CK處理減產(chǎn)9.1%、4.6%、8.5%,T3處理較CK處理略有減產(chǎn),但差異不顯著(表1)。

表1 不同生物降解地膜對花生產(chǎn)量的影響Table 1 Effects of different biodegradable films mulching on yield of peanut

花生覆膜20 d后,覆膜處理0～40 cm土層含水量均高于不覆膜處理(圖15)。花生覆蓋生物降解地膜在前期能與普通無色地膜一樣具有保墑效果。隨著時間推移,生物降解地膜開始降解,保水性逐漸下降,在覆膜后40、60、120 d,生物降解地膜覆蓋下土壤含水量均低于普通無色地膜。后期降雨增多,生物降解地膜破裂同樣有利于水分入滲,覆膜后80 d和100 d,覆蓋生物降解地膜土壤含水量均高于普通無色地膜,此時覆膜處理均低于不覆膜處理。

圖15 不同地膜覆蓋對花生0～40 cm土壤含水量的影響Fig.15 Effects of plastic films mulching on soil water content at the depth of 0～40 cm

試驗二：2013、2014和2015年設置馬鈴薯覆膜試驗,以普通地膜作為對照(CK),設置黑白配色地膜(BW)、生物降解地膜(BD),對馬鈴薯不同生長時期0～10 cm土層含水量和馬鈴薯產(chǎn)量進行測定。結(jié)果表明,隨著薯塊初成(PF)、薯塊膨大(PB)、淀粉積累(SA)到成熟(PM)的過程,土壤含水量呈現(xiàn)下降趨勢,CK處理土壤含水量相對較高(圖16)。生物降解地膜進入馬鈴薯淀粉積累期后破損率較高,利于土壤蒸發(fā),土壤含水量明顯降低。2013年和2015年降水較多,土壤表層含水量整體均較高。2014年降水不足,土壤含水量均較低。黑白配色地膜可以維持較高的土壤含水量,在干旱年份保墑效果較好,這對于抗旱更加重要。

圖16 不同地膜對0～10 cm土壤含水量的影響Fig.16 Effects of different films mulching on soil water content in the 0～10 cm soil layer

2013和2014年覆蓋黑白配色地膜的馬鈴薯產(chǎn)量分別比CK增加了6.2%和8.2%(圖17),2014年生物降解地膜馬鈴薯產(chǎn)量增加了7.1%,2014年馬鈴薯產(chǎn)量明顯低于2013年和2015年,黑白配色地膜是最有利于馬鈴薯產(chǎn)量提高的地膜覆蓋方式。

圖17 不同地膜對馬鈴薯產(chǎn)量的影響Fig.17 Effects of different films mulching on potato yield

5 黃淮海平原缺水灌區(qū)耕作制度發(fā)展方向與技術需求

以小麥-玉米兩熟用水控量增效為核心目標,生物節(jié)水與農(nóng)藝節(jié)水相配合、土壤增蓄與節(jié)水灌溉相協(xié)調(diào)、農(nóng)藝農(nóng)機相融合、重點突破與集成創(chuàng)新相結(jié)合,最終形成小麥玉米兩熟制節(jié)水高效耕作制度并標準化,并在農(nóng)業(yè)合作社等新型農(nóng)業(yè)規(guī)?；?jīng)營主體中建立高標準樣板田,在穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的基礎上實現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水總量控制和可持續(xù)利用。

5.1 節(jié)水種植制度

建立節(jié)水高產(chǎn)的小麥、玉米鑒定或篩選標準,定向培育節(jié)水高產(chǎn)品種,篩選耐旱節(jié)水豐產(chǎn)高效品種,集成創(chuàng)新麥玉兩熟制節(jié)水高效耕作制度,形成相應技術規(guī)程,提高作物年產(chǎn)量,減少灌溉定額,提高水肥利用效率。對耐旱品種進行節(jié)水型保護性耕作,發(fā)展節(jié)水高效耕作技術,挖掘農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力。以年周期節(jié)水高效為目標,統(tǒng)籌降水與灌溉水利用,建立小麥季以增蓄降耗為目標的深松與秸稈表層還田技術體系,玉米季則建立以增滲降耗為目標局部深松與殘茬覆蓋的技術體系,充分挖掘降水的利用效率,并實現(xiàn)玉米季蓄水后用。建立不同類型土壤耕作制度,肥沃耕層,提升土壤肥力,增強蓄水保墑能力,降低水資源的消耗。進行耕作制度優(yōu)化：將節(jié)水抗旱作物或品種引入耕作制度(建立輪作節(jié)水高效制度);建立種植制度與養(yǎng)地制度相結(jié)合的節(jié)水高效耕作制度(輪作、輪耕、秸稈還田、有機培肥、噴灌水肥一體化);農(nóng)藝與農(nóng)機配套;周年統(tǒng)籌;自動化測墑灌溉。

5.2 智慧耕層構(gòu)建

隨著信息技術的飛速發(fā)展,智慧耕層構(gòu)建已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要措施。智慧耕層就是通過耕層構(gòu)建最大限度地發(fā)揮耕層對肥水的動態(tài)提供能力與作物需求的同步性,以減少外來資源的投入。智慧耕層構(gòu)建的主要思路,一是調(diào)整有機質(zhì)含量及其在耕層中的分布,構(gòu)建“海綿耕層”,提升不同深度土層差異固碳蓄水,滿足不同土層作物根系水需求;二是通過有機質(zhì)作為碳源與外源菌劑、土壤土著微生物聯(lián)合調(diào)控,實現(xiàn)耕層的動態(tài)調(diào)控,以滿足不同時期水分的蓄積與利用。最近我們提出了物理、化學與生物深松相結(jié)合的新深松耕作體系,以減少物理深松、合理化學與生物深松相結(jié)合,建立新型的耕作體系,實現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)調(diào)控、固碳減排與節(jié)水高效的協(xié)調(diào)[23]。

5.3 作物-環(huán)境耦合

作物生長受到外界環(huán)境如光、溫、水、肥、氣、熱等因子協(xié)調(diào)作用。尋求最佳的環(huán)境條件控制,對作物生長和產(chǎn)量的提高至關重要。水肥氣耦合是一種新型的精細化滴灌技術,能夠定時定量補充土壤水肥,可以有效緩解根系通氣狀況,促進作物吸收水肥,保證高效高產(chǎn)[24]。黃淮海地區(qū)水資源緊缺,在節(jié)水的前提下,可以將水與肥料配合施用,實現(xiàn)水肥一體化高效利用;另外可以通過對黃淮海平原作物灌溉需水定性估計耕地生產(chǎn)潛力,并制定相應增產(chǎn)措施,評估作物灌溉需水與耕地生產(chǎn)潛力的耦合關系。

在作物與環(huán)境耦合方面,一是要盡量調(diào)控環(huán)境以適宜作物的包括水肥氣熱光等在內(nèi)動態(tài)的、差異化的環(huán)境需求,如創(chuàng)造不同土層不同時期肥水的動態(tài)變化,以與作物根系活性吸收深度相匹配;二是在育種方面應選育更加適合當?shù)氐淖魑锲贩N,最終做到作物與環(huán)境互適。作物與環(huán)境結(jié)合可以在現(xiàn)有測墑補灌的基礎上再創(chuàng)新,如測墑定位補灌、測苗施肥、動態(tài)肥水等等,實現(xiàn)環(huán)境與作物信息的準確獲得與高精度管理。

5.4 氣候智慧型農(nóng)業(yè)

目前,氣候變暖和降水異常嚴重影響著我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展,而氣候智慧型農(nóng)業(yè)就是運用氣候適應性技術應對糧食安全、氣候變化和溫室氣體排放三重挑戰(zhàn)的綜合方法,是一種智慧的全新農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。氣候智慧型農(nóng)業(yè)通過農(nóng)業(yè)系統(tǒng)技術和模式等方面的綜合創(chuàng)新,提高應對氣候變化的能力,減少農(nóng)業(yè)用品投入和溫室氣體排放,增加農(nóng)田碳儲量,確保農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收[25]。我國正處于由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向氣候智慧型農(nóng)業(yè)過渡的時期,缺乏實踐基礎和清晰的發(fā)展目標。增強農(nóng)業(yè)對氣候變化的適應能力是保障國家糧食安全、減緩氣候變化、保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略,目前有很多新技術和新方法被應用到氣候智慧型農(nóng)業(yè)中,比如耕作技術、遙感技術、作物模型,為科學研究提供了一定技術支持。氣候智慧型農(nóng)業(yè)的發(fā)展應根據(jù)不同地區(qū)的氣候特征進行相應的布局,要增強相應地區(qū)的適應能力。我國在主要的水稻生產(chǎn)區(qū)域集合了秸稈全量還田、條帶旋耕等保護性耕作,化肥定位深施等精準施肥以及浸潤灌溉等為一體的稻作新模式,構(gòu)建了適合我國的氣候智慧型發(fā)展模式。在黃淮海平原地區(qū),則需要建立氣候智慧型農(nóng)業(yè)試點示范區(qū),根據(jù)當?shù)鼐唧w的氣候以及現(xiàn)實條件,選育高產(chǎn)、養(yǎng)分高效利用、抗逆性強的優(yōu)質(zhì)種子;使用節(jié)水、農(nóng)藥化肥減量提效技術,綜合利用農(nóng)田廢棄物(秸稈、農(nóng)膜、畜禽糞便等),因地制宜發(fā)展適應本地區(qū)的特色技術模式和產(chǎn)業(yè)。