延安市旱作梯田水分有效保持与高效利用技术

刘 隆，李 慧，李 浩

(陕西省地质矿产实验研究所有限公司，陕西 西安 710061)

1 引言

粮食安全作为一个全球性话题，受到国际社会的广泛关注由来已久。而造成粮食供给压力的因素不单是人口数量的增加，还表现在生产要素、结构变动等多个方面。在农业生产领域，随着水资源的开发利用，灌溉面积的继续扩大已经接近极限，必须十分重视旱地增产技术的改进。延安地区正处在黄土高原的半干旱地带，不但水资源紧缺，而且土质疏松，浅层土壤水分容易蒸发流失，而湿润的土壤层却很深，很难被作物吸收利用，加之在长期粗放式的开垦中造成的水土流失和植被破坏使得该地区的自然环境特征更加明显，属于生态环境脆弱地区。处在雨养农业区的延安地区，应加大坡改旱作梯田建设投入，不仅能提高粮食产量，还可以改善区域生态环境。

在旱地梯田在各地体现出强大优势的同时，长期同自然环境抗争的黄土高原地区的人民已经积累了丰富的水平梯田的实践经验。而延安地区目前的农业形势决定其坡地改梯田应把水土保持、水资源高效利用和发掘并提高作物抗旱潜力和能力作为未来旱作梯田农业的发展方向。

2 延安地区概况

延安地区坡耕地较多，其中60%是耕层浅薄而且保持水分和肥力较差的，这种土地易形成地表径流和水土流失。而坡耕地的坡度也在很大程度上影响了其土质条件，如肥力，水分含量等。根据水土流失(水蚀)评价指标体系的标准，大于15～25°坡面就能引发极严重水土流失[1]。在延安水土流失严重的地段坡度大于25°的坡耕地占总面积的40.3%，根据水土侵蚀对粮食产量的影响估算，延安地区坡度大于15°的坡耕地每年损失粮食产量高达1.43×105kg。延安土地干旱贫瘠，但是其自然降水量和土壤条件仍然可以允许农业生产的发展。为保证本地区粮食生产的蓬勃发展，就必须把治理水土流失和有限的自然降水的有效保持和高效利用有机的结合起来。因为这不仅是延安局部地域的问题，而且也是中国西部大开发策略中改善生态环境的重要内容。

3 旱作梯田的优越性

与水平旱作梯田相比，传统的坡耕地有以下不利条件：第一，地形复杂，在耕作、灌溉、运输方面造成很大的困难，更不利于机械化耕作的实现。第二，坡势较陡，极易形成强劲的地表径流，冲刷土层，摧毁作物，导致粮食减产。旱作梯田的优越性在于不仅避开这些不利因素，还解决了由于水土流失而引发的农作物根部土壤水分与养分的流失转移并在底部发生富集现象。通过对坡耕地的底部泥沙的分析，其水分和养分含量都明显的高于同一地块耕层的对应水平，而研究表明这些水分与养分流失都发生在农作物生长发育和产量形成阶段。另一方面，在坡耕地发生湍急的地表径流很多也在作物生长的高峰阶段，严重地影响农作物的正常生长。根据我国科学院对安塞地区的考研调查，可以估算出由于水土流失引起各种植物减产情况。

表1 坡耕地水土流失对农作物产量影响

表1数据表明，延安地地区水土流失导致了严重的粮食减产，同时也体现出其粮食生产有很大的潜力。所以，解决水分和养分流失和地表径流等问题，加大坡地改水平梯田投入，应是今后延安地区农业生产中的主要发展方向[2]。

4 水资源保持技术

梯田不仅可以保持水土，防止养分富集和流失，而且在水资源保持方面也有广阔的发展前景。延安地区的梯田耕地是传统的雨养农业区，对自然降水依赖性极高。实现本地区的生态环境的改善和粮食单产量的提高，可采取以下几种途径：第一，提高农业耕作中机械应用水平，尽可能人工补充灌溉；第二，按照当地资源配置和经济实力以及农户的承受能力，研究耕地土壤高效保水技术，提高自然降水的利用率。由于延安地处半干旱地区，且坡耕地较多，因此控制水土流失，保护并高效合理利用有限的降水更是改善本地区生态环境、提高粮食产量的有效途径(表2)。

表2 各项水资源保持方法的影响

4.1 控制水土流失

陕北地区年际和年内降水分布不均，在作物生长和形成产量时节降水极少，严重影响产量提升。再者，地形原因也使得集中性的降雨造成大量降雨在地表形成快速径流，冲刷作物并使大量表土随水流失,大量的营养元素也无效流失，自然降水的利用率低。

控制水土流失可采取在梯田的高处种植能够涵养水源的经济树木或者作物如果树，谷子等，既合理高效的利用了土地，又改善了土壤环境。研究表明归一化植被指数NDVI[8]达到0.6时，土壤的含水量达到最高。河北省燕山山脉低丘陵地区，在水平梯田上挖埯条田，埯田种玉米，条田种高粱，谷子等[3]。这些措施简单、便捷，能够有效地控制水土流失并且可延缓土壤供水时间。延安与燕山低丘陵地区气候，地理条件相似，可种植的经济作物也很丰富。在延安燕沟试验基地，经过有效的控制水土流失后，粮食单产量有了明显的提高。试验基地的粮食生产具体调查结果见表3[2]。

表3 1998年延安燕沟试验基地粮食单产量调查结果

燕沟实验基地的调查数据显示出保持水土，减少水土流失对粮食增产潜力的实现和粮食单产量的提高的有重要意义，同时又解决了退耕还林和粮食生产间的矛盾。

4.2 提高降水的利用率

制约延安梯田农业的发展不仅有水土流失，粮食作物缺水也在很大程度上影响着粮食增产。延安地区年内降雨异常不均，集中性的降雨很容易形成湍急的径流，不但冲毁了作物，而且大部分的降水以细流的形式流入到坡底，汇入河流，作物对降雨的利用率相当低，然而在作物生长旺盛时节降水极少。可行性较高的方法是开挖蓄积雨水和雪水的沟池，变无效降雨为有效储水灌溉。同时，建成的蓄水窖或者设施必须铺设防渗漏的材料以及减少蒸发等设施。虽然可收集的水量有限，但在干旱，半干旱地区提供了有利的条件，尤其在春耕和夏旱时节储水池的效果更直观明显。河北省青龙县的实践表明，储水窖储水达100～200 m3，可满足第二年春耕1.67 hm2旱地的播种用水[4]。延安的地理气候和降雨特性使修建蓄水设施更为紧迫，不仅在春季播种时节保证作物正常生长，还可在产量形成时进行适当的灌溉，经推广建立后延安粮食生产必创佳绩。

相对作物需水量，坡改梯田上的蓄水量是很少的，而作物的不同生长阶段对水分的需求程度和干旱的敏感度也会有明显的差异，所以要在了解作物的需水规律情况下，制定合理科学的灌溉计划，充分发挥有限水资源的效益，收获其最大的经济效益。近年来的一些地区的旱作田的蓄水补充灌溉试验表明只要在最佳的灌溉时期内，灌溉量适当合理，效果非常显著。其中间歇，周期性的涌灌技术在陕西各地的实践应用表明其不但节水，而且效率高。涌灌与连续灌溉灌水质量比较见表4[5]。

表4 涌灌与连续灌溉灌水质量比较

延安属于半干旱地区，在利用蓄水灌溉时既要节约灌溉用水，又必须注重提高水分的利用效率，争取创立陕北梯田高产先例。

为进一步提高降水的综合利用率，必须把山作为整体，做区域综合规划，如山顶种植经济果树，保持水土涵养水源，山腰水平梯田与储水设施相间开，提高雨水采集率。同时也要协调好扩大蓄水量与土方工程造价的矛盾，实现生态环境改善与产业经济提高的双重目标。

4.3 提高作物对土壤水分利用率

植物从土壤中吸收的水分只有1%被利用转化成植物细胞组织，99%经过植株进入大气，每公顷生长的植物每天可蒸腾9400 kg的水。黄土地的土质疏松，空隙度大，地表蒸发的水分所占比例更大，而深层水分不易被植物吸收利用。因此，延安地区的坡耕梯田在提高降水采集率的同时还要重视梯田农作物对土壤水分的利用率，从而达到增产、高产的目的。以肥培水，地膜覆盖等技术方法对保持土壤水分都有显著的效果(表5)。

表5 土壤水分高效利用技术及影响

4.3.1 以肥培水

长期农业耕作经验和生物原理表明土壤中有机质等营养物质含量与植物吸收水分的能力和利用率有密不可分的关系。研究表明：土壤肥力越强，植物对土壤中水分利用率越高。以肥培水的关键在于根据土地特性和作物生长特性，适合并适量的配给土壤所需的各类营养物质，发挥肥力的最大效应，汲取更多水分。延安境内地表含水相对少，土壤作物需水必须从根系土壤中汲取。耕作实践证明适当施加有机肥，可促进植物根系的生长，增加根的数目，根系的穿透土壤的力度也会加强，根系可伸展到更深，吸收深层水源，达到保墒目的。有机肥施加量对小麦的水分利用率影响可见表6[6]。

表6 有机肥对小麦水分利用率的影响

注：* “-”表示降低，“+”表示升高

研究表明：人、畜 、禽粪是有机质含量极高的一类有机肥。延安地区地缘广阔，人口多，种植作物繁多，家畜、家禽养殖也多，应改变以往粗放式做法，按照科学的方法堆肥，增加堆肥的有机质含量，同时加大玉米等秸秆堆肥还田，改广种薄收为培改高产田，提高粮食单产量，退坡地为林地，扩大退耕还林面积，改善生态环境。

4.3.2 地膜保水技术

在干旱半干旱和缺少水资源的地区的农业生产中不仅要注重作物吸收土壤水分的能力，更值得被重视的是减少土壤水分的无效流失。各地的生产经验表明采用0.002～0.02mm地膜覆盖可有效地切断土壤蒸发与大气之间的通道，从而使水分在土壤与地膜之间流动，即使附着在地膜下表面的水也会再次回滴在土壤中。不仅如此，与裸地相比，膜覆盖地土壤温度和二氧化碳的浓度可高出405.9%。在太行山地的地膜覆盖耕地的可耕作土层的含水量显著的提高，更显示出地膜技术的增产作用。

地膜覆盖技术有效地解决浅土层水分的无效流失，同时作物生长环境中有充足的二氧化碳和所需温度，直接促进了产量的形成和提高(表7)[7]。

表7 地膜覆盖地与裸地对比

其次，地膜覆盖技术可发展膜下滴灌技术[8]即在降雨量极少的季节，以少量的水从膜孔或者苗孔漫流至土壤，实现少水湿润，满足各个生长期的需水需求的节水抗旱技术。从苗孔直接流入，可使水分较大程度的进入作物根系土壤，土壤湿润度升高使细菌生长活跃和有机质含量的升高，根部生长加快，从而间接的提高了水分利用率。实践表明这项技术可以节省30%水分，水分利用率提高40%～50%以上，如此就可以少量的水，也就是少量的劳力，获得较高的粮食产量。

4.4 因地制宜，发掘并提高抗旱潜力和能力

延安地区地理和气候决定其粮食增产方向不仅要“保水”，还必须考虑植物的生长特性，以求农作物与土壤环境更适宜。延安的耕地土壤贫瘠疏松，浅层土壤中的水分容易被蒸发至大气中，虽然深土层有强大蓄水能力，但农作物难以吸收利用之，以致影响粮食单产量增加。现代旱作梯田农业对改造土壤环境和不同农作物的生长特性的研究，运用科学技术，提高作物的抗旱能力，将对作物生长和粮食增产产生重大影响。

传统的农业生产经验表明:不同的农作物对土地的适宜度不同，抗旱潜力也会大不相同，相应的产量也会有差异。传统梯田种植的都是普通谷子，大豆，绿豆，马铃薯等作物，耐旱能力一般，而现代农业中，生物基因工程创造出了各种改良旱作品种在实践中取得了理想的效果。如在延安市燕沟试验地中选育出的玉米品种陕单931，与先前的农大60或者中单2号相比，成熟时间早，抗旱能力强，对其他的病虫的抵抗力也大幅提高，成熟后穗大，产量高(表8)[2]。

表8 陕单931与农大60、中单二号产量比较

与此同时，谷子豫谷二号、绿豆中绿一号、大豆的铁丰27、马铃薯的克新一号等品种的成功选育，发挥了抗旱节水的优势，在多地推广普及使旱田产量和经济效益获得大幅提高。

4.5 采取最佳的耕作方法

选育出的作物种子拥有了“先天”优势，“后天”的科学耕作将对粮食产量形成起到决定性的作用。在作物整个生命周期中，采用正确耕作方式对农作物的成活和生长都有重要意义。在半干旱的延安地区采取科学的耕作方式，如保墒，深耕等，可实现土壤水分的高效利用，对梯田农业建设发展有重要意义(表9)。

表9 不同耕作方法及产生效果

4.5.1 合理保墒

农作物种子的正常萌发是植株生长和粮食产量形成的先决条件，而土壤水分对种子萌发非常关键。在春耕之前，土壤中水分含量相对较高，而大气温度回升后，土壤中的水分就可经土壤毛细气孔蒸发至大气中，造成反浆现象。所以，在土壤解冻之前，疏松浅层土壤，破坏毛细气孔，阻止地表水反浆蒸发而无效流失在大气中，如此不但充分保护了土壤水分，还提高了水资源的利用率。在秋季，农作物收割完成，采取施加有机肥后再次进行深耕的措施后，土壤有效蓄水量会更高。一般来讲，简单深耕不施肥时，在0～60 cm有效蓄水量为16.1 mm，而施肥后却高达28.6 mm[9]。

4.5.2 深耕作业

陕北地区，地表水分的含量很低，播前保墒的应用也不能充分满足幼苗发育的正常需水。在春季，延安地区的梯田耕作都以家畜拉犁为主，而传统的拉犁耕层较浅，不但不能充分地利用土壤中水分，而且也对植物的成活率造成消极影响。而应用机械深耕或者耕层较深的犁进行春耕，可最大限度利用的土壤水分，满足种子或幼苗需水。通过对玉米的穗部性状分析，浅耕区穗长和穗重比深耕区的差[10]，从而间接的影响玉米产量的提升。

4.5.3 施加化学药剂

保墒、深耕技术在传统粮食生产中体现出其特有的优势，而在现代农业建设中，化学药剂农用价值却越来越高。不仅是一些试剂改善了种子的质量，更是其大幅提高了粮食产量。近年来，在旱作田中使用的种子包衣和作物保水剂等化学试剂的应用，在抗旱成苗与提高苗数等方面也有很明显的效果[11]。 如一些细胞植物分裂素在春小麦、地膜玉米、马铃薯种植试验中都体现出明显的增产作用。春小麦、地膜玉米、马铃薯种植试验中每公顷增产都达到10%以上，收入平均增长450元左右。其他化学试剂如植物健生素金帮一号、抗旱剂旱宝一号、旱地龙[12]和保水剂的应用也都取得显著的经济效益。

5 结论

延安地区贫乏的水资源和严重的水土流失始终制约着农业经济的发展，旱作梯田是根据黄土高原特别是延安的地理气候提出的以有效保持和高效利用土壤水分为中心的农业发展新模式。在国家西部大开发的号召下，丰富了建设生态农业的内容，为农业产业经济增长和建设秀美山川延安注入新鲜血液。

在梯田建设取得丰硕成果的同时，人们也必须认识到实现农业经济的腾飞还需要把保持水土的方法和设施形成科学体系来运作，所以粮食生产的困难形势还没有从根本上消失。保持和提高延安的梯田建设，还有许多要做：第一，年内降雨分布不均，降雨量大小也不一，由于土质疏松，急湍的地表径流可冲毁梯田的垄、边埂或者简单的蓄水设施，所以应及时的修补和保护梯田；第二，延安市政府相关部门加大对旱作梯田建设的关注和投入，引进科学的技术和方法，鼓励农民动脑动手等方向做整体思考规划，实促进产业经济发展，更好地配合改善生态环境。