轮作对石羊河流域发展节水农业的重要性

轮作对石羊河流域发展节水农业的重要性

胡志桥　张久东　包兴国　杨文玉　李全福　王婷

（甘肃省农科院土壤肥料与节水农业研究所　甘肃兰州　730070）

摘要：石羊河流域是我国西北内陆河流域灌溉农业发展最早、人口密度最大、水资源开发利用程度最高、水资源供需矛盾最突出、生态环境问题最严重的地区。水资源短缺是限制该区发展的重要瓶颈之一。本文通过对石羊河流域水资源的现状分析，提出了开展节水农业是解决该区水资源供需矛盾的当务之急，而通过轮作调整作物种植模式，挖掘节水潜力是研究重点的观点，并对轮作系统中的土壤肥力、土壤水分及作物产量等研究进展做了重点论述。

关键字：石羊河流域；节水农业；轮作

1　我国水资源现状

水是人类赖以生存的基本资源，而地球上适合于人类饮用的水量不到地球总量的1%（朱晓原1999）。随着人口的快速增长和经济的飞速发展，全球水资源短缺日益严重，特别是20世纪，世界人口增加了4倍，工业生产总值增加了50倍，同时水资源消耗却增加了100倍（山仑2004），这种以资源过度消耗而换来经济快速增长的发展模式，导致全球用水量已逼近水资源开发的极限，因而如何缓解日益严重的全球性水资源危机，已成为21世纪世界各国普遍关注的焦点。

我国是一个水资源相对比较短缺的国家，人均占水量约2300m³左右，仅为世界人均水平的25%（孙景生2000）。预计21世纪30年代，我国的人口将达到最高峰时，人均水资源也将下降到国际公认的1700m³的严重警戒线（沈振荣，1998）。由于农业是最大的一个用水大户，其用水量占到全国总用水量的70%～90%，而且大多数用来灌溉（山仑，2006）。因此，为了应对日趋严重的缺水形势，必须建立节水型社会，特别是发展节水农业是一种必然选择，这无疑将对我国人口高峰期的粮食安全、水资源安全、生态环境安全及整个国家安全提供重要的保障。

注：本文待发.

2　石羊河流域水资源现状分析

2.1　石羊河流域是我国重点农业生态保护区，农业水资源是制约该区发展的重要瓶颈。

石羊河流域是甘肃省河西走廊三大内陆河流域之一，位于祁连山东段与巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠南缘之间，东经101°41′～104°16′、北纬36°29′～39°27′，流域全长300 km以上，流域面积4.16×10⁴km²。地势南高北低，自西南向东北倾斜。流域行政区域包括武威市的古浪县、凉州区、民勤县全部及天祝县部分、金昌市的永昌县及金川区全部、张掖地区肃南裕固族自治县和山丹县的部分以及青海省门源回族自治县共跨两省四地（市）九县。石羊河流域地处丝绸之路和欧亚大陆桥之咽喉，农牧业开发历史悠久，自古以来就是“人烟扑地桑柘绸”的富庶之地。下游的民勤绿洲，延伸在腾格里和巴丹吉林两大沙漠夹缝之间，阻止两大沙漠的合拢，拱卫河西走廊东部的重要生态区（许文海，2007）。流域总人口226.89×10⁴人，总耕地面积36.855×10⁴hm²，其中灌溉面积30.98×10⁴hm²，占总耕地面积的84%，流域多年平均自产地表水资源量为15.61×10⁸m³，与地表水不重复的地下水资源量为1.0×10⁸m³，流域内可利用水资源量为17.62×10⁸m³。人均水资源量776m³，每公顷耕地水资源量平均4770m³/hm²，低于黑河人均1400m³和耕地平均7935 m³/hm²，也低于甘肃省人均1150m³/hm²和耕地平均7170m³/hm²的水资源量，属典型的资源型缺水地区（程国栋，2006）。

长期以来由于气候变化和人类活动等的影响，导致石羊河上游水源涵养林功能下降，中游水资源开发利用过度超载，下游地下水位大幅下降，整个流域生态环境日趋恶化，荒漠化问题严重突出。如果石羊河流域治理出现问题，将有可能导致下游民勤绿洲的消亡，这将会直接危机到中游绿洲甚至河西走廊大通道的安全，绿色走廊一旦被沙漠阻隔，将会影响西部地区的健康发展与稳定，关系国家发展和各民族和谐相处的长远大计。所以，石羊河流域的问题，不只是一个地区问题，而是关系国家生态安全的全局性问题（陆浩，2007）。对此中央领导同志也高度重视，温家宝总理也曾多次来访并批示：“决不能让民勤成为第二个罗布泊”。

该流域的主要种植模式还是以传统的小麦—玉米轮作（石培泽，2009）为主，其中小麦在生育期内耗水480mm左右（需要灌4次水），玉米在生育期内耗水560mm左右（需要灌5次水）（胡志桥，2010），加上该区降雨量少，仅为150mm，蒸发量高，高达2600mm（王琪，2003），所以灌溉主要来自于地下水资源的开发。因此大量的地下水用于大面积的小麦—玉米系统的灌溉，加上其他形式的不合理的用水，造成了下游民勤地下水水位每年以0.5～l.0m的速度普遍而又持续地下降，可开采的地下水不断减少，制约了农业可持续的发展，并造成了严重的生态环境问题。

近年来许多学者也从不同角度对石羊河流域的问题进行了研究，（肖洪浪，1988）对民勤土地退化进行了研究；马全林（2004）对石羊河流域的生态环境问题及引发原因进行了研究；张永明（2006）对石羊河流域水资源与生态环境变化进行了研究；张建明（2007）对石羊河流域土地利用/土地覆被变化及其环境效应进行了研究；李金标（2008）对石羊河流域近50a来气候变化与人类活动对水资源的影响进行了研究；马宏伟（2010）等对近50年石羊河出山口径流对气候变化的响应进行了研究。

2.2　发展节水农业是解决该区农业发展和缓解生态环境危机的重要途径之一，而调整作物种植模式，是该区挖掘节水潜力的研究重点

在石羊河流域的用水结构中，农田灌溉用水量占石羊河流域总用水量的86%（许文海2007），所以开展节水农业不仅非常必要，而且十分迫切。而节水农业的关键是如何提高灌溉水的利用效率（山仑，1996）。为此，很多学者也作了大量的研究，康绍忠等（1997，2001）科学家提出了控制性交替灌溉理论及技术模式，该技术在石羊河流域的棉花、葡萄等作物上节水效果明显（杜太生；2005，王振昌2008）；也有很多学者进行了调亏灌溉的研究，该技术在节水的同时，提高了玉米、小麦、鸭梨等作物的品质（王密侠，2000；孟兆江，2003；程福厚，2000）；有些学者还研究了膜下滴灌技术，该技术对棉花和玉米节水效果显著（李培玲，2009；张芮，2009）；马忠明等（1999）对河西地区的玉米等作物进行了全膜覆盖的高效节水栽培技术；张久东（2010）对河西绿洲的啤酒大麦进行了垄作沟灌研究，该技术较平作节水1200～1500m³/hm²。

因此，如何提高灌溉水的利用效率将是以后节水农业研究的重点，而通过种植模式的调整来研究不同轮作系统对于水分利用的效果，可为提高灌水利用效率提供科学的理论依据。

一般认为，在轮作系统中组成的各作物，由于作物种类、生长季的气象条件以及根系的差异性，所以对各年或各茬的土壤水分要求（数量、深度和时间）是有差异的（曹敏建，2002）。不同作物的轮作倒茬方式给土壤的水分带来的影响是不同的，作物之间通过取长补短来维持水分的平衡（Nazrul Islam et al.2006）。同时集约的作物种植和轮作方式可以增加系统的水分利用效率（Nazrul Islam 2006；A.w.Lenssen 2007），从而达到节水的目的。但是在石羊河流域，对于不同作物轮作模式的水分利用效率及水分利用效果还不是很清楚，不同轮作模式是否比当地传统的小麦—玉米轮作系统具有节水潜力还有待研究。

3　关于轮作国内外研究进展

3.1　轮作系统中土壤养分的研究进展

轮作对土壤肥力的影响较大，各种作物的秸秆、残茬、根系和落叶是补充土壤有机质和养分的重要来源，但是不同的作物补充供应的数量不同、质量也有区别。在轮作周期中，由于作物种类、生长季的气象条件以及根系的差异性，不同作物对各种肥料和土壤养分的吸收是有差异的（Bhadoria P B.2003；Moustakasa N K.2005；Li F. 2006；Kwong K.2002）。所以，通过对吸收、利用营养元素能力不同而具有互补作用的不同作物的合理轮作，可以协调前、后茬作物养分的供应，使作物均衡地利用土壤养分，充分发挥土壤肥力的生产潜力（刘巽浩1994）。

大量研究表明，一般有豆科作物（或牧草）参与的轮作系统，土壤养分状况都得到明显的改善。党廷辉等（1998）研究表明小麦—豌豆轮作系统，土壤有机质、全氮、碱解氮和速效磷分别比小麦连作增加15.7%、6.9%、5.1%和20.5%；小麦—苜蓿轮作系统，土壤有机质、全氮、碱解氮和速效磷分别比小麦连作增加23.9%、21.7%、19.3%、12.8%；而小麦—玉米轮作与小麦连作对比，土壤养分无明显差异。官会林等（2008）的研究表明长期实行玉米与冬季绿肥轮作对改善土壤物理性能、提高土壤有机质含量和养分，优于单季玉米种植后冬闲地、玉米与冬季小麦轮作地及玉米与冬季绿肥套种。苜蓿—作物轮作可显著增加土壤地有机质，二年生苜蓿地在2个观测点的有机质分别比对照提高24.4%和53.0%（王庆锁1999），这是提高后茬作物产量的重要原因之一。

轮作通过影响土壤碳的输入量和氮的平衡，从而能够起到平衡土壤养分和提高土壤肥力的作用。郭胜利等（2008）在陕西省长武县通过研究长期定位试验（1984—2002）中的10个典型处理得出轮作与施肥显著影响土壤碳输入量。肖焱波等（2008）研究表明在不施氮的情况下，前茬为单作蚕豆和小麦/蚕豆时，要比前茬为单作小麦，分别能增加后茬玉米产量21%和7%，但在高肥条件下无差异，因此在外源氮供应低时蚕豆节约氮对下茬玉米的生物有效性提高，从而增加了生物固氮残留提供的氮营养。

轮作还影响土壤的pH值、酶活性等。张广娜等（2008）研究表明大豆—玉米轮作制度下土壤β半乳糖苷酶、β-葡糖苷酶和蛋白酶的活性与大豆连作相比有显著提高。大豆—玉米轮作制度显著降低了β-葡糖苷酶和磷酸二酯酶的Km值，显著提高蛋白酶、磷酸单酯酶和芳基硫酸酯酶的Vmax值，以及磷酸单酯酶和磷酸二酯酶的Vmax/Km值。刘沛松等（2008）2003—2005年在宁南旱区将10年生苜蓿耕翻后进行了9种不同的轮作方式，结果表明不同轮作方式下的第三年春小麦产量及土壤养分、pH值、酶活性各指标间差异性达到显著水平。

作物轮作还可以有效地控制土壤的传病害（Suranyi D et al.1998）。研究表明（Mazzola M et al.2000），苹果园更新期间轮作小麦可以明显的减少腐霉属和丝核属真菌对苹果根系的侵染，并因此而解决了连作苹果的生长障碍问题。研究者认为，这可能是因为轮作小麦后降低了腐霉属和丝核属真菌存活所必需的物质，而该物质对苹果是致病的；也可能是因为轮作小麦后选择了可以拮抗腐霉属和丝核属真菌的微生物的种类。老苹果园砍伐后，轮作多年生牧草、黑麦—高粱、黑麦—向日葵和马铃薯的试验表明，轮作黑麦—高粱的地块苹果的平均产量和效益最高，其他处理这两项指标无显著差异（Shalimov SI et al.1991）。种植苹果后再植樱桃或种植樱桃后再植苹果不会发生再植病（Katrin et al.2000）。

3.2　轮作系统中水分利用的研究进展

不同的作物需求水分的数量、时期和能力不相同，通过作物的轮作，在很大程度上会影响土壤水分的分配和利用（曹敏建2002），同时，集约的作物种植和轮作方式可以增加系统的水分利用效率（Farahani et al.1998；Hatified et al.1998；Nazrul Islam et al.2006；A.w.Lenssen et al.2007）达到节水的目的。一般认为，在轮作制中组成的各种作物，对各年或各茬的土壤水分要求（数量、深度和时间）是有差异的（曹敏建2002）。不同作物的轮作倒茬方式给土壤的水分带来的影响是不同的，作物之间取长补短，水分可以维持平衡状态（Nazrul Islam et al.2006）。因此，合理的轮作倒茬方式不仅提供了多样性的农副产品，而且也是合理利用土壤水分和区域水资源的有效途径。

不同轮连作体系中，土壤水的变化呈明显的时间性和层次性。晋小军等（2004）研究表明土壤水分在一年内的运动变化可分为4个阶段，即春夏失墒期，雨季增墒期、秋冬失墒期和冬季稳墒期。这一规律表明农田的土壤水分随季节有着明显的时间性，因此，在选择作物时要充分利用土壤水的季节变化这一特点，有效利用水资源。也有研究表明，轮作系统中加入的作物能改变土壤剖面的水文结构（Gouranga Kar et al. 2006；David J et al.2004）。由于作物的不同，它们对于土壤中水分吸收的层次有所不同，一般认为，根层较浅的作物土壤表层耗水较多，而具有强大根系的作物可以有效利用土壤深层水分。向日葵耗水量较大原因之一是其生育期长，另外一个就是它的根层深厚（David J et al.2004），它能比其他作物多消耗30～40 mm的水分，而大豆的耗水量较少则是由于其生育期短和根层较浅（Merrill et al.2005）。

通过休闲轮作，不仅能够增加土壤蓄水量，同时还可以提高土壤含水量，尤其是以豆科为前茬作物时，能为春小麦提供良好的土壤水分条件（郭清毅2005）。在西北干旱农区，豌豆收获后土壤内贮存的水分较小麦显著增加，使豌豆成为多种作物的良好前作（郭清毅2005）。K.Y.Chan等（K.Y.Chan.1996）在红壤土上进行的小麦—白羽扇豆的两季轮作（1989—1990年）研究表明，轮作可提高土壤上层含水量及土层贮水量。

根据作物耗水量的不同，它为后茬作物提供的土壤贮水量也不尽相同，合理有效的土壤贮水量是作物发芽、出苗的重要条件。作物耗水量的大小，不仅是影响农田的贮水量的一个主要因素，也是作物组合搭配的水资源生态效益的一个外在指标。佟玲等（2004）计算了甘肃河西各地区的作物需水量及规律，这些都为作物的轮作倒茬的规划提供了参考依据。根据作物的需水耗水规律，制定合理的轮作体系，对于石羊河流域的农业结构多样化，以及农业生态系统的健康运行有着很重要的意义。

轮作方式不同，其水分利用效率也不同。A.W.lenssen等（2007）的研究表明，在不同轮作方式下的小麦的水分利用效率是有显著差异的，比起小麦连作模式来说小麦—休闲作物轮作模式对于水分有较高的利用效率，但除了小麦—鹰嘴豆。Huang等（2003）在我国黄土高原地区研究不同长期的作物轮作系统对于水分利用效率得出的结论表明，两种（玉米/冬小麦+高粱和豌豆/冬小麦/玉米）轮作系统的产量和水分利用效率比小麦单作显著增加了23%～33%，而冬小麦+高粱/豌豆降低了12%。

3.3　轮作系统中作物产量的研究进展

国内外研究者一致认为轮作是解决现代农业发展中出现的问题及促进农业可持续发展不可缺少的技术（黄丽芬等，1999），合理轮作也是经济有效维持高产的一项重要农业技术措施（David J et al.2004；A.C. Guzha.2004）。

研究表明，轮作和连作相比较，能够起到增产的作用，一般情况下作物可增产5%～10%，有时达20%以上（元生朝1981）。豆科—禾本科轮作能够显著提高后茬禾本科的产量（Rochester J I et al.1998；Van Kessel C et al.2000；Peoples M B et al 1992），豆科后茬作物增产一般在1000～ 2000kg/hm²，相当于施用氮肥N 50～100kg/ hm²。Miglierina等（2000）和Galantini等（2000）在阿根廷半干旱区的试验表明，与小麦连作、小麦—自然草本植被相比，小麦—豆科牧草轮作具有最高的产量和更好的产量构成。李锋瑞等（1994）在黄土高原早塬区对8种轮作复种模式与单一的冬小麦连作方式（对照）的生态效能进行了研究，发现无论是气候资源的利用效率，还是氮、磷肥施用效率，或者是农田能量生产效率，8种轮作复种模式均明显优于冬小麦连作生产系统。山仑等（1992）进行了6年的定位试验结果表明，从粮食生产角度看，粮豆轮作的产量最高，比其他轮作方式高出22%～115%，且较稳定；从发展畜牧业和保持水土角度看，以苜蓿为主的草粮轮作具有较大的优越性，其生物量高出其他轮作方式29.0%～34.5%。苜蓿茬可提高大麦产量17.4%～40.4%（K rontje et al.1956；Hoyt. 1983）、提高小麦产量18.2%～336.1%（耿华珠等1995；Badaruddin et al.1989；Tucker et al.1971）、提高玉米产量20.0%～206.8%（Adams et al.1970；Bolton et al.1959）、提高谷子产量22.2%～87.5%、提高棉花产量12.0%～14.4%（李福岭1993）、提高高粱产量48.9%～67.3%、提高大豆产量72.0%～110.0%（李福岭1993）和向日葵产量51.3%～100.1%（Caporali et al.1992）。