沈彥俊 胡春勝 張喜英 程一松 張玉銘 齊永青 張玉翠 閔雷雷 李紅軍 許亞賓

中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心 欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站 石家莊 050021

華北平原是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，為我國糧食安全和解決溫飽做出了巨大貢獻。狹義的華北平原由黃河以北的海河平原和徒駭馬頰河平原組成，總面積 14 萬平方公里，是重要的糧、果、菜生產(chǎn)基地。該區(qū)域曾長期實行兩年三熟的農(nóng)作制度；20 世紀 70 年代以來，隨著灌溉率提高，農(nóng)業(yè)肥料和栽培技術(shù)發(fā)展，以及農(nóng)業(yè)機械化的普及，華北平原逐漸發(fā)展成以冬小麥—夏玉米一年兩熟制為主的農(nóng)業(yè)種植模式，部分高產(chǎn)農(nóng)田的糧食生產(chǎn)能力在 20 世紀 80 年代中期已突破噸糧田，目前更達到畝產(chǎn) 1.2 噸的高度。然而，該區(qū)域年降水量僅 400—600 mm，不足以支持如此高的產(chǎn)量，抽取地下水灌溉和充足的施肥成為維持農(nóng)業(yè)高產(chǎn)的重要保障。長期提取地下水灌溉以獲得糧食高產(chǎn)，造成嚴重的地下水采補赤字，地下水位持續(xù)下降。以太行山前平原為例，自 20 世紀 70 年代后期以來，地下水埋深已下降了近 40 m 之多。大水漫灌也使得肥料利用率極低，造成更多的肥料投入，農(nóng)田硝態(tài)氮的淋失量巨大，在局部地區(qū)已引起地下水污染。早在 20 世紀 70 年代，黃秉維院士等老一輩科學家就指出華北平原靠開采地下水灌溉獲得農(nóng)業(yè)高產(chǎn)必不可持續(xù)的問題[1]。因此，在 20 世紀 70 年代末中國科學院組織專家在華北平原開展農(nóng)業(yè)資源綜合考察，研究華北平原水土和農(nóng)業(yè)氣候資源承載力及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力問題。在此背景下成立了中國科學院石家莊農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究所，1981 年欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站成立，1988 年加入中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡；1992 年聯(lián)合原中國科學院地理研究所的北京（大屯）綜合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站，成立了欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站（以下簡稱“欒城站”）。自建站以來，欒城站經(jīng)歷了“創(chuàng)建農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、資源高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系”“農(nóng)業(yè)節(jié)水和土壤肥力維持機理與技術(shù)”“農(nóng)業(yè)生態(tài)過程與資源環(huán)境可持續(xù)性”等幾個不同的重點研究階段，始終把水肥、光熱資源的高效利用作為最核心的研究內(nèi)容；通過理論創(chuàng)新、技術(shù)模式的創(chuàng)建和示范推廣，為區(qū)域農(nóng)業(yè)的資源高效利用和可持續(xù)發(fā)展作出重要貢獻[2]。

1 建立了農(nóng)田土壤-作物-大氣系統(tǒng)水分傳輸與界面節(jié)水調(diào)控理論，創(chuàng)建了生物－農(nóng)藝－工程措施相結(jié)合的綜合節(jié)水技術(shù)

華北平原地下水超采問題在 20 世紀 80 年代中期得到廣泛關(guān)注，欒城站參與了中國科學院“四水轉(zhuǎn)化”重大研究項目，建設(shè) 12.5 m 深包氣帶水分過程觀測豎井（當時地下水位埋深 14.0 m），研究降水、土壤水、地下水之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，評估農(nóng)業(yè)灌溉水的利用效率和地下水補給過程[3]。自 20 世紀 90 年代初，劉昌明院士領(lǐng)銜系統(tǒng)地研究了農(nóng)田土壤-作物-大氣系統(tǒng)（SPAC）水分傳輸過程，綜合了土壤物理學、作物生理學和微氣象學研究方法與手段，對農(nóng)田 SPAC 系統(tǒng)水分能量傳輸和轉(zhuǎn)化各環(huán)節(jié)進行深入觀測研究，提出了基于 SPAC 界面節(jié)水調(diào)控理論，在農(nóng)田水分蒸發(fā)和蒸騰過程中的根—土界面、葉—氣界面、土—氣界面處采取一定的調(diào)控措施，使界面水分傳輸阻力增大（圖 1），從而達到減少蒸散耗水的目的[4]。集成了生物—農(nóng)藝—工程節(jié)水技術(shù)模式，以冬小麥主動調(diào)虧灌溉降低田間耗水量，小麥、玉米勻播調(diào)冠和全程秸稈覆蓋減少土壤蒸發(fā)，小麥適期播種玉米推遲收獲增產(chǎn)提效，統(tǒng)籌小麥、玉米兩季水肥管理等措施，實現(xiàn)全年農(nóng)田節(jié)水高產(chǎn)高效；利用秸稈梳壓機、小麥免耕播種機等機械，實現(xiàn)了小麥平播播種和秸稈地面覆蓋，減弱了土壤無效蒸發(fā)，形成了“農(nóng)機農(nóng)藝結(jié)合，簡化栽培，降耗增產(chǎn)”為核心的減蒸降耗節(jié)水技術(shù)模式，并制定了相應技術(shù)規(guī)程。每畝可減少農(nóng)田蒸散 20—30 m3，每畝減降灌溉水量 40—80 m3[5]。實現(xiàn)了從理論創(chuàng)新到技術(shù)集成應用的全鏈條節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)體系。

2 明確了典型農(nóng)田耗水結(jié)構(gòu)機理與水平衡特征，提出了適宜降水資源條件的種植制度調(diào)整途徑，為建立區(qū)域“休耕輪作”制度和支撐地下水壓采政策的制定提供了有力的科學依據(jù)

圖 1 農(nóng)田 SPAC 系統(tǒng)水分傳輸過程與界面節(jié)水調(diào)控理論示意圖

農(nóng)業(yè)種植強度決定水肥等資源的消耗，華北平原的一年兩熟制度遠超本地水資源承載能力，明確不同作物季的耗水和水平衡特征、確定無效蒸發(fā)耗水的總量和分布規(guī)律成為調(diào)整農(nóng)作制度和實施節(jié)水技術(shù)的依據(jù)。通過連續(xù) 11 年的渦度相關(guān)水熱碳通量觀測，明確了冬小麥—夏玉米灌溉農(nóng)田全年總蒸散量為 710 mm，降水量 460 mm，年水分虧缺量 250 mm；水分虧缺主要發(fā)生在冬小麥季節(jié)，可達 300mm 之多，其中土壤儲水可提供 65 mm 的供水，補充作物利用；而夏玉米季節(jié)處于雨季，平均約有 90 mm 的降水盈余，除補充土壤水庫 60 mm 外，對地下水可形成一定的補給作用[6]。據(jù)此提出，改一年兩熟為三年四熟的作物制度可基本實現(xiàn)多年尺度上的降水量和作物耗水的平衡，從而使開采地下水灌溉成為彌補連續(xù)干期作物需水的措施，在周年或多年尺度上達到地下水的采補平衡[6,7]。為彌補因休耕造成的作物產(chǎn)量損失，利用模型評估了休耕和種植制度改變后對地下水消耗和產(chǎn)量的影響，證實了通過栽培方法的改善可以將產(chǎn)量損失大幅度降低[7-9]。此外，利用稱重法、穩(wěn)定同位素法和模型模擬等多種方法對土壤無效蒸發(fā)總量進行了定量研究，明確了土壤年蒸發(fā)可達 280 mm 之多[10]，發(fā)現(xiàn)土壤蒸發(fā)發(fā)生的深度主要在 0—20 cm 土層，而作物根系吸水主要利用 0—40 cm土層的土壤水分[11]，這些結(jié)果為改進灌溉方式（例如研發(fā)科學的地下滴灌系統(tǒng)），減少土壤蒸發(fā)，提高土壤水分利用效率具有重要的理論意義。上述成果為河北省制定地下水壓采的農(nóng)業(yè)種植制度調(diào)整和土地休耕政策提供了決策依據(jù)。

3 闡明了灌溉高產(chǎn)農(nóng)田碳氮循環(huán)與氮平衡特征，定量了農(nóng)田施肥變化與溫室氣體排放通量，研發(fā)了適合華北平原高產(chǎn)區(qū)的保護性耕作和土壤肥力培育技術(shù)

圖2 華北太行山前平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)通量示意圖

由于片面追求高產(chǎn)，過量施肥的現(xiàn)象普遍存在。目前，華北平原 50% 的農(nóng)田年施氮量超過 500 kg N hm?2，部分田塊甚至高達 700 kg N hm?2，遠遠超過了作物生長對氮素的需求。氮素損失進入環(huán)境導致了地下水硝酸鹽富集、溫室氣體排放加劇等問題。另一方面，秸稈還田和保護性耕作措施得以普遍推行，也對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過程及其環(huán)境效應產(chǎn)生重要影響。欒城站通過定量監(jiān)測農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水—土—氣—生界面碳氮交換通量，闡明了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)特征。過去 30 年間土壤有機碳儲量增加迅速，表層 0—20 cm 土壤有機碳儲量已達 4.0 kg C m?2，但由于高水肥的集約化生產(chǎn)導致 CO2等溫室氣體排放增加，土壤碳正在以 77 g C m?2yr?1的速度丟失[12]。當前氮素投入情況下，小麥—玉米輪作農(nóng)田系統(tǒng)氮循環(huán)基本處于良性狀態(tài)，盈余氮素補充了土壤氮庫，特別是有機氮庫，培肥了土壤地力。但是，系統(tǒng)中每年以氨揮發(fā)、硝態(tài)氮淋失或反硝化形式向外界環(huán)境輸出氮素量仍可達 112.1—134.3 kg hm?2之多（圖 2），占施肥總量的 28.0%—33.6%[13]，成為環(huán)境污染的重要原因之一。明確了氮肥施入對土壤剖面中的 N2O 和 CO2濃度存在顯著影響，但對 CH4濃度變化幾乎沒有影響，而低氮-雨養(yǎng)農(nóng)田系統(tǒng)則是 CH4和 N2O 吸收匯的事實[14]。為改善土壤碳氮循環(huán)，減少環(huán)境負荷，系統(tǒng)研究了保護性耕作機理、關(guān)鍵設(shè)備、農(nóng)藝技術(shù)、技術(shù)標準，創(chuàng)新了兩熟制保護性耕作理論，創(chuàng)立了趨零蒸發(fā)的麥田玉米整秸覆蓋全免耕種植模式與配套機具；集成了高產(chǎn)節(jié)水型保護性耕作技術(shù)體系與土壤輪耕模式；制訂并由河北省頒布了保護性耕作技術(shù)標準。

4 初步揭示了深層包氣帶水分和溶質(zhì)的入滲、遷移和轉(zhuǎn)化過程，闡明了地下水垂向補給量與硝態(tài)氮淋溶損失和土壤層削減原理

包氣帶（非飽和帶）是控制水分和溶質(zhì)通過地表進入地下含水層的關(guān)鍵場所，研究農(nóng)田深層包氣帶水鹽運移，對華北平原地下水水量和水質(zhì)管理及可持續(xù)利用具有重要的科學意義?；谔镩g原位觀測數(shù)據(jù)和深層包氣帶采樣分析，綜合利用環(huán)境示蹤、水量平衡、數(shù)值模擬等多種研究方法，深入研究了灌溉農(nóng)田根系層以下深層包氣帶的水分動態(tài)變化特征及其機理，發(fā)現(xiàn)長期且大量灌溉影響下的冬小麥—夏玉米農(nóng)田的深層包氣帶含水量始終維持在較高水平，保持在（或略高于）田間持水量（圖 3）[15,16]；定量研究了深層包氣帶的水分通量（地下水潛在補給量），結(jié)果表明地表 6 m 以下深度的包氣帶水分以比較穩(wěn)定的速率向下運動[16]，地下水潛在補給量多年平均值為 164—200 mm yr?1[17]；探明了深層包氣帶水分向下運動的過程及其特征，查明了深層包氣帶水分主要以基質(zhì)流方式向下運動的特征，分析了水分的“壓力傳導式”運移速率（濕潤鋒運移速率）與水分子運動速率（平均孔隙流速）的關(guān)系[15]；查明了山前平原區(qū)冬小麥—夏玉米農(nóng)田、果園和棉田的平均孔隙流速小于地下水位下降速率，農(nóng)業(yè)面源污染物尚未隨水分大量進入含水層造成地下水污染[15]。土壤各層次累積的硝態(tài)氮含量隨著施氮量的增加而增加，根區(qū)以外的硝態(tài)氮很難被作物利用；氮素淋失量也隨施氮量增加而增加[18]，證實了在根系層以下包氣帶依然具有一定強度的反硝化能力，發(fā)現(xiàn)了通過增加深層低濃度可溶性有機碳可調(diào)動反硝化微生物活性，可提高和利用包氣帶土壤的反硝化潛力，成為削減土壤硝態(tài)氮淋失進入地下水的新技術(shù)途徑和技術(shù)研發(fā)方向。

圖 3 厚包氣帶土壤水分、基質(zhì)勢、總水勢的剖面分布

5 研發(fā)了作物營養(yǎng)診斷工具和區(qū)域農(nóng)情監(jiān)測系統(tǒng)，為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的水肥精準管理提供技術(shù)支撐

作物營養(yǎng)狀況、作物長勢和農(nóng)田土壤墑情是農(nóng)田精細化管理的重要依據(jù)，快速簡便地獲取這些農(nóng)情信息，及時應對以確定合理的灌溉和施肥量，對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化和自動化、提高水肥資源利用效率至關(guān)重要。欒城站自 20 世紀末即開始開展農(nóng)情信息的快速獲取與精準化管理相關(guān)的研究，從利用風箏攜帶多光譜相機到無人機搭載平臺獲取農(nóng)田信息，從收割機安裝智能測產(chǎn)傳感器獲取實時產(chǎn)量地圖到利用智能手機拍照進行作物葉片營養(yǎng)診斷[19]，開發(fā)了多項農(nóng)情監(jiān)測和快速診斷技術(shù)，應用于農(nóng)田水肥的精細化管理，提高了資源利用效率和生產(chǎn)效率。近期，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持的地面農(nóng)情信息驗證網(wǎng)絡基礎(chǔ)上，研制了“華北平原農(nóng)情遙感監(jiān)測與水肥管理決策支持系統(tǒng)（1.0 版）”，實現(xiàn)了區(qū)域農(nóng)情監(jiān)測信息的快速獲取、分析和精確驗證[20]。該系統(tǒng)定期向河北省農(nóng)業(yè)和水利部門推送監(jiān)測快報，為區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉和施肥管理提供決策支持，極大地提高了應對干旱的能力。

6 創(chuàng)建和集成農(nóng)業(yè)資源高效利用技術(shù)體系，為區(qū)域農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效和可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐

隨著農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)的改變，20 世紀 90 年代華北平原的秸稈焚燒成為最大的環(huán)境污染問題。欒城站結(jié)合區(qū)域水資源短缺、農(nóng)田生產(chǎn)效益偏低和土壤退化等生態(tài)問題，從秸稈覆蓋關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)規(guī)程等多層面系統(tǒng)研究了兩熟制保護性耕作理論，創(chuàng)立了趨零蒸發(fā)的麥田玉米整秸覆蓋全免耕種植模式與配套機具；集成了高產(chǎn)節(jié)水型保護性耕作技術(shù)體系與土壤輪耕模式；制訂并由河北省頒布了保護性耕作技術(shù)標準。為華北平原農(nóng)田節(jié)水、沃土、固碳技術(shù)提供了理論依據(jù)，對緩解地下水超采、減少溫室氣體排放、保護環(huán)境與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。該項目的科研團隊與地方密切結(jié)合，推廣土壤深松 1 110 萬畝、保護性耕作技術(shù) 1 840 萬畝。節(jié)水 11 億立方米、固碳 7.3 億噸，取得顯著的社會經(jīng)濟與生態(tài)效益。

針對山前平原地下水嚴重超采和水資源利用效率低等主要問題，以提高農(nóng)田灌溉用水效率和實現(xiàn)地下水采補平衡為目標，探索了控制地下水開采和提高水資源利用效率“控采增效”管理節(jié)水運行機制，通過生物—農(nóng)藝—工程等節(jié)水技術(shù)集成與示范，完成了從單純的工程節(jié)水到工程節(jié)水、農(nóng)藝節(jié)水、管理節(jié)水的同步實施和逐漸轉(zhuǎn)變，創(chuàng)建了“雙百超千”的節(jié)水生產(chǎn)模式，即“畝節(jié)水 100 mm，節(jié)約成本 100 元，畝產(chǎn)超 1 000 公斤”。經(jīng)過試驗示范和技術(shù)推廣，開發(fā)和引進了 IC 卡取水計量設(shè)備和技術(shù)、精量灌溉用水設(shè)備和技術(shù)、免耕覆蓋機具和技術(shù)、用水管理監(jiān)測設(shè)備和技術(shù)等先進手段，結(jié)合農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，形成了 4 種節(jié)水農(nóng)業(yè)模式和 4 套技術(shù)體系，建立 1.01 萬畝的示范區(qū)，輻射面積達 10.1 萬畝；獲授權(quán)專利 19 項；知識產(chǎn)權(quán)登記軟件 1 套；示范區(qū)灌溉水分利用率由原來的 70% 提高到 85%，作物水分利用效率由 1.41 kg m?3提高到 1.98 kg m?3，產(chǎn)值提高 26%。先后獲得河北省科技進步獎一等獎和國家科技進步獎二等獎（圖4）。

針對華北平原冬麥區(qū)嚴重干旱缺水的突出問題，制定節(jié)水抗旱高產(chǎn)育種目標，廣泛搜集、創(chuàng)新種質(zhì)資源，采取不同世代水旱交替和“擴源、保庫”的選擇方法與光合速率、水分利用效率等抗旱生理指標測定相結(jié)合進行定向培育，相繼培育了多個節(jié)水抗旱的冬小麥新品種，以及科農(nóng)系列優(yōu)質(zhì)小麥品種。其中，“科農(nóng) 199”和“科農(nóng) 2009”通過國家品種審定，為區(qū)域農(nóng)業(yè)的優(yōu)質(zhì)高效發(fā)展作出貢獻。

在土地規(guī)?；?jīng)營時期，欒城站積極實施科技富農(nóng)行動，先后集成草莓生態(tài)化種植技術(shù)模式，幫扶欒城縣范臺村成立草莓生產(chǎn)專業(yè)合作社。目前，該合作社成為石家莊周邊最大的草莓種植基地，已連續(xù) 16 屆舉辦欒城縣范臺草莓節(jié)，成為農(nóng)村觀光農(nóng)業(yè)的典范，極大地促進了農(nóng)民增收。2012 年以來，欒城縣天亮合作社成立，流轉(zhuǎn)土地 300 畝，欒城站及時提供“紫優(yōu) 5 號”特色功能小麥品種和配套種植栽培技術(shù)，研發(fā)了核桃林下套作紫麥、谷子和大豆的復合栽培技術(shù)，并對天亮合作社的種、管、灌、收等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程進行技術(shù)指導，在經(jīng)營模式上創(chuàng)建了農(nóng)民以土地入股和托管經(jīng)營兩種模式，極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，增加了農(nóng)民效益。目前，天亮合作社的規(guī)模已經(jīng)達到 3 萬畝，惠及近萬戶農(nóng)民，2015 年，時任國務院副總理汪洋視察天亮合作社模式，并給予高度評價。

7 結(jié)語

欒城站自 1981 年建站以來，始終堅持長期的生態(tài)學監(jiān)測、研究、示范的宗旨，圍繞區(qū)域農(nóng)業(yè)資源高效利用和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵科學問題，研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水肥光熱的高效利用與調(diào)控理論，建立綜合生物學、農(nóng)學、地學以及工程學科的技術(shù)體系，為區(qū)域農(nóng)業(yè)高效發(fā)展和地下水資源的可持續(xù)利用提供了重要的理論與技術(shù)支撐。獲得國家科技進步獎一、二等獎，河北省科技進步獎一等獎，河北省自然科學獎一、二等獎等科技獎勵；獲得國審小麥新品種 4 個，發(fā)布河北省地方標準 10 余項。近 10 年來發(fā)表 SCI 論文 300 余篇，出版專著 5 部，獲國家領(lǐng)導人批示的政策咨詢建議 5 份，取得了較大的影響。

立足新的發(fā)展階段，欒城站將繼續(xù)緊密圍繞水資源短缺的區(qū)域重大需求，結(jié)合我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的新趨勢，開展節(jié)水、節(jié)肥的耦合機理研究，綜合 SPAC 節(jié)水機理、農(nóng)田碳氮循環(huán)、抗旱節(jié)水型小麥新品種創(chuàng)制和農(nóng)牧結(jié)合循環(huán)型農(nóng)業(yè)模式等，開展多學科的理論研究與應用實踐，進一步推進綠色、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)型農(nóng)業(yè)的科技創(chuàng)新，為區(qū)域農(nóng)業(yè)資源高效利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展服務。

1 沈彥俊, 劉昌明. 華北平原典型井灌區(qū)農(nóng)田水循環(huán)過程研究回顧. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2011, 19(5): 1004-1010.

2 劉昌明. 立足試驗 實現(xiàn)資源高效型農(nóng)業(yè)的科技創(chuàng)新. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2011, 19(5): 985-986.

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