旱作农业与低碳经济

2015-04-17任丽花翁伯琦王义祥

福建农业科技 2015年12期

任丽花，翁伯琦，王义祥

(1.福建省精密仪器农业测试重点实验室350003;2.福建省农业科学院中心实验室;3.福建省农业科学院农业生态研究所)

近年来，随着环境的恶化、气候异常变化，人类面临的资源与环境困局越发凸显。联合国政府间气候变化专门委员会 (IPCC)于2007年公布的第4份气候变化评估报告中指出，过去50年中的气温上升速度比过去100年的平均速度快了1倍多，全球的气候变暖导致很多极端天气灾害出现。同时气候异常变化加剧了全球水资源的不均匀性，对农业生产产生巨大的影响。气候变化对中国农牧业生产的负面影响已经显现，近20年来，北方黄河、淮河、海河、辽河水资源总量明显减少，南方河流水资源总量略有增加。洪涝灾害更加频繁，干旱灾害更加严重，极端气候现象明显增多，农业生产不稳定性增加，气象灾害造成的农牧业损失增大。预计未来气候变化将对中国水资源时空分布产生较大的影响，加大水资源年内和年际变化，增加洪涝和干旱等极端自然灾害发生的概率，特别是气候变暖将加速西部地区的冰川融化，冰川面积和冰储量将进一步减少，对以冰川融水为主要来源的河川径流将产生较大影响。气候变暖可能增加北方地区干旱化趋势，进一步加剧水资源短缺和供需矛盾。所以必须积极采取相应措施，探索一条应对气候变化的根本出路。

目前，所有国家都认为发展低碳经济是突破气候变化这一瓶颈的最终途径。所谓低碳经济是指依靠太阳能、风能、水能等可再生能源为主要能源，以低能耗、低污染、低排放为特征的新型经济发展方式［1］，涉及到社会经济的各个方面。当前，国际上在碳排放与能源消费、经济发展、经济风险以及农业生产等方面展开了积极的研究。作为国民经济的基础产业，农业除了能解决全球日益膨胀人口的粮食问题之外，同时也是重要的温室气体来源，农业用地释放出来的温室气体超过全球人为温室气体排放总量的30%。低碳农业是低碳经济的有机组成部分。目前，低碳农业的研究主要集中在土地利用变化、农业田地整治、农业生产水平与结构的变化等相关方面。

1 我国旱作农业现状以及对低碳经济的影响

中国是一个农业大国，同时也是一个旱区农业比重很大的国家，旱作农业区面积大，涉及全国25个省、直辖市和自治区，主要分布在北方地区和南方的一些丘陵山区。据统计［2］，北方旱区土地面积496.6万hm2，人口2.6亿，分别占全国的51.8%和21.5%，这些地区光热资源丰富，雨热同季，农业生产潜力巨大，农产品在全国占有重要地位。据有关资料表明，全国粮食总产量的46%，以及其中小麦的70%和玉米的80%产自北方;全国61%的棉花、46%的油料、糖料产量的10.4%和水果产量的31%也产自北方。我国南方红壤区总面积6.181×105km2，雨量充沛，但降水分配不均。目前存在的问题较多，如季节性干旱严重、土壤退化、农业结构不合理等，其中季节性干旱是突出的问题之一［3］。总体来说，北方的干旱主要与年降水量少有关，而南方丘陵红壤区的季节性干旱是气候、土壤、生物、管理因素综合作用的结果。长期以来，旱作农业由于其生产能力相对低下，经济效益不高，发展潜力较水浇地小，在生产中不被人们重视。经过多年自然条件和社会条件的变迁，随着人们生活水平逐步提升，逐渐认识到旱作农业在农业可持续发展中具有不可缺少的作用。

旱作农业是指在无灌溉条件的地区，通过挖掘自然降水利用率的生产潜力，主要依靠天然降水从事农业生产的雨养农业。我国旱作农业类型按降雨量分为两类:一是干旱半干旱、半湿润的北方旱地农业区;二是降雨量较高的南方山地丘陵雨养农业区。

2 我国旱作农业现状

我国北方旱作农业覆盖年均降水量200～500 mm的区域，主要分布在昆仑山、秦岭、淮河一线以北的广大地区，包括17个省 (自治区、直辖市)的966个县 (市)，约占国土陆地面积的56%，其中耕地面积约5045万hm2;本区旱地面积占全国旱地面积的73%，水浇地面积不足20%［4］。旱地主要分为干旱地区、半干旱地区、半湿润易旱地区［2］。干旱区包括内蒙古西北大部、宁夏回族自治区北部、甘肃省西部、青海大部，以及新疆维吾尔自治区除伊犁盆地外的全部，总面积约占全国土地面积的30%，年降水量小于200～250 mm，光资源丰富，气温日差较大;半干旱地区自东北向西南斜跨13个省和自治区，年降水量平均为250～500 mm，大致包括东北西部、冀北、晋北、陕北、甘肃中西部、内蒙部分地区、河北平原中部、青海部分地区及新疆伊犁盆地等，总土地面积约占北方旱区的29%，其中耕地、林地和牧地分别约占本区土地面积的15%、10%和42%;半湿润易旱地区包括黑龙江省中部偏西地区、吉林中部、辽宁西南至中北部、华中低平原、燕山、太行山、太岳山地部分地区、关中平原、山西省临运盆地及陇中黄土高原南部等地，面积占北方旱区总面积的13.5%，是北方旱区粮棉重要生产基地，多年平均降水量400～600 mm，年际变化较大，年内分配不均，不同程度的旱涝灾害时有发生。多年旱地农业高产攻关实践证明，我国北方旱区农业蕴藏着巨大的发展潜力，改革开放后的近10年间，北方旱区粮食增长近40%，肉类总产增加3倍多。现阶段北方旱区的粮、棉、油和肉类等主要农产品的产量分别占全国的46.0%、61.0%、46.7%和39.4%。可见，北方旱区农业丰歉，对全国农业具有举足轻重的作用。

南方红壤丘陵区，以大别山为北屏，巴山、巫山为西障 (含鄂西全部)，西南以云贵高原为界(包括湘西、桂西)，至东南沿海并包括台湾、海南岛及南海诸岛。包括广东、广西、福建、台湾、江西、湖南、湖北、浙江、安徽、湖南、江苏等省(自治区)的部分地域，总面积118万km2，约占国土面积的12.3%。在南方地区，降雨量相对较多，但由于降雨时段集中、蓄水设施跟不上、水土流失等原因，很多地方出现频繁的季节性干旱，主要是伏旱和秋旱，发生频率高、强度大。伏旱的特点是太阳辐射强烈，温度高，湿度低，土壤表面的蒸发和植物的蒸腾都极为强烈;秋旱的特点是空气极度干燥，气温高，有时还伴有大风，由于极度干燥，植物蒸腾耗水剧增，同样使得蒸散量剧增。从湖南、江西等省的红壤区看，最热的7～9月，也恰恰是雨水较少的旱季。特别是南方丘陵无水源地区的浅丘缓坡上的旱作作物，受季节性干旱的影响更加严重，在干旱年份，部分地区经常出现大幅减产、甚至绝收的情况。长期以来由于不合理开发利用，导致水土流失、肥力减退、土壤酸化与污染、自然灾害频繁、生物多样性锐减等一系列退化问题，呈现“红色荒漠化”现象。

3 旱作农业在发展低碳经济中的意义

在发展旱作农业过程中，种子、有机肥等农业自身活动产出的投入品，以及化肥、农药、农用薄膜等工业生产的投入品对农作物的增产作用明显，但带来的负面效应也不可忽视;与传统的漫灌、沟灌相比，节水灌溉的成本较高;而且现代农业整个过程离不开农业机械的参与，而农业机械的制造与使用均离不开电力、石油等能源的投入;之后的农产品加工、流通，能源的使用同样必不可少;农业废弃物 (秸秆等)的处理也是一项耗能的工作。低碳农业技术是“三低” (低能耗、低污染、低排放)技术，也是节约型、安全型的技术，发展旱作农业可以节约各种资源的消耗，减少人力、物力、财力的投入，并将农业产前、产中、产后全过程中可能对社会带来的不良影响降到最低限度。

4 我国旱作农业低碳发展措施

近半个世纪来，世界各国都十分重视对旱作农业的研究，开发创造了成熟的模式，积累了成功经验，在发展农业和改善环境中取得了显著成效，在推动旱作节水农业的发展过程中产生了重要影响。我国科技工作者根据本地的地理、气候等情况，在旱作节水方面研究开发出一些适宜各地情况的技术措施。

4.1 保护性耕作技术

保护性耕作法又称免耕法，是指在能够保证种子发芽的前提下，通过少耕、免耕、化学除草技术措施的应用，尽可能保持作物秸秆残茬覆盖地表，减少土壤水蚀、风蚀，培肥地力，是节水抗旱、保护环境、节本增效的一项技术。在借鉴国外成功经验的基础上，我国科研和推广人员不断创新，形成了有中国特色的适应不同类型区的保护性耕作技术。潘根兴等［5］对保护性耕作的碳汇效应的研究发现，20世纪80年代以来，我国因秸秆还田而增加的表层有机碳储存总计达到100 Tg，每年因秸秆还田使土壤表层有机碳增加20～40 Tg，秸秆还田的年碳固定量为10.90～22.50 Tg。曾昭海等［6］的研究认为，在保护性耕作技术的广泛实施下，我国年碳固定量为45.70～127.00 Tg。免耕技术的推广应用对实现减排目标有重要意义。

4.2 推广旱作节水技术

发展节水旱作农业是现代农业的一个新特征，也是现代农业自身发展的需要。在世界水资源十分紧张的今天，充分利用降水、灌溉回归水、劣质处理水，扩大农田灌溉水的水源范围，发展节水农业，对于农作物低碳用水具有十分重要的现实意义。

坡改梯是旱作基本农田建设的重要内容。在南方丘陵地区的浅丘缓坡上实行立体种植，粮、经、饲协同发展，实行立体种植，起到保持水土、改善作物生态小气候的作用。在土壤蓄存雨水的同时采用一些有利措施，如夏闲田伏前深耕、秋作物行间及时中耕，并做好秋季、春季的保墒工作，适时耙耱镇压土壤，采用地膜或作物秸秆覆盖保持土壤水分。我国北方采用蓄水窑窖，南方采用蓄水池(塘)，增产效果均十分明显，有效提高了旱耕地生产水平和抗旱能力。在高度重视农艺节水技术的基础上，加强技术研究，利用喷灌、微灌、渠道防渗、管道输水、膜上灌水等工程技术措施，提高灌溉水利用率。如吉林市采用的行走式机械节水播种及灌溉技术，甘肃省推广应用的以日光节能温室为主的各种设施农业，湖北省十堰市推广应用的地膜覆盖栽培技术［7－9］等都是很不错的尝试。发展旱区节水农业是未来的发展趋势，在节水方面还要加大宣传培训力度，提高节水意识，依靠科技进步，促进节水农业的可持续发展。

4.3 土壤培肥，以肥调水

土壤有机质具有吸水剂或保水剂的功能。雨季土壤中的有机质可以吸收比自身大几十倍的水，在干旱季节再逐步地释放出来。土壤有机质还可改善土壤结构，增加土壤的孔隙度，从而增加土壤的蓄水能力。土壤有机质含量不仅是土壤肥力的重要指标，也是土壤碳汇的重要指标。发展低碳农业，可以推广的土肥技术有测土配方施肥、增施有机肥、秸秆还田、种植绿肥、施用缓控释肥等，这些措施不仅能减少化肥用量、降低生产成本、改善土壤环境、保护生态环境、降低某些病虫害的发生，还能提高作物产量，改善农产品品质，达到节支增收的目的。

4.4 农业化学抗旱技术

农业化学抗旱技术近十年来发展较快，已经在一些地区和不同的作物上进行试验，效果比较显著。农业化学抗旱节水系列技术包括4大类，即保水剂和抗旱型种子复合包衣剂、土壤结构改良剂和土面覆盖剂、黄腐酸抗旱剂以及水面抑制蒸发剂等。当然，这些制剂在应用对象、使用时期和具体方法上各有不同。目前我国除土壤结构改良剂和水面抑制蒸发剂外，保水剂、抗旱型种子复合包衣剂和黄腐酸抗旱剂都已实现产业化、商业化生产。

4.5 新型农作物育种技术

旱作农业的重点是选育抗旱节水品种、推广高产作物品种、增加多年生牧草种植，以提高耕作土壤中的碳素储备水平。培育氮素高效利用的农作物新品种，减少N2O排放对环境的破坏，这些都是农业生产适应气候变化的一些重要措施，有助于全球温室气体排放控制。分析总结国外的育种经验，建议将大面积中肥育种、高肥育种和节水耐旱型品种的培育及鉴定合为一体。2001年联合国粮农组织确认饲料桑是一种值得推广的新型饲料，耐旱、速生，种时还不需浇定植水，在我国旱区栽培可适应年降水量180～200 mm的气候条件，可在荒漠化草原地区种植，特别适于沙地种植［10］。我国的科研工作者在小麦、谷子、玉米、水稻、牧草等作物［11－16］上开展农作物抗旱生理生态基础研究，充分挖掘旱作农区作物抗旱种质资源，利用细胞工程、染色体工程和基因工程技术，深入研究旱作作物抗旱遗传机理和品种抗旱性改良技术途经，筛选抗旱作物种群和选育抗旱作物品种，选择培育出一批耐高温、耐干旱的优良品种，为北方旱区作物抗旱性研究和育种提供种质资源。

5 促进我国旱作农业低碳化发展的建议

旱作农区对节水技术与产品的需求相当大，国际市场前景广阔，旱作节水农业技术本身也具有保护资源、可更新性和保持水土等良好的生态效应。从发达国家旱作农业的低碳发展现状来看，创新的着力点应当放在农业技术以及节约能源消耗等环节上。如在机械方面，进行耕整地联合作业机械的研究与创新，加强深松翻耕犁配套碎土装置的多功能作业机械的开发，争取实现只需一次作业就能把土地打造成理想的种床以及土壤“水库”的目的。再者，积极研究农机作业节能技术的新手段，并且针对不同旱区的特点，摸索出有针对性的抗旱措施，减少资源浪费与碳排放量。另外还要加强政府职能部门的政策引导与支持。

发展低碳农业，在农业领域推行温室气体减排和适应气候变化措施，提高农业应对气候变化能力，将是促进农业可持续发展的一个重要途径。作为世界上最大的发展中国家和新兴经济体的代表，中国政府已郑重宣布，到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放要比2005年下降40%～45%，作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划［17］。如何通过一系列节水旱作农业措施，在低碳农业的指导思想下解决干旱问题，是摆在农业工作者面前的一项艰巨任务。这对提高粮食产量，增加农民收入，以及保持水土，改善生态环境，都有着十分重要的意义。

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