供需平衡原则在资源高效研究与作物学教学中的指导作用

杜 雄，张继宗，张永升，边大红，王红光

（河北农业大学农学院，河北 保定 071001）

供需平衡是来源于经济学领域的一个名词，其解释为“消除供求之间的不适应，使供应与需求相互适应、相对一致，消除供求差异，实现供求均衡”[1]。无论是社会领域还是在自然领域，若出现了不同程度的供需失衡，随之会出现一系列问题。社会领域突出案例为资本主义经济危机，即在自由市场经济条件下生产供给超过了市场需求，从而出现了周期性、大规模的“相对过剩”，导致生产“滞涨”的萧条局面。对供需平衡原则的再认识来自于作者的科学研究与实践，认为供需失衡可视为解释几乎所有问题出现原因的根本哲学方法。客观事物是不断运动和变化的，相对平衡是在一定条件下产生的，当条件发生改变后，相对平衡将转为相对失衡状态，而通过分析和明确供需失衡的原因或条件实现新的平衡，即“螺旋式上升”。其中分析和明确供需失衡的原因或条件就是科学研究，再次实现相对平衡的方法和手段就是技术创新。分析原因和条件是进行过程调控的前提和依据，有效的手段是在原因或条件明晰下产生的，即“科学”先于“技术”。

在农业科研与教学方面，针对现实的资源要素供应和当前社会需求及其变化，研究明确“光、热、水、肥、气”与作物需求数量之间的时空分布及其矛盾关系，在揭示作物生长发育需求同资源供应间的内在规律和运动过程基础上，通过实施人为的过程调控和干预实现作物与资源的相互适应，即可达到粮食产量和资源利用协同提高的目的。

1 指导资源高效利用技术创新，丰富教学内容

1.1 水资源高效利用技术的研发与教学方向

河北省平原区既是我国的重要粮食产区，又是水资源最为匮乏的地区之一。我国长期的粮食短缺使其形成了小麦-玉米一年两熟种植制度。改革开放初期，该地区在经济与社会资源存量迅速增长的前提下，通过开采当时较为丰富的地下水，小麦、玉米的产量大幅提高，为保证国家粮食安全做出了重大贡献。40 a以后，因迅速发展的工农业生产过度开采地下水，造成地下水资源日趋匮乏，继续延续小麦-玉米两熟种植制度会进一步加剧区域水生态的脆弱性，以提高产量为目的的农业生产导致的水资源匮乏会进一步威胁到北京都市圈的生态与经济安全。

河北省处在一年两熟的北界，并受冬、夏季风交替控制，两种季风强度的消长决定了其热量和降水资源的不稳定性。因此，根据水资源的“供需平衡”原则，从社会和自然2个层面如何重新实现水资源“开源（扩大供应）”与“节流（减少需求）”为核心的“供/需抑1”便成为当前理论技术创新与教学内容更新的方向。

1.1.1 水资源宏观管理政策层面 通过分析明确了地下水使用中存在的外部不经济性是导致其过度开采或“供不应求”的重要原因[2]。因此，依据公共资源政府干预的“庇古税”和私有资源市场交易的“科斯定理”原理，通过对水资源立法和确立水资源产权，政府根据用水资源类别、经济有效用水和可更新水资源的数量等条件，确定用水定额、水质、水价，实施水资源开采政府许可和用水配额制度，这样用水者必须根据用水配额来科学且高效用水，否则超过用水配额后将付出高额累进的水资源费用[3]。因此在市场竞争过程中，用水者必须考虑如何用更少的水资源创造出更多的产值和效益，不断进行节水技术创新以减少水资源的消耗来降低生产成本，则成为其获得更多利润的最有效的手段。这种在分析水资源利用的经济学原理基础上，改变目前农业水资源有值无价的被动局面，通过收费制度和定价机制，合理提高用水者生产成本，在考虑商业利益最大化的前提下，由此激励用水者不断进行节水技术的创新，使节水和节水技术创新成为水资源使用者的主动行为。例如发明滴灌技术的希勒尔就是一个农场主，而后他创建的第一家生产滴灌装置的工厂继而成为世界闻名的耐特菲姆公司。如此创新出的技术会更具有适用性和实用性，从而实现水资源通过“节流（减少需求）”使用向供需平衡转移。这部分内容为外部理论解决实际资源问题提供了生动案例，丰富了外部理论的教学内容，实现了自然层面水资源管理与社会层面法律政策的融合贯通，可以使学生认识到社会政策调整和价格刺激是自然层面技术创新的原动力，以及对培养学生树立系统思想、利用经济学观点拓展创新能力层次具有很好的指导意义。

1.1.2 水资源中观空间配置方面 河北省因大陆性季风气候导致降水季节性分布不平衡，除修建水库在汛期贮水、干旱期跨地区供水实现水资源供需平衡的例证外，实现城乡、工农之间的水资源供需平衡则又是一个用水机制和技术创新的方向，这种机制即是农业用水的“开源”。以色列特拉维夫附近的沙夫丹污水处理厂净化过滤出达到农业灌溉用水标准后的清水注入地下，供农业抽取灌溉使用[4]。为鼓励农业经营者更多的使用二次净化水，以低廉价格鼓励并使全国3/4农业生产用水使用污水净化水。这不仅节约了水资源，同时也最大限度地避免了各种废水大量排放对有限土地资源与环境的污染。华北地区有着全国较为密集的城市群和工业群，水资源消耗数量巨大。而华北地区目前工业废水生活污水，仅简单甚至未经处理就排入就近水域，这部分水不但未得到合理利用，而且污染了现有水资源，进一步加剧了可利用水资源的短缺[5，6]。通过对比分析则可以发现，促进河北省农业用水供需平衡的另一条途径是实现工农与城乡结合，通过国家政策或法律提高污水处理的强制标准，城市与工业废水净化后供农业使用，结合奖罚与价格机制，从根本上遏制地下水的开采数量，在不提高水资源开采数量的前提下通过农用水“开源（扩大供应）”而实现供需平衡，从而实现工业与城市废弃物的资源化利用和遏制地下水日趋匮乏的态势。这部分内容为实现资源的互补性开发利用提供了现实案例，从而指导京津冀水资源高效协同开发与利用。这也为丰富耕作学的教学内容，在新的社会与经济背景下突破“农牧结合”范畴，达到城乡区域结合和功能耦合、在大尺度实现污废水或其他废弃物（例如城市生活粪便发酵后作为农业生产的肥料，如此可以减少生物生理废物对环境污染，并减少化肥的工业生产而造成的能源消耗和环境污染）的资源化利用具有很强的指导意义。

1.1.3 在水资源微观时间调用方面 在农田层面，通过分析区域降水分布、土壤水分供应与作物需求在时间序列上的矛盾关系，作者团队创新出土壤水分以“夏秋蓄积、冬季贮存、春季供应”为核心的跨季节、跨作物调度的高效用水技术。以供需平衡原则为指导，发现了一年两熟种植制度下，秋季小麦播后相对充足的土壤贮水经过秋冬和早春的蒸发，无法实现春季利用，维持小麦产量须在春季拔节期前后进行灌溉，土壤水分供应和小麦生育需水在时间层面存在着特征性的供需失衡矛盾。缓解这种矛盾，实现供需平衡便是节水技术创新需要解决的问题。因此采用土下微膜无隙覆盖种植新方法，通过0.004 mm地膜和硬胚芽鞘小麦品种的合理搭配，实现了小麦自动破膜出土和农田的无缝隙覆盖，显著减少尤其是秋冬季节田间环境性无效蒸发，达到土壤水分的秋贮春用的效果，显著降低了春季灌溉水量并维持了小麦产量[7]。同时利用小麦吸水较深的特点扩大了在夏玉米季的土壤水分库容，丰水年份发生的土壤水渗漏又为补充地下水创造了条件。也由此提出了以有水时蓄水保水和无水时供水用水的时间、空间和数量的供需平衡为核心农田节水机制，以及节水的关键在有水、节水的目的在用水，有水时不保则干旱时无水可用的节水指导思想。这为从系统学上指导作物栽培学教学，拓展了通过作物筛选改变需求去适应资源供应、通过改变资源供应来适应作物需求的相互适应而实现稳产高效的思路，为兼顾作物产量维持与减少资源消耗提供了生动素材。

1.2 热量资源的高效利用技术创新与教学内容更新

1.2.1 基于供需平衡原则的热量条件分析 地下水灌溉和化学肥料投入条件下，水肥供应不再是产量的限制因子，小麦、玉米获得了相对的高产或超高产。若持续增加水分和养分的投入，“供过于求”会造成粮食增产速率开始小于水肥投入增加速率，结果是产量不再继续提高，还出现了以“报酬递减”为基本原理的资源利用效率持续降低和环境污染。探明在供应持续时间、空间分布位以及数量多寡等方面不适应小麦、玉米生长发育需求的资源要素，确立水肥之外资源限制要素并将其科学缓解或消除而实现“供需平衡”，可视为持续提升粮食产量、提高资源效率和降低农田环境污染的指导策略。

通过对河北省平原区区位特点与现行种植制度进行研究的结果表明，自然区位决定的农业水热资源不稳定性造成了两熟生产的不稳定性，水资源稀缺和大陆性气候决定的地面较低热容量，导致漫长冬季过后春季快速升温，返青后小麦生长发育被高温驱使造成有效生育时间过短而导致形成小穗小花数少且退化多、灌浆时间短且被高温逼熟，结果是穗粒数少、粒重轻而产量偏低；而在气候变暖的背景下周年热量仍不能满足冬小麦-夏玉米一年两熟粮食生产的需求。延缓小麦穗发育过程、延长穗发育时间和灌浆时间、促进其早发育早收获避开干热风危害的技术创新成为河北平原小麦增产的关键所在。在小麦提前收获后，夏玉米的生育时间延长从而实现增产的连锁反应。

1.2.2 基于供需平衡原则增加周年积温和产量 依据供需平衡原则，本团队探明了河北平原小麦季环境温度供应及变化同小麦生长发育需求适宜温度间存在着以剪刀差为特征的时序错位、夏玉米季热量资源总量不足的矛盾。据此创新出晚冬早春麦田通过搭建简易透光棚室、实施从春化后覆盖至拔节期的阶段性（1月下旬-3月中旬）升温促其早发育、而后揭膜降温延缓后续生长的方法，平衡了环境温度供应与小麦对适宜温度需求间的矛盾，实现了小麦提前生长发育，有效延长了返青至成熟的生育时间，促进了各产量构成要素的协同提高，充分利用了原不能利用的光、水、肥、气等非限制性资源，又可提前成熟避开干热风的危害[8]。在热量紧张的河北平原区冬小麦-夏玉米两熟种植区，用此方法实现的冬小麦提早成熟收获又为夏玉米早播和延长其生育期开辟了增产出路，产生了周年两熟均衡增产的连锁反应，深化了河北省粮食丰产工程课题12年前提出的“双抢两晚”的技术实践，探索出夏玉米生长短季问题由冬小麦提早成熟来解决的系统学新途径。

通过方法的创新，打破了目前小麦、玉米栽培学教学中“各自为政”的孤立格局，以热量为轴线将小麦玉米重新作为同一系统进行讲授，通过对比与分析当前的资源条件与现行种植制度的需求，以及理论与技术创新的科学脉络，使学生以系统学视角、用对立统一的观点对作物栽培学产生新的认识，加深了学生利用系统分析和通过人为方法把对立变统一、把失衡变平衡即为理论与技术创新的哲学认识，并培养了其探究的科学意识与反思创新精神。

2 对作物学教学内容与方法提出了更高要求

社会需求胜过十所大学。培养符合社会需求，具有人文思想、国际视野、市场意识和实用技能，且能够胜任乡村振兴战略任务的作物学专业人才是新时代赋予农学学科的历史任务。面对早已完成自给自足，正在向商业化、国际型、高效性迈进的我省农业，生产结构正在进行战略性调整，作物学相关课程结构与教学内容必须协同演进，教学内容领先社会生产是对其最基本的要求。按照高效、高产、优质、生态、安全，可持续的标准与社会、经济、生态需求，现代农业客体的升级运动势必由目前的作物生产系统向农业生态系统、经济系统和经营管理更为综合宏观的方向发展，而另一发展方向则向生物个体以下的微观层次延伸。鉴于作物学的技术科学与工程技术的交叉与过渡性质，上述宏观发展应作为其主要增长点，而农学门类向微观的基础科学发展，会直接进入生物学尤其是分子生物学、生态学领域，这将对现代作物学发展和知识创新具有重要作用[9]。

2.1 对作物学宏观类课程的指导与要求

宏观类课程包括作物栽培学、耕作学等课程。教学内容领先农业生产，授课内容引领发展方向和提出未来需要解决的问题是作物栽培学、耕作学等宏观核心课程的任务。在农业自足性福利生产的社会使命完成以后，作物向商品性盈利生产和生态性环境服务的转型势在必行。面向社会需求，以形态生物学（植物学）和土壤肥料学为指导、以高产为首要任务的教学内容需向以自然资源禀赋为基础、减少资源性成本性投入为依据、以简化劳动生产为手段、以经济与生态高效为目标的转变。相应的作物学科的研究与调控对象也由粮食作物向经济作物、农牧结合、城乡融合、农业资源与环境等方向拓展，种植制度与养地制度也需向大型智能化机械装备、规模化生产为标志的经济生态型方向转变。从教学方法上，通过对比分析和辩证解析的方式，以供需平衡原则为指导，培养学生类比反思和辩证反思的能力，面对社会发展需求不断思考未来的农业生产发展方向、面对的问题和解决办法，根据未来需求提前做好思想和行为准备、技术储备的供应。同时让学生认识作物生产的社会使命不断向高级化演进，不同历史阶段、不同社会使命下的技术创新方向和创新技术也迥然不同，以及科学的永恒性和技术的时代性。

例如，当我国在加入WTO的过渡期结束后，以玉米为代表农产品受到了国际市场的强烈冲击，因此在玉米栽培教学中需要加入中外玉米的市场运作、生产方式、生产过程、成本投入和产出效果的对比分析，明确我国、我省玉米生产同发达国家的差距，探索玉米生产未来的发展方向，从多个层面入手以有效扭转不利的竞争局面。通过对比分析发现，玉米全程机械化生产是降低玉米生产投入、提高生产经济效益的基本前提。由此产生的我省当前种植制度改革（平原区中北部一年两熟变为两年三熟或一年一熟）、种植品种改良（适合机械化直收籽粒的玉米品种）、资源循环利用（秸秆过腹后粪便发酵还田）和规模化生产是在当前资源与技术条件下实施全程机械化降低生产成本的关键，从而提出了目前与未来需求解决的技术问题，从而使学生自动思考种植模式改进和品种改良的方向、如何去适应当前自然和社会条件，并从更深层次上认识到所选择的农学专业对社会发展的时代意义。

例如，在耕作学中讲授间作的意义就是在于更好的利用生物的多样性，更好的利用有限环境资源生产更多的生物与粮食，其生产单位是一块农田。该内容的历史与生产意义就在于在城乡二元制和大量剩余劳动力条件下，利用有限的自然与社会资源最大限度的解决温饱问题。如果目前还按照现行教科书的内容进行讲授，显然丧失了其时代意义，甚至还会使得学生失去学习兴趣。而在当前以追求经济和生态效益为目的背景下，同一田块的间作无法适应规模化生产对大型智能机械的使用和产品品质同一性的要求，同一田块的间作需要演变成不同农场或区域的间作，而过去同一田块的间作就变成了空间大尺度上的混作。由此加深了学生对作物种植方式的理解，还培养对同一事物在不同时空范畴下的辩证认知，以及满足未来生产目的对生产技术的思考。同时也适应时代需求，整合作物栽培学与耕作学等作物生产教学内容，并重新编著以农业生态学、资源经济学、土壤肥料学和精准农业为理论指导的作物生产学，以课程与教学内容改革为手段，赋予作物生产新的内涵。

2.2 对作物学微观类课程的指导与要求

微观类课程包括遗传学、作物育种学等课程。教学内容以通过生物学尤其是分子生物学技术改良作物本身，调整育种方向和目标，使培育出的新品种适应降低生产成本和机械化收获，提高生产经济效益和食物品质与安全，种植制度改革和资源禀赋条件的需求。从育种思路上，通过转基因和组织培养技术，加快育种速度，培育高抗和耐旱、耐瘠品种，减少化学农药和水肥的使用。以玉米为例，河北平原地处一年一熟和两熟的过渡地带，种植制度改变后的玉米品种性状应具有生育期长、耐高温性能好、籽粒脱水快、收获前抗倒性强的特点，以充分适应和利用区域水热资源条件，并满足种植制度发生变化后玉米直接收获籽粒的生产方式、降低劳动力投入成本和提高生产效率的社会需求。同时以适应河北省气候条件和资源状况，在其特殊的自然地理区位下，需走出一条极早熟夏播玉米和极晚熟春播玉米的特殊路子。从教学方法上，同样采用对比分析和辩证解析的方式，培养学生的辩证思维能力。

还以玉米品种为例，在作物的自足性福利生产和计划经济阶段，通过培养叶片保绿时间长和活杆成熟的品种，实现了最大限度的利用光热资源和产量有效提升。而在市场经济条件下面对国际市场竞争和以提高经济效益为目标时，以前增加产量为目的的品种优良性状反而成为通过机械化直接收获籽粒降低生产成本的突出障碍，所以说品种特性的优劣随社会发展不断发生改变，以此在育种学教学方面培养学生的宏观思辨能力，准确把握育种方向，减少或避免无效或低效劳动。同时在讲授当前和未来机械化生产对玉米品种需求时，例证并辨析当前业内普遍认为的玉米籽粒脱水快即是适合机械直接收获籽粒的片面观点，深入阐述苞叶松散利于籽粒脱水、秸秆与叶片干燥快利于秸秆切割、粉碎和减少杂质率、熟后站杆性能好以防收前倒伏、穗位高度一致以避免果穗损失、穗位上部小有利于通风透光、籽粒与穗轴结合不紧密以减少籽粒破碎率均是机械直收籽粒的必要条件。以此培养学生的系统认知的能力。