自1975年以来全球大气中CO₂、CH₄及氮氧化物浓度显著增加，预测21 世纪中期大气CO₂浓度将达到550 μmol·mol-1 ^[1]。大气CO₂浓度的增加会引起全球气温升高^[2]、降水量和降水格局发生变化，同时增加生态需水量及农业灌溉需水量^[3]，水资源缺乏将成为世界性的问题，而且随着人口剧增和工业的发展，农业用水的缺口将逐渐加大^[4]。在缺水和人口增加的双重压力下，如何保障粮食安全，将是未来人类面临的重大生存问题。

目前灌溉农业的粮食增产潜力已发挥较高水平，未来靠提高灌区单产来提高粮食总产难度很大，所以发展旱作农业将是未来保障粮食安全的主要方向。旱作农业生产受自然条件的强烈限制，加之受全球气候变化的影响，旱作农业生产力的波动幅度大，因此，当前针对旱作农业需要解决的问题主要在2个方面，一是提高生产力水平，二是稳定增强农业生产体系对环境的适应能力。本文立足全球气候变化条件下我国典型旱作区域——西北黄土高原旱作区的未来旱作农业生产可能面临问题，结合当前旱作农业生产中应用的抗旱技术，分析应对未来全球气候变化条件下旱作农业发展的措施，以期为未来发展旱作农业、保障粮食安全提供参考。

全球气候变化已逐渐影响人类的生存环境，全球气温升高、降水量和降水格局变化、极端气候频发等将对旱作农业产生不可忽视的影响。

全球气候变暖将造成水资源短缺、土地退化、干旱地区面积增加等一系列问题，严重影响粮食生产。秦大河^[3]和林而达等^[5]的模拟研究表明，未来30年内我国种植业产量在总体上将因全球变暖而可能会减少5%～10%，其中小麦、水稻和玉米三大作物均以减产为主^{[3, 6]}。自1951年以来甘肃省气温上升速率约为0.4～0.8 ℃·10 a^-1，干旱面积逐步扩大，降水则逐步减少^[7]，导致农作物养分积累时间缩短，品质降低^[8]。甘肃省1971—2005年粮食减产量的变化随着3—10月全省平均气温的升高而变化，随气温升高，暖干化趋势加剧，气温升高造成的干旱灾害严重影响粮食生产，尤其是1990年以来平均气温呈明显持续上升的趋势，粮食减产量也呈明显持续增加趋势，平均气温与粮食减产量呈较显著正相关，表明气候变暖使干旱灾害对农作物产量的影响程度加大，直接影响粮食生产安全（表 1）^[9]。同时，温度升高及昼夜温差缩小不利于作物品质形成，大气中CO₂浓度增高也对品质造成负面影响。二者的交互作用对不同作物品质的影响尽管不同，但负面影响居多，并直接影响营养品质。比如温度升高和CO₂浓度增加的环境中水稻籽粒蛋白含量降低，稻米的垩白率和垩白度极显著提高，整精米率极显著下降，蛋白质和氨基酸含量明显下降^{[10, 11]}。

表 1 甘肃省1971—2005年大旱年农作物受灾情况及旱灾类型 Table 1 Disaster situation of crops caused by drought and drought type in the disastrous drought years in Gansu Province from 1971 to 2005

表选项

甘肃省位于西北内陆地区，大部分属于干旱半干旱气候，生态环境脆弱，是气象灾害的频发区，全省气象灾害占整个自然灾害的88.5%，高出全国平均水平18.5%。干旱出现频率高，占气象灾害的70%以上，是最主要的气象灾害^[12]。据统计，1960—2005年近46年来甘肃省平均降水量呈减少趋势，线性趋势变化率为-5.4 mm·10 a^{-1 [9]}，导致干旱受灾面积、频率和强度增加，20世纪60年代发生旱灾1次，受灾面积114.10×104 hm²；70年代发生旱灾3次，受灾面积332.50×104 hm²；80年代发生旱灾3次，受灾面积362.90×104 hm²；90年代发生旱灾5次，受灾面积691.20×104 hm²；21世纪发生旱灾6次，受灾面积404.51×104 hm²，旱灾类型由20世纪60年代的春季初夏旱逐渐过渡到四季均旱，作物生长受限，20世纪60年代至21世纪因旱灾导致粮食减产量总计达1 224.36万t ^[9]。另外，近几年，全球气候变化改变了区域降水量和降水格局，“南旱北涝”趋势渐显，根据中国国家气候中心监测显示，2013年7月以来，全国降水总体北多南少，长江中下游地区降水量仅116.6 mm，较常年同期偏少50%，为1951年以来最少；珠江和淮河流域的降水量分别偏少了17%和16%。截至2013年8月15日，与8月6日相比，长江中下游及西南地区十日之内农作物受旱面积增加117.4万hm²，粮食产量受损。“南旱”的同时，中国北方地区却迎来了丰沛的降水，引起洪涝，粮食产量受损。2013年7月1日以来，全国平均降水量169.2 mm；其中，东北降水量287.3 mm，较常年同期偏多36%，华北、西北也分别偏多35%和36%，以中国粮食主产区东北地区为例，黑龙江、嫩江、松花江连日出现超警戒水位，汛情导致粮食生产损失惨重。以灾情最为严重的黑龙江为例，截至2013年14日，洪涝、风雹共造成该省农作物受灾面积241.8万hm²，农作物绝收面积61万hm²，直接经济损失111亿元人民币。对于“十年九旱”的甘肃省而言，近几年降水的增大整体上对粮食生产较为有利，据省统计局抽样调查2013年全省粮食总产较2012年增加80万t左右，2014年比2013年增加19.8万t，粮食生产实现“十一连增”。

我国处于自然灾害频繁发生、全球气候显著的区域，极端气温、暴雨洪涝、冷害低温、干热风、雷暴、冰雹等极端事件屡屡发生，对我国农业，尤其是黄土高原旱作区农业生产造成了很大的威胁^{[13, 14]}。据有关数据显示：20世纪我国发生的气象灾害占世界总数的30%左右，并且受灾面积呈直线上升趋势增加^[15]。2007年，全国因低温冷冻灾害和雪灾造成农作物受灾面积达407.2×10⁴ hm²，直接经济损失186.5 亿元^[16]。2013年陕西省气温异常偏高，降水时空分布严重不均，总体呈现降水北多南少的特征，其中延安7月平均降水量是常年同期5倍左右，全省各类自然灾害及衍生灾害共造成农作物受灾151.612 万km²，绝收17.527 万km²，直接造成农业经济损失98.78亿元^[17]。甘肃省生态环境脆弱，受气候变化影响严重，旱灾、水灾、风雹灾等极端气候发生率高。据统计，甘肃省1960—2010年白天极端高温天数、夜间极端高温天数、≥35 ℃高温天数均呈增加趋势^[18]（图 1）。1978—2012年全省旱灾、水灾、风雹灾、霜冻灾等极端气候造成的受灾面积3 877.14万hm²，成灾面积2 894.09万hm²，粮食作物减产5~8成的面积达692.99万hm²，减产8成以上的达395.42万hm²，经济作物减产5~8成的面积达107.99万hm²，减产8成以上的达68.72万hm^{2 [19]}。

图 1 甘肃省1960—2010 年极端高温天气变化趋势 Figure 1 Extreme high temperature weather change from 1960 to 2010 in Gansu Province

图选项

未来北方大部分地区将持续暖干化，同时随着CO₂浓度的升高，酸雨形成，最后影响臭氧层，自然灾害就会持续发生，西北半干旱区粮食生产系统的脆弱性将进一步加大，不稳定性将进一步加强。

目前，西北半干旱区大面积推广的覆盖技术主要有：砂石地膜覆盖、全膜双垄沟播、全膜覆土穴播和秸秆覆盖技术。西北半干旱区因生态脆弱、风沙大、降水量少而不均，而且降水分布与作物需水错位，导致粮食生产产出低、波动性大。通过地表覆盖技术，抑制地表无效蒸发，促进作物对水分的利用，提高水分利用效率，调节土壤温度，为作物生长提供稳定的温度环境；再者能提高降水入渗率，调节土壤水分时空分布，保证粮食作物稳产高产。研究显示，砂石地膜覆盖种植方式，其最大的特点是把传统砂田栽培同地膜覆盖有机结合起来，抑蒸保墒，最大限度地接纳雨水、促进入渗，特别是将4—6月10 mm以下的无效降水转化为有效降水^{[20, 21]}，避免水蚀、风蚀，从而保土保肥^{[22, 23]}、保水保墒、增温^[24]、防冻^[25]、促早熟、提品质^{[25, 26]}，使作物早熟、高产和优质，一般年份，粮食作物产量可比土田高1～3倍，大旱之年裸地作物颗粒无收，而砂田中还能有一定收成^[22]；地膜覆盖能提高玉米、小麦等作物生长前期土壤平均温度3 ℃左右^[27]，利于作物出苗和前期生长；在秋季和早春全地面覆膜，可使土壤水分蒸发减少80%左右，实现秋雨春用，同时保蓄更多水分供后期使用，促进籽粒形成和灌浆，显著提高产量和水分利用效率^{[28, 29, 30, 31, 32]}，其粮食稳产增产效果在干旱年份愈加显著^{[27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35]}；秸秆（残茬）覆盖减少土壤水分蒸发、调节地温、改良土壤、培肥地力^{[36, 37, 38]}，也是解决西北半干旱区旱与薄的有效途径。秸秆（残茬）覆盖后，小麦田平均减少蒸发64 mm，玉米田平均减少56 mm，果园可降低60%无效蒸发，同时增加降雨入渗24.88 mm左右^[39]。秸秆（残茬）覆盖对地温的调节作用主要表现在冬季提高地温，夏季降低地温^[40]，增加降雨入渗率，对水分不足起到了弥补作用^[41]。研究显示：近年来西北半干旱区广泛采用的全膜双垄沟播栽培模式，玉米穗粒数、穗粒重、百粒重等显著增加，产量较不覆盖增加310.0%～356.2%；玉米采用全沙覆盖平作后产量较不覆盖增加224.3%～256.1%^{[24, 31]}；小麦全膜覆土穴播和全沙覆盖分别较不覆盖产量提高48.78%～857.90%和9.41%～702.23%，而且越在干旱年份，全膜覆土穴播和全沙覆盖增产幅度越大^[35]。可见，覆盖技术利于作物生长、作物合理群体构建，能提高作物-土壤体系抵御环境变化的能力，能增强粮食生产系统对极端气候事件的防御能力，保障粮食稳产高产。

目前西北半干旱区大面积推广的土壤培肥技术主要有：合理施肥（有机无机配施、增施有机肥、测土配方施肥）、免耕、机械深松耕和秸秆还田。研究显示，合理施肥和增施有机肥可使土壤有机质提高3.06%～27.78%，易氧化有机质增加10.91%～20.67%，浸提腐殖酸提高1.43%～14.28%，结合态腐植酸的松/紧比值提高0.07～0.19，HA/FA比值提高0.07～0.24，并且能改善土壤的N、P、K营养状况、土壤水分和土壤孔隙状况，提高了土壤有机质活性和改善土壤肥力状况^[42]。免耕和秸秆还田可改善土壤结构，提高土壤养分含量^[43]，不同程度地增加土壤有机质和速效氮、磷、钾^[44]、全氮、全磷、全钾、碱解氮含量^[45]，有利于土壤的固碳作用，提高土壤保水保肥能力，还可以改良土壤结构，增强土壤抗蚀抗旱性能，增加作物产量，改善作物品质^[46]。深松+秸秆还田因深松在不破坏表土层的基础上打破犁底层，有利于作物根系下扎生长，根系残茬及大量根系分泌物也加剧了微生物繁衍，利于秸秆的腐解^[47]，使土壤耕层总有机碳（TOC）储量增加5.2%～18.0%，土壤溶解性有机碳（DOC）积累增加200%左右，颗粒有机碳和矿物结合有机碳等土壤活性有机碳组分积累均不同程度增加^{[48, 49]}。同时，秸秆腐烂翻压后提高了土壤肥力，调整土壤孔隙度，保持良好的土壤结构，有效增加表层土壤的有机质含量，为作物高效利用自然降水提供了良好的土壤环境。土壤肥力的提高能够提高水分的利用率，从而使作物得以充分利用有限的水分，稳定产量。目前研究表明上述提升土壤肥力的土壤培肥技术，均能较好解决西北半干旱区土壤旱与薄的问题，实现西北半干旱区粮食稳产增产。

目前西北半干旱区根据当地光热资源充沛，水资源短缺的区域特性，对作物布局、种植目标、作物品种等进行调整，以突出区域优势，凸显区域特色，保障旱作农业增产增效。首先针对甘肃省光热资源充沛、干旱、早晚温差大等气候特点，加大马铃薯种植面积，减少小麦种植面积；随全膜双垄沟播技术的推广，增加玉米种植面积；二是种植目标调整，变增总量的单一目标为提质、增效、增收、保护环境和资源的复合目标。科技先行、品种为先，近年来，甘肃省育种和品种引进工作成效显著，新大坪、渭薯系列、陇薯系列不断出新，马铃薯平均每667 m²产达2 300 kg以上，产量较1998年的每667 m² 840 kg提高173.8%，淀粉含量提高110%左右，蛋白质含量提高190%左右，Vc含量提高50%左右，马铃薯品质显著提升；通过免耕+小麦/马铃薯合理轮作技术的推广，节约成本，增收增效；三是技术调整。在推广全膜双垄沟播技术、全膜覆土穴播技术等增产技术、常规技术、单项技术的同时，大力推广机播机收、保护性耕作等增值、降耗、节地、节物、节能、节劳技术，通过推广全膜双垄沟播玉米-玉米/马铃薯-玉米/马铃薯/冬油菜/胡麻免耕一膜多年用技术，结合播前机械起垄铺膜，每667 m²节约成本215～430元；推广膜上覆土穴播小麦-小麦/冬油菜/胡麻-马铃薯/大豆一膜三年用技术，每667 m²节约成本260～520元，节本增效效果显著。集成推广马铃薯全膜双垄沟播和膜侧沟播模式，马铃薯产量增加13.6%～64.5%，同时结合早熟品种，早铺膜、早种植，达到马铃薯早上市的目的，平均每公斤价格提高3～4元，增产增收效果显著。通过推广马铃薯与豆类间套作技术，充分利用光热水土资源，单位面积作物生产力提高11.3%～24.0%，保障西北半干旱区农业生产可持续发展。

未来气候变化对西北旱作农业的影响主要有3方面：一是气温升高导致作物产量降低，品质下降；二是降水量和降水格局变化引发的作物干旱/洪涝问题；三是极端气候引发的气象灾害导致粮食生产波动。因此，未来西北旱作农业的发展的总体方向是解决或缓解上述不良影响，通过旱作农业措施的改变与调整来应对未来全球气候变化。

气候变化的一个明显特征是降水量和季节分配发生的显著变化，可能导致自然降水和作物需水不匹配，季节性干旱频发，严重制约农田生产力的持续提高。提高土壤的蓄保水能力，实现自然降水的周年调配利用，是应对未来气候变化的主要方向。覆盖技术不但能够有效抑制土面蒸发，而且可以改变水分在不同土层土壤中的分配，并具有调控土壤水分运移特征的作用；另外，覆盖技术配合垄沟种植技术，还具有明显提高聚集自然降水的功能，提高降水入渗效率；再次，覆盖技术的应用，能够显著降低土壤侵蚀，达到保水保土的目的。目前，在西北旱作农区大面积应用的砂石覆盖、地膜覆盖和秸秆覆盖技术，显著改善了农田土壤水分条件，实现了对自然降水的周年调控，达到了稳定提高农田生产力的目的。覆盖技术也存在较为突出的问题，如残膜污染、高产种植的土壤水生态安全、耕地质量下降、病虫草害问题等。干旱农业发展必须要立足于覆盖种植这一关键技术措施。通过材料科学的发展、农作制度优化设计、有机物还田和生物综合防控技术应用，来解决当前覆盖农业面临的关键技术问题，以有效应对气候变化对干旱农业产生的不利影响，实现农田生产力的稳步提高。

气候变化可能会导致全球气温进一步升高，极端气候频度与强度进一步加强，暖干化、极端低温、极端高温、极端干旱/降雨频发，加大旱作农田生产波动性与不稳定性。减缓土壤对外界条件变化的响应，提高作物-土壤体系对环境变化的适应能力以减小农业生产波动性与不稳定性，是应对气候变化的重要方向。土壤培肥技术不仅能够提升地力、提高作物水肥利用效率以构建合理群体，而且能够优化土壤结构、改良土壤理化性质；通过作物合理群体的建立和土壤水、气、热特性的改良提高作物-土壤体系对环境变化的适应能力以应对未来气候变化，稳定旱作农业生产力。目前，在西北旱作农区大面积应用的测土配方施肥技术、免耕技术、机械深松土壤水库扩容技术和秸秆还田技术显著提高了旱作农田地力水平，提高作物水分利用效率，优化了土壤结构，达到了增强作物-土壤体系对环境变化的适应能力的目的。但单项技术效果仍显不够，技术集成仍需进一步发展，另外，土壤培肥是一个缓慢的过程，需长期应用“改土”技术，逐步提升地力、发挥“改土”功效、稳定粮食生产。

复杂的、综合的气候变化对农业生产的影响可能也远不止气温升高、降水变化和极端气候。综合应对气候变化，除气象因子外，协调“水、土、肥”是应对未来气候变化的途径。目前西北旱作区广泛应用的免耕型全膜双垄沟播技术，测土配方施肥技术、免耕技术、机械深松土壤水库扩容技术和秸秆还田技术以及单项技术集成，通过全地面地膜覆盖抑蒸保水，防风蚀水蚀，减缓干旱和暴雨暴风洪涝的影响。通过调控土壤水分供给、作物耗水特性缓解干旱胁迫，通过调节土壤导热性、稳定地温缓解高温胁迫，通过免耕增加土壤有机质，稳定并逐步提升地力，从而提高作物水肥利用效率，增强作物-土壤体系对环境变化的缓冲能力，减弱作物-土壤体系对环境变化的响应，综合提高作物-土壤体系抵御环境变化的能力以应对气候变化。

综上所述，未来气候变化对西北半干旱区作物生长的影响主要有3方面：一是气温升高导致作物产量降低，品质下降；二是降水量和降水格局变化引发的作物干旱/洪涝问题；三是极端气候引发的气象灾害导致粮食生产波动。因此，目前的旱作农业研究实践都必须以适应或缓解上述不利影响为主，以提高有限降水利用效率、优化土壤结构、提升土壤肥力和增强作物-土壤体系抵御环境变化能力为核心目标深入研究：（1）覆盖聚集降水，提高土壤蓄水保墒能力，改变土壤水分分配，调控土壤水分运移并提高降水入渗效率，从而“调水”以适应降水变化；（2）土壤培肥优化土壤结构、改良土壤理化性质，从而“改土”提高作物-土壤体系对环境变化的适应能力以应对未来气候变化，稳定旱作农业生产力；（3）通过“调水”和“改土”技术集成，形成“水土协调”技术体系以综合应对未来气候变化，减缓未来气候变化对西北半干旱区粮食生产的不利影响。