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作物栽培和耕作学科
（1中国农业大学农学院,北京100094；2中国农业科学院作物科学研究所,北京100081）
摘 要：近60 年来中国作物栽培与耕作学在理论建设、技术创新和技术体系构建等方面取得了显著成效,围绕作物高产、优质、高效、生态、安全生产需求,在作物生育调控理论及技术途径上不断取得突破,在多熟种植、作物布局和种植模式优化上不断创新发展,并通过技术集成应用有效支撑中国粮、棉、油等农产品生产能力稳步提升.面对当前及未来中国农业转型发展的战略需求,如何将资源高效、环境安全与作物高产高效并重,构建用养结合、生态高效、生产力和竞争力持续提升的作物生产体系,是作物栽培与栽培学科创新发展的总体目标和艰巨任务.
关键词：作物栽培与耕作；作物生产；生态高效；学科发展
中图分类号：S01 文献标志码：A
Developments of the Crop Cultivation and Farming System in ChinaChen Fu1, Zhao Ming2
(1College of Agronomy & Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100094, China;2Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)Abstract: The crop cultivation and farming system discipline in China has achieved remarkable achievementsin many aspects, such as theoretical construction, technical innovation and the establishment of technicalsystems, during the recent 60 years. In order to meet with the requirements of obtaining high-yield, highquality,high-efficiency, ecological and safety production, the discipline has made breakthroughs in the theoryof crop development regulation and related technological approaches, which has also got continuous innovationsand developments in multiple cropping, crop composition and distribution, and the optimization of plantingpattern. Moreover, it efficiently supported the improvement of the productivity of our country’s cereal products,cotton products and oil products through the application of technical integrations. In the face of the nationalstrategic demands in agricultural tranormation and development on the current and future situations, how topay equal attention to the high efficient utilization of resources, environmental safety and high- yield andefficient crop production, and the constructions of the crop production systems with the cultivated landutilization and recovery, ecological efficiency, and the continuous improvements of productivity andcompetitiveness, are the major objectives and missions of the innovative developments of the crop cultivationand farming system discipline.
Key words: Crop Cultivation and Farming System; Crop Production Systems; Ecological and High Efficient;Discipline Development
0 引言
作物栽培与耕作学是研究作物生长发育规律及其与外界环境的关系,探讨作物高产、优质、高效、可持续生产的调控措施,以及构建合理种植制度与养地制度的理论、方法和技术途径,是农业科学中重要的骨干学科之一[1].尽管作物栽培与耕作学作为独立学科体系只有60 年左右的历史,但在理论建设、技术创新和技术体系构建等方面取得了显著成效,在支撑中国粮、棉、油等农产品生产能力稳步提升,有效保障国家粮食安全、农民增产增收和区域经济发展方面做出巨大贡献[2].
1 作物栽培与耕作学科的形成与发展
中国农业素有精耕细作的传统,作物栽培与耕作技术有着悠久的历史发展.早在春秋战国（公元前770 年）时期的《吕氏春秋》中就有作物栽培耕作的相关记载,《汜胜之书》（西汉）、《齐民要术》（后魏）、《农桑辑要》（南宋）、《授时通考》（清代）,记载着古代的精耕细作、间套复种、用地养地、抗逆栽培等经验,所提出的“顺天时,量地利,则用力少而成功多；任情返道,劳而无获”及“谷田必须岁易”、“地力常新壮”等论述,不仅在中国传统农业的精华,对现代农业生产仍有重要指导价值.
进入20 世纪,发达国家的农学学科体系逐步建立和完善,尤其植物生理学、植物营养学、植物生态学的发展,为人们深入揭示作物-环境条件-培耕作措施三者之间的关系提供了可能,推动了作物栽培耕作技术的研究逐步由经验阶段上升到理论阶段.西方国家的作物栽培与耕作学的相关课程已经开设,如美国、英国大学的《作物生产学》(Crop Production),德国大学的《植物生产原理》等,开始系统介绍农作物生产管理的相关原理与技术,内容涉及农业气象、土壤、肥料、种植制度以及作物栽培管理等.受西方农学学科发展影响,日本大学的《作物学》(Crop Science)和原苏联院校的《农业原理》等课程体系也逐步建立,内容涉及包括土壤、施肥、轮作、杂草、土壤耕作、灌溉等.其中原苏联的农学学科将西方的《作物生产学》、《植物生产原理》等分解为《作物栽培学》和《农业原理》两门学科,这也是后来中国农学专业学科设立主要的模版[1].20 世纪50 年代,新中国成立后引进了原苏联的教育体系和课程设置体系,中农学专业引进的《农业原理》和《作物栽培学》成为中国作物栽培与耕作学的专业骨干课程,作物栽培学与耕作学开始逐步形成独立学科.1952 年将原苏联雅库什金的“作物栽培学”翻译成中文作为中国农业院校推荐教材,1958 年集中了中国农业院校的一些著名专家和教授编写出版了第一本作物栽培学教科书；当时作物栽培科学研究的重点是作物生育的各个环境因子及其变化规律,探索如何通过肥水运筹和其他措施来造就一个理想生育环境,使作物能够实现合理的生育进程而取得高产,但主要是总结中国传统的种植经验、施肥技术及“看天、看地、看庄稼”.1953 年北京农业大学孙渠教授首先引进前苏联的《农业原理》课程,并译为《耕作学》出版作为农业院校推荐教材,当时耕作学的主要内容是土壤肥力、团粒结构、草田轮作、杂草、土壤耕作[2].
在此后的近半个世纪,中国的作物栽培学与耕作学一直致力于中国化,结合中国作物生产实践需求与理论和技术积累,从体系框架、理论原理、技术内容等都在不断调整完善,不断走向成熟壮大,作物栽培学、耕作学一起成为中国作物学的二级学科.20 世纪50年代至70 年代,其特征为以总结群众经验为主,主要依靠农业科技人员深入农村,学习、总结和推广农民作物丰产栽培经验、改进栽培技术,以及耕作制度改革、间套复种模式优化、土壤培肥等经验与技术,上升到作物栽培与耕作学的原理和技术研究.20 世纪80 年代至90 年代,其特征为从经验技术型向理论技术型发展,作物栽培学重点研究作物生育规律、器官建成、产量形成、立体多熟、高效抗逆高产综合理论与技术,耕作学围绕作物布局优化、提高耕地周年单产、高功能高效益种植模式、农艺与农机结合等理论与技术.进入21 世纪,作物栽培与耕作学开始从单一高产目标向高产、优质、高效、生态、安全多目标发展,不断吸纳现代生物技术、信息技术和新材料、新装备等,开始向机械规模化、信息精确化、可持续简化、气候变化适应性、抗逆稳产等技术发展,积极探索建立作物增产、农民增收、农业增效、产业协调、资源高效于一体的现代耕作制度模式与配套技术体系[3].
2 作物栽培与耕作学理论及技术创新
60 多年来,中国作物栽培与耕作学在理论建设、技术创新和技术体系构建上不断进步,创新成果不断涌现,不仅支撑了中国粮、棉、油等农产品由长期短缺到总量平衡、丰年有余,而且实现了农业发展由粗放生产到不断提高集约化水平,在推动中国“三农”发展的历史性跨越方面贡献巨大.
2.1 作物栽培与耕作学理论创新
作物栽培理论创新主要是基于作物产量形成、生长发育规律、作物与环境关系等应用基础研究的不断深化,结合作物高产、优质、高效、生态、安全生产需求,在作物生育调控理论及技术途径上取得突破.耕作学理论创新重点围绕区域农业资源高效利用和用地与养地结合,以及构建高产优质高效和生态安全的种植制度和新型种植模式生产需求,在作物配置、布局和农作制度优化理论与技术途径上取得突破.
（1）作物生育过程中器官相关与肥水效应理论.
作物各器官生长发育具有一定的相关性,如营养生长与生殖生长的关系,地上部生长与地下部生长的关系,作物器官的同伸关系等.根据不同器官之间相关关系,创建了以器官相关与肥水效应为核心的叶龄促控的理论与技术,即以不同叶龄时期的肥水效应为依据,用主茎叶龄作为形态指标,制定因地制宜、因苗管理的相应促控措施.该理论在小麦、水稻等作物叶龄指标促控法栽培管理技术上取得了显著突破,器官同伸理论的应用更加广泛,为作物栽培调控和生长模拟提供了理论依据.
（2）作物高产形成定量化理论.提高作物产量是作物栽培学的重点任务,在高产和超高产产量目标下,研究作物产量提高过程“产量构成、光合性能、源库关系”3 个作物产量的理论特点和内在联系,明确产量形成“源”、“库”性能的数量向质量过渡规律,形成作物高产超高产理论体系.以源库理论为主题,源与光合性能相连,库与产量构成理论相连,构成了源库不同层次和数质量性能的产量分析框架,可通过不同产量条件下产量性能构成分析,提出不同产量目标的定量化[4].
（3）作物营养高效平衡理论.作物必需的各种养分同等重要,相互不可替代,缺乏任何一种元素作物都不能正常生长.作物产量受土壤中作物必需的某种有效养分含量相对最低的营养元素控制.所有养分都最优,产量可达最高,缺少一种养分否定了其它所有养分的价值,产量损失.平衡施肥的原理是在土壤养分状况评价和测土推荐施肥中,综合考虑各大、中、微量营养元素的缺素临界指标,在提出作物施肥推荐时,根据土壤测试和吸附试验结果、作物类型和产量目标等确定各营养元素的施肥量,形成一套完整的土壤养分综合评价系统和平衡施肥推荐技术,促进作物的增产增收.
（4）多熟种植高产高效理论.以间套复种等多熟种植为主体内容多熟农作制,作物从平面、时间上多层次地利用空间,可以充分利用光热和土地资源,对协调人多地少矛盾、提高土地利用率、协调粮经作物（养殖业）生产,有十分显著的增产增效作用.多熟种植在复合群体高光效模型与互补竞争原理、农田生物多样性利用和时空资源互补实现抗逆增产增效等方面不断深入,提出叶日积(LAI-D)理论在延长光合时间同时要保证维持一定的叶面积,多熟种植的密植效应、边际效应、时空效应、补偿效应等光热水土资源集约利用原理,有效指导了中国多熟种植的技术创新.
2.2 作物栽培与耕作关键技术创新
（1）密植高产技术.通过增加种植密度,充分挖掘群体生产潜力是作物单产不断提高的重要途径.20世纪80 年代以来,大批适应密植的高产、稳产、抗逆性强的作物品种在生产中推广应用.栽培科研工作者依据地域的气候生态条件、品种特征、土壤条件、耕作栽培管理水平因地制宜的研究确定合理种植密度.随着棉花品种的不断改良,种植密度不断增大,新疆棉区“密、矮、早”的种植技术体系,对确保棉花早发早熟和增产稳产有重要作用.
（2）土壤耕层优化技术.耕层变浅,犁底层加厚,耕层有效土壤数量明显减少,耕层土壤理化性状趋于恶化的问题在全国农田普遍存在.近年来,因地制宜研发的各种形式的深松、深翻、垄作及残差处理技术,在改土、蓄水保水、抗旱除涝、减少水土流失,保护生态环境和增产增收方面发挥了重要作用.包括条深旋精细播种技术、粉垄耕作技术、保护性耕作技术等,在耕层调控优化和简化栽培技术方面取得显著进展.
（3）作物定向化控技术.化学调控技术是指在作物生长发育的不同阶段,根据气候、土壤条件、种植制度、品种特性和群体结构要求,连续数次使用植物生长调节物质（激素类）进行定向诱导,塑造理想株型、群体冠层结构的技术.化学调控技术在棉花、玉米、小麦、水稻、大豆、油菜等作物生产的推广应用,发挥了其广适应性、高抗逆、高产稳产的技术优势,体现了稳产增产高效抗逆的定向调控栽培技术特征.
（4）资源优化配置技术.针对中国作物一年多熟生产特点,以及气候资源配置不合理、限制高产高效的障碍因素等导致的不同季节作物产量不平衡、周年产量低和资源利用效率低等问题,在多熟制作物光热资源优化配置、高产高效技术创新以及不同种植模式配套技术完善等方面取得显著成效.包括有重大影响的“吨粮田”创建、夏玉米晚收和冬小麦晚播的“双晚双高”技术、双季稻三熟制资源优化配置技术等.
（5）保护性耕作技术.围绕减轻农田水土侵蚀、培肥地力和节本增效,建立起以少免耕技术和秸秆还田、生物覆盖技术为核心的粮食主产区保护性耕作技术模式.从20世纪90年代以来,在中国不同农业生态类型区研究探索保护性耕作关键技术及其配套技术体系的研究与示范.近年来,在土壤少免耕与残茬覆盖、秸秆还田、土壤轮耕模式等方面取得了一批有推广应用价值的研究成果.
2.3 技术集成创新与应用
（1）作物高产优质高效栽培技术集成.中国在不同的作物与不同的区域技术集成出了不同的技术模式,为各种作物的高产高效,增产增收起到了重要技术支撑作用.近年来实施的国家粮食丰产科技工程与高产创建活动,在东北、华北、西南及长江中下游地区的玉米、小麦、水稻、大豆等主要农作物丰产高效进行了技术集成与创新研究,形成一大批具有地方区域特色的高产高效栽培技术体系,在高产潜力开发、水肥资源高效利用与土壤培肥等方面取得大批成果,并直接推动了中国粮食生产持续高产.
（2）作物精准、简化、高效栽培技术集成.作物栽培定量化、精确化、数字化技术已成为作物生产和作物栽培耕作科技发展的新方向,开始在作物生产管理中正在发挥重要作用.在栽培方案设计、生育动态诊断与栽培措施实施的定量化和精确化,有效地促进栽培技术由定性为主向精确定量的跨越,作物栽培智能化管理水平不断提升[5].同时,在作物生长指标的光谱监测、作物生产力的模拟预测相关软硬件产品研发等得了显著的进展,推动中国数字农作的发展,并开始大面积应用于生产.
（3）作物机械规模化生产技术集成创新.近30 多年来,中国作物生产规模化和全程机械化,装备研发农业装备数字化、智能化以及绿色制造等核心技术创新步伐加快,不断为作物生产管理提供更加简便适用、节本节能、大面积应用的机械化作业新机具及其配套技术,有效支撑了作物持续高产高效发展.在玉米、水稻、小麦、棉花、大豆等主要农作物的全程机械化配套技术研究和集成应用取得多项重大成果,农艺农机配套和丰产高效技术创新水平持续提高[6].
（4）多熟种植与新型农作制模式技术集成创新.
将多熟种植与现代农业新技术充分结合,并逐步拓展到农田复合系统的生态高效功能开发,形成类型丰富的粮、经、饲（养殖）复合高产高效种植技术模式,以及农牧结合、农林复合等高效种养技术模式.同时,围绕协调农业生产、农民增收与资源生态保护的重大需求,探索了适合不同类型区域的种植-加工、种植-养殖及种植-养殖一体化和规范化的农作制模式与技术,节地、节水、节肥等资源节约高效型农作制模式与技术.在推动高产高效生产、农民增收及可持续发展方面发挥巨大作用.
3 作物栽培与耕作学科发展展望
确保粮食安全和资源环境安全是世界农业生产面临的巨大挑战,作物丰产增效协同和降低资源环境代价,已经成为现代作物栽培与栽培学科发展的艰巨任务.当前,中国开始步入转变农业发展方式、推进农业结构调整和促进农业转型升级的关键时期,发展生态绿色高效安全的现代农业技术成为主流,迫切需要尽快建立起“产出高效、产品安全、资源节约、环境友好”的农业生产体系.因此,如何将资源高效、环境安全与作物高产高效并重,建立新型农业集约化模式,协调“生态”与“高效”的矛盾,构建用养结合、生态高效、生产力和竞争力持续提升的作物生产体系,是中国作物栽培与栽培学科创新发展的总体目标和艰巨任务.3.1 作物栽培耕作的全程机械化、信息化与简化高效稳步提高粮、棉、油等主要农作物生产能力的高产优质高效栽培关键技术研究,加强大面积丰产高效简化栽培技术的集成创新,加强作物机械化简化生产、精确定量化的高效栽培技术和数字化农作技术的研究与创新,重点开展作物全程机械化、生长信息快速获取与智能化处理、作物生产的定向数字化设计与管理、农田作物精准作业导航与变量作业控制、知识网络等数字农业技术研究,集成建立作物生产精准作业系统和标准化生产水平,实现作物栽培过程的高产、简化、高效.
3.2 创建集高产、优质、生态、安全一体的新模式与新技术
针对中国由于人多地少、资源短缺矛盾突出,粮食安全、农民增收压力大等国情,在不断探索作物高产潜力挖掘的同时,需要更多关注农产品外观品质,加工品质、营养品质和适口品质等,有效高产与优质的矛盾,构建专用化、标准化栽培技术体系.同时,针对当前作物高产过多依赖化学投入品,产品安全和高产矛盾的难题,确保产地环境、生产过程、产品有害物含量的安全性,在作物绿色增产关键技术上取得突破,并转化为作物大面积高产、优质、生态、安全生产的成熟模式与实用技术.
3.3 开发旱作节水高产高效作物栽培耕作的新模式与新技术
水资源短缺将是中国农作物生产长期面临的突出问题,不仅而且农业生产水资源供需缺口的绝对量增加,而且水资源分配日益向城市、工业、生态建设倾斜造成的农业用水额持续减少,开发新型旱作节水作物栽培耕作技术是非常紧迫和艰巨任务.一方面,需要积极探索在现有作物生产体系中如何减少灌水次数及数量的高效节水分管理模式,显著提高作物生产水分效率；另一方面,需要大力提高自然降水的集水、蓄水能力和水分利用效率,在严重缺水地区构建旱作高产高效作物栽培耕作技术模式.
3.4 构建用养结合和生态高效的种植模式及耕作制度将资源高效、环境安全与高产高效并重,将生产、生态、生活服务功能一体化开发,是中国耕作制度发展必须关注和解决的难题.一方面,构建资源高效利用、生态良性循环、经济合理的种植模式,包括轮作休耕、间混套作、种养结合等模式,有效解决种植结构单一、地力消耗过大、化学投入品过多、生产成本过高问题；另一方面,充分考虑区域资源承载能力、环境容纳能力对作物布局与种植制度影响,进行作物结构、布局及模式调整优化.此外,提高种植模式优化加强农田生态景观建设,可以有效挖掘农业文化、休闲旅游功能.
3.5 构建气候智慧型农作制度
气候智慧型农业(Climate Smart Agriculture, CSA)是粮农组织(FAO)在2010 年在海牙农业粮食安全和气候变化会议上正式提出的一个新农业发展模式,充分考虑了应对粮食安全和气候变化挑战的经济,社会、环境等复杂性,提出通过发展技术, 改善政策和投资环境,实现在气候变化条件下保证粮食安全和农业持续高效发展[7].气候智慧型农作制度围绕农业高产、集约、弹性、可持续和低排放目标,探索提高生产系统的整体效率、应变能力、适应能力和减排潜力的可行途径,构建有弹性的作物生产管理技术体系,增强气候变化适应能力、实现固碳减排.
参考文献
[1] 中国科学技术协会,中国作物学会.作物学学科发展报告(2011—2012)[M].北京:中国科学技术出版社,2011.
[2] 中国科学技术协会,中国作物学会.2012—2013 基础农学学科发展报告[M].北京:中国科技出版社,2014.
[3] 陈阜,任天志主编.中国农作制战略优先序[M].北京:中国农业出版社,2010.
[4] 赵明,李从锋,张宾,等.作物产量性能与高产技术[M].北京:中国农业出版社,2013.
[5] 曹卫星,朱艳,田永超,等.作物精确栽培技术的构建与实现[J].中国农业科学,2011,44(19):3955-3969.[6] 李少昆,赵久然,董树亭,等.中国玉米栽培研究进展与展望[J].中国农业科学,2017,50(11):1941-1959.
[7] 陈阜“. 气候智慧型农业”—一种“更新”理念的农业发展模式[J].农业环境科学,2017,05,05.
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