作物栽培与耕作学科发展.pdf

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1、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、 作物栽培与耕作学科发展 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

2、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 China Chen Fu1, Zhao

3、Ming2 (1College of Agronomy 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 achievements in many aspects, such as theoretical construction, technical innovation

4、and the establishment of technical systems, during the recent 60 years. In order to meet with the requirements of obtaining high-yield, high- quality, high-efficiency, ecological and safety production, the discipline has made breakthroughs in the theory of crop development regulation and related tec

5、hnological approaches, which has also got continuous innovations and developments in multiple cropping, crop composition and distribution, and the optimization of planting pattern. Moreover, it efficiently supported the improvement of the productivity of our country s cereal products, cotton product

6、s and oil products through the application of technical integrations. In the face of the national strategic demands in agricultural transformation and development on the current and future situations, how to pay equal attention to the high efficient utilization of resources, environmental safety and

7、 high- yield and efficient crop production, and the constructions of the crop production systems with the cultivated land utilization and recovery, ecological efficiency, and the continuous improvements of productivity and competitiveness, are the major objectives and missions of the innovative deve

8、lopments of the crop cultivation and farming system discipline. Key words: Crop Cultivation and Farming System; Crop Production Systems; Ecological and High Efficient; Discipline Development 第一作者简介： 陈阜， 男， 1964年出生， 山西浑源人， 教授， 博士， 研究方向为耕作制度与区域农业。通信地址： 100193 北京市海淀区圆明园西路2号 中国农业大学农学院， Tel： 010-62733316

9、， E-mail： 。 收稿日期： 2017-11-03， 修回日期： 2017-11-22。 www.caaj.org 农学学报2018,8(1):50-54 Journal ofAgriculture 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

10、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 Pr

11、oduction)， 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

12、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

13、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，

14、 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、

15、 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

16、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 51 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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、产高效进行了 陈 阜等： 作物栽培与耕作学科发展52 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、

25、 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

26、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， 破

27、解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

28、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

29、， 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， 有效破解高产与优质的矛 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， 破解产品安全和高 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

30、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

31、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 53 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

32、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.20122013基础农学

33、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. 陈 阜等： 作物栽培与耕作学科发展54