本文刊載於《中國科學院院刊》2020年第11期 「科技與社會」
原標題《水資源約束下中國沙化土地整治工程與區域農業可持續發展研究——以陝西省榆林市為例》
王永生 李玉恆 劉彥隨*
1 中國科學院地理科學與資源研究所
2 中國科學院區域可持續發展分析與模擬重點實驗室
受沙化區域影響的脆弱區域是生態文明建設與區域減貧發展的難點與重點。
土地沙化影響人類生存與可持續發展，是實現聯合國可持續發展目標的重要障礙。我國土地沙化問題極其嚴峻，沙化土地面積為1.7212×106 km2，佔國土面積的17.93%，涉及30個省（自治區、直轄市）、920個縣（旗、縣級市、區）。
截至2014年，西北沙區分布有我國近35%的貧困縣和近30%的貧困人口，是新時代國家實施生態文明建設、精準脫貧、鄉村振興等重大戰略的重點區域。
近些年來，退耕還林還草、「三北」防護林、京津風沙源治理等生態工程取得了顯著成效，沙化土地面積由20世紀末年均擴展3436km2，轉變為當前的年均縮減1980km2。這為推進生態文明建設和美麗中國作出了積極貢獻，為全球貢獻了庫布齊、塞罕壩、毛烏素等「中國治沙智慧」。
我國沙化土地主要分布在水土資源匹配度較差的西北地區，該地區水資源匱乏，抵禦外界幹擾能力較差。大規模植樹造林需要足夠的水資源支撐，否則無法長期有效解決乾旱區沙化問題。此外，植樹造林等沙化防治措施過於關注生態效益而忽視經濟效益和社會效益，沙區居民的生產方式與生活手段相對單一且不可持續。
沙化土地整治與利用是「一核兩深三系」自然資源重大科技創新戰略需求，對於構建生態保護修復技術體系、創新土地科技具有重要的支撐作用。2015年中共中央、國務院出臺《關於加快推進生態文明建設的意見》，明確提出到2020年使我國50%以上可治理的沙化土地要得到有效治理。因此，亟待創新沙化土地整治技術，構建區域沙化土地資源開發和產業高效發展的可持續利用模式，合理規避脆弱區土地資源開發引發的水土資源超載等生態風險，這對於沙化區域耕地資源補充、生態文明建設、高質量現代農業發展與鄉村振興具有重要的現實意義。
本文梳理了我國沙化土地防治利用方式及相關節水措施，並以現代沙化土地防治與利用的典型代表毛烏素沙地區域——陝西省榆林市為例，分析了區域水資源約束和農業發展難題，探討了依託土地整治工程，增加優質耕地，發展現代農業，實現區域水資源可持續利用的可行性，以期為我國沙區土地整治與可持續利用及水資源管理提供關鍵技術與利用策略。
1
沙化土地防治與利用
沙化土地分布情況
我國的荒漠化和沙化土地主要分布在新疆、內蒙古、西藏、甘肅、青海5省份，這5個省份荒漠化土地面積和沙化土地面積分別佔全國的95.64%和93.95%。
新疆和內蒙古是我國沙漠分布的主要省份；其中，新疆分布有塔克拉瑪幹沙漠、古爾班通古特沙漠和庫姆塔格沙漠，內蒙古分布有巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、庫布齊沙漠、烏蘭布和沙漠。河套平原以東的半乾旱區域分布有我國的四大沙地——科爾沁沙地、毛烏素沙地、渾善達克沙地、呼倫貝爾沙地（表1）。
表1 我國主要沙漠和沙地分布
沙化土地防治策略
國際上沙化土地防治的典型模式主要有政府主導型、科技主導型和產業主導型。
1.政府主導型。通過制定法律法令，控制生產，保護土地，為荒漠化治理提供政策法規保障。中國是第一個對防沙治沙建規立法的國家。
2.科技主導型。將先進的科學技術與荒漠化防治措施相結合，加快荒漠化防治進度。例如，以色列利用節水灌溉、高效農業、生物等技術，實現了荒漠化土地資源的可持續開發與科學管理。
3.產業主導型。充分利用荒漠化地區的資源，將荒漠化防治與發展新興產業、特色產業和區域脫貧致富相結合。近些年來，中國在防止沙化、土地退化方面開展了大量的實踐和研究，中國荒漠化治理體系已成為全球荒漠治理的典範——為全球土地退化零增長提供了「中國方案」，為全球可持續發展貢獻了「中國經驗」。
新中國成立70年來，中國的防沙治沙工作在探索中穩步前進，治沙方案也隨著社會狀況的變化而不斷更新：從早期的全民治沙、中期的生態工程治沙，逐漸發展到新時期政府主導、全民參與、科技支撐、法律保障的綜合治理的「四梁八柱」，從而將防沙、治沙和用沙相結合，實現了區域生態文明建設與區域可持續發展。
當前，我國沙化土地整治以「防護為主、利用為輔」，治理措施主要包括圍欄封育、封沙育林育草、沙地封禁保護等自然修復措施，以及退耕還林還草、植樹造林、小流域治理等人工促進措施（表2）。但在乾旱區植樹造林過程中，應儘量選擇需水量較低的草木或灌木作為植被恢復的品種，以避免地下水資源過度損耗。
表 2 沙化土地防治與利用策略
此外，部分區域也利用沙化土地發展種植業、畜牧業、養殖和工業。通過沙地改良工程，發展傳統農業與設施農業（如石頭瓜、枸杞、甘草等特色種植）。
例如，科爾沁、毛烏素等沙地區域種植苜蓿、飼料桑、羊草等牧草，實現了沙地治理與畜牧業發展。沙地森林、溼地公園、民俗與歷史等資源已成為現代生態觀光旅遊和特色文化旅遊的重要選擇。沙地區域具有豐富的礦產資源、光熱資源和特色生物資源，可支撐區域能源開發、工業園區建設、光伏發電、生物醫藥製造等行業發展（表2）。
沙化區域水資源危機問題較為突出，沙化土地防治與利用過程中，應充分考慮水土資源承載力。水土資源的不合理開發利用，會引起土壤與植被退化、災害頻發。沙化地區大規模植樹造林過程中，若所選樹種蒸散量超過當地降水量，會加劇區域水資源短缺與地下水位降低速率。沙化區域發展現代農業，提升農業水資源利用效率是關鍵。
其次，沙化區域農戶生計來源較為單一，退耕還林還草、「三北」防護林、禁止放牧等生態保護政策使一些農戶喪失了部分收入來源；在政策補貼到期後，農戶若缺乏新的生計來源，可能會將剛恢復且尚不穩定的生態系統作為主要的生計來源，致使沙化區域的生態保護成效難以持續，繼而陷入環境退化與貧困的惡性循環（圖1）。
圖1 沙化土地防治利用與區域鄉村發展機制
因此，應根據沙化土地分布區域自然條件差異、形成機制與演變過程差異和經濟發展需求差異，因地制宜地推進沙化土地的綜合整治與可持續利用實踐；同時，將沙化土地整治利用與鄉村產業發展相結合，為沙區可持續發展提供新產業，為農戶提供新就業崗位，努力實現生態恢復、生產發展和生活富裕的耦合協調（圖1）。
2
沙化區域節水措施
沙化區域農業生產過程中常用的節水措施有：客土改良、免耕、覆蓋、留茬、覆膜等農藝耕作措施，添加土壤調理劑、保水劑、植物性纖維黏合劑等化學改良措施，耐旱品種、生物結皮、沙漠藻等生物防治措施，以及微灌、滴灌、噴灌、水肥一體化等節水灌溉措施。但是，以上節水措施大多基於原始沙化土地開展，立地條件並沒有得到顯著改善，相關改良措施也未徹底解決原始沙化土地的結構鬆散、保水保肥能力較差的缺陷；因此，改良效果有限，持續性不足。
此外，相關節水措施的集成應用不足，未開展從土壤顆粒到農業系統的貫通式研究，節水潛力仍有提升空間。隨著土地工程技術創新與應用，紅黏土、砒砂巖等新材料被應用於沙化土地結構改良，以發展現代農業；但是，對新造土地的持水性、保水性的系統性研究相對缺乏，尤其是結合現代節水灌溉技術後的節水效果與區域水資源可持續利用的研究亟待加強。
3
沙化土地整治與區域農業發展實踐
水資源約束
毛烏素沙地區域人地矛盾突出，但降水、地表水和地下水相對豐富。毛烏素沙地是沙化土地防治利用的典型區域，也是陝西省耕地佔補平衡、土地整治與現代農業發展的重點區域。由於受氣候變化，採礦、農業灌溉、養殖及工業發展等人類活動影響，毛烏素沙地區域水資源約束問題不斷凸顯。
1989—2014年毛烏素沙地湖泊面積不斷萎縮，特別是2000年以來，人類活動對湖泊面積縮減的貢獻不斷增加。榆林市是聯合國教科文組織劃定的重點缺水地區，水資源可利用總量為9.41×108m3，其人均水資源佔有量和單位面積耕地佔有水量分別為全國的43%和26%。榆林市7—9月降雨量約佔全年降水量的65%，而且多以暴雨、陣雨形式出現，含泥沙量大，開發利用難度大。農業用水佔榆林市用水總量的63.11%，而農業生產總值僅為全市的5.5%。榆林市種植業面積大，以高耗水糧食作物為主，且採用漫灌、畦灌等粗放經營方式，致使該市農業用水效益低下。此外，氣候變暖、乾旱等全球變化問題，快速城鎮化及農牧業發展等外部壓力，也在一定程度上對榆林市水資源可持續利用提出挑戰。
農業發展優勢與難題
2013年6月，陝西省委、省政府《關於進一步支持榆林持續發展的意見》中明確指出，榆林要大力發展現代特色產業，著力提高農業規模化、集約化、標準化、設施化和產業化水平，建設「陝西第二糧倉」。榆林市發展現代農業具有明顯的氣候、土地、種質優勢，也面臨資源利用技術與策略難題。
1. 榆林具有豐富的光照資源，雨熱同期，有利於作物生長發育；但農業種植結構失調，農民生產積極性低。
2. 榆林市後備耕地資源豐富，長城沿線區風沙灘地面積僅佔陝西省國土面積的7.9%，而土地開發面積和增加耕地面積分別佔陝西省規劃面積的13.4%和27.5%；但由於缺乏有效的土地整治工程技術，沙化土地的土壤質地沒有得到顯著改善，新造耕地土壤肥力較差，生產力較低。
3. 榆林市作物種類豐富、品種優良，穀子、綠豆、蕎麥、大豆等小雜糧及馬鈴薯等特色農業發展迅速；但受土地質量限制，良種難以播於沃土，作物種質資源的優越性難以體現。
4. 毛烏素沙地區域（榆林）地下水資源豐富；但由於利用率較低和大規模土地整治開發，導致地下水位下降明顯、銨態氮與硝態氮超標。總體來說，榆林市在風沙灘區發展現代農業亟待構建「沙地精細整治—作物精確種植—水肥精準管理」全鏈條式技術體系，以實現「沙化土地訂單化整治」和「把良種播在沃土上」。
沙化土地整治與農業發展理論
沙化土地缺少粉粒和黏粒，土壤顆粒之間互不連接，結構過於鬆散，容易跑水、跑肥、跑土。因此，沙化土地的有效防治策略是補充增加黏粒或粉粒，改善土壤顆粒組成結構和土壤剖面結構，從根本上解決沙化土地的結構性障礙，以增強其保水、保肥能力。
沙化土地整治與農業發展試驗位於陝西省榆林市現代農業科技示範區：利用沙地周圍豐富的紅黏土作為沙地整治的新材料，將沙與紅黏土按照一定的比例進行復配，通過土體有機重構和肥沃土層構建的工程技術，將沙化土地轉變為生產耕地；利用當地作物良種優選，以及施肥、灌水等措施，通過良種播於沃土和水肥精準管理等農藝措施，將整治後的生產耕地用於農業發展（圖2）。詳細試驗方法、工程與農藝技術措施可參考文獻。
圖 2 沙化土地整治與農業發展試驗
水資源可持續利用策略
水資源可持續利用策略主要通過土地整治工程增強新造土壤持水、保水能力，作物優配耦合土壤供給能力與作物用水需求，應用現代灌溉技術，確保精準管理，實現水資源約束下的沙化土地整治與區域農業可持續發展。通過土體營造、土層復配和土質改良等土地工程措施，重構沙化土地的土層結構、團粒結構和營養結構。
土體營造主要解決沙化土地縱向的土壤質地鬆散問題，塑造鬆散肥沃的耕作層和緊實的犁底層土壤，增強土壤持水能力。土層復配和土質改良的重點在於加速耕作層土壤團粒結構發育和形成，改良水、肥、氣、熱條件，增強土壤保水能力。紅黏土中的黏粒與沙地中的砂粒混合膠結，防止水分下滲和蒸發，起到土壤水庫的作用。2015年以來，中國科學院地理科學與資源研究所「現代農業雙優工程實驗站」通過不同作物於不同復配比例的組合試驗，將作物生理適應性與土壤生態適宜性結合，優選種植模式。利用信息技術，通過田間土壤墒情動態監測中心控制水肥一體化滴灌設備，對田間作物進行精準灌溉（圖3）。
圖3 沙化土地整治與區域農業發展的節水策略
初步節水效果
2019年的試驗結果表明，玉米、大豆和馬鈴薯的常規灌水量分別為3238m3/ha、3000 m3/ha和 7649m3/ha；不同復配比例下，玉米、大豆和馬鈴薯的灌水量分別為1247—4887m3/ha、1967—2233m3/ha和2293—2760m3/ha，下降比例分別為41.72%—61.49%、25.57%—34.43%和63.92%—70.05%（表3）。
表 3 沙地整治與農業發展的節水效果
4
結論與展望
結論
中國土地沙化問題極為嚴峻，影響到區域農業與鄉村可持續發展。中國積極致力於沙化防治工作，沙化面積持續減少，並因地制宜探索發展了相關治沙產業，實現了區域生態與經濟的協調發展。沙化區域發展受水資源約束，提升水資源利用效率是區域農業發展的關鍵。因此，應圍繞農藝耕作、化學改良、生物防治、灌溉裝備等方面，對原始沙地發展農業生產開展節水措施研究；應不斷推進土地工程技術的創新與應用，深化新造土地的節水研究。
毛烏素沙地區域（榆林市）具有明顯的氣候、土地、種質資源優勢，是沙化土地整治和現代農業發展的重要區域，但受土地質量和水資源的約束，其面臨水資源可持續利用和區域農業可持續發展的難題。利用紅黏土與沙復配成土工程，可將退化型沙地轉變為生產型耕地，並通過實施農業地理工程，種植玉米、大豆和馬鈴薯，發展現代農業。通過新造土壤持水保水和現代灌溉技術的應用，實現水資源節約利用，實現水資源約束區域水土資源耦合與高效利用。
展望
沙化土地作為重要的後備耕地資源，對其的整治與持續利用是我國實現耕地佔補平衡的重要舉措之一。毛烏素沙地區域（榆林市）利用紅黏土進行沙化土地整治工程，開展現代農業雙優工程試驗為我國其他區域的沙化土地整治與可持續利用提供了技術支持與模式參考。但是，沙化區域是生態脆弱區和經濟落後地區，在國家生態文明建設和鄉村振興戰略驅動下，迫切需要加強沙化區域大規模土地整治開發與生態保護、經濟發展的耦合協調發展研究，探索構建現代農業工程技術體系。
為此，需要在以下4個方面加強研究。
1
加強沙化土地整治的適宜性評價研究
1. 基於區域資源環境承載力研究，明確適宜開展沙化土地整治的區域分布、工程技術及整治利用方向；
2. 基於現代農業地理工程原理和農業高質量發展要求，加強沙化土地整治區域生態風險監測與預警研究，服務生態脆弱區水土資源開發、可持續利用決策和農業農村現代化戰略制定。
2
加強沙化土地整治與區域現代農業耦合發展研究
1. 開展區域土地質量和農業發展診斷，分析土地退化特徵與農業發展難題；
2. 結合土地工程試驗，優選區域性沙化土地整治技術與節水農業發展模式；
3.選擇典型農戶和企業開展行動研究，提出土地整治-農戶耕種-農牧結合的家庭化生產模式和土地整治-企業流轉-多功能農業的規模化生產模式，以破解水資源約束下沙化土地整治與農業發展難題。
3
加強沙化土地整治與區域人地系統協調發展研究
1.通過沙化土地整治補充耕地資源，發展現代牧草產業，助力區域農業結構調整及畜牧業發展，依託沙區旅遊資源，發展休閒農業、觀光旅遊，完善馬鈴薯、小雜糧等農產品加工鏈條，有效增加農民就業與增收，促進三產融合和人地系統協調；
2. 通過深化農村土地制度改革，為農戶提供穩定持續的租金、股金和薪金，助力沙化區域鄉村可持續脫貧和鄉村振興發展。
4
加強沙化土地整治與生態文明建設研究
1. 明確不同利用模式下，復配成土過程對沙化土地土壤結構、保水與持水能力、養分循環的影響研究，闡明沙化土地整治對區域土地資源可持續利用、水土資源耦合的促進作用；
2. 加強復配土壤固碳、固沙效應的定位觀測研究，為綠水青山提質增效、科學推進生態文明建設提供新思路與技術支撐。
背 景
在人口增長背景下，工業化、城鎮化與糧食生產的耕地利用矛盾日漸突出，耕地非農化、撂荒、汙染、損毀、退化等問題逐漸凸顯。耕地佔補平衡成為保證耕地面積、保持耕地產能和保障糧食安全的重要政策。我國耕地佔補平衡政策經歷了從「數量平衡」到「數量、質量平衡」再到「數量、質量、生態平衡」等3個階段，但目前仍存在實質性不平衡、時空性不平衡和政策性弱化等問題。此外，耕地後備資源數量不足、質量不高、分布不均。荒草地佔我國後備資源總面積的64.3%，主要分布在中西部地區。土地整治能有效補充耕地數量、提升耕地質量、改善土地生態環境，是落實耕地佔補平衡制度的重要手段。土地整治工程能從根本上改善水、土、氣、生等立地條件，使土地、人口、產業、資源和技術等生產要素整合與再配置。合理利用土地整治工程措施，可將退化型沙地轉變為生產型耕地，從而有效補充我國耕地資源，服務國家耕地佔補平衡政策。
王永生 中國科學院地理科學與資源研究所副研究員。主要從事土地整治工程與區域發展、鄉村資源利用及其環境效應研究，已發表學術論文30餘篇。
劉彥隨 中國科學院區域可持續發展分析與模擬重點實驗室主任，中國科學院精準扶貧評估研究中心主任、研究員。發展中國家科學院院士。國務院扶貧開發領導小組專家諮詢委員會委員，國際地理聯合會農業地理與土地工程委員會（IGU-AGLE）主席。主要研究領域為農業與鄉村地理學、土地利用與區域可持續發展、精準扶貧與鄉村振興。
文章源自：王永生,李玉恆,劉彥隨. 水資源約束下中國沙化土地整治工程與區域農業可持續發展研究——以陝西省榆林市為例. 中國科學院院刊, 2020, 35(11): 1408-1416.
作者/來源：科學參考
內容如有不妥，請點擊頭像-私信聯繫小編修改或刪除