自古以来，以农业、农村、农民为代表的“三农”问题始终都是中国社会一个带有根本性、全局性的问题，受到政界、业界和学界的高度关注。陕北地区位于黄土高原中部，属典型的半干旱气候区域。其生态环境普遍恶劣，地貌复杂多样、经济落后、贫困人口多，是依靠天然降水从事生产旱作农业最为集中的区域，旱作农业节水问题更成为“三农”众多问题中的焦点与热点。陕北丘陵沟壑区农村从产生伊始就深受这种半干旱农业生产模式的影响，形成了独具特色的发展规律和农业生产格局，制约农业生产的主要因素是干旱。延安市地处黄土高原腹地，属于陕北丘陵沟壑区，总面积367.12 hm²。土地资源调查表明，耕地近 93.3 hm²，其中，旱耕地 91.28 hm²，坡耕地超过 73.3 hm²，分别占总耕地的 97%和 78.6%，属于典型的旱作雨养农业区。延安年均降水量 500 mm 左右，分布极不均匀，主要集中在 7，8，9 月，其占全年降水的 73.3%，素有“十年九春旱，见苗收一半”之说，属于水资源缺乏且利用率不高的西部干旱地区之一。随着 2011 年6 月国家现代农业示范区建设的启动，使得如何提高延安有效降水利用率，变得尤为重要。长期以来，农民为了增产增收，倒山种地、广种薄收，造成生态环境日趋恶化和土壤养分大量流失，进而导致暴雨、干旱、干热风、霜冻等灾害加剧，农作物产量低而不稳。
近年来，延安职业技术学院以当地主导产业的棚栽业、果业、陕北小杂粮等不同作物为主要研究对象，从有效提高自然降水利用率入手，以扩大蓄水、有效保水、经济用水的有机结合为主攻目标，对各项节水、保水技术进行深化、配套和创新研究，构建了旱作农业节水技术模式，有效地提高了农作物整体生产水平，使当地有效降水得以充分利用。经试验和推广，取得了显着的经济效益、生态效益和社会效益。自 20 世纪 80 年代以来，通过坚持不懈的努力，先后围绕抗旱节水、保墒蓄水、经济用水，推广了“四法种田”、壕田、大垄沟以及“一炮轰”施肥、地膜覆盖、耙耱保墒、催芽早播等多项旱作农业实用技术，创造了“旱、薄、粗”，“薄、粗、旱”，“以肥保水、以肥促根、以根调水”等一系列旱作农业理论和观点，在农业增产增收中作出了重要贡献。但这些技术都注重单项研究，自成体系，总体上看孤立存在，比较零散，加大了推广成本和应用难度。随着农业现代化的迅猛发展，要求农业生产必须在节水增效、提高资源利用率和机械化运用上有所突破，各项技术措施的综合配套和模式化应用成为最主要的手段之一，为旱作农业节水耕作技术模式的研究应用提出了要求。本研究以充分蓄水、有效保水和经济用水为中心，以投资少、见效快、易推广为原则，通过大量的科学试验示范、对比分析，对各项实用旱作技术进行了筛选优化、整装融合、创新研究、模式化规范，构筑了符合延安实际的旱作节水技术耕作模式，2007—2011 年进行全面推广应用，并在实践中创新发展，补充完善，最终取得成功[1]。
1 旱作农业生产节水技术的研究
1.1 筛选主体技术，构筑了 2 种旱作节水模式1.1.1 覆盖耕作模式———覆盖 + 早播（秋播适时晚播） 以有效保水、经济用水结合为主要目标，通过地面覆盖和催芽早播，减少水分无效损耗，提高水资源利用率。主要适用于地面坡度≤5°的川、塬、沟、坝、梯田等平作耕地。覆盖包括地膜覆盖和秸秆覆盖，以地膜覆盖为主。春播作物玉米在 3 月中下旬覆膜，3 月底 4 月初在膜边缘催芽播种，4 月10—15 日出苗，比常规种植提早出苗 10～15 d，提早成熟 10d 左右。谷子、大豆等亦可在 4 月下旬 5 月上旬采用膜际沟播方式种植。这种模式早春提温保墒，充分利用了土壤返浆水，易捉全苗。覆盖期间能够较好地聚集自然降水，增强抗旱能力，促进作物早种快长，提前成熟。这种模式发挥了地膜覆盖和催芽早播的增温保墒、科学用水双重叠加优势，解决了延安干旱少雨不易捉苗的问题，实现了增产、增收、增效的目的，而且为塬区变一年一熟为一年两熟或两年三熟，调整种植业结构创造了条件[2]。
1.1.2 露地耕作模式———沟种 + 早播（秋播适时播种） 以扩大蓄水、经济用水为主要目标，通过沟种等耕作措施，形成微地形变化，将坡面变为平面，减少了地面径流，拦水蓄水。主要适用于地面坡度＞5°的沟、坡、梁、峁等土地类型的坡耕地。突出沟垄耕作，首先用机、畜力机具沿坡面等高线开沟，沟垄高差 30～35 cm，垄距 60 cm，然后在沟里播种。春播作物在 3 月底 4 月初沟垄耕作，催芽偏早播种，充分利用早春土壤返浆水，种在隐墒层，保证捉全苗。秋播作物采用沟播机一次种在沟内，土壤墒情好，易于捉苗；长在垄上，促进根系发育，特别是次生根的生长，起到了以根调水和提高肥料利用率的双重作用[3]。
1.2 深化机理研究，丰富旱作节水技术理论旱作新模式使传统技术与现代技术达到科学融合，自然资源（气候、土壤）与技术优势合理配置，各项技术协调发展，克服不足，相互促进，聚水、保墒、增温、经济用水融为一体，充分发挥其整体经济效益与社会效益。
1.2.1 露地沟垄耕作模式能减少坡地径流，增加土壤蓄水 当降水量使平种坡地产生 35 mm 径流时，一般沟种可拦蓄 27～29 mm 径流；沟垄种植模式则可全部拦蓄。在延安市宝塔区测定露地沟垄种植模式可知，0～100 mm 的土壤含水量较一般水平沟增加 1.18～3.13 百分点，增幅达 18.00%～53.88%；较平种增加 1.74～2.89 百分点，增幅达 5.26%～82.08%。在安塞县测定，无论麦田还是冬闲地，模式化沟垄种植的土壤含水量高于平种 0.1～2.5 百分点，增幅在 1.18%～35.71%之间，实现了秋雨春用，缓解了春旱，为春耕全苗创造了条件。
1.2.2 覆盖耕作能抑制蒸发，提高水分利用率 冬春干旱、土壤水分严重亏缺是延安气候的主要特点。延安气象资料统计表明，3—5 月份，温度与蒸发同步增长。平均每天蒸发量为 5.7 mm，其中，平均日蒸发量 3 月份为 3.7 mm，4 月份 6.1 mm，5 月份7.5 mm。地膜覆盖可有效减少地面蒸发，保住土壤水分。在宜川县小麦试验田测定，覆盖模式小麦不同层次土壤含水量比露地高出 0.7～5.0 百分点，增幅为 4.7%～42%，特别是小麦根系密集层 0～10，10～20 cm 土壤含水量更高，分别增加 5.0，2.7 百分点，增幅为 42%和 19.4%。在洛川县塬地小麦试验田测定，0～180 cm 土壤含水量覆盖模式比露地增加 0.3～6.96 百分点，增幅为 2.04%～198.86%。小麦生产年度，冬小麦播种后滴雨未降时，测定洛川塬地 0～10，10～20 cm 地膜小麦土壤水分分别为12.7%与 13.7%，较露地麦田高出 4.1，2.1 百分点。一系列试验证明，小麦采用覆盖模式种植后，相当于每公顷增加土壤有效储水 450～600 m3，大大缓解了水分供需矛盾[5]。覆盖模式良好的聚水保墒效应有效地提高了自然降水生产率。
1.2.3 改善农田小气候，促进作物生长发育 露地耕作模式实行沟垄间隔配置，缓解了地表风速，地面环境相对稳定；人为加大了地表面积，增加了地表接受太阳辐射热的能力。在 2 a 间分别测定延安市农科所坡地麦田土温，露地耕作模式小麦越冬期0～20 cm 土温较平种提高 0.6，1 ℃；翌年返青期提高 0.8，1.4 ℃，而且通风透光条件良好。覆盖模式改善农田小气候更加明显，据在延安市农科所试验田测定，冬小麦覆盖模式栽培比露地小麦全生育期增加积温 179.2～245.4 ℃，冬前 20 cm 地温增加 1.3～2.5 ℃，积温约增加 90～100 ℃，明显减轻了越冬和早春冻害，有利于增加冬前分蘖，形成壮苗；返青期10，20 cm 地温分别提高 3.33，1 ℃，促进小麦早返青，延长分蘖时间，促进小蘖赶大蘖，提高分蘖成穗率；拔节期 10，20 cm 地温分别提高 2.8，3.2 ℃，增加了幼穗分化时间，提高了公顷穗数和穗粒数。覆盖耕作模式解决了高寒山区和梢林沟地种植高产玉米品种不能成熟的问题。地膜覆盖 + 催芽早播种植的玉米，从 3 月下旬开始播种，至 9 月初成熟，全生育期可利用≥6 ℃积温 2 748.16 ℃，较不覆盖膜增加 216.9 ℃。玉米旺长期（大喇叭口期—灌浆期）提前 16～23 d，保证了玉米在日平均气温下降到16 ℃之前成熟；同时使玉米、谷子、大豆等作物生长高峰期与当地高温多雨气候同步吻合，避免了卡脖旱、晒花等灾害，减轻了病虫危害[6]。
1.2.4 加厚活土层，创造良好土壤环境 覆盖耕作模式提高土壤温度、水分，加剧了土壤微生物活动，有利于促进肥料分解和土壤熟化；露地耕作模式打破了犁底层，有效加厚了活土层，为根系的生长和下扎创造了良好的土壤环境，起到以根调水、增强作物抗旱的作用[6]。据测定，模式化沟种玉米较一般水平沟种植的玉米平均株高增加 14 cm，根系增长30 cm，单株须根增加 14 条；模式化沟种谷子平均株高增加 6 cm，根系增长 6 cm，单株须根增加 6 条；模式化沟种大豆株高增加 7 cm，主根增长 11 cm，单株侧根增加 7 条[7]。
1.2.5 优化播种环境，增强抗灾能力 露地模式通过开沟起垄，种子种在隐墒层，充分利用土壤深层水分，保证作物全苗[8]。在一年当中经历 270 余天的持续干旱，经过 40 余块山地调查，模式化沟种出苗率玉米为 85%、谷子为 74%、大豆为 80%，而水平种植出苗率分别为 63%，51%和 62%。覆盖耕作模式土壤水分、温度均显着提高，抗灾能力更强，出苗更好，基本达到 95%以上。
1.3 注重技术创新，确立旱作农业节水耕作模式技术体系
1.3.1 改一般催芽为彻底催芽、偏晚春播为提早春播 推广催芽早播技术，催芽必须彻底，不仅催出胚根而且要使胚芽“露白”，比以前浸种催芽或只催胚根较为彻底。早播后遇到低温，催芽种子萌发而不动不生长，保持生命活力，避免霉变，保证作物一次播种捉全苗[9]。同时，连续 3 a 对采用耕作模式的土壤冻、解情况进行了全新测定，土壤封冻由过去的 11 月推迟到 12 月中下旬，冻土层由过去 60～70 cm 减少至 34～38 cm，土壤解冻时间由 3 月初提前至 2 月左右。5 cm 地温稳定在 6 ℃以上的时间也提前 5～7 d（早春）或推迟 10～12 d（晚秋）。项目实施中，将春播提前到 3 月中下旬，秋播推迟到 9 月中下旬。春播提前能够充分利用秋冬储蓄的早春土壤冻融交替的返浆水，促进作物生长，增加产量。秋播推迟可延长夏闲时间，争取复种空间，防止冬前旺长，有利于穗数、粒数、粒质量的协调发展[10]。
1.3.2 改平种或一般沟种为露地沟垄种植，提高坡耕地保蓄能力 平种无垄，一般沟种的沟垄高差15～20 cm，垄距 40 cm，拦蓄水能力较弱，当降雨强度超过 20 mm/h 时，其蓄水能力明显下降；采用标准模式化沟垄种植后，沟垄高差 30～35 cm，垄距60 cm，沟深垄大，拦蓄水能力显着提高，可拦蓄40～60 mm/h 的降雨，与实际降水强度基本吻合。所以，改平种和一般沟种为模式化沟垄种植绝不是方式的变化、数量的增加，而是有质的改进和提高。
1.3.3 改起垄覆膜为平地覆膜或双槽覆膜，垄边或膜际种植，提高自然降水的利用率 在生产实践中，玉米等春播作物由起垄覆膜逐步改为平地覆膜，又发展到双槽形覆膜。平地覆膜和双槽式覆膜方式，聚水增温效应越来越好，促进根系下扎，避免垄作形成根系过于集中在垄土内，根浅外露，中后期遇风倒伏[11]。据观察，平覆膜比起垄覆膜玉米根数增加 3.47 条，根长增加 23.37 cm，干根质量增加7.96 g/ 株，每公顷增加 735 kg。特别是双槽形覆膜使降水顺膜面双槽沿种孔或膜侧入渗，直达作物根部，供作物生长发育，增产显着。据试验，在 5 mm 降水的情况下，每公顷留苗 4.5 万株的玉米地，每株约可得到 0.3 kg 左右的水分补充；平覆膜膜际沟播小麦比起垄膜上穴播每公顷增产 435.45 kg。
1.3.4 改先播种后覆膜为先覆膜后打孔播种，种孔加厚覆土，为种子发芽生长创造良好条件 早春覆膜利于地温升高和土壤解冻水聚集，减少蒸发失水[12]。打孔播种后，春季的少量降水可以沿种孔下渗起到聚水的作用；先播种后覆膜，由于覆膜时间稍晚，土壤解冻失水较多，而且地膜阻隔了春雨的下渗，使雨水留于膜面而蒸发[13]。据 2 a 间多点试验观察，3 月 15 日覆膜，到 3 月 28 日播种，0～10 cm地温比露地提高 2.5，3.1 ℃；土壤水分由 17.5%增加到 20.8%，而露地则由 17.5%下降到 14.4%，地温高、水分足对种子发芽出苗十分有利。同时根据春季气温变幅大，常骤降到 -2～-3 ℃，造成表土冻结，对正在顶土和出土的玉米芽苗影响很大，适量增加种孔覆土，发挥土层被的保温性能，是极好的防冻措施[14]。据在志丹县九元峁、牛寨子调查，3 月中旬膜上种植玉米，4 月气温骤降，出现霜冻，表土冻结，凡种孔覆土 2～3 cm 的未出现冻害，4 月中旬显全苗，而种孔覆土较少的均出现冻害。
1.3.5 改不揭膜为中期揭膜，防止根系提前老化地膜覆盖的增温保墒作用为作物前期生长发育创造了良好条件，但 5 月以后，随气温的迅速升高，地温骤增，12：00 的 10 cm 地温可达 30 ℃以上，容易造成根系提前老化，植株早衰，功能叶光合作用减弱，影响地膜潜在效益的发挥。据试验，玉米大喇叭口期揭膜，灌浆期植株干叶数减少 0.97～2.17 片，根数增加 7.5 条，根系风干质量增加 6.2 g，衰老期延长 5～7 d，每公顷增产 1 128 kg，增产率 17.24%。
1.3.6 改畜耕人种原始生产方式为机械、半机械化种植 过去在研究旱作技术中，注重了技术增产成分，忽视了降低劳动强度和提高生产效率，技术推广慢，普及率低。耕作模式的研究把机械、半机械化研究与应用作为重点创新技术之一，先后引进、试验和推广了覆膜机、双槽形覆膜机、覆膜播种机、坡地单腿覆膜机、畜力多功能覆膜机、施肥器、覆膜播种施肥机等 20 多种机具，使覆膜、打孔、开沟、播种、施肥一次性进行 ，大大提高了劳动生产率[15]。据2 a 实地测试，采用畜耕人力方式种植地膜玉米完成耕作、覆膜、施肥、播种、覆土、镇压等整道工序，需畜力一对，劳力 5～7 人。采用机引式覆膜播种机种植需劳力 2～3 人，劳动生产率是原来的将近11倍。坡地采用耧播可省劳力 2～3 人，劳动生产率是原来的 4～6 倍[8]。
1.4 强化技术配套， 完善旱作节水耕作模式技术体系
1.4.1 良种良法相配套 先后引进优良品种 100多个，配合模式大面积推广运用的品种有 30 多个，其中表现突出的有沈丹 10 号、户单 4 号、陕 911 等玉米品种；洛麦 8918 号等小麦品种；晋豆 2 号、晋豆23 号、晋遗 19、太原 47 等大豆品种；延谷 11 号、晋谷 20 号、延谷 9311 等谷子品种；北海道 2 号、日本大粒、榆林 3 号等荞麦品种；早大白、克新一号、高原 4 号、地薯 10 号等洋芋品种。大力推广种子包衣、精量播种技术，5 a 累计推广良种面积 106.7 万 hm²，种子包衣技术推广面积达到 40 万 hm²。
1.4.2 科学合理密植 试验结果表明，在 2 种耕作模式下，玉米种植密度为 4.5 万～7.5 万株 /hm²时，随着密度的增加，产量呈递增趋势；当密度达到8.25 万株 /hm²以上时，产量显着降低。目前，全市玉米种植密度趋于合理，留苗密度稳定在 6 万株 /hm²以上。小麦播量虽然减少，但公顷穗数却有所增加，充分发挥分蘖成穗的作用[16]。根据在 2 个不同区域设点试验，覆盖模式小麦播量以 90～112.5 kg/hm²最好，较常规种植最佳播量（135～150 kg/hm²）每公顷减少 37.5～45kg，每公顷基本苗减少 105 万株。多项试验表明，运用 2 种耕作模式后，谷子最佳种植密度应在 22.5 万～30 万株 /hm²，洋芋应在 3.75 万～6 万株 /hm²，大豆应在 15 万～18 万株 /hm²，都较平种和水平沟种植密度增加 15%～30%[6]。
1.4.3 平衡施肥，提高土壤肥力 庄稼一枝花，全靠肥当家。优化配肥方案，以有机肥为基础，施氮、增磷、补钾、调微，推广平衡施肥技术，提高化肥利用率。5 a 来累计测验土样 14 876 个，推广平衡施肥技术 75.07 万 hm²。根据旱作农业特点和耕作模式的实际情况，追肥遵循追早不追晚、追干不追湿、追深不追浅、追远不追近的原则[17-19]。
1.4.4 规范作业，保证农田耕作质量 一是深耕改土保墒技术，如伏前深翻、合口过伏，秋后深翻、合口过冬等。二是中耕耙耱保墒增温技术，如中耕锄草、雨后中耕、雨后耱地、顶凌耙耱等；三是抗旱施肥技术，如深施肥、一次施肥技术；四是播后镇压、冬前镇压、倒沟换垄等技术；五是抗旱保水剂应用等，是充分发挥节水耕作模式增产潜力的重要因素，要综合运用不可忽视。
1.4.5 间作套种 主要形式有地膜玉米套洋芋、地膜西瓜套花生（秋菜）、地膜玉米套小麦以及其他粮经间套、粮粮间套、果粮间套、果菜（肥）间套等。每年推广面积 1.7 万 hm²，科学间作套种满足了不同作物生长发育要求，充分利用水、气、光、热等自然资源，有效地提高了单位面积产量效益，是进一步挖掘节水耕作模式增产增收潜力的有效途径。
1.4.6 统防统治 每年完成统防统治 10 万 hm²左右，减少粮食作物用药次数 1～2 次，果树、蔬菜2～4 次，降低了防治成本，减轻了环境污染。提高病虫防治效果是充分发挥节水耕作模式必不可少的重要环节。
2 综合评价
2.1 完善了旱作节水技术体系
该项目的研究与推广综合了多技术、多科学优点，实现了充分蓄水、有效保水、经济科学用水目标，达到传统旱作技术的整装融合，农业技术与工业技术及其产品的结合。在旱作农业资源利用最优化、综合技术模式化、劳动手段机械化等方面，开展了多项试验研究和推广应用，掌握了大量的第一手资料，为农业旱作节水科学的发展提供了有力的技术支撑[9]。不仅为延安农业增产、农民增收作出了贡献，而且极大地丰富了旱作农业理论，对广大水资源缺乏农业区也有指导意义。
2.2 提高了各类旱地农田的产量和效益
2007—2011 年推广应用节水耕作模式 5 a 来，累计推广面积 105.24 万 hm²，新增粮食总产量57.62 万 t，平均每公顷增产 547.5 kg；新增总产值80 666.5 万元，新增总纯收入 46 219.1 万元，投资收益率达到 134%。在粮食生产效益日益下滑的今天，能够取得这样的效益是十分可喜的。
2.3 实现了退耕还林（草）与山川秀美有机结合
农业根本问题是水土流失问题，水土流失的根本原因是长期以来倒山种地、广种薄收。旱作节水农业耕作模式的推广，提高了作物单产，增加了总产，实现了“退耕不减产”目标。5 a 来，项目区人均耕地以每年 10%～15%下降，而人均产粮却以 3％～4%速度上升。同时，大面积退耕栽种经济林、用材林和牧草，既增加农民收入，又保持了水土，促进了生态环境的改善。
2.4 加快了种植业结构调整的步伐
旱作农业技术体系的完善和推广，使农作物在适宜地区的生产潜能和效益得以发挥，加快了种植结构的调整。一是种植区域的调整，小麦生产向南部和东部塬区集中，豆类、薯类、杂粮向北部集中；二是作物布局的调整，压缩比较效益偏低的作物，发展苹果、蔬菜产业，增加农民收入。三是种植品种的调整，优质高产品种以其较高的增产效果受到重视，应用范围得到扩展[2]。
2.5 推动了科技进步的农业新理念
旱作节水新模式由于其融合多种技术为一体，具有操作简单、效益突出、易于接受的优点，深受群众欢迎。在项目实施中，通过多层次的技术培训、全方位的抓点示范、大规模的科技推广，使农民科技素质和科技水平明显提高。
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