1节水农业

我国北方地区土地面积约为全国的44%,多年平均年径流深只有全国平均数的1/5,多年平均水资源量仅占全国水资源总量的1/10。干旱缺水一直是制约该地区社会经济可持续发展的瓶颈,也是农业生产面临的主要矛盾。尤其近年来,随着气候日趋干旱和区域社会经济快速发展,人、水、地之间的矛盾日益尖锐。建立节水型社会,发展节水农业已成为缓解该地区水资源短缺的必然选择。节水农业就是以节约用水、提高农业用水效率为核心的农业,是现代化农业的重要内涵。其核心是在有限的水资源条件下,通过采用先进的工程技术、适宜的农业技术和用水管理等综合技术措施,充分提高农业水资源利用率和水的生产效率及效益,保证农业持续稳定发展。面对WTO的挑战,节水农业更应赋予其新的内涵,其内涵应扩展为节水、高产、高效、优质的农业。节水农业技术是发展节水农业的基础性工作,选择适当的技术有助于节水农业的发展;研究开发节水农业技术,有助于提高节水农业的效益。因此,我们非常有必要对现状各种节水农业,技术的水平,以及技术的适应性作认真分析,为真正实现提高农业水资源利用率和利用效率打好基础。

2节水农业技术水平及评价

针对我国北方地区的特点,适宜推广应用的节水农业技术主要有,渠道防渗技术、低压管道输水技术、地面灌水技术、喷微灌技术、雨水利用技术、农业节水配套技术、劣质水利用技术及农业节水管理等技术。

2.1渠道防渗技术

渠道是渠灌区输水的通道,其主要作用在于把灌溉水从水源处安全、快速、高效地输送至需要灌溉的田间地头。这是提高灌溉水的一个重要环节,也是减少灌溉水损失的重要措施之一。我国每年因渠道输水渗漏损失的水量高达1500亿m3,相当于3条黄河的年水量。渠灌区在我国北方占有很大的比重,渠灌区控制面积约占我国北方地区灌溉面积的2/3左右,因此,在我国北方地区大力应用推广渠道防渗技术,仍是节水农业发展的一项主要技术措施。土渠道输水渗漏损失约占引水量的50%～60%,一些较差的损失高达70%。与土渠相比,混凝土护面可减少渗漏损失80%～90%,浆砌石衬砌可减少60%～70%,塑料薄膜防渗可减少90%以上。据有关资料,混凝土衬砌渠道仅20～30元/m2,50U型渠道造价30～40元/m2,砌石类衬砌由于采用当地材料,造价还低于混凝土类。因此,该项技术应为我国北方地区重点应用推广的节水农业技术。渠道防渗技术是我国应用推广面积较大的一项技术,据统计,我国防渗渠道衬砌总长度55万km,占渠道总长度的18%,控制面积0.1亿hm2。纵观目前渠道防渗技术与方法,依据所使用的防渗材料大致可划分为土料压实防渗、三合土料护面防渗、石料衬砌防渗、混凝土衬砌防渗、塑料薄膜防渗和沥青护面防渗等6种,其中混凝土衬砌防渗是使用最为广泛的一种渠道防渗措施,可分为现场灌注和预制装配两种施工方式,防渗效果好,使用寿命长,特别是使用混凝土“U”型渠槽防渗还可以提高渠道流速和输沙能力。我国渠道防渗已经形成了一套相对配套的技术体系,但与世界先进水平相比,仍存在以下问题。①衬砌技术成本较高。②高寒地区渠道衬砌防冻胀技术有待进一步完善与深化。③西北地区一些特殊土,如湿陷性黄土、盐胀土或膨胀土等的渠道衬砌尚需要解决适应大变形问题。④我国中、小型渠道开挖与衬砌施工机械性能差,型号少,满足不了生产实际的需要。

2.2低压管道输水技术

低压管道输水技术,简称“管灌”,是利用低压输水管道将水直接输送到田间沟畦灌溉作物,以减少输送过程中水的渗漏和蒸发损失的节水技术。它具有省水、节能、节地、易管理,且省工省时等优点。同时,投资相对较低,采用PVC管道,平均投资3750元/hm2。以管代渠,可使渠系水利用系数提高到92%～95%,使毛灌水定额减少30%左右,节约能耗25%以上。低压暗管输水可减少占地,提高土地利用率,一般在井灌区可减少占地2%左右,在扬水灌区可减少占地3%左右;由于输水管道埋于地下,便于机耕及养护,耕作破坏和人为破坏大大减少,加之管道输水速度明显高于土渠,灌溉速度大大提高,可显著提高灌水效率,并且管理方便,省工省时。我国自50年代就开始对管道输水灌溉技术试点应用,至1997年,我国北方地区该项技术已推广266.7万hm2。该技术除在井灌区得到推广应用外,近年来,在渠灌区和扬水灌区也取得了一定进展。管道输水灌溉技术是北方井灌区未来相当长的一段时间需要加以推广的主导输水技术。

2.3地面灌水技术

我国灌溉面积大约有97%的面积采用地面灌溉,地面灌溉技术是我国目前应用面积最广的一种灌水技术,也是世界上应用最广的一种灌水技术。如美国1994年地面灌溉面积也高达73.6%;韩国达99.5%。自60年代开始,在广大北方地区开展地面灌水技术研究与推广工作;70年代,提出了小畦灌、长畦灌、分段灌及细流沟灌等多种改进后的地面灌水技术,并在河北、河南、山东、陕西等省推广应用;80年代后期从美国引进了波涌灌技术,并结合地面覆盖,开发了膜上灌水技术,节水增产效果显著。但我国目前灌溉水利用系数只有0.4左右,个别地区甚至更低,田间水利用系数只有0.6～0.7。据有关研究结果表明,如果操作得当,畦田、沟的规格适宜,田间水利用系数可达到0.8以上,灌溉定额可大幅度下降。可见地面灌溉节水潜力非常大。膜上灌较一般地面灌溉可节水30%以上,高者可达50%以上,波涌灌(包括畦灌、沟灌)可节水10%～30%,灌水均匀度及储水效率均明显提高,分根交替灌溉可节水10%～30%。这足以表明地面灌水改进提高应用后的节水潜力。地面灌水技术仍是今后相当长一段时间内,我国北方平原地区应大力应用推广的主要田间灌水技术。纵观我国目前地面灌溉技术研究水平,不仅与国外先进水平差距较大,而且与生产实际需求也有较大差距,难以满足生产之需要,尚需下大力气,加以改进、提高。具体表现在以下几个方面。①对地面灌水技术的研究重视不够。②对地面灌水技术的研究不够深入。③对农田水利基本建设投入不足,地面灌溉需要有相应的田间工程相配套。④灌水管理水平落后。

2.4喷灌技术

喷灌是喷洒灌溉的简称,是利用专门的系统将水加压后送到田间,通过喷洒器将水喷射到空中,并使水分散成细小水滴后均匀地洒落到田间进行灌溉的一种灌水方法。同传统的地面灌水技术相比较,它具有适应性强,控制性强,且不易产生地表径流和深层渗漏等优点。据有关研究结果表明,喷灌与传统地面灌水技术相比,可节水25%～40%,且灌溉均匀,质量高;减少占地,能扩大播种面积10%～20%;不需平整土地,省时省工;并能调节田间的小气候,提高农产品的品质,以及对某些作物病虫害起到防治作用;而且实施喷灌技术,有利于促进灌溉机械化,自动化。但喷灌技术的发展也有其局限性,如受风的影响大,且能耗大,一次性投资高,这是影响喷灌技术快速发展的主要障碍因素。喷灌系统投资,固定式为15000～18000元/hm2、半固定式为9000～12000元/hm2,移动式轻小型机组为3000元/hm2,大型喷灌机为3000～6000元/hm2。因此,建议喷灌技术的发展一定要和经济效益挂钩,对于那些附加值较高的经济作物,可以提倡发展喷灌,但对于大田作物,则要视经济状况而定,特别是对于那些经济尚不太发达的北方山区、丘陵区更需认真考虑。由于喷灌技术本身的优点,以及水资源的短缺,经济社会的发展,世界各国均对这项技术非常重视。1987年全世界喷灌面积发展到3000万hm2,1998年,我国喷灌面积已发展到86.73万hm2。我国自70年代开始发展喷灌技术,喷灌设备生产已具备一定的规模,生产能力基本上可以满足我国现阶段喷灌发展的需求,甚至还有部分出口。但在产品种类、材质、性能等方面与发达国家仍有相当大的差距。其主要差距在于,①关键设备耐久性能差,从而影响设备的寿命。②山丘区喷灌设备配套性能差,还没有形成适合山丘区的喷灌技术体系。③节能喷灌设备,与设备的系列化标准化程度低。从总体上讲,我国喷灌技术水平正处在从数量型向质量、效益型转变的关键过程,特别是质量急待提高。

2.5微灌技术

微灌技术是一种新型的节水灌溉技术,包括滴灌、微喷灌和涌泉灌。微灌具有节水省能(节水达70%～90%)、灌水均匀,水肥同步、适应性强,操作方便等优点。微灌一般比地面灌省水30%～50%,甚至超过60%,比喷灌节水15%～20%,比喷灌能耗低。由于采用压力管道输水,可适用于山区、坡地、平原等各种地形条件。微灌系统不需平整土地和开沟打畦,可实现自动控制灌水,大大减少了灌水的劳力强度和劳动量。微灌的不利因素在于系统建设的一次性投资太大,且灌水器易堵塞等。对于果园固定式微灌投资12000～15000元/hm2,大田固定式微灌投资为9000～12000元/hm2,保护地栽培微灌投资15000～18000元/hm2。因此,其适宜作物尚需同喷灌技术的选择应用一样,要因地、因作物、因区域经济而定,同时,又要考虑微灌本身属局部灌溉的特点。我国微灌技术自1974年开始发展以来,大致经历了引进、消化和试制(1974～1980)、深入研究和缓慢发展(1980～1990)、快速发展(1990年以后)3个阶段。目前,在微灌技术领域,我国先后研制和改进了等流量滴灌设备、微喷灌设备、微灌带、孔口滴头,压力补偿式滴头、折射式和旋转式微喷头、过滤器和进排气阀等设备,总结出了一套基本适合我国国情的微灌设计参数和计算方法,建立了一批新的试验示范基地,发展了3.4万hm2微灌面积,建立一批微灌设备企业。初步估计,我国微灌设备产品的生产能力,从数量上讲,完全可以满足我国发展微灌的需要,但质量上仍与国外先进水平存在较大差距,这也是我国目前大量微灌产品依靠进口的主要原因。具体表现在以下几个方面:①微灌设备种类少,性能差、工艺水平落后,材质不耐老化。②水净化技术未彻底解决。③对适应微灌技术的作物尚有一定争议。④管理水平差。

2.6雨水利用技术

雨水利用技术实质是雨水资源化的过程,它是以降雨地表径流调控为手段,提高雨水的利用率和利用效率的一项技术。从实现的手段来看,它可以划分为大气降水调控(如人工增雨技术)、地表径流调控(如雨水汇集利用技术)和土壤入渗调控技术(如强化土壤入渗技术)。从利用的方式上看,可分为雨水就地利用技术(将雨水就地直接转化为土壤水)、叠加利用技术(将多个地块雨水叠加于某一地块之上)和异地利用技术(通过提高地表产流能力,将径流引入人工存贮设施中存贮备用)。是一项投资低廉、发展迅速的技术,特别是80年代后期以来,干旱频发、水资源日益紧缺的情况下,这项技术得到了迅猛发展。雨水利用技术具有非常明显的区域特征。目前,在我国雨水利用技术主要集中在干旱半干旱地区的山丘区、喀斯特地区,且主要应用于生活用水和农业用水。比较成功的范例有甘肃的121集雨节灌工程、内蒙的112集雨工程、宁夏的窑窖农业,以及陕西的窖灌农业工程等。主要采取硬化路面,或修筑人工集雨场,强化地表产流强度,修筑存水设施存贮地表径流,采用先进灌水技术灌溉农田,提高水的利用率和利用效率。工程实施多采用政府资助、群众投劳的方式,大约每窖政府补助300～500元。该项技术效益十分显著,根据中国科学院水利部水土保持研究所在甘肃省定西县3年田间试验结果,对于春小麦在苗期和拔节后期采取滴灌技术补灌2次,次灌水15～45mm,增产23%～62%,灌水利用效率达到3.25～4.8kg/m3;膜下滴灌条件下,玉米抽雄扬花期补充灌水22～30mm,灌水利用效率达到3.25～6.88kg/m3。从总体上看,这项技术应用前景很大,但尚有诸多问题未得到深入解决,具体表现在:①雨水资源的适宜开发程度。②不同区域雨水资源的开发利用模式。③雨水利用技术与设备。④雨水利用的应用基础研究。⑤雨水利用工程的管理。

2.7农业节水增产配套技术

为了充分、高效利用农田水分,达到作物增产的目的,所采用的所有农业技术,称之为农业节水增产配套技术。主要包括节水增产的水肥综合施用技术、蓄水保墒的耕作技术、适雨种植的作物合理布局,提高作物抗旱能力的秸秆、地膜覆盖技术,采用化学药剂抗旱、保墒技术、保水剂的应用技术,以及节水抗旱作物品种的选育、选用技术等。在依靠工程技术方法所产生的节水技术的基础之上,所发展起来的农业节水增产配套技术,充分发挥综合优势,实现节水、高产、高效是当今世界各国研究的一个重点,也是重要发展方向之一。技术的核心在于,通过水肥综合调配实现水肥综合利用效率的同步提高,达到节水增产的目的,已经受到世界各国的普遍重视。近年来,随着生物技术的发展,生物节水调控技术也迅速发展,并开始在节水农业中应用。如通过根源信号传输水分,调节控制作物有效光合,增加蒸腾,依靠水分的供给实现上述调控过程,以达到节水、增产,实现高水分生产效率的目的。如何实现各种农业节水增产技术的最佳组合,形成技术整体优势,是目前世界各国家均十分重视的一个研究课题,也是至今仍没有很好解决的一个难题。不论与世界发达国家相比,还是对照农业生产实际需求,以及技术的研究与应用方面,我国均有较大的差距。主要表现在以下几个方面:①农业节水增产技术如何与节水灌溉技术相结合,从而形成整体优势与配套技术体系等方面研究不够深入。②各种单项农业节水增产技术如何在不同作物、不同节水灌溉条件下应用,虽有研究,但尚未形成规范化、标准化技术体系。③生物节水调控技术理论上虽有一定研究,但如何在生产中应用尚有一定距离,特别是转基因技术在节水抗旱品种选育方面的应用研究,与国外差距甚大。④现有技术的组装、集成、配套及在生产中的应用方面,也还存在诸多问题。

2.8劣质水利用技术

据有关统计数据,1997年全国建制市污水排放量为351亿m3,而同期我国污水的处理能力按满负荷运算,也仅有47亿m3,在水资源日益紧张的今天,这部分水源对于城郊节水农业的发展也不失为一笔相当大的资源。根据我国北方地区的特点,劣质水在农田灌溉中的应用主要有以下3种,一是城市污水;二水矿化度较高的苦咸水(矿化度大于3g/L);三是高含沙量浑水。在劣质水开发利用方面已有较为成功的经验,如高含沙浑水淤灌技术在西北黄土高原已得到较为广泛的应用。关于城市污水灌溉问题目前研究较少,尚未发现突破性进展。从目前技术的发展水平来看,高含沙浑水淤灌技术相对成熟,苦咸水灌溉有一定研究积累,尚待深化,而城市污水灌溉研究相对薄弱。根据生产需要,需研究下列问题:①高含沙浑水灌溉技术体系。②苦咸水灌溉技术体系的进一步完善。③城市污水利用灌溉问题。

2.9节水灌溉管理技术

节水灌溉管理技术是指根据作物的需求规律控制、调配水源,以最大限度的满足作物对水分的需求,实现区域效益最佳的农田水分调控管理技术。包括土壤墒情监测与预报技术、节水高效灌溉制度的制订,以区域总效益最佳为目标的灌溉预报技术、输配水与灌水量的量测和调节控制技术几个方面。节水高效灌溉制度是灌溉管理技术的基础,它是根据作物的需水规律,把有限的灌溉水量在灌区的作物生育期内进行最优分配,达到高产、高效的目的。从50年代开始,我国在此方面研究比较深入,编制了全国主要农作物需水量等值线图,建立了全国灌溉试验资料数据库。近年来,我国又开始节水高效灌溉制度研究,总结了一些非充分灌溉技术、抗旱灌溉技术、低定额灌溉技术和调亏灌溉技术等,并在生产中发挥了一定作用。关于灌溉预报研究,从80年代后期开始,世界上许多学者致力于此项工作。近年来国内有不少学者对作物需水量的预测方法和模型做了一些研究,有些模型的理论和实用性均较好。就世界范围而言,许多国家,尤其是发展中国家,灌溉量水及水位调节控制是很粗糙的,甚至不可行。目前,使用和研制出的量水设备很多,但多用于实验室、城镇供水、工业系统,很少适用于灌溉系统。纵观我国节水灌溉管理技术水平,虽在理论研究上与国外相比差距不大,但应用技术研究差距尚大,具体表现在以下几个方面。①土壤墒情监测技术与设备,及土壤墒情预测技术。②非充分灌溉条件下的节水高效灌溉制度,特别是不同节水灌溉技术,如喷微灌等条件下的节水高效灌溉制度。③适合于我国国情的节水灌溉预报技术。④抗干扰和泥沙淤积能力强、水头损失小的实用量水技术与设备,尤其智能化、自动化程度较高的量水技术与设备。

3结论

1)渠道防渗技术、管道输水灌溉技术,以及地面灌水技术是我国北方灌区节水农业发展的3大支撑技术,必须大力推广。但目前尚有诸多问题需要深入研究,尤其是地面灌水技术。

2)喷微灌技术无疑是节水、高效、高产的节水农业技术,也是我国北方地区节水农业技术的发展方向与重点。但不应一哄而上,贪大求洋,搞“面子”工程建设。目前应集中力量研究质优、价廉、技术性能可靠的国产设备,并尽量使其系列化、规范化、标准化,为下一步更大面积应用推广创造条件。

3)雨水利用技术是我国北方山区、丘陵区节水农业发展的主要供水方式,但技术尚不完善,需进一步深化研究,形成配套技术体系,并要与生态环境建设密切结合。

4)农业节水增产配套技术是提高作物水分生产效率的重要环节,必须引起高度重视,克服过去那种重工程节水,轻农艺节水的片面观点。但目前单项技术相对成熟,如何组装、集成、配套、凝炼,并进而创新,形成与节水灌溉技术相配套的技术体系或技术模式,仍是今后亟待加强研究的重要课题之一。

5)节水灌溉管理技术是今后相当长时期内节水农业研发的主要技术之一。

6)劣质水利用技术,包括苦咸水、城市污水及高含沙浑水利用,是我国北方地区急待开发利用的水源,是提高我国北方地区污水灌溉农田作物品质的重要手段。但此方面研究与应用较为薄弱,亟待加强。

面对WTO的挑战,节水农业的内涵应从节水、增产、高效,扩展为节水、增产、高效、优质。以此为目标,尽快建立符合国情的中国节水农业技术体系,已成为我国当前节水发展的首要任务,也是确保我国北方地区乃至全国节水农业健康发展的重要保证。