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1節水農業

我國北方地區土地面積約為全國的44%,多年平均年徑流深只有全國平均數的1/5,多年平均水資源量僅占全國水資源總量的1/10。干旱缺水一直是制約該地區社會經濟可持續發展的瓶頸,也是農業生產面臨的主要矛盾。尤其近年來,隨著氣候日趨干旱和區域社會經濟快速發展,人、水、地之間的矛盾日益尖銳。建立節水型社會,發展節水農業已成為緩解該地區水資源短缺的必然選擇。節水農業就是以節約用水、提高農業用水效率為核心的農業,是現代化農業的重要內涵。其核心是在有限的水資源條件下,通過采用先進的工程技術、適宜的農業技術和用水管理等綜合技術措施,充分提高農業水資源利用率和水的生產效率及效益,保證農業持續穩定發展。面對WTO的挑戰,節水農業更應賦予其新的內涵,其內涵應擴展為節水、高產、高效、優質的農業。節水農業技術是發展節水農業的基礎性工作,選擇適當的技術有助于節水農業的發展;研究開發節水農業技術,有助于提高節水農業的效益。因此,我們非常有必要對現狀各種節水農業,技術的水平,以及技術的適應性作認真分析,為真正實現提高農業水資源利用率和利用效率打好基礎。

2節水農業技術水平及評價

針對我國北方地區的特點,適宜推廣應用的節水農業技術主要有,渠道防滲技術、低壓管道輸水技術、地面灌水技術、噴微灌技術、雨水利用技術、農業節水配套技術、劣質水利用技術及農業節水管理等技術。

2.1渠道防滲技術

渠道是渠灌區輸水的通道,其主要作用在于把灌溉水從水源處安全、快速、高效地輸送至需要灌溉的田間地頭。這是提高灌溉水的一個重要環節,也是減少灌溉水損失的重要措施之一。我國每年因渠道輸水滲漏損失的水量高達1500億m3,相當于3條黃河的年水量。渠灌區在我國北方占有很大的比重,渠灌區控制面積約占我國北方地區灌溉面積的2/3左右,因此,在我國北方地區大力應用推廣渠道防滲技術,仍是節水農業發展的一項主要技術措施。土渠道輸水滲漏損失約占引水量的50%～60%,一些較差的損失高達70%。與土渠相比,混凝土護面可減少滲漏損失80%～90%,漿砌石襯砌可減少60%～70%,塑料薄膜防滲可減少90%以上。據有關資料,混凝土襯砌渠道僅20～30元/m2,50U型渠道造價30～40元/m2,砌石類襯砌由于采用當地材料,造價還低于混凝土類。因此,該項技術應為我國北方地區重點應用推廣的節水農業技術。渠道防滲技術是我國應用推廣面積較大的一項技術,據統計,我國防滲渠道襯砌總長度55萬km,占渠道總長度的18%,控制面積0.1億hm2。縱觀目前渠道防滲技術與方法,依據所使用的防滲材料大致可劃分為土料壓實防滲、三合土料護面防滲、石料襯砌防滲、混凝土襯砌防滲、塑料薄膜防滲和瀝青護面防滲等6種,其中混凝土襯砌防滲是使用最為廣泛的一種渠道防滲措施,可分為現場灌注和預制裝配兩種施工方式,防滲效果好,使用壽命長,特別是使用混凝土“U”型渠槽防滲還可以提高渠道流速和輸沙能力。我國渠道防滲已經形成了一套相對配套的技術體系,但與世界先進水平相比,仍存在以下問題。①襯砌技術成本較高。②高寒地區渠道襯砌防凍脹技術有待進一步完善與深化。③西北地區一些特殊土,如濕陷性黃土、鹽脹土或膨脹土等的渠道襯砌尚需要解決適應大變形問題。④我國中、小型渠道開挖與襯砌施工機械性能差,型號少,滿足不了生產實際的需要。

2.2低壓管道輸水技術

低壓管道輸水技術,簡稱“管灌”,是利用低壓輸水管道將水直接輸送到田間溝畦灌溉作物,以減少輸送過程中水的滲漏和蒸發損失的節水技術。它具有省水、節能、節地、易管理,且省工省時等優點。同時,投資相對較低,采用PVC管道,平均投資3750元/hm2。以管代渠,可使渠系水利用系數提高到92%～95%,使毛灌水定額減少30%左右,節約能耗25%以上。低壓暗管輸水可減少占地,提高土地利用率,一般在井灌區可減少占地2%左右,在揚水灌區可減少占地3%左右;由于輸水管道埋于地下,便于機耕及養護,耕作破壞和人為破壞大大減少,加之管道輸水速度明顯高于土渠,灌溉速度大大提高,可顯著提高灌水效率,并且管理方便,省工省時。我國自50年代就開始對管道輸水灌溉技術試點應用,至1997年,我國北方地區該項技術已推廣266.7萬hm2。該技術除在井灌區得到推廣應用外,近年來,在渠灌區和揚水灌區也取得了一定進展。管道輸水灌溉技術是北方井灌區未來相當長的一段時間需要加以推廣的主導輸水技術。

2.3地面灌水技術

我國灌溉面積大約有97%的面積采用地面灌溉,地面灌溉技術是我國目前應用面積最廣的一種灌水技術,也是世界上應用最廣的一種灌水技術。如美國1994年地面灌溉面積也高達73.6%;韓國達99.5%。自60年代開始,在廣大北方地區開展地面灌水技術研究與推廣工作;70年代,提出了小畦灌、長畦灌、分段灌及細流溝灌等多種改進后的地面灌水技術,并在河北、河南、山東、陜西等省推廣應用;80年代后期從美國引進了波涌灌技術,并結合地面覆蓋,開發了膜上灌水技術,節水增產效果顯著。但我國目前灌溉水利用系數只有0.4左右,個別地區甚至更低,田間水利用系數只有0.6～0.7。據有關研究結果表明,如果操作得當,畦田、溝的規格適宜,田間水利用系數可達到0.8以上,灌溉定額可大幅度下降。可見地面灌溉節水潛力非常大。膜上灌較一般地面灌溉可節水30%以上,高者可達50%以上,波涌灌(包括畦灌、溝灌)可節水10%～30%,灌水均勻度及儲水效率均明顯提高,分根交替灌溉可節水10%～30%。這足以表明地面灌水改進提高應用后的節水潛力。地面灌水技術仍是今后相當長一段時間內,我國北方平原地區應大力應用推廣的主要田間灌水技術。縱觀我國目前地面灌溉技術研究水平,不僅與國外先進水平差距較大,而且與生產實際需求也有較大差距,難以滿足生產之需要,尚需下大力氣,加以改進、提高。具體表現在以下幾個方面。①對地面灌水技術的研究重視不夠。②對地面灌水技術的研究不夠深入。③對農田水利基本建設投入不足,地面灌溉需要有相應的田間工程相配套。④灌水管理水平落后。

2.4噴灌技術

噴灌是噴灑灌溉的簡稱,是利用專門的系統將水加壓后送到田間,通過噴灑器將水噴射到空中,并使水分散成細小水滴后均勻地灑落到田間進行灌溉的一種灌水方法。同傳統的地面灌水技術相比較,它具有適應性強,控制性強,且不易產生地表徑流和深層滲漏等優點。據有關研究結果表明,噴灌與傳統地面灌水技術相比,可節水25%～40%,且灌溉均勻,質量高;減少占地,能擴大播種面積10%～20%;不需平整土地,省時省工;并能調節田間的小氣候,提高農產品的品質,以及對某些作物病蟲害起到防治作用;而且實施噴灌技術,有利于促進灌溉機械化,自動化。但噴灌技術的發展也有其局限性,如受風的影響大,且能耗大,一次性投資高,這是影響噴灌技術快速發展的主要障礙因素。噴灌系統投資,固定式為15000～18000元/hm2、半固定式為9000～12000元/hm2,移動式輕小型機組為3000元/hm2,大型噴灌機為3000～6000元/hm2。因此,建議噴灌技術的發展一定要和經濟效益掛鉤,對于那些附加值較高的經濟作物,可以提倡發展噴灌,但對于大田作物,則要視經濟狀況而定,特別是對于那些經濟尚不太發達的北方山區、丘陵區更需認真考慮。由于噴灌技術本身的優點,以及水資源的短缺,經濟社會的發展,世界各國均對這項技術非常重視。1987年全世界噴灌面積發展到3000萬hm2,1998年,我國噴灌面積已發展到86.73萬hm2。我國自70年代開始發展噴灌技術,噴灌設備生產已具備一定的規模,生產能力基本上可以滿足我國現階段噴灌發展的需求,甚至還有部分出口。但在產品種類、材質、性能等方面與發達國家仍有相當大的差距。其主要差距在于,①關鍵設備耐久性能差,從而影響設備的壽命。②山丘區噴灌設備配套性能差,還沒有形成適合山丘區的噴灌技術體系。③節能噴灌設備,與設備的系列化標準化程度低。從總體上講,我國噴灌技術水平正處在從數量型向質量、效益型轉變的關鍵過程,特別是質量急待提高。

2.5微灌技術

微灌技術是一種新型的節水灌溉技術,包括滴灌、微噴灌和涌泉灌。微灌具有節水省能(節水達70%～90%)、灌水均勻,水肥同步、適應性強,操作方便等優點。微灌一般比地面灌省水30%～50%,甚至超過60%,比噴灌節水15%～20%,比噴灌能耗低。由于采用壓力管道輸水,可適用于山區、坡地、平原等各種地形條件。微灌系統不需平整土地和開溝打畦,可實現自動控制灌水,大大減少了灌水的勞力強度和勞動量。微灌的不利因素在于系統建設的一次性投資太大,且灌水器易堵塞等。對于果園固定式微灌投資12000～15000元/hm2,大田固定式微灌投資為9000～12000元/hm2,保護地栽培微灌投資15000～18000元/hm2。因此,其適宜作物尚需同噴灌技術的選擇應用一樣,要因地、因作物、因區域經濟而定,同時,又要考慮微灌本身屬局部灌溉的特點。我國微灌技術自1974年開始發展以來,大致經歷了引進、消化和試制(1974～1980)、深入研究和緩慢發展(1980～1990)、快速發展(1990年以后)3個階段。目前,在微灌技術領域,我國先后研制和改進了等流量滴灌設備、微噴灌設備、微灌帶、孔口滴頭,壓力補償式滴頭、折射式和旋轉式微噴頭、過濾器和進排氣閥等設備,總結出了一套基本適合我國國情的微灌設計參數和計算方法,建立了一批新的試驗示范基地,發展了3.4萬hm2微灌面積,建立一批微灌設備企業。初步估計,我國微灌設備產品的生產能力,從數量上講,完全可以滿足我國發展微灌的需要,但質量上仍與國外先進水平存在較大差距,這也是我國目前大量微灌產品依靠進口的主要原因。具體表現在以下幾個方面:①微灌設備種類少,性能差、工藝水平落后,材質不耐老化。②水凈化技術未徹底解決。③對適應微灌技術的作物尚有一定爭議。④管理水平差。

2.6雨水利用技術

雨水利用技術實質是雨水資源化的過程,它是以降雨地表徑流調控為手段,提高雨水的利用率和利用效率的一項技術。從實現的手段來看,它可以劃分為大氣降水調控(如人工增雨技術)、地表徑流調控(如雨水匯集利用技術)和土壤入滲調控技術(如強化土壤入滲技術)。從利用的方式上看,可分為雨水就地利用技術(將雨水就地直接轉化為土壤水)、疊加利用技術(將多個地塊雨水疊加于某一地塊之上)和異地利用技術(通過提高地表產流能力,將徑流引入人工存貯設施中存貯備用)。是一項投資低廉、發展迅速的技術,特別是80年代后期以來,干旱頻發、水資源日益緊缺的情況下,這項技術得到了迅猛發展。雨水利用技術具有非常明顯的區域特征。目前,在我國雨水利用技術主要集中在干旱半干旱地區的山丘區、喀斯特地區,且主要應用于生活用水和農業用水。比較成功的范例有甘肅的121集雨節灌工程、內蒙的112集雨工程、寧夏的窯窖農業,以及陜西的窖灌農業工程等。主要采取硬化路面,或修筑人工集雨場,強化地表產流強度,修筑存水設施存貯地表徑流,采用先進灌水技術灌溉農田,提高水的利用率和利用效率。工程實施多采用政府資助、群眾投勞的方式,大約每窖政府補助300～500元。該項技術效益十分顯著,根據中國科學院水利部水土保持研究所在甘肅省定西縣3年田間試驗結果,對于春小麥在苗期和拔節后期采取滴灌技術補灌2次,次灌水15～45mm,增產23%～62%,灌水利用效率達到3.25～4.8kg/m3;膜下滴灌條件下,玉米抽雄揚花期補充灌水22～30mm,灌水利用效率達到3.25～6.88kg/m3。從總體上看,這項技術應用前景很大,但尚有諸多問題未得到深入解決,具體表現在:①雨水資源的適宜開發程度。②不同區域雨水資源的開發利用模式。③雨水利用技術與設備。④雨水利用的應用基礎研究。⑤雨水利用工程的管理。

2.7農業節水增產配套技術

為了充分、高效利用農田水分,達到作物增產的目的,所采用的所有農業技術,稱之為農業節水增產配套技術。主要包括節水增產的水肥綜合施用技術、蓄水保墑的耕作技術、適雨種植的作物合理布局,提高作物抗旱能力的秸稈、地膜覆蓋技術,采用化學藥劑抗旱、保墑技術、保水劑的應用技術,以及節水抗旱作物品種的選育、選用技術等。在依靠工程技術方法所產生的節水技術的基礎之上,所發展起來的農業節水增產配套技術,充分發揮綜合優勢,實現節水、高產、高效是當今世界各國研究的一個重點,也是重要發展方向之一。技術的核心在于,通過水肥綜合調配實現水肥綜合利用效率的同步提高,達到節水增產的目的,已經受到世界各國的普遍重視。近年來,隨著生物技術的發展,生物節水調控技術也迅速發展,并開始在節水農業中應用。如通過根源信號傳輸水分,調節控制作物有效光合,增加蒸騰,依靠水分的供給實現上述調控過程,以達到節水、增產,實現高水分生產效率的目的。如何實現各種農業節水增產技術的最佳組合,形成技術整體優勢,是目前世界各國家均十分重視的一個研究課題,也是至今仍沒有很好解決的一個難題。不論與世界發達國家相比,還是對照農業生產實際需求,以及技術的研究與應用方面,我國均有較大的差距。主要表現在以下幾個方面:①農業節水增產技術如何與節水灌溉技術相結合,從而形成整體優勢與配套技術體系等方面研究不夠深入。②各種單項農業節水增產技術如何在不同作物、不同節水灌溉條件下應用,雖有研究,但尚未形成規范化、標準化技術體系。③生物節水調控技術理論上雖有一定研究,但如何在生產中應用尚有一定距離,特別是轉基因技術在節水抗旱品種選育方面的應用研究,與國外差距甚大。④現有技術的組裝、集成、配套及在生產中的應用方面,也還存在諸多問題。

2.8劣質水利用技術

據有關統計數據,1997年全國建制市污水排放量為351億m3,而同期我國污水的處理能力按滿負荷運算,也僅有47億m3,在水資源日益緊張的今天,這部分水源對于城郊節水農業的發展也不失為一筆相當大的資源。根據我國北方地區的特點,劣質水在農田灌溉中的應用主要有以下3種,一是城市污水;二水礦化度較高的苦咸水(礦化度大于3g/L);三是高含沙量渾水。在劣質水開發利用方面已有較為成功的經驗,如高含沙渾水淤灌技術在西北黃土高原已得到較為廣泛的應用。關于城市污水灌溉問題目前研究較少,尚未發現突破性進展。從目前技術的發展水平來看,高含沙渾水淤灌技術相對成熟,苦咸水灌溉有一定研究積累,尚待深化,而城市污水灌溉研究相對薄弱。根據生產需要,需研究下列問題:①高含沙渾水灌溉技術體系。②苦咸水灌溉技術體系的進一步完善。③城市污水利用灌溉問題。

2.9節水灌溉管理技術

節水灌溉管理技術是指根據作物的需求規律控制、調配水源,以最大限度的滿足作物對水分的需求,實現區域效益最佳的農田水分調控管理技術。包括土壤墑情監測與預報技術、節水高效灌溉制度的制訂,以區域總效益最佳為目標的灌溉預報技術、輸配水與灌水量的量測和調節控制技術幾個方面。節水高效灌溉制度是灌溉管理技術的基礎,它是根據作物的需水規律,把有限的灌溉水量在灌區的作物生育期內進行最優分配,達到高產、高效的目的。從50年代開始,我國在此方面研究比較深入,編制了全國主要農作物需水量等值線圖,建立了全國灌溉試驗資料數據庫。近年來,我國又開始節水高效灌溉制度研究,總結了一些非充分灌溉技術、抗旱灌溉技術、低定額灌溉技術和調虧灌溉技術等,并在生產中發揮了一定作用。關于灌溉預報研究,從80年代后期開始,世界上許多學者致力于此項工作。近年來國內有不少學者對作物需水量的預測方法和模型做了一些研究,有些模型的理論和實用性均較好。就世界范圍而言,許多國家,尤其是發展中國家,灌溉量水及水位調節控制是很粗糙的,甚至不可行。目前,使用和研制出的量水設備很多,但多用于實驗室、城鎮供水、工業系統,很少適用于灌溉系統。縱觀我國節水灌溉管理技術水平,雖在理論研究上與國外相比差距不大,但應用技術研究差距尚大,具體表現在以下幾個方面。①土壤墑情監測技術與設備,及土壤墑情預測技術。②非充分灌溉條件下的節水高效灌溉制度,特別是不同節水灌溉技術,如噴微灌等條件下的節水高效灌溉制度。③適合于我國國情的節水灌溉預報技術。④抗干擾和泥沙淤積能力強、水頭損失小的實用量水技術與設備,尤其智能化、自動化程度較高的量水技術與設備。

3結論

1)渠道防滲技術、管道輸水灌溉技術,以及地面灌水技術是我國北方灌區節水農業發展的3大支撐技術,必須大力推廣。但目前尚有諸多問題需要深入研究,尤其是地面灌水技術。

2)噴微灌技術無疑是節水、高效、高產的節水農業技術,也是我國北方地區節水農業技術的發展方向與重點。但不應一哄而上,貪大求洋,搞“面子”工程建設。目前應集中力量研究質優、價廉、技術性能可靠的國產設備,并盡量使其系列化、規范化、標準化,為下一步更大面積應用推廣創造條件。

3)雨水利用技術是我國北方山區、丘陵區節水農業發展的主要供水方式,但技術尚不完善,需進一步深化研究,形成配套技術體系,并要與生態環境建設密切結合。

4)農業節水增產配套技術是提高作物水分生產效率的重要環節,必須引起高度重視,克服過去那種重工程節水,輕農藝節水的片面觀點。但目前單項技術相對成熟,如何組裝、集成、配套、凝煉,并進而創新,形成與節水灌溉技術相配套的技術體系或技術模式,仍是今后亟待加強研究的重要課題之一。

5)節水灌溉管理技術是今后相當長時期內節水農業研發的主要技術之一。

6)劣質水利用技術,包括苦咸水、城市污水及高含沙渾水利用,是我國北方地區急待開發利用的水源,是提高我國北方地區污水灌溉農田作物品質的重要手段。但此方面研究與應用較為薄弱,亟待加強。

面對WTO的挑戰,節水農業的內涵應從節水、增產、高效,擴展為節水、增產、高效、優質。以此為目標,盡快建立符合國情的中國節水農業技術體系,已成為我國當前節水發展的首要任務,也是確保我國北方地區乃至全國節水農業健康發展的重要保證。