節水農業體系及節水潛力分析

張寶東,王殿武,呂 杰

(1.沈陽農業大學,遼寧沈陽 110161;2.遼寧省水利廳,遼寧 沈陽 110003;3.遼寧省水文水資源勘測局,遼寧沈陽110003)

節水農業體系及節水潛力分析

張寶東1,2,王殿武1,3,呂 杰1

(1.沈陽農業大學,遼寧沈陽 110161;2.遼寧省水利廳,遼寧 沈陽 110003;3.遼寧省水文水資源勘測局,遼寧沈陽110003)

[簡 要] 根據有關文獻及工作實踐,論述了節水農業體系及其具體內涵。節水農業一般應包括農業水資源的合理開發利用、節水灌溉工程、農業耕作栽培節水及節水管理技術。節水農業是包含多種技術措施的一套完整的技術體系。發展節水農業不但能夠節約和挖潛出巨大的農業水資源量,而且其增產增收效果也十分明顯。同時也有利于農業種植結構調整,促進傳統農業向現代化、可持續農業轉變。

節水農業體系;水資源潛力

1 概述

隨著全球性人口增長對糧食及其農產品需求迅速增加,世界各國都積極采取多種有力措施,最大限度地提高農作物產量。據資料介紹,世界糧食增產中 25%歸功于擴大耕地面積,74%歸功于提高單產。而提高單產,灌溉是最根本措施之一。但是由于世界性的水資源日益緊缺,要進一步發展灌溉面積就必須節約灌溉用水,發展節水農業。節水農業就是要充分有效地利用自然降水和灌溉水,通過采取水利、農業、管理等措施,最大限度地減少水從水源通過輸水、配水、灌水直至作物耗水過程中的損失,最大限度地提高單位耗水量的作物產量和產值。那么要發展節水農業,就必須了解和掌握什么是節水農業。根據有關文獻及工作實踐,筆者認為節水農業的內涵一般包括水資源的合理開發利用、輸配水和田間灌溉過程的節水、農業節水增產增效技術以及用水管理節水四個方面。節水農業不是一種單一技術,而是包含多種技術措施的一套完整的技術體系。

2 節水農業體系

2.1 農業水資源開發與優化調配技術

2.1.1 雨水集流技術

在干旱缺水的丘陵山區,選擇有一定產流能力的坡面、路面、屋頂、村莊附近低洼地、溪谷等地方,采取經過夯實防滲處理修建的水窖、蓄水池或塘壩,將雨水引入儲存起來,經過凈化處理,供農村人畜飲水和農作物灌溉用水。單個水窖蓄水量一般為 30～50m3,蓄水池容積為 100～10 000 m3,塘壩一般為蓄水能力在 10萬 m3以下的“微型水庫”。

2.1.2 地表水、地下水聯合調配互補技術

利用系統工程理論和模糊數學方法建立優化調度模型,通過微機等現代化手段調配水資源的合理分配,達到地表水、地下水互補充分發揮水資源的效益,實現節水增產并保護灌區水資源的良性平衡。例如遼寧省中部地區大伙房、湯河、參窩、清河、柴河、觀音閣六大水庫與灌區的井群聯合統一調度,優勢互補,使有限的水資源發揮了最大潛能。

2.1.3 劣質水利用技術

劣質水包括城市生活污水、工業廢水、微咸水和灌溉回歸水。城市生活污水、工業廢水含有多種重金屬元素、有害的無機物或有機化合物、病原生物等,必須經過嚴格凈化處理達到灌溉水質要求,才能用于灌溉非直接食用的農作物。利用微咸水灌溉時,應根據土壤積鹽狀態、農作物不同生育期耐鹽能力,直接用微咸水進行灌溉,或者咸淡水摻混合使用。遼寧省營口地區經多年試驗研究及群眾生活實踐,已總結出一套較科學的微咸水種稻技術,并在本區大面積推廣。大洼灌區近兩年將兩座中型平原水庫淡水通過合理調配用于咸水淡化灌溉也獲得了費省效宏的效果。利用微咸水灌溉時應與農業耕作栽培技術措施密切結合,以防次生鹽漬化。一些灌區渠系和田間產生的滲漏水、排水、跑水可收集起來作為下游地區的灌溉水源。在使用回歸水之前,要化驗確認其水質是否符合灌溉水質要求。

2.1.4 雨養型農業技術

我國北方受海洋及大陸季風影響,70～80%的降雨集中在 6～9月份,選擇適宜作物,采取適宜栽培方法,以適應在雨季用水特點,可取得充分利用自然降水及水資源的效果。如冬小麥在北方的生長期是 10月至來年 5月 ～6月,春小麥生育期是 3月 ～6月,其用水正是北方缺雨期,不灌則只產750～2 250 kg/hm2,灌則產 3 750～6 000 kg/hm2,用水 4 500～7 500m3/hm2,很不經濟。水稻雖是嗜水性作物,但如改為旱種,5月份利用自然墑情直插,旱出、旱長到 6月中下旬的四葉期,然后淺濕給水,這時已到汛期,生理需水和自然降雨正好吻合,可充分利用天然降雨,公頃用水也只有 4 500～7 500m3,產量可達 6000～7 500 kg/hm2,與小麥相比,反而成了少耗水作物。可見這種技術適合國情是大有發展前途的。

2.1.5 云水資源開發技術

據國家氣象部門資料,我國有三大云水資源逸出區,即松遼分水嶺區、西北地區、黃河河套以下至潼關一帶的寧夏、陜西、山西、河南地區。對一定云水含量的積云如及時投放干冰和碘化銀,就能將云中水氣凝結為水下落為雨雪,一般可增雨 20%～25%,增雨成本 0.002～0.005元/m3。遼寧省有云水資源 4 950億 m3,自然落雨 990億 m3,形成地表徑流 324億 m3,每年有約 4 000億 m3云水資源逸出。近三年省市投資 400萬元左右,雇用飛機 4架及高炮 100門,在關鍵時間向云中撒放干冰、碘化銀,取得了抗旱增雨的良好效果。

2.1.6 水域資源利用技術

我國江河交織,湖泊眾多,水庫與池塘星羅棋布。全國有大小湖泊 24000多個,總面積達 800多萬 hm2,水庫總面積約 430萬 hm2,加上山塘、池塘以及不通航的江河等,宜于開發利用的內陸水域面積不少于 1 300萬 hm2。然而,如此廣闊的水域資源,在開發和利用上卻長期處于低水平。如太湖的平均魚產量只有 60 kg/hm2,而水面利用則幾近于零,致使約 16 hm2的水域純收入才相當于 1 hm2農田。90年代初,由中國水稻研究所研究成功的水面浮床無土種植技術,在水面上種植水稻、花卉、蔬菜等農作物,生產農產品,美化水域景觀的同時,利用植物的吸收作用,可以達到凈化水質、治理水域污染的目的。從而為水面資源的開發利用提供了新技術和新途徑。

2.1.7 水資源立體高效利用技術

聯合國生態農業 500家之一的遼寧大洼縣西安生態養豬場、趙圈河葦田的魚蟹混養、盤錦地區的大面積稻田養蟹以及鐵嶺地區的稻田養魚、養鴨都是水資源立體高效利用技術的典型實例。生態養豬場淋浴沖洗豬舍的水進入田間、溝渠,溝渠內種植水葫蘆等水生植物作為豬的飼料同時,凈化水體,形成了生態的良性循環和水資源的高效利用。葦田、稻田養魚、養蟹使植物和動物共用一個水體,形成水資源的高效利用。稻田養魚、養鴨更是利用生物鏈的原理,達到水的高產、高效。這為 21世紀農業水資源的合理利用提供了嶄新的途徑。

2.2 節水灌溉工程技術

2.2.1 渠道防滲技術

渠道是大多數國家的主要輸水手段,我國各類灌區渠道總長度為 306.87萬 km,大多數為土渠,水的滲漏損失很大。通過對渠床土壤處理或建立不易透水的防護層,加砼護面、漿砌石襯砌、土工膜防滲等多種方法,既減少了輸水滲漏損失,加快了輸水速度,又提高了澆地效率,減少了渠道斷面,節省了渠道占地。與土渠相比,混凝土護面可減少滲漏損失80%～90%,漿砌石襯砌減少滲漏土損失 60%～70%,土工膜防滲減少滲漏損失 90%以上,有的工程可達 98%以上。

2.2.2 低壓管道輸水技術替

用塑料管或砼管等管道輸水代替土渠輸水到田間對農田實施灌溉。管道輸水效率高、占地少、易管理。水的輸送有效利用率可達 95%。灌溉渠道管道化已成為各國的共同發展趨勢。美國約有 50%的大型灌區實行了輸水管道化,日本至20世紀 80年代中期,全國新建灌溉渠道的 50%以上也都實現了管道化。

2.2.3 噴灌與微灌技術

噴灌是利用專門的設備將水加壓,或利用水的自然落差將有壓水通過壓力管道送到田間,再經噴頭噴射到空中散成細小的水滴,均勻地散布在農田上,達到灌溉目的。微灌是一種新型最節水的灌溉工程技術,包括滴灌、微噴灌、滲灌和涌泉灌。大田作物噴灌一般可省水 30% ～50%,增產10%～30%。微灌一般省水 50%～80%,增產效果也十分顯著。到 20世紀 80年代,全世界噴、微灌面積已突破 0.2億hm2,其中美國和前蘇聯均已超過 666.67萬 hm2,分別占兩國灌溉面積的 40%左右。干旱缺水的以色列,其灌溉幾乎全部都采用噴、微灌。

2.2.4 田間節水灌溉工程技術

田間地面漫灌仍是當今世界采用較多的灌水方式,由于這一古老傳統方法存在較為嚴重的浪費水現象,因此在水資源日益短缺的今天,各國科技人員及廣大農民在實踐中都研究或摸索出許多具有明顯節水增產效果的田間節水灌溉方式或方法。

(1)膜上灌或栽培技術

膜上灌是在地膜栽培的基礎上,把以往的地膜旁側灌水改為膜上灌水,水沿放苗孔和地膜旁側滲水對作物進行灌溉,與常規溝灌玉米、棉花相比可省水 40%～60%。膜上栽培是遼寧省綏中縣農民為了在地下水位低、滲漏又較嚴重的土壤條件下發展稻田,而通過多年實踐摸索出的一種方法。即在水稻耕作層一定深度下,大面積鋪設一層塑料膜以解決灌溉水田間滲漏損失的難題。

(2)波涌灌溉

波涌灌溉也稱間歇灌溉。做法是先用較大流量把水推進一段距離,暫停灌水,間隔一定時間之后再次放水,如此時斷時續,使水流呈波涌狀推進。由于這種灌水方法水流推進速度快,土壤孔隙會自動關閉,在土壤表層形成一個薄封閉層,大大減少深層滲漏。

(3)地面浸潤灌溉

地面浸潤灌溉是 80年代日本研究出的一種新型地面灌溉技術。灌水作業時由于土壤借助毛管吸力自動地從一個含水層的散發器吸水,當土壤達到一定飽和度時,吸力變小,系統自動停止供水。

(4)地下暗灌技術

黃岡市貧困地區26家農村基層醫療衛生機構基本藥物使用情況調查 ……………………………………… 王文杰等（2）：156

是把灌溉水輸入地面以下鋪設的透水管道或采取其他工程措施普遍抬高地下水位,依靠土壤的毛細管作用浸潤根層土壤,供給作物所需水分的灌溉工程技術。地下暗管根據供水方式的不同可分為地下浸潤灌溉、地下管道灌溉和地下暗排、暗灌兩用系統。

(5)抗旱點澆技術

為解決播種期土壤墑情不足的問題,群眾在實踐中創造了抗旱點澆 -“坐水種”的方法。即在土坑內澆少量水、下種、覆土。過去靠人力作業,近年來已由機械將開溝、注水、播種、施肥、覆土等多道工序一次完成。與常規溝灌玉米相比,可節水 90%,增產 15% ～20%。

(6)溝畦改造灌水技術

為了節水增產,可在精細平整土地的基礎上大畦改小畦,長溝改短溝,使溝畦規格合理化。一般可比常規溝畦灌減少灌水定額 50%,增產 10%～15%。激光整地、波涌灌溉現代先進的技術正在逐漸得到研究采用。

2.3 農業耕作栽培節水技術

2.3.1 耕作保墑技術

采用深耕松土、鎮壓、耙耱保墑、中耕除草、增強有機肥、改善土壤結構等耕作方法,可以疏松土壤,增大活土層,增強雨水入滲速度和入滲量,減少降雨徑流流失,切斷毛細管,減少土壤水分蒸發,既可提高天然降水的蓄集能力,又可減少土壤水分蒸發,保持土壤墑情,是一項行之有效的節水技術措施。

在耕地表面覆蓋塑料薄膜、秸桿或其他材料可以抵制土壤蒸發,減少地表徑流,蓄水保墑,提高地溫,培肥地力,改善土壤物理性狀,提高水的利用率,促進作物增產。秸桿覆蓋一般可節水 15%～20%,增產 10%～20%。塑膜覆蓋可增加耕層土壤水分 1%～4%,節水 20%～30%,增產30%～40%。

2.3.3 優選抗旱品種,調整種植結構

根據當地的降水分布、干旱發生規律和水分特性,因地制宜地選擇耐旱作物品種。如前所述“雨養型農業”就是突出實例。在優化種植結構下,選用抗旱、節水、高產品種一般可較原主栽品種增產10%～15%,水分利用效率也有顯著提高。

2.3.4 施用化學劑節水

施用化學制劑可以提高土壤保水能力,減少作物蒸騰損失。例如:復合包衣劑、黃腐酸及多功能抑蒸抗旱劑,聚丙烯酰胺、旱地龍等都具有明顯的保水、保土、保肥、增產作用。小麥、玉米用保水劑拌種后,出苗率比不拌的提高20%～30%,增產 15%～25%。聚丙烯酰胺施用后,可以減少水土流失 60%～70%,增產 15%～20%。噴黃腐酸可使作物葉片蒸騰速率降低 19% ～27%,田間耗水量減少7%～9%,增產 9%～12%,水分利用效率提高 25%～30%。

2.3.5 現代化農業技術

由于生物工程技術、基因技術的快速發展,使傳統農業、常規農業不斷地與現代高新技術結合而形成新的農業技術。例如:“物理農業”、“設施農業”、“生態農業”、“立體高效農業”、“白色農業”、“藍色農業”、“綠色農業”等等。這些新的農業技術的突出特點也都是以充分利用水資源和節水為基礎的。

2.4 節水管理技術

2.4.1 節水灌溉制度

改進和完善灌溉制度,用節水型的灌溉制度指導灌水。可采用非充分灌溉、抗旱灌溉、低定額灌溉、作物控制性分根交替灌溉和調虧灌溉等。例如:遼寧省種稻采用深淺灌溉、淺灌、淺濕灌溉,水稻公頃用水 1.2～1.5萬 m3,每 kg稻谷耗水 1.6～2.0m3,比常規灌溉省水一倍以上。20世紀 80年代中期以后,鹽堿地改良利用水稻優化灌溉技術,公頃用水量不足 7 500 m3,開展水稻覆膜旱種,公頃用水降至最低 2 250～3 000m3。采用作物控制性分根交替灌溉新技術可節水30%以上,水分利用效率提高 40～50%。調虧灌溉可使水的生產效率達到 1.5～2.0 kg/m3以上的水平。

2.4.2 精準灌溉技術

計算機和信息科學的發展為精準灌溉奠定了堅實基礎。采用張力計、中子法、電阻法等先進的科學技術手段監測土壤墑性和作物水分狀況、數據經計算機分析處理后配合天氣預報,從而做到適時適量的精準灌溉,達到節水增產的目的。如遼寧省的義縣張家堡、丹東農科院等現代化高標準噴灌示范區都安裝了由計算機控制的自動化灌溉系統。

2.4.3 現代化灌溉管理技術

采用電子技術對河流、水庫、渠道的水位、流量、含沙量乃至抽水灌區的水泵運行工況等技術參數進行采集,輸入計算機,利用預先編制好的計算機軟件對數據進行處理分析,按照最優配水方案,用有線或無線傳輸方式,控制各個閘門的開啟度或調節水泵運行臺數,實現自動監測控制。同時對田間灌溉用水采用量水堰、量水槽、特種量水器和復合斷面量水堰等量水設備進行半自動式或自動式計量,從而可節省大量的管理勞動力,實現最優化用水管理。

2.4.4 制定節水政策、法規

通過建立健全節水管理組織,制定適合不同地區自然和社會經濟條件的農業節水技術政策,制定鼓勵和促進用水戶節水的政策、法規,完善多種節水管理的規章制度,使節水意識變成農民自覺的行動,使節水工作逐漸步入規范化、法制化的軌道。只有使人們真正地認識到水的寶貴,節水意義的重大,并把節水與其自身經濟利益聯系起來,才能促使人們自覺地珍惜用水,最大限度地節約用水。

3 農業節水的潛力

現將上述節水技術的節水挖潛效果及增產作用列于表 1。

表1 節水農業體系及節水、增產效果

目前我國灌溉面積占總耕地面積不足一半,農業用水量占總用水量的 65%左右,約 3 600億 m3,灌溉水的利用率只有 40%左右,也就是說每年經過水利工程引、蓄的 3 600億m3水量,有一半以上是在輸水、配水和田間灌水過程中被白白浪費掉了。我國每 m3水生產糧食不足 1 kg,而發達國家的灌溉水利用率可達 80%～90%,每 m3水生產糧食為 2 kg以上,以色列已達到 8 kg。可見,我們與發達國家的差距是很大的。如果采用先進的節水灌溉技術將全國已建成灌區灌溉水利用率提高 20%～40%,即使灌溉水的利用率達到60% ～80%,則每年可節約水量約 720億 ～1 440億 m3,相當于 2～4個三峽水庫的庫容。由此可見,我國農業節水具有巨大的潛力可挖。

遼寧省現有耕地 346.7萬 hm2,灌溉面積為 120萬 hm2,占總耕地面積的 34.6%。節水灌溉面積為 41.48萬 hm2,占灌溉面積的 34.57%。渠道防滲 11.56萬 hm2,占灌溉面積9.63%;管灌面積 11.64萬 hm2,占灌溉面積 9.7%;噴微灌面 15.60萬 hm2,占灌溉面積 13.0%,微灌 2.67 hm2,占灌溉面積 2.2%。2008年全省工農業和城鎮生活用水為 142.78億 m3,其中農業灌溉用水 86.13億 m3,占總用水量的60.3%。渠道水的利用率為 0.5左右,這就意味著全省農業每年至少有 40億 m3以上的灌溉用水被浪費掉,這相當于兩個大伙房水庫的庫容,若按農作物利用的水量占灌溉用水的1/3左右考慮,農業灌溉用水的節水潛力可達 60億 m3以上。

[1]李英能,黃修橋,吳景杜等.水土資源評價與節水灌溉規劃.北京:中國水利水電出版社,1998

[2]遼寧省節水技術研究會等.節水灌溉技術手冊.沈陽:遼寧科技出版社,1997

[3]王殿武等.發展節水農業是解決 21世紀水資源短缺的最有效途徑.北京:中國三峽出版社,2000

[4]王殿武.現代水文水資源研究.北京:中國水利水電出版社,2008

W ater-saving agricultura l system and water saving potential

ZHANG Bao-dong,WANG Dian-wu,LV Jie
(1.Agriculture University in Shenyang,Department of Water resources in Liaoning Province,Hydrogeology and water resources Investigation Bureau in Liaoning)

According to the literature and practice,the article discusses the water-saving agriculturalsystem and its spec ific content.The water-saving agricu lture should cover the reasonable development and utilization of agricu ltural water resources,water-saving irrigation works,water-saving in agricu ltura l planting practices and water management techniques.The water-saving agricu lture contains is a complete set of technica l systems with a variety of technicalmeasures.Development ofwater-saving agriculture and tapping the potential not only to save a huge amount ofagricultural water resources,and its effect is very obvious of increasing yield.Also it is in favor of agricu ltural planting structure ad justment,the promotion of traditional agriculture to modern,sustainab le agriculture change.

Water-saved agriculture system;water-saved pontential

S274

B

1004-1184(2011)01-0087-04

2010-08-12

遼寧省軟科學研究項目“推進社會主義新農村建設對策研究”資助(2009401028)

張寶東(1974-),男,遼寧阜新人,在讀博士,研究方向:現代農業。