我國典型作物用水特征及現代農業灌溉技術模式

張寶忠 ，彭致功 ，雷波 ，杜麗娟 ，王蕾 ，劉鈺

（1. 中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室, 北京 100038；2. 國家節水灌溉北京工程技術研究中心，北京 100048）

一、前言

我國耕地資源與水資源錯位分布與北糧南運的糧食生產格局，加劇了農業用水總量短缺態勢，也使水減糧增問題更加凸顯[1]。當前我國的灌溉水有效利用系數約為0.54，與國際先進水平仍存在較大差距。針對我國農業用水緊缺與效率不高并存的局面，大力發展以提高水分生產率和灌溉水有效利用率為核心的節水農業，是解決我國農業缺水問題的關鍵[2,3]。

農業用水受氣候、土壤、作物、灌水技術、耕作方法及管理措施等諸多因素影響，不同區域限制因素各異，且經濟條件不同，必須針對各區域特點來選取相適宜的節水技術模式，才能實現區域農業用水由低效到高效的利用轉變。

本文在分析全國典型農作物灌溉需水量的基礎上，以各典型農業綜合主產區優化灌溉制度下作物用水特征為研究重點，篩選出了各典型區主要農作物先進節水優化技術模式，并提出了現代灌溉農業體系建設等基本內容，對提高全國主要作物水分高效利用、實現農業水資源合理配置和生態環境良性循環等具有重要參考價值。

二、全國典型作物灌溉需水量分布規律

以全國水資源三級區為基礎，剔除部分農業用水少或缺資料的區域，同時將個別涉及范圍較大三級區分為若干子區，最終確定219個研究分區。每個分區選定一個典型氣象站，以該氣象站資料為基礎，對小麥、水稻和棉花等主要作物灌溉需水量進行分析。

小麥主要分布在河南、山東、河北、安徽、江蘇、陜西、甘肅、新疆和山西等地，需補充灌溉水量由南向北遞增，高值區位于西部的新疆克拉瑪依市和西藏阿里地區，需補充灌溉水量達500～600 mm；低值區位于淮河流域南部及長江中下游地區，需補充灌溉水量為100～200 mm。對于黃淮海地區，高值區位于由山東濰坊向西北延伸的德州、天津、保定、北京的條帶上，需補充灌溉水量為350～400 mm，向南北兩側遞減。

水稻主要分布在長江中下游平原、云貴高原、四川盆地、東北地區的三江平原和遼河平原，而在新疆等地也有少量分布。中稻需補充灌溉水量由南向北遞增，高值區位于新疆吐魯番盆地和巴音郭楞蒙古自治州地區，需補充灌溉水量為850～900 mm；低值區位于華南地區的廣西東部及廣東西部以及四川盆地，需補充灌溉水量為100～150 mm。

棉花主要分布在新疆、山東、河南、河北、湖南、江蘇、安徽等地，灌溉需水量高值區位于新疆克拉瑪依地區，需補充灌溉水量為600～700 mm；低值區位于華南地區廣西東部及廣東西部，需補充灌溉水量為30～100 mm；東部地區灌溉水量一般在150～250 mm。近年來，很多地區實行棉花覆膜種植，灌溉需水量可降低75～120 mm。

三、我國主要分區典型作物用水效率特征及優化技術模式

（一）黃淮海小麥產區

冬小麥作為黃淮海地區分布最廣、播種面積最大的糧食作物之一，占該區域總播種面積的30%以上，占全國小麥播種面積的68%[4]。冬小麥充分灌的凈灌溉量為119 mm，水分生產率為1.46 kg/m3；虧缺灌的凈灌溉量為71 mm，水分生產率為1.38 kg/m3；雨養條件下水分生產率為0.77 kg/m3。在水資源緊缺的黃淮海平原北部，冬小麥采用虧缺灌溉能保證87%產量，灌水量可減少40%。黃淮海平原夏玉米需水與降水的耦合程度高，通過選用抗旱玉米品種和配套應用綜合農藝旱作技術，完全可以實現夏玉米雨養旱作；黃淮海平原夏玉米生育期降水量為470 mm，耗水量為363 mm，畝產量為788 kg，水分生產率為3.26 kg/m3。

針對超采漏斗區，應適度壓減高耗水作物種植面積，嚴格控制新增灌溉面積，大力發展水肥一體化等高效節水灌溉，實行灌溉定額制度，推行農藝節水和深耕深松、保護性耕作措施[5]。推薦冬小麥節水穩產配套技術模式（節水抗旱品種+土壤深松/秸稈還田/播后鎮壓+拔節孕穗水）、冬小麥保護性耕作節水技術模式（免耕/少耕+秸稈還田+小麥免耕播種機復式作業）、水肥一體化高效節水技術模式（水肥一體化+冬小麥/夏玉米/蔬菜+膜下滴灌/微噴/噴灌）相結合的綜合節水技術模式[6]。

（二）東北水稻產區

東北地區作為我國水稻優勢產區，糧食商品率高，種植面積呈不斷擴大趨勢，地下水資源連年超采已引發一系列生態環境問題[7]。為應對嚴峻的水資源緊缺形勢，東北地區已改變以往傳統的大水串灌方式，多采用“淺曬淺”的水層管理模式，并逐步探索發展在水稻正常生長過程中沒有水層的控制灌溉技術。在“淺曬淺”與控制灌溉下的水稻灌溉量分別為450～545 mm、275～345 mm，相應水分生產率分別為 1.14～1.34 kg/m3和 1.53～2.25 kg/m3。與“淺曬淺”相比，采用控制灌溉技術，可減少灌溉量145～175 mm，減少耗水量145～293 mm，畝產增加16～43 kg，水分生產率提高35%～60%。

東北地區制約性因素為“三低”（氣溫低、水溫低、地溫低）、“三化”（土壤潛育化、沼澤化、鹽堿化）[8]。在東北地區，推薦寒地水稻節水控制灌溉技術模式，指在秧苗本田移栽后的各個生育期，田面基本不再長時間建立灌溉水層，也不再以灌溉水層作為灌溉與否的控制指標，而是以不同生育期不同的根層土壤水分作為下限控制指標，確定灌水時間、灌水次數和灌水定額的一種灌溉新技術。在水稻生長發育過程中，適度進行水分脅迫，會使水稻產生一定的耐旱性，而且不會導致減產，起到節水、優質、高效的作用，該技術模式在東北地區得到了一定的推廣應用[9]。

（三）長江中下游水稻產區

長江中下游地區是中國最重要的水稻生產區，水稻種植面積和產量均占全國的45%以上[10]。長江中下游中稻在淹灌與淺薄濕曬方式下的灌溉量分別為482 mm、413 mm，水分生產率分別為1.29～1.68 kg/m3、1.54～2.23 kg/m3，采用淺薄濕曬水分生產率可提高7%～34%。

長江中下游地區地勢低平，水熱資源豐富，制約性因素為農業面源污染嚴重。為控制農業面源污染，實現農業可持續發展，在長江中下游地區水稻灌區推薦采用農業面源污染生態治理模式和水稻田間水肥高效利用綜合調控技術模式，該模式為水稻灌溉制度、肥料運籌方式以及農業面源污染防治等的技術集成，該技術在江西省得到大面積示范推廣，取得了顯著的示范效果，對促進農民增產增收，減輕農業面源污染起到積極的促進作用[11]。

（四）四川盆地水稻產區

水稻是四川最重要的糧食作物，丘陵區為四川盆地水稻的主體區域。近50年氣象資料表明，丘陵區春、夏、伏旱出現頻率分別為63%、71%和65%，所以灌溉是水稻穩產的基本保證。與淹水灌相比，四川盆地水稻濕潤灌溉方式和濕曬淺間處理分別節水27.31%和34.77%；其中濕曬淺間處理的灌溉量較低，僅為522 mm，但水分生產率最高達1.69 kg/m3[12]。

四川盆地地勢低平，土質肥沃，季節性干旱時有發生[13]。在四川盆地，水稻推薦濕曬淺間控制性節水高效灌溉技術模式，該技術根據水稻的抗旱性和高產水稻的需水規律，實行控制性節水高效灌溉，分蘗前期濕潤灌溉促根促蘗，分蘗后期排水曬田強根壯稈，穗分化期淺水灌溉孕大穗，灌漿結實期間隙灌溉養根保葉促灌漿，該模式節水效果突出、增產效果顯著[14]。

（五）內蒙古東部牧區

內蒙古東部牧區降水少，草畜矛盾突出。青貯玉米新鮮樣品中的粗蛋白質含量可達3%以上，富含糖類，且生產所占空間小，可長期保存，利于周年均衡供應，是解決牲畜所需青貯飼料的一種最有效途徑[15]。青貯玉米在充分灌條件下畝產高達6 445 kg，拔節期虧水后畝產僅4 548 kg，抽雄期虧水后畝產5 078 kg；水分生產率以抽雄期虧水后最大，達17.14 kg/m3，拔節期虧水后最小，僅14.64 kg/m3。青貯玉米平水年凈灌溉定額為200 mm，重點保障拔節期需水。

針對該地區特點，適宜規模化發展青貯玉米噴灌、滴灌等高效節水技術。在內蒙古東部牧區，青貯玉米推薦采用中心支軸式噴灌綜合節水技術集成模式，該技術模式綜合考慮了青貯玉米需水需肥規律、水分利用率、肥料利用率和產量、效益等方面，同時中心支軸式噴灌機操作方便、灌溉與施肥一體化，又可以進行精準灌溉與施肥，提高了水肥利用率，在內蒙古牧區得到大面積推廣應用[16]。

（六）廣西甘蔗產區

廣西是我國最重要的甘蔗及食糖生產基地，多年平均條件下甘蔗生育期內降水量為1 391 mm，總量上滿足作物需水要求，但由于降水時空分布不均勻，季節性干旱時有發生。廣西90%以上的蔗地為旱坡地，水利灌溉基礎設施落后，抗旱能力低，廣西每年的春旱、秋旱等都對甘蔗萌芽、出苗、分蘗和拔節伸長造成嚴重影響[17]。廣西甘蔗在雨養和適宜灌條件下的水分生產率分別為7.02 kg/m3、10.12 kg/m3，雨養下甘蔗水分生產率減少約31%。可見，適宜灌條件下灌溉量不到300 mm，具有增產增效雙重作用。

廣西甘蔗產區溫光雨熱同季，適宜甘蔗生長，但該區土壤瘠薄，灌排等基礎設施差[18]。在廣西甘蔗區，推薦甘蔗膜下滴灌水肥一體化灌溉技術模式，該模式集土地流轉，全程機械化耕作，水、肥、農藥一體化滴灌技術為一體，可實現節約水、肥、農藥70%以上，已在廣西崇左市大面積推廣應用[19]。

（七）新疆棉花產區

新疆棉花主產區是我國最大的經濟棉區，種植面積和皮棉產量均居全國第一，棉花生產也成為當地的支柱產業；但新疆棉區干旱少雨，屬于典型的灌溉農業生產區。新疆棉花產區主要涉及準噶爾盆地南緣區、吐哈盆地區與塔里木盆地西緣北緣平原區等3個分區。在新疆塔里木盆地西緣北緣平原區與準噶爾盆地南緣區，以灌溉水分生產率最大達1.53 kg/m3時，推薦灌溉定額為375 mm[20]。在吐哈盆地，棉花滴灌推薦灌水定額為21 mm，整個生育期內灌水29次，灌溉定額為609 mm。

新疆棉花產區光熱資源豐富，種植棉花條件得天獨厚。該區棉花生產制約因素為嚴重缺水、土地沙化，農業節水技術發展方向為加快優良新品種、節水節肥和全程機械化等生產技術的推廣。在新疆棉花主產區，推薦棉花膜下滴灌綜合技術模式，該技術具有顯著的節水、保溫、抑鹽、增產效果，在新疆自治區棉田中已獲得大面積推廣應用[21]。

四、現代農業灌溉體系建設

（一）現代農業灌溉體系特征

以高效節水灌溉工程技術為基礎，融合水肥一體化、調虧灌溉等灌溉新技術，在現代信息技術手段的支撐下推進現代農業灌溉體系建設，適應和支撐現代農業生產和經營體系。現代農業灌溉體系具備以下基本特征：①高效節水灌溉技術呈現規模化和區域化發展趨勢；②灌溉農業技術由單一的灌溉供水向水肥一體化綜合供給發展，技術手段由單純的工程技術措施發展為集工程、農藝、農機、種子、化肥、信息技術等多項技術的綜合集成；③農業用水管理日趨信息化和智能化；④以灌區生態文明，維系良好水生態和水環境理念日益深入；⑤以政府和社會資本合作（PPP）模式為代表的政府部門、科研機構、社會企業、受益主體等多方合力初步顯現。

（二）基于信息技術的現代灌溉技術

（1）現代高效精準灌溉技術。以作物用水為核心，采用低壓管灌、噴灌、微灌等手段，根據作物需水規律，主動調控優化供水過程，以達到高效精準灌溉。

（2）輸配水系統實時調控技術。通過在輸配水系統關鍵節點安裝的水位–流量監測裝置、閘門啟閉系統和數據傳輸裝置，以實時采集的灌區供需水信息為依托，對輸配水系統實行遠程監控和自動化控制。

（3）基于遙感的灌區需耗水預測預報技術。借助于無人機近地遙感和高分辨率衛星遙感信息提取灌區種植結構、土壤分布，以及實際灌溉面積等參數的空間信息，進行區域作物需耗水解析，實現灌區需耗水快速預測與預報。

（4）基于云平臺的灌溉信息服務。借助物聯網技術和云技術，建立全國灌溉云服務平臺，將各地的灌溉試驗數據，以及區域種植結構與需耗水時空格局、可供水量與工程狀況等信息實現資料云化、管理智能化，利用云計算功能，對灌溉大數據進行分析處理，實現灌溉信息動態采集、管理、決策與服務。

（三）政策保障體系

推進與現代灌區相適應的灌溉管理體制改革，農田水利工程產權制度改革，農業水權市場建設和農業水價綜合改革及取水與耗水雙控機制。

（1）創新多元投融資機制。按照公益的歸政府、產業的放市場等基本原則，骨干水利基礎設施部分主要由公共財政投入，田間或產業園區的節水灌溉設施應充分發揮企業和農戶的投資意愿，政府可采用補貼等形式予以引導鼓勵。

（2）推進小型農田水利設施運行管理體制機制改革。在確保工程安全、公益屬性和生態保護的前提下，允許小型農田水利設施以承包、租賃、拍賣、股份合作和委托管理等方式進行產權流轉交易，搞活經營權，提高工程管理維護能力和水平，促進灌溉效益發揮。

（3） 全面推進農業水價綜合改革。逐步建立農業灌溉用水總量控制和定額管理制度。全面加強農業灌溉用水監測計量，渠灌區逐步實現斗口計量，井灌區逐步實現井口計量。鼓勵和發展農民用水自治、專業化服務、水管單位管理和用水戶參與等多種形式的用水管理模式。逐步形成分級定價、分類定價、分檔定價的農業水價形成機制，建立農業用水精準補貼機制和節水獎勵機制。

（4）探索建立取水與耗水雙控機制。以行政區“三條紅線”中取水總量控制為基礎，探索基于耗水控制的水權管理機制，明確耕地的初始取水權和耗水權，建立以取水和耗水雙控制來促進農戶節水和水權交易的倒逼機制。

五、結論

（一）以優化灌溉制度為核心，大力提高農作物水分生產率

優化灌溉制度，保證作物缺水敏感期水分供應，節約灌溉用水量，穩產同時提高水分生產率。在黃淮海地區，實行冬小麥調虧（或虧缺）灌溉與夏玉米雨養制度，與常規灌溉相比，每畝節水50～100 m3；在穩產（畝產約1 000 kg）前提下，較傳統灌溉制度可提高作物水分生產率約10%。東北地區采用水稻控制灌溉制度，與“淺曬淺”相比，每畝至少節水95 m3，水分生產率增加35%以上。在內蒙古東部牧區，青貯玉米采用抽雄期干旱的灌溉制度，較拔節期干旱灌溉制度增產12%，水分生產率提高17%。長江中下游與四川盆地采取“淺薄濕曬（或濕曬淺間）”技術模式，畝均灌溉量可由520 m3降低到310 m3，增產約13%。在廣西甘蔗主產區，采用適宜灌溉制度，較雨養條件下，畝產增加58%，而水分生產率提高44%。在新疆棉花主產區，采用畝灌溉定額為250 m3的灌溉制度，棉花水分生產率較大。

（二）篩選先進節水技術模式，突破區域農業用水限制因素

篩選先進節水技術模式并推廣應用，確保優化灌溉制度精準實施，突破區域農業用水限制因素，提高區域農業綜合生產能力。在黃淮海地下水超采漏斗區，冬小麥推薦農藝節水、保護性耕作及水肥一體化等相結合的綜合節水技術模式。在東北地區，水稻推薦寒地水稻節水控制灌溉技術模式，以突破區域“三低”“三化”限制。在內蒙古東部牧區，青貯玉米推薦中心支軸式噴灌綜合節水技術集成模式，以提高區域規模化節水效益。在長江中下游地區，水稻推薦采用灌區農業面源污染生態治理模式，以控制區域農業面源污染。在四川盆地，水稻推薦“濕曬淺間”控制性節水高效灌溉技術模式，提高節水效果。在廣西甘蔗產區，推薦甘蔗膜下滴灌水肥一體化灌溉技術模式，以大幅提高甘蔗水分生產率，并實現水、肥、藥節約。在新疆棉花產區，推薦棉花膜下滴灌綜合技術模式，實現節水、保溫、抑鹽、增產效果。

（三）構建現代農業灌溉體系，實現農業用水由低效粗放型向適產高效型轉變

我國農業栽培模式、生產方式和經營主體正發生著深刻變化，農業發展正逐漸步入適度規模化、全程機械化、高度集約化和資源環境硬約束等新常態，在未來農業用水量基本保持穩定且需認真應對氣候變化的條件下，農業灌溉必須由低效粗放型向適產高效型轉變。以高效節水灌溉工程技術為基礎，充分挖掘作物高效用水機制，融合水肥一體化、調虧灌溉等灌溉新技術，構建取水和耗水雙控機制，并在現代信息技術支撐下推進現代農業灌溉體系建設，適應和支撐現代農業生產和經營體系。