農業灌溉模式與節水技術應用

張繼偉

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

水資源短缺、水資源利用效率低是限制社會發展、工業進步及農業可持續發展的主要條件，水資源在社會發展中起著決定性作用。另一方面，我國人口眾多，水資源稀缺，人均水資源占有量不足世界平均水平的四分之一[1-2]。據2021年水資源報告統計，我國水資源總量約為29 040億m3，其中，僅農業灌溉用水量就高達302億m3，但是農田水資源利用效率僅為52.95%,而發達國家的農業水資源利用效率高達80.20%以上[3-4]。

水資源短缺、水資源利用效率低、我國水資源時空分布不均等都成為限制我國農業可持續發展的主要因素[5]，因此，大力發展農業節水灌溉技術是保證農業穩步發展及國家糧食安全的重要保證條件之一。

1 農業高效節水灌溉技術應用現狀

1.1 渠道防滲節水灌溉技術

目前，在農業地區的灌溉渠道主要以砂礫石層或者土質的渠床，在進行農田灌溉時會出現嚴重的灌溉水滲漏等問題，減少水分利用效率，因此，渠道防滲節水灌溉技術應運而生，主要包括混凝土防滲技術(圖1)[6]、土料防滲技術，改善了灌溉渠道的滲漏問題，提升了農田灌溉效率，有利于實現農業的可持續發展。

圖1 混凝土渠道防滲結構示意圖

1.2 滴灌技術

滴灌主要分為地表滴灌技術及地下滴灌技術兩種發展模式，是目前農業生產中最節水的灌溉技術。由于滴灌技術需要投入相應的管道及設備，最初只應用在經濟作物的生產中，隨著后續技術的逐漸完善，經濟效益的逐漸顯現，開始廣泛應用于大田作物，是目前應用最為廣泛的節水灌溉技術。滴灌技術可以實現精準灌溉，灌溉水只濕潤作物生長部分，可以減少灌溉水的投入，減少水分的無效蒸發，還可以防止雜草生長，且不易產生地表徑流。

1.3 水肥一體化技術

水肥一體化技術是在滴灌技術上發展起來的一種新型農業灌溉方式，通過在水中加入肥料，可以提供足夠的水分和養分，實現水肥精準灌溉，提高肥料利用效率，減少化肥、農藥由于地表徑流造成的農田環境污染，由于滴灌能夠及時適量供水、供肥，因此，水肥一體化技術可以在提高農作物產量的同時，提高和改善農產品的品質。

1.4 水肥氣一體化節水灌溉技術

地下滴灌技術是目前應用最為廣泛的田間節水灌溉技術，可以顯著提高水分、養分利用效率，實現精準灌溉與施肥，但是，灌溉水分入滲會驅替土壤孔隙中的空氣，導致土壤出現周期性的滯水，造成土壤通氣性下降，土壤氧氣含量降低，作物有氧呼吸受到影響，根系呼吸速率降低，因此對土壤中的水分和養分吸收利用效率下降，如果根系長期處于厭氧環境或得不到足夠的氧氣，根系對水分和營養物質的吸收下降，也會改變植物的激素水平和酶活性，阻礙光合作用，限制營養器官的功能，植物地上部分則表現為葉片萎縮，作物鮮重和干重顯著下降，最終導致作物產量和品質的下降，成為農作物高產的主要限制條件。水肥氣一體化技術是在地下滴灌的基礎上，利用空氣泵或者羅茨風機等通風裝置向作物根部土壤增加空氣，或者采用文丘里裝置將空氣以微氣泡的形式摻入灌溉水中，提高灌溉水中氧含量，提高土壤中植株根系的呼吸速率，進而影響到了植株根系對水分與肥料的吸收效率，所以可以有效促進農作物植株的生長，農作物達到豐產增收，農產品質量有所提升[7]。

1.5 再生水灌溉

再生水灌溉是指將城鄉污水處理后可再次利用的水，用于農田灌溉，但是隨著研究的逐漸深入，相關研究均表明，再生水中廣泛存在著抗生素抗性基因，再生水灌溉后是否會對土壤環境及作物生長產生影響是目前廣泛開展的研究項目之一。中國農科院農田灌溉研究所非常規水資源利用團隊，基于宏觀基因調控技術，開展再生水長期灌溉土壤后，對土壤環境及作物生長的影響，研究結果表明，不同灌溉處理方式(地下水灌溉、再生水灌溉、地下水再生水交替灌溉)對土壤抗生素抗性基因組成無顯著影響。但是關于再生水灌溉后作物生長，及人體吸收后對人體是否有影響的論證仍有待進一步驗證與分析。再生水灌溉是目前節水灌溉中最具潛力的灌溉方式之一[8]。

2 節水灌溉模式下不同作物需水規律的研究

研究不同作物及不同生育時期的需水規律，對于提高水分利用效率，在保證作物高產的前提下兼顧節水灌溉模式的發展。作物需水量是指作物在適宜的土壤水肥環境中，獲得高產時的作物蒸騰、棵間蒸發量及構成作物體內水分總量之和。棵間蒸發量及構成作物體內水分總量之和與作物蒸騰量相比較小，不足1%，因此忽略不計，在農業生產中，主要以作物蒸騰量來計算作物需水量，是制定合理節水灌溉模式的主要理論依據，對作物灌溉管理決策具有重要意義，也是當前節水灌溉技術的發展熱點。

2.1 影響作物蒸騰量的主要因素

作物蒸騰量的主要影響因素包括氣象條件，如日照、降雨量、濕度及風速等，土壤質地，作物種類及生長發育階段等。

2.1.1 氣候因素對作物蒸騰量的影響

太陽輻射是作物蒸騰作用的主要能量來源之一，太陽輻射越高，作物蒸騰速率加快，在一定時間內蒸騰量越高，但是，當太陽輻射過強時，作物出于自我保護狀態，氣孔關閉，從而減少自身的水分散失，保護自身生長所需水分。

大氣濕度主要通過影響葉面和大氣之間的水汽壓差進而影響作物的蒸騰量，大氣濕度越高，作物蒸騰速率就會逐漸減弱，蒸騰量減少，大氣濕度較小，隨之降低。

風速對作物蒸騰量的影響主要是通過影響葉面水汽擴散速率，進而影響蒸騰量的變化，風速越高，可以促進作物蒸騰作用，在一定范圍內，蒸騰量的增減變化與風速的1/2～1次方成正比，當風速增大到一定限速，葉面氣孔開合度減小，進而減少作物蒸騰量的變化。

2.1.2 土壤含水率對作物蒸騰量的影響

土壤含水率是影響作物蒸騰量的主要土壤環境因素之一，當土壤水分虧缺時，土壤中的毛細管傳導度降低，作物根系活力降低，對水分的吸收減弱，植株體內含水率降低，葉片氣孔關閉，從而導致作物葉片蒸騰速率降低，作物蒸騰量在一定范圍內隨著土壤含水率的增加而增大，但是當土壤含水量過大時，土壤中大部分孔隙被水份占據，導致土壤通氣性降低，根系有氧呼吸減弱，根系無法進行正常的新陳代謝活動，進而引起根系蒸騰減弱。

2.1.3 作物生物學特性對蒸騰量的影響

不同種類作物蒸騰量有顯著的差異性，耐旱性較強的地方作物葉片表面積不發達，葉面積較小，氣孔細小，保水能力較強，蒸騰失水量較小。同一種作物在不同階段的蒸騰量也有很大的差異，作物生長前期，植株較小，蒸騰量較低，隨著作物的逐漸生長及發育，蒸騰量逐漸達到最大后隨著作物的成熟與衰老又逐漸減小。

2.2 節水灌溉模式下作物蒸騰量的計算方法

針對目前常見的節水灌溉模式下，水稻的需水規律進行分析研究。

水稻蒸騰量主要是通過水稻根系層土壤深度內水量平衡進行計算，如式(1)所示

ETci=Ii+Pi-Si-△Wi-Di

(1)

式中ETci—第i階段作物蒸發蒸騰量，mm；

Ii—第i階段灌水量，mm；

Pi—第i階段有效降水量，mm；

Si—第i階段蒸滲儀內的滲漏量，mm；

△Wi—第i階段根系層土壤控制深度內土壤儲水量變化量，mm；

Di—第i階段的排水量，mm。

目前，不同地區節水灌溉模式下水稻蒸騰量的計算與灌溉模式基本形成完善的體系，表1為黑龍江地區不同節水灌溉模式下水稻蒸發量的變化。

表1 不同節水灌溉模式下黑龍江水稻蒸騰量的變化

3 節水灌溉技術發展趨勢與研究重點

3.1 存在的限制

關于節水灌溉技術下對土壤環境及作物生長影響越來越清晰，然而在一些相關研究中表明還存在一定弊端和不足，導致節水灌溉技術下對土壤與作物之間的調控機理的認知受到一定的限制，具體歸納為以下幾點。

1)節水灌溉技術在減少水分投入的前提下可以保證作物的穩產，甚至高產，對作物水分、養分吸收利用的影響、作物同化產物在作物體內輸移分配及其對作物生長產生的影響等基礎理論尚存在一定缺口。節水灌溉技術從土壤環境到作物產量及品質之間的作用路徑尚不明確。

2)不同作物或相同作物不同生育期時作物對不同節水灌溉參數的響應規律尚不清楚，節水灌溉智能化控制系統尚未形成體系，這些都成為節水灌溉技術應用和灌溉智能化系統設計及其推廣的重要因素。

3.2 研究重點

需要進一步探究作物不同生育時期對節水灌溉技術的響應特征，明晰節水灌溉模式下保證作物高產穩產的作用路徑和主要推動力，以不同作物生育期為單位確定最佳的節水灌溉技術參數。從全面統籌推進考慮，未來的研究還應針對以下幾個方面實現突破。

1)節水灌溉模式中，尤其是水肥一體化技術下土壤水、肥、藥多相流在土壤中的輸送規律，對養分循環轉化及土壤養分供應的影響，作物根系空間構型對土壤水分、養分吸收利用的影響，作物同化產物的建成機制上存在一定的缺口。因此，可以通過進一步精準調控水肥而向可持續灌溉和精準灌溉的方向發展。

2)開展節水灌溉模式對植株表觀形態、產量、品質等向激素調節、過氧化物及抗氧化酶系變化、基因調控、細胞信號轉導等方向轉化，進一步明確節水灌溉技術下改善作物品質，提高作物產量的生理生化機制。

4 結論

水資源短缺、水資源利用效率低、水資源時空分布不均等都成為限制我國農業可持續發展的主要因素，因此，開展節水灌溉技術的研究對于穩定我國農業可持續發展具有重要意義。本研究系統闡述了目前應用最為廣泛的節水灌溉技術發展模式，如渠道防滲節水灌溉技術、滴灌技術、水肥一體化技術及再生水灌溉技術等，并系統分析了節水灌溉技術下作物需水規律的理論依據及發展模式，并針對目前節水灌溉模式發展現狀中存在的問題給予相應的發展建議，研究結果為推動我國農業可持續發展，保證我國糧食安全提供參考。