農田水利工程中高效節水灌溉技術要點分析及優化建議

張宏慶

（民樂縣海潮壩河水利管理處，甘肅 民樂 734500）

隨著時代的發展、科技的進步，農田水利工程改變了傳統中國農業“靠天吃飯”的境況，正成為現代化新式農業生產的必要工程[1]。而對于相對“缺水”的地區而言，高效節水灌溉技術作用凸顯得極為突出，它關系到農業生產產品的質量和水資源的利用率。對于農業中高效節水灌溉技術這一問題，不同學者提出了不同的研究方向[2]。學者譚宏偉等把節水灌溉和高效施肥看作是一個體系，針對我國南方廣西地區甘蔗這一農作物作出實驗分析；學者秦建平從普遍性的角度，從噴灑技術、滴灌技術、雨水搜集方法優化、低壓管道灌溉等方面加以思考并提出優化方法；學者王紹新針對我國北方的玉米種植，提出水肥一體化技術，并把固氮作為最終路線加以分析。本文針對以上分析，則另辟蹊徑展開研究，從Miami 模型的介紹和模型建立開始。

1 Miami 模型介紹與數據模型建立

1.1 Miami 模型介紹

Miami 模型（邁阿密模型）是第一個全球生態系統初級生產量模型。由德國生態學家利思（H Lieth）于1972 年根據自然生態系統溫度和降水，用最小二乘法建立的全球初級生產量模型[3]。用Miami 分析某地區在某時間段內的生產量具有很好的實際意義，其精準度在67%～76%之間。Miami 模型精準度取決于模型數據的獲取及模型建立方法的選取，若選取得當則其精準度會大幅提升。

1.2 Miami 實驗數據信息介紹

為了更精準獲取實驗數據信息，2021 年6 月—9 月選取寧夏某縣某村、甘肅某縣4 個村、內蒙古5 縣12 個村進行實地研究，由于內蒙古5 縣選取范圍較大，故分析其2018 年—2021 年內農作物產量的增減。對于農作物的選取，則主要選取向日葵和春季玉米兩種。對于當地節水灌溉方法的分析，則主要集中在滴灌覆膜法、一般滴灌法、噴灑灌溉法、漫灌覆膜法或者漫不覆膜灌法5 種。本文列舉了5 個地區的自然氣候條件及其理論上生產力極限值，具體見表1。

1.3 Miami 模型建立方法選取與分析

實驗通過Miami 模型計算出我國3 省區7 個典型地區（寧夏1 地區、甘肅3 地區、內蒙古3 地區） 在一定氣候情況下產生理論農作物生產力的需水量。我國該領域研究的前驅學者陳國南在全國范圍內50+氣象站觀測，發現我國西北地區天然降水量不能滿足該地區農作物所需凈生產力的需水量。故此，模型公式應適當加以變形優化，公式為

式中：即為該地區最大農作物凈生產力；T為平均溫度。

1.4 Miami 模型節水效果分析

對于節水效果的評估，Miami 模型可以使用理想條件下某地區實驗的最低灌溉需水數值與實際該地區農作物需水數值加以比較，若比值較大，則說明該地區節水灌溉技術效果較好，水資源利用率較理想；若比值較低，則說明該地區此技術還有待優化或舍棄，水資源利用率很低，計算公式為

式中：Ew為節水效果值；C為理論上最低農作物灌溉量；D為實際農作物灌溉用水量；A為根據模型計算的理想化農作物需水量；B為地區每年內自然降水量。

1.5 Miami 模型用水效率計算

對于用水效率問題，本文從農民經濟利益角度進行切入，將用水效率當作農民產出同等產量的農作物為前置條件，用模型計算出的理想化農作物需水數值和實際作業區水資源比較值的相對概念[4]，計算公式為

式中：Ev為用水效率；G為農作物畝平均產值與實際水資源數值的比較值，為在自然降水條件和灌溉用水之和后單方面水資源產出率；F為理想情況下用水率。

2 Miami 模型下節水情況及不同灌溉節水技術效果比對分析

通過Miami 模型及其計算方法可以得出結論，理論上我國西北3 省區7 個典型地區所需降水量為645～822 mm，但從平均角度來看，7 個地區的每年降水量為137～206 mm，僅為所需農作物凈生產力需要量的15%～33%。因此，需要大量補充灌溉，本文就Miami 模型下節水情況及不同灌溉節水技術對農作物產量的影響展開分析。

2.1 春季玉米節水效果及用水效率情況分析

經過實驗對比可以得出，7 個典型農村農作物春季玉米的節水效果和用水效率，依據以下節水灌溉技術而逐漸降低，節水灌溉技術排序為：滴灌覆膜法＞一般滴灌法＞噴灌法＞漫灌覆膜法＞地下管式灌溉法＞漫式不覆膜灌溉法。從普遍意義上來看，西北3 省7 個典型村農作物節水效果和用水效率都很低，優化空間很大。具體節水效果參照表2，用水效率參照表3。

表2 不同地區春季玉米在不同灌溉方法下節水效果參照表

表3 不同地區春季玉米在不同灌溉方法下用水效率參照表

由表2、3 可以看出，寧夏A 區農作物僅就滴灌覆膜法而言其節水效果數值為168.6，為漫灌不覆膜法的3 倍多；內蒙古A 區用水效率為漫灌不覆膜法的2 倍多，其作用非常明顯；剩余幾種節水灌溉方法都不足100。此外，這6 種節水灌溉法使用的效果差異性很大，漫灌不覆膜法的2 項指標甚至不及70。僅從單方水產量指標來分析，滴灌覆膜法對春季玉米種植很大程度優于其余灌溉法，其中寧夏A 區的單方水產量數值為3.71，而用噴灌不覆膜法數值為1.96 和漫灌不覆膜法數值為0.94。而內蒙古A 地區因為地理位置土質和積溫因素原因，春季玉米的單方水產量數值在滴灌覆膜法為3.65，僅次于寧夏A 地區。

2.2 向日葵節水效果及用水效率情況分析

向日葵的節水效果和用水效率，在不同節水灌溉法作用下呈現趨勢也與玉米一致。具體趨勢為滴灌覆膜法＞漫灌覆膜法＞管灌不覆膜法＞漫灌不覆膜法，具體見表4、表5。

表4 不同地區向日葵在不同灌溉方法下節水效果參照表

表5 不同地區向日葵在不同灌溉方法下用水效率參照表

由表4、表5 可以看出，內蒙古A 區在滴灌覆膜法幫助下向日葵的節水效果達到了142.2%，用水效率為127.8%，是漫灌不覆膜法的1.5 倍。甘肅A 區在漫灌覆膜法下2 種數據指標也均大于100%。但內蒙古C 區在漫灌不覆膜法2 種數據指標小于100%。由此可以看出，滴灌覆膜法在有效促進玉米農作物生長的同時，對向日葵種植也有顯著效果，滴灌覆膜法整體優于灌溉不覆膜法。

2.3 不同節水灌溉技術要點及優化建議

經比對分析，向日葵和玉米兩種農作物在我國西北3 省所選取的實驗村落耕地，由于覆膜具有增溫、除草、保墑等特性，總體上節水灌溉覆膜技術比灌溉不覆膜技術具有更好效果。橫向比較不同灌溉節水的方法，春季玉米在滴灌覆膜法作用下節水效果大于用水效率；漫灌不覆膜用水效率卻反而優于節水效果。而對于向日葵來說，滴灌覆膜法作用下的地區節水效果和用水效率均優于漫灌不覆膜法。總體而言，向日葵比春季玉米用水更少，干旱時間段越長，對春季玉米影響越大。針對實驗獲取的數據及實驗結果，對現有節水灌溉技術提出3 點優化建議。

1） 加強節水灌溉設施建設及不同節水灌溉技術選取。優化西北3 省實驗地區的水資源使用效率和保證農產品對干旱季節的抵抗性，覆蓋范圍更廣、輸送水資源效率更高的基礎節水灌溉設施鋪設是必不可少[5]。在農閑季節建設田間小型蓄水設施以便后續使用，針對不同種類的農產品，可以選取更合理的節水灌溉技術達到事半功倍的效果。

2） 因地制宜發展規模農業種植。針對不同省份、不同村落的種植區域，應該選取更適合本地、普及性更好的農作物進行種植。而節水灌溉技術具有集中性，適當由政府或集體帶領，以大戶、家庭為種植區的規模化經營，才能更好地選取節水灌溉方法，并且這樣的示范區值得普及量化。

3） 優化干旱地區、半干旱地區的種植組合結構。經過長期實驗比較得出各種農產品對當地土地性質適應性和水資源需求的數據，在這些數據基礎上，選擇水分生產率較高的作物并增加種植面積，增多高產節水農產品的種植種類（馬鈴薯、向日葵等），就能增加農民的經濟收入。

3 結論

針對西北地區降水相對缺少的情況，本文以Miami 模型為出發點，介紹了Miami 模型的特點，以西北3 省7 個實驗村落種植向日葵和玉米為例，分析不同類的節水灌溉技術效果及其適應性，并提出優化策略。總之，我國西北地區節水灌溉技術及其優化措施可以繼續挖掘深入，希望本文可以為相關研究帶來幫助。