节水农业体系及节水潜力分析

张宝东,王殿武,吕 杰

(1.沈阳农业大学,辽宁沈阳 110161;2.辽宁省水利厅,辽宁 沈阳 110003;3.辽宁省水文水资源勘测局,辽宁沈阳110003)

节水农业体系及节水潜力分析

张宝东1,2,王殿武1,3,吕 杰1

(1.沈阳农业大学,辽宁沈阳 110161;2.辽宁省水利厅,辽宁 沈阳 110003;3.辽宁省水文水资源勘测局,辽宁沈阳110003)

[简 要] 根据有关文献及工作实践,论述了节水农业体系及其具体内涵。节水农业一般应包括农业水资源的合理开发利用、节水灌溉工程、农业耕作栽培节水及节水管理技术。节水农业是包含多种技术措施的一套完整的技术体系。发展节水农业不但能够节约和挖潜出巨大的农业水资源量,而且其增产增收效果也十分明显。同时也有利于农业种植结构调整,促进传统农业向现代化、可持续农业转变。

节水农业体系;水资源潜力

1 概述

随着全球性人口增长对粮食及其农产品需求迅速增加,世界各国都积极采取多种有力措施,最大限度地提高农作物产量。据资料介绍,世界粮食增产中 25%归功于扩大耕地面积,74%归功于提高单产。而提高单产,灌溉是最根本措施之一。但是由于世界性的水资源日益紧缺,要进一步发展灌溉面积就必须节约灌溉用水,发展节水农业。节水农业就是要充分有效地利用自然降水和灌溉水,通过采取水利、农业、管理等措施,最大限度地减少水从水源通过输水、配水、灌水直至作物耗水过程中的损失,最大限度地提高单位耗水量的作物产量和产值。那么要发展节水农业,就必须了解和掌握什么是节水农业。根据有关文献及工作实践,笔者认为节水农业的内涵一般包括水资源的合理开发利用、输配水和田间灌溉过程的节水、农业节水增产增效技术以及用水管理节水四个方面。节水农业不是一种单一技术,而是包含多种技术措施的一套完整的技术体系。

2 节水农业体系

2.1 农业水资源开发与优化调配技术

2.1.1 雨水集流技术

在干旱缺水的丘陵山区,选择有一定产流能力的坡面、路面、屋顶、村庄附近低洼地、溪谷等地方,采取经过夯实防渗处理修建的水窖、蓄水池或塘坝,将雨水引入储存起来,经过净化处理,供农村人畜饮水和农作物灌溉用水。单个水窖蓄水量一般为 30～50m3,蓄水池容积为 100～10 000 m3,塘坝一般为蓄水能力在 10万 m3以下的“微型水库”。

2.1.2 地表水、地下水联合调配互补技术

利用系统工程理论和模糊数学方法建立优化调度模型,通过微机等现代化手段调配水资源的合理分配,达到地表水、地下水互补充分发挥水资源的效益,实现节水增产并保护灌区水资源的良性平衡。例如辽宁省中部地区大伙房、汤河、参窝、清河、柴河、观音阁六大水库与灌区的井群联合统一调度,优势互补,使有限的水资源发挥了最大潜能。

2.1.3 劣质水利用技术

劣质水包括城市生活污水、工业废水、微咸水和灌溉回归水。城市生活污水、工业废水含有多种重金属元素、有害的无机物或有机化合物、病原生物等,必须经过严格净化处理达到灌溉水质要求,才能用于灌溉非直接食用的农作物。利用微咸水灌溉时,应根据土壤积盐状态、农作物不同生育期耐盐能力,直接用微咸水进行灌溉,或者咸淡水掺混合使用。辽宁省营口地区经多年试验研究及群众生活实践,已总结出一套较科学的微咸水种稻技术,并在本区大面积推广。大洼灌区近两年将两座中型平原水库淡水通过合理调配用于咸水淡化灌溉也获得了费省效宏的效果。利用微咸水灌溉时应与农业耕作栽培技术措施密切结合,以防次生盐渍化。一些灌区渠系和田间产生的渗漏水、排水、跑水可收集起来作为下游地区的灌溉水源。在使用回归水之前,要化验确认其水质是否符合灌溉水质要求。

2.1.4 雨养型农业技术

我国北方受海洋及大陆季风影响,70～80%的降雨集中在 6～9月份,选择适宜作物,采取适宜栽培方法,以适应在雨季用水特点,可取得充分利用自然降水及水资源的效果。如冬小麦在北方的生长期是 10月至来年 5月 ～6月,春小麦生育期是 3月 ～6月,其用水正是北方缺雨期,不灌则只产750～2 250 kg/hm2,灌则产 3 750～6 000 kg/hm2,用水 4 500～7 500m3/hm2,很不经济。水稻虽是嗜水性作物,但如改为旱种,5月份利用自然墒情直插,旱出、旱长到 6月中下旬的四叶期,然后浅湿给水,这时已到汛期,生理需水和自然降雨正好吻合,可充分利用天然降雨,公顷用水也只有 4 500～7 500m3,产量可达 6000～7 500 kg/hm2,与小麦相比,反而成了少耗水作物。可见这种技术适合国情是大有发展前途的。

2.1.5 云水资源开发技术

据国家气象部门资料,我国有三大云水资源逸出区,即松辽分水岭区、西北地区、黄河河套以下至潼关一带的宁夏、陕西、山西、河南地区。对一定云水含量的积云如及时投放干冰和碘化银,就能将云中水气凝结为水下落为雨雪,一般可增雨 20%～25%,增雨成本 0.002～0.005元/m3。辽宁省有云水资源 4 950亿 m3,自然落雨 990亿 m3,形成地表径流 324亿 m3,每年有约 4 000亿 m3云水资源逸出。近三年省市投资 400万元左右,雇用飞机 4架及高炮 100门,在关键时间向云中撒放干冰、碘化银,取得了抗旱增雨的良好效果。

2.1.6 水域资源利用技术

我国江河交织,湖泊众多,水库与池塘星罗棋布。全国有大小湖泊 24000多个,总面积达 800多万 hm2,水库总面积约 430万 hm2,加上山塘、池塘以及不通航的江河等,宜于开发利用的内陆水域面积不少于 1 300万 hm2。然而,如此广阔的水域资源,在开发和利用上却长期处于低水平。如太湖的平均鱼产量只有 60 kg/hm2,而水面利用则几近于零,致使约 16 hm2的水域纯收入才相当于 1 hm2农田。90年代初,由中国水稻研究所研究成功的水面浮床无土种植技术,在水面上种植水稻、花卉、蔬菜等农作物,生产农产品,美化水域景观的同时,利用植物的吸收作用,可以达到净化水质、治理水域污染的目的。从而为水面资源的开发利用提供了新技术和新途径。

2.1.7 水资源立体高效利用技术

联合国生态农业 500家之一的辽宁大洼县西安生态养猪场、赵圈河苇田的鱼蟹混养、盘锦地区的大面积稻田养蟹以及铁岭地区的稻田养鱼、养鸭都是水资源立体高效利用技术的典型实例。生态养猪场淋浴冲洗猪舍的水进入田间、沟渠,沟渠内种植水葫芦等水生植物作为猪的饲料同时,净化水体,形成了生态的良性循环和水资源的高效利用。苇田、稻田养鱼、养蟹使植物和动物共用一个水体,形成水资源的高效利用。稻田养鱼、养鸭更是利用生物链的原理,达到水的高产、高效。这为 21世纪农业水资源的合理利用提供了崭新的途径。

2.2 节水灌溉工程技术

2.2.1 渠道防渗技术

渠道是大多数国家的主要输水手段,我国各类灌区渠道总长度为 306.87万 km,大多数为土渠,水的渗漏损失很大。通过对渠床土壤处理或建立不易透水的防护层,加砼护面、浆砌石衬砌、土工膜防渗等多种方法,既减少了输水渗漏损失,加快了输水速度,又提高了浇地效率,减少了渠道断面,节省了渠道占地。与土渠相比,混凝土护面可减少渗漏损失80%～90%,浆砌石衬砌减少渗漏土损失 60%～70%,土工膜防渗减少渗漏损失 90%以上,有的工程可达 98%以上。

2.2.2 低压管道输水技术替

用塑料管或砼管等管道输水代替土渠输水到田间对农田实施灌溉。管道输水效率高、占地少、易管理。水的输送有效利用率可达 95%。灌溉渠道管道化已成为各国的共同发展趋势。美国约有 50%的大型灌区实行了输水管道化,日本至20世纪 80年代中期,全国新建灌溉渠道的 50%以上也都实现了管道化。

2.2.3 喷灌与微灌技术

喷灌是利用专门的设备将水加压,或利用水的自然落差将有压水通过压力管道送到田间,再经喷头喷射到空中散成细小的水滴,均匀地散布在农田上,达到灌溉目的。微灌是一种新型最节水的灌溉工程技术,包括滴灌、微喷灌、渗灌和涌泉灌。大田作物喷灌一般可省水 30% ～50%,增产10%～30%。微灌一般省水 50%～80%,增产效果也十分显著。到 20世纪 80年代,全世界喷、微灌面积已突破 0.2亿hm2,其中美国和前苏联均已超过 666.67万 hm2,分别占两国灌溉面积的 40%左右。干旱缺水的以色列,其灌溉几乎全部都采用喷、微灌。

2.2.4 田间节水灌溉工程技术

田间地面漫灌仍是当今世界采用较多的灌水方式,由于这一古老传统方法存在较为严重的浪费水现象,因此在水资源日益短缺的今天,各国科技人员及广大农民在实践中都研究或摸索出许多具有明显节水增产效果的田间节水灌溉方式或方法。

(1)膜上灌或栽培技术

膜上灌是在地膜栽培的基础上,把以往的地膜旁侧灌水改为膜上灌水,水沿放苗孔和地膜旁侧渗水对作物进行灌溉,与常规沟灌玉米、棉花相比可省水 40%～60%。膜上栽培是辽宁省绥中县农民为了在地下水位低、渗漏又较严重的土壤条件下发展稻田,而通过多年实践摸索出的一种方法。即在水稻耕作层一定深度下,大面积铺设一层塑料膜以解决灌溉水田间渗漏损失的难题。

(2)波涌灌溉

波涌灌溉也称间歇灌溉。做法是先用较大流量把水推进一段距离,暂停灌水,间隔一定时间之后再次放水,如此时断时续,使水流呈波涌状推进。由于这种灌水方法水流推进速度快,土壤孔隙会自动关闭,在土壤表层形成一个薄封闭层,大大减少深层渗漏。

(3)地面浸润灌溉

地面浸润灌溉是 80年代日本研究出的一种新型地面灌溉技术。灌水作业时由于土壤借助毛管吸力自动地从一个含水层的散发器吸水,当土壤达到一定饱和度时,吸力变小,系统自动停止供水。

(4)地下暗灌技术

黄冈市贫困地区26家农村基层医疗卫生机构基本药物使用情况调查 ……………………………………… 王文杰等（2）：156

是把灌溉水输入地面以下铺设的透水管道或采取其他工程措施普遍抬高地下水位,依靠土壤的毛细管作用浸润根层土壤,供给作物所需水分的灌溉工程技术。地下暗管根据供水方式的不同可分为地下浸润灌溉、地下管道灌溉和地下暗排、暗灌两用系统。

(5)抗旱点浇技术

为解决播种期土壤墒情不足的问题,群众在实践中创造了抗旱点浇 -“坐水种”的方法。即在土坑内浇少量水、下种、覆土。过去靠人力作业,近年来已由机械将开沟、注水、播种、施肥、覆土等多道工序一次完成。与常规沟灌玉米相比,可节水 90%,增产 15% ～20%。

(6)沟畦改造灌水技术

为了节水增产,可在精细平整土地的基础上大畦改小畦,长沟改短沟,使沟畦规格合理化。一般可比常规沟畦灌减少灌水定额 50%,增产 10%～15%。激光整地、波涌灌溉现代先进的技术正在逐渐得到研究采用。

2.3 农业耕作栽培节水技术

2.3.1 耕作保墒技术

采用深耕松土、镇压、耙耱保墒、中耕除草、增强有机肥、改善土壤结构等耕作方法,可以疏松土壤,增大活土层,增强雨水入渗速度和入渗量,减少降雨径流流失,切断毛细管,减少土壤水分蒸发,既可提高天然降水的蓄集能力,又可减少土壤水分蒸发,保持土壤墒情,是一项行之有效的节水技术措施。

在耕地表面覆盖塑料薄膜、秸杆或其他材料可以抵制土壤蒸发,减少地表径流,蓄水保墒,提高地温,培肥地力,改善土壤物理性状,提高水的利用率,促进作物增产。秸杆覆盖一般可节水 15%～20%,增产 10%～20%。塑膜覆盖可增加耕层土壤水分 1%～4%,节水 20%～30%,增产30%～40%。

2.3.3 优选抗旱品种,调整种植结构

根据当地的降水分布、干旱发生规律和水分特性,因地制宜地选择耐旱作物品种。如前所述“雨养型农业”就是突出实例。在优化种植结构下,选用抗旱、节水、高产品种一般可较原主栽品种增产10%～15%,水分利用效率也有显著提高。

2.3.4 施用化学剂节水

施用化学制剂可以提高土壤保水能力,减少作物蒸腾损失。例如:复合包衣剂、黄腐酸及多功能抑蒸抗旱剂,聚丙烯酰胺、旱地龙等都具有明显的保水、保土、保肥、增产作用。小麦、玉米用保水剂拌种后,出苗率比不拌的提高20%～30%,增产 15%～25%。聚丙烯酰胺施用后,可以减少水土流失 60%～70%,增产 15%～20%。喷黄腐酸可使作物叶片蒸腾速率降低 19% ～27%,田间耗水量减少7%～9%,增产 9%～12%,水分利用效率提高 25%～30%。

2.3.5 现代化农业技术

由于生物工程技术、基因技术的快速发展,使传统农业、常规农业不断地与现代高新技术结合而形成新的农业技术。例如:“物理农业”、“设施农业”、“生态农业”、“立体高效农业”、“白色农业”、“蓝色农业”、“绿色农业”等等。这些新的农业技术的突出特点也都是以充分利用水资源和节水为基础的。

2.4 节水管理技术

2.4.1 节水灌溉制度

改进和完善灌溉制度,用节水型的灌溉制度指导灌水。可采用非充分灌溉、抗旱灌溉、低定额灌溉、作物控制性分根交替灌溉和调亏灌溉等。例如:辽宁省种稻采用深浅灌溉、浅灌、浅湿灌溉,水稻公顷用水 1.2～1.5万 m3,每 kg稻谷耗水 1.6～2.0m3,比常规灌溉省水一倍以上。20世纪 80年代中期以后,盐碱地改良利用水稻优化灌溉技术,公顷用水量不足 7 500 m3,开展水稻覆膜旱种,公顷用水降至最低 2 250～3 000m3。采用作物控制性分根交替灌溉新技术可节水30%以上,水分利用效率提高 40～50%。调亏灌溉可使水的生产效率达到 1.5～2.0 kg/m3以上的水平。

2.4.2 精准灌溉技术

计算机和信息科学的发展为精准灌溉奠定了坚实基础。采用张力计、中子法、电阻法等先进的科学技术手段监测土壤墒性和作物水分状况、数据经计算机分析处理后配合天气预报,从而做到适时适量的精准灌溉,达到节水增产的目的。如辽宁省的义县张家堡、丹东农科院等现代化高标准喷灌示范区都安装了由计算机控制的自动化灌溉系统。

2.4.3 现代化灌溉管理技术

采用电子技术对河流、水库、渠道的水位、流量、含沙量乃至抽水灌区的水泵运行工况等技术参数进行采集,输入计算机,利用预先编制好的计算机软件对数据进行处理分析,按照最优配水方案,用有线或无线传输方式,控制各个闸门的开启度或调节水泵运行台数,实现自动监测控制。同时对田间灌溉用水采用量水堰、量水槽、特种量水器和复合断面量水堰等量水设备进行半自动式或自动式计量,从而可节省大量的管理劳动力,实现最优化用水管理。

2.4.4 制定节水政策、法规

通过建立健全节水管理组织,制定适合不同地区自然和社会经济条件的农业节水技术政策,制定鼓励和促进用水户节水的政策、法规,完善多种节水管理的规章制度,使节水意识变成农民自觉的行动,使节水工作逐渐步入规范化、法制化的轨道。只有使人们真正地认识到水的宝贵,节水意义的重大,并把节水与其自身经济利益联系起来,才能促使人们自觉地珍惜用水,最大限度地节约用水。

3 农业节水的潜力

现将上述节水技术的节水挖潜效果及增产作用列于表 1。

表1 节水农业体系及节水、增产效果

目前我国灌溉面积占总耕地面积不足一半,农业用水量占总用水量的 65%左右,约 3 600亿 m3,灌溉水的利用率只有 40%左右,也就是说每年经过水利工程引、蓄的 3 600亿m3水量,有一半以上是在输水、配水和田间灌水过程中被白白浪费掉了。我国每 m3水生产粮食不足 1 kg,而发达国家的灌溉水利用率可达 80%～90%,每 m3水生产粮食为 2 kg以上,以色列已达到 8 kg。可见,我们与发达国家的差距是很大的。如果采用先进的节水灌溉技术将全国已建成灌区灌溉水利用率提高 20%～40%,即使灌溉水的利用率达到60% ～80%,则每年可节约水量约 720亿 ～1 440亿 m3,相当于 2～4个三峡水库的库容。由此可见,我国农业节水具有巨大的潜力可挖。

辽宁省现有耕地 346.7万 hm2,灌溉面积为 120万 hm2,占总耕地面积的 34.6%。节水灌溉面积为 41.48万 hm2,占灌溉面积的 34.57%。渠道防渗 11.56万 hm2,占灌溉面积9.63%;管灌面积 11.64万 hm2,占灌溉面积 9.7%;喷微灌面 15.60万 hm2,占灌溉面积 13.0%,微灌 2.67 hm2,占灌溉面积 2.2%。2008年全省工农业和城镇生活用水为 142.78亿 m3,其中农业灌溉用水 86.13亿 m3,占总用水量的60.3%。渠道水的利用率为 0.5左右,这就意味着全省农业每年至少有 40亿 m3以上的灌溉用水被浪费掉,这相当于两个大伙房水库的库容,若按农作物利用的水量占灌溉用水的1/3左右考虑,农业灌溉用水的节水潜力可达 60亿 m3以上。

[1]李英能,黄修桥,吴景杜等.水土资源评价与节水灌溉规划.北京:中国水利水电出版社,1998

[2]辽宁省节水技术研究会等.节水灌溉技术手册.沈阳:辽宁科技出版社,1997

[3]王殿武等.发展节水农业是解决 21世纪水资源短缺的最有效途径.北京:中国三峡出版社,2000

[4]王殿武.现代水文水资源研究.北京:中国水利水电出版社,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

辽宁省软科学研究项目“推进社会主义新农村建设对策研究”资助(2009401028)

张宝东(1974-),男,辽宁阜新人,在读博士,研究方向:现代农业。