“十一五”国家“863”计划项目山东半湿润区现代农业节水技术研究与集成主要成果简介

杜贞栋，吕宁江，黄 乾

（山东省水利科学研究院，山东 济南 250013）

1 项目简介

山东半湿润区现代农业节水技术研究与集成(项目编号：2006AA100222)是国家“863”高技术研究发展计划现代农业技术领域 “现代农业节水技术与产品”项目之一，2006年通过参加科技部组织的竞争答辩，山东省水利科学研究院成为项目承担单位，桓台县水务局为项目协作单位。项目总经费为600万元，研究时间为2006年12月至2010年10月。该项目历时4年，按照合同要求按期完成。2010年11月10日，国家科技部在北京组织了“十一五”国家863计划现代农业技术领域项目的会议验收，研究成果得到专家的充分肯定，项目顺利通过验收。

该项目以区域水资源可持续利用为目的，以现代节水农业综合技术集成展示为重点，建成14.4hm2现代节水农业技术及产品展示基地，依此作为研究与集成平台，开展了农作物节水抗旱品种筛选技术、农艺综合节水技术、精量控制灌溉技术、精细地面灌溉技术、现代化运行管理技术及区域地表水地下水联合调控技术研究，提出山东半湿润区现代节水农业综合技术体系和集成模式，为山东半湿润区及类似地区发展高产高效节水农业、维持地下水采补平衡提供技术支撑，展示我国现代节水农业技术成果和应用效果。经过4年研究攻关项目取得了丰富成果，示范面积达667hm2，推广面积超过2万hm2，产生了巨大的经济、社会和生态效益。

2 主要研究成果

2.1 抗旱节水作物品种筛选研究

开展了冬小麦、夏玉米耐旱品种筛选试验。按当地冬小麦—夏玉米轮作的种植习惯设置灌溉试验处理，从多个冬小麦、夏玉米品种中初选山东半湿润区种植范围较广的7个冬小麦品种、6个夏玉米品种，通过对作物生态指标和产量构成因素与抗旱性、产量和水分利用效率的相关关系进行分析，利用模糊物元评价法筛选出了2个丰产、耐旱冬小麦品种：青麦6号和济麦22号，2个夏玉米品种：桓丰16和郑单958。

2.2 降水资源转化与高效利用技术集成

2.2.1 秸秆还田与深耕蓄水技术研究

冬小麦和夏玉米秸秆还田是桓台县作物秸秆利用的主要形式，冬小麦秸秆采用留高茬免耕覆盖还田，夏玉米秸秆采用粉碎翻压深耕还田。秸秆还田促进土壤有机质及氮、磷、钾等含量的增加，进而改良土壤结构和土壤水分特性。秸秆还田后，桓台县10年前后对比土壤有机质含量提高了14.7%，碱解氮含量提高30.9%，速效磷含量提高177.8%，速效钾含量提高14.3%。秸秆还田并深翻入犁底层的处理比秸秆焚烧或覆盖的处理全生育期可省水462～550m3/hm2，增产10.4%，水分利用效率增加18.3%。

2.2.2 冬小麦水肥耦合技术研究

过量施用氮肥会造成一系列的环境问题。针对桓台县冬小麦冬灌时补施氮肥的习惯，进行了冬灌期施氮和拔节期施氮的对比试验。试验结果表明，冬小麦拔节期结合灌溉或降雨施氮肥比冬灌期施氮肥产量提高了17.2%～14.9%，拔节期施肥水肥耦合效果好，有效地提高了肥料的利用效率。

2.2.3 高产省水栽培技术研究

开展了夏玉米直播与套种（冬小麦）对比试验，冬小麦“引苗水”（播后灌水）试验，保水剂、抑制蒸腾剂、抗逆剂的节水增产试验，最佳播种期试验等，试验结果表明：1）夏玉米直播后产量和水分利用效率均比套种处理有所降低，产量平均降低8.86%，水分利用效率平均降低4.83%；2）冬小麦播种后若无有效降水，播种后灌引苗水可以大幅度提高出苗率和冬前分蘖率，“引苗水”对于桓台县黏壤土质、秸秆还田情况下是必须的；3）抗逆剂（如天达2116）可有效抵御和修复春季冻害对小麦的伤害。

2.2.4 农艺节水高效技术集成模式

研究形成了“畦田高起垄+玉米秸秆粉碎深翻还田+冬小麦适期、适量、足墒播种施底肥+播后灌溉+配方施肥+氮肥后移+应用保水剂、抑制蒸腾剂和植物生长调节剂+夏玉米足墒套种施底肥（播后灌溉）+小麦留高茬秸秆覆盖还田+玉米大喇叭口期追肥”的农艺节水高效技术集成模式。该技术模式能够充分利用天然降水、改善土壤的结构、蓄水保墒、实现水肥耦合、增加土壤有机质，应对低温等极端气候侵害，达到水肥高效利用的目的。农艺节水高效技术集成模式见图1示。

图1 山东半湿润区农艺高效节水技术集成模式

2.3 地下水调控及水资源优化配置研究

2.3.1 浅层地下水动态规律研究

近30年来桓台县浅层地下水位变化规律为：时段平均降水量略大于多年平均降水量时保持阶段性平衡，总体呈下降趋势。按照现状年开采量，遇到连续偏枯年，地下水位下降明显。全县分区地下水变化规律为：南部地下水埋深较大，一般超过20m，且多年来地下水位一直处于下降状态；中部地区以缓慢下降和平衡稳定为主；北部地区地下水位变化较小，基本保持稳定，且埋深普遍较浅，在1～4m之间。桓台中部地区地下水变化是南部地区向北部地区变化的过渡带，全县平均地下水水位受南部地区水位影响较大。根据30年降水和水位资料，建立了地下水位年变幅～降水量回归关系式。

2.3.2 农业水资源优化配置

按照丰水年多蓄少采、平水年采补相当、枯水年适当超采的调控原则，建立了年际调控水资源优化配置模型。该调控模型既可以对单个水文年进行水资源优化调控，也可以解决地下水多年调控配置问题。将作物—水模型作为约束条件与年际调控水资源优化配置模型耦合，克服了多层递解结构各模型反复协调、试算的缺点。该优化模型为非线性模型，利用广义梯度下降算法进行了全局寻优。优化结果为：当桓台县灌溉水利用系数达到0.85时，农业用水比现状开采量减少20%，可以保证桓台县粮食生产亩产吨粮的目标。

2.3.3 地下水运动模拟及预测

建立了桓台县井灌区水文地质模型和地下水系统模拟模型，采用VisualModflow模拟软件对地下水不同开采情景下的短期、长期和调水方案地下水位变化进行了模拟预测，并提出相应的地下水开采策略，对桓台县地下水管理决策具有指导意义。地下水数值模拟模型建模及部分模拟结果见图2～图4。

图2 模型计算区域剖分三维网格

图3 桓台县概化处理后的水文地质模型

图4 模拟计算与实际地下水等水位线比较

2.4 精量控制灌溉技术研究集成与展示

2.4.1 低压管道输水灌溉与田间闸管灌溉技术集成对低压管道输水灌溉技术和田间闸管灌溉技术进行了技术集成，形成了低压管道输水灌溉田间闸管灌溉技术。成套连接技术包括：低压管道输水灌溉工程配套、田间闸管系统与低压管道输水系统的连接、闸门安装、闸管封堵与卷放、保存等，见图5和图6。

2.4.2 低压管道输水灌溉配套田间软管灌溉技术研究

通过对系统的软管快速活接头、控制流量升降夹、喷水带快速活接头、畦灌防冲计量导流板等部件的研制、改进，形成了低压管道输水灌溉配套田间软管灌溉技术与成套设备，其中有两项技术取得专利授权。

图5 低压管道输水灌溉田间闸管系统成套设备

图6 田间闸管灌溉系统运行

2.4.3 主要作物节水高效灌溉制度与灌溉定额标准研究

采用Jensen模型，对冬小麦和夏玉米非充分灌溉条件下的灌溉制度进行优化计算。模型中，利用MonteCarlo随机模拟技术模拟了有效降水，在灌水量的优化分配上考虑了地面灌溉对灌水定额的制约，利用LINGO编程优化求解，结果优于逐次渐进动态规划方法计算结果。利用项目区灌溉试验结果对优化模型进行验证，相对误差范围为-8.1%～6.8%。利用优化模型结合全省不同地区多年灌溉试验资料，制定了山东省主要农作物灌溉定额，起草并颁布了山东省主要农作物灌溉定额地方标准。

2.4.4 农业灌溉信息监测控制系统研发

研发了农业灌溉所需的信息监测与数据采集系统、节水灌溉预报与灌溉决策系统和灌溉自动控制系统，并配合该系统定型开发了“一站式土壤墒情自动测报系统”，取得了良好的应用效果。

2.4.5 现代节水农业工程技术体系集成

提出山东半湿润区平原井灌区现代节水农业工程技术体系，见图7。

图7 山东半湿润区平原井灌区现代节水农业工程技术体系图

2.5 精细地面灌溉技术研究集成与展示

对地面灌溉的畦长、单宽流量、坡度、改水成数等灌溉要素组合下的灌溉效果进行了田间试验，将模拟地面灌溉水流运动的SRFR模型应用于灌溉效果的优化，拟合反求得到的灌水技术参数。提出适合当地条件下的地面灌水技术方案，结果具有较强的适用性，提高了田间水利用率和灌水质量。

2.6 井灌区农业灌溉用水运行管理机制研究

根据山东半湿润区平原井灌区特点，结合现行土地承包责任体制，提出单井制、农民用水者协会和承包工程管理模式，加强了项目区的节水管理，为现代化农业的实施提供了平台。在现代化管理模式基础上，研究了农业灌溉全成本水价，分析了现行政策补贴下的执行水价，明确政府对农业的补贴程度，为今后实施成本水价，保证工程良性持久运行提供了依据。

2.7 山东半湿润区现代节水农业技术集成体系

通过展示区节水工程技术、农艺、管理节水技术以及信息技术的研究与技术集成，形成了与山东半湿润区自然、社会、经济等相适应的现代农业节水工程技术，与区域经济可持续发展和水资源平衡相协调的地表水、地下水联合调度优化配置技术，集抗旱节水品种、适宜的田间耕作技术、秸秆覆盖还田、保水制剂、抑制蒸腾剂等技术措施的综合农艺节水技术，确定了区域农业节水灌溉用水管理的模式和合理水价，为山东半湿润区提供了成熟、高效、可操作的现代节水农业综合技术集成体系，见图8。

2.8 专利、著作及人才培养

该项目已获得两项实用新型专利：“多用途塑料软硬管连接件”（专利号：ZL200920020054.9），“畦田灌水用可计量导流防冲板”（专利号：ZL200920020053.4）。已申报发明专利一项。起草了山东省地方标准《山东省主要农作物灌溉定额标准》（DB37/T1640-2010），并于2010年8月1日颁布实施。发表相关论文23篇，出版专著2部。培养博士研究生3名，硕士研究生5人。

3 效益分析

3.1 经济效益

该项目的各项技术已在示范区和辐射区进行了全面推广。如在山东省农田水利建设规划、小型农田水利重点县建设规划、大中型灌区末级渠系改造、小型灌区节水改造中都有广泛的应用。从2007-2009年，总推广辐射面积为2.25万hm2，累计节水2986万m3，实现新增效益15124.4万元。2007-2008年项目组在非洲安哥拉共和国承担了5160hm2灌区节水改造工程的规划设计，应用该项目研究成果，为当地农业的发展提供了良好的技术条件，出口创汇额达30万美元。

图8 平原井灌区主要粮食作物高产高效综合节水技术模式

3.2 社会效益

项目研究期间，山东省电视台、山东人民广播电台、淄博市电视台、桓台县电视台等多家媒体来项目区采访；该项目主持人做客山东电视台《乡村季风》，宣传推广该成果，指导农业生产；组织各类研究生、本科生实习、技术培训指导100多人次；共计60多批次、500多人次前来项目区参观、学习；国内外知名专家、研究机构、政府决策调研机构多次来项目区参观，推动了农业节水技术的交流和推广。

3.3 生态效益

桓台县通过推广农业高效节水技术体系，全县粮食作物灌溉定额由平均290m3/亩下降到247m3/亩，减少了地下水开采量，对减缓桓台县地下水的持续下降具有显著作用。另外，农业高效节水措施的实施，改善了农业生态环境，有效地培肥地力，改善土壤结构，提高了土壤的有机质含量，增强了土壤的保水、保肥能力，大大改善了农业生产环境，有利于生态系统的良性循环。