甘肃中部地区集雨补灌生态农业综合效应分析

赵文举，冀 宏，范严伟，王立荣

(兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃兰州730050)

甘肃中部地区光照充足、温度适中，水分是限制农业发展最根本的自然因素。虽然年降水量仅为330 mm，但由于地域辽阔，整个地区年降水总量达400亿m3，比黄河兰州断面全年的径流量还多，开发利用潜力巨大[1]。因此，大力发展集雨补灌生态农业不仅能有效利用降水资源，而且有助于减轻水土流失和干旱威胁，使农业生产由被动防旱转变为主动抗旱，增强了农业生态经济系统的可持续发展能力[2-5]。将集雨补灌与农作物种植管理、节水措施布设相结合，可有效化解降水与作物需水在时间上的供需错位矛盾，保障作物在整个生长时段都处在相对良好的供水环境中，提高在有限降水条件下的粮食生产保证率，促进农业经济结构调整和优化，实现恢复和改善自然生态与稳定农业生产的有效统一。

1 研究区概况

甘肃中部地区包括定西地区、兰州市的全部以及平凉、庆阳、天水、临夏、武威等市(州)的部分，共计22个县(市)，总面积73 480 km2，其中耕地面积约14 780 km2。研究区旱地农业生产力低下，粮食产量仅1 800 kg/hm2，年人均粮食占有量为284 kg，分别相当于全省平均水平的73%和77%;气候干旱、降水稀少、蒸发强烈，年均降水量为200～500 mm，年均蒸发量为1 400～2 000 mm，全年降雨次数少且多暴雨，降水量300～500 mm降水的出现概率为69%，200～300 mm降水的出现概率为9%[1]，降水时空分布不均，3—5月作物播种期和幼苗生长期降水量只占到全年降水量的18%～26%，夏季降水量约占全年降水量的25%，秋季降水多于春季。

根据对甘肃省小麦、玉米需水和平均天然降水过程的调查，作物需水与降雨时间严重错位长达半年以上，仅依靠土壤蓄水不足以对降雨进行调丰补欠，也不能保障农作物的正常生长。在我国北方地区，如果在一般作物生长期中关键需水期(包括播种期)灌水2～3次(总灌水量15～30 m3，仅为常规灌溉定额的1/10～1/8)，对于保证产量的效果就十分明显。依据甘肃省相关试验结果，在作物关键需水期灌水，作物产量增幅会达到20% ～80%，平均40%左右[6]。可见，在现状降水条件下，若能通过必要的工程设施和技术手段将作物非生长期的降水拦蓄贮存，用于生长期干旱缺水时的补充灌溉，将有利于农业稳产增收。

2 集雨补灌生态农业

2.1 集雨补灌生态农业技术体系

集雨补灌生态农业是在水保农业和径流农业技术的基础上，通过人工措施收集雨水并加以发展利用，它能在时间和空间两方面实现降雨径流的富集叠加，能充分发挥环境资源与水肥光热因子的协同增效作用，从而大幅度提高农业生产力，实现同步缓解干旱缺水与减少水土流失的目标。集雨补灌生态农业是由集雨工程、农艺工程和管理系统三部分组成，通过科学集成配套和综合开发利用形成的农业高效用水模式，能够实现水土资源利用、经济产值增加、生态环境改善和农业现代化发展的综合效益。其中:集雨工程的功能是汇集、存储雨水和灌溉，包括降水转化为径流的集流过程，径流储存成为人工供水水源的蓄水过程，水源水转化为田间水的输水过程，田间水转化为土壤有效水的灌溉过程等;农艺工程的作用是把集雨工程得到的水资源用于生产优质高产的农产品，包括土壤水转化为作物所需水分的生理过程、作物水转化为实物或价值的过程等;管理系统要求集雨补灌生态农业作为一个相对高投入高产出的产业，不能仅仅以生产丰富的农产品为目标，而应在保障生态健康的前提下，以发展高收益且具有市场竞争力的农产品为最终目标，从而推动农业生产结构和农村经济结构调整，促进现代化高效农业的发展[5，7-8]。

2.2 集雨补灌利用模式

(1)庭院、道路集雨利用模式。利用庭院、公路路面、生产道路等硬化集流面集蓄雨水，将雨水蓄存到混凝土水窖等贮水容器中，以提供农户生活和生产用水。根据集水面的大小修建相应容积的集水窖，主要利用方式有庭院(道路)集雨+引水渠+水窖+节水农业配套技术。

(2)降水田间就近富集叠加利用模式。该模式属于农艺耕作技术模式，主要是在田间修建小弓型土垄，在垄埂上覆盖塑膜产流，由小垄沟接纳雨水并向土壤深层入渗，以增加土壤含水量、减少水土流失、提高降水利用率、促进作物生长[7]。

(3)小流域集雨综合利用模式。小流域集雨综合利用模式是将集雨利用技术与小流域生态环境综合治理有机结合，合理规划布置沟、渠、管、路网络，收集坡面、道路、人工集流场的径流，集蓄在水窖、塘坝等小型蓄水设施中。集蓄的雨水主要用于发展节水林业，提高造林成活率，或直接补灌周围低处的农田，改善农业生产条件，或利用自然落差，临时贮存在连环涝池、小水坝或水窖内，用于缓解干旱时的用水问题。

2.3 集雨补灌途径

集雨补灌途径主要包括以下3种:一是采用非充分灌溉的原理和方法，在作物关键需水期补充水分;二是采取节水高效的局部灌溉方法，补充的灌水只湿润作物根系土壤，可有效降低棵间蒸发(该措施可使每次灌水量降到最低，仅相当于常规地面灌溉中灌水定额的1/10～1/5);三是采用既方便又节水的方法，如坐水种、人工点灌、膜上点灌、注水灌溉等[5]。

3 集雨补灌生态农业综合效应分析

3.1 提高农业生产力，增加农民收入

实施集雨补灌生态农业，一方面可以大幅度提高粮食产量，增加农民收入;另一方面有利于促进土地利用结构优化和改善农村生态环境。试验结果显示，甘肃定西地区集雨补灌生态农业实施后提高了粮食作物的水分生产率，由补灌前的0.6～0.9 kg/m3增加到补灌后的1.2～1.8 kg/m3，主要农作物补灌效果见表1，日光温室瓜果种植效益见表2[9]。从表1春小麦、玉米、谷子、油葵、胡麻增产情况可知，通过集雨补灌给农作物灌溉关键水，虽灌水量较少，但农作物产量和增产率却有显著提高，并且提高了水分生产率和供水效率。从增产效益来看，几种农作物的产量均有增加，尤其胡麻增产率最高达到120.6%，增产率较低的春小麦也在10%以上;从水分生产率来看，在灌水量一定的情况下春小麦和玉米的产量较高，说明集雨补灌适用于这两类农作物的种植，可提高雨水资源的利用率和产量;从供水效率来看，玉米和胡麻的供水效率较高，说明这两类农作物的生长对灌溉关键水比较敏感。由表2知，将集雨补灌与温室种植结合可以显著提高瓜果的水分利用效率、供水效率和每吨水的产值。从供水量、产量和水产值综合分析知，首先西瓜的耗水量最小，但水产值最大，达到240元/t;其次是甜瓜，水产值为200元/t;最后是西红柿，水产值较低，这说明在集雨补灌条件下的温室中更适于种植西瓜，可明显提高水产值和农业生产力。

表1 主要农作物集雨补灌效果对比

表2 果瓜温室种植效益对比

还有研究表明，在旱地梨园采用地下滴灌每公顷供水1 125 m3，增产率可达到57.3% ～166.7%，平均每立方米补灌水产出鲜果5 kg，每公顷可实现纯经济收入7.5万～12.0万元[9];于法稳等在甘肃榆中调查时发现，发展集雨补灌生态农业不仅能使粮食产量大幅度增加，而且能增加作物种植种类[10]。综上，发展集雨补灌生态农业可缓解雨水资源缺乏与农作物生长需水之间供需错位的矛盾，可大幅提高农业生产力，促进现代农业发展。

3.2 改善生态环境，减少水旱灾害

集雨补灌生态农业实施后能够显著改善作物和林木的生长环境，增加林草覆盖率，起到拦截径流、减轻土壤侵蚀、防止河道发生洪水或泥沙淤积的作用，从而实现涵养水源、调节气候、改善环境的目标，促进生态环境趋向良性循环。把集雨补灌和小流域综合治理相结合可有效减轻水土流失，如治理后定西地区每年可拦蓄泥沙4 373万t，拦蓄径流11 127万m3，土壤侵蚀模数已由 6 820 t/(km2·a)减少到1 910 t/(km2·a)[7，11]。

3.3 改良土壤理化性质，提高土壤肥力

各种雨水利用措施下的土壤理化性质和有机质、氮、磷、钾含量都有不同程度的改善和增加，不仅提高了土地生产力，而且减少了化肥施用量，保护了土壤和水环境。同时，植物措施能够改善土壤团粒结构和物理性状，增强土壤的抗蚀性和可渗透性。例如，定西水保所在高泉沟流域的试验表明，与20°坡地相比，梯田有机质增加了62.25%，全磷增加了5.97%，速效氮增加了19.15%，速效磷增加了16.67%[12]。

3.4 发挥社会效益，改善农村人居环境

集雨工程建设不仅解决了农户人畜饮水困难，而且为庭院蔬菜种植与家庭清洁卫生提供了用水保证，改善了农村居住环境和文化卫生条件。集雨补灌技术改善了农业基础设施，提高了土地和劳动生产率，增强了旱作农业科技水平、综合生产能力及抗旱减灾能力，调整了土地利用结构和农村生产结构，推进了特色种植、畜牧养殖等优势产业发展，形成了较科学合理的农业产业结构，增加了就业机会，提高了人们生活水平，为改善生态环境、缓解人地矛盾、实现农业增效、农民增收和加快社会主义新农村建设奠定了基础。此外，集雨工程的社会效益还包括减少用水纠纷，改善邻里之间的关系，稳定社会秩序，促进人与自然和谐等。

4 结语

甘肃中部地区气候干旱，水资源时空分布不均，水分供需严重错位，降水多以暴雨、阵雨的形式出现，汛期多发生超渗产流，使有限的水资源难以得到合理配置;土地资源多以坡地为主，植被稀少，水土流失和干旱严重，农业生产水平较低。因此，在甘肃中部地区大力发展集雨补灌生态农业不仅能有效地利用有限的降水资源，而且有助于减轻水土流失和干旱威胁，使农业由被动适应防旱转变为主动抗旱，增强农业生态经济系统的可持续发展能力。集雨补灌生态农业是甘肃中部半干旱区农业可持续发展的一种综合模式和战略性措施，是现代节水农业技术体系和水土保持生态建设技术体系的重要组成部分，也是兼顾经济、生态和社会三大效益的农业可持续发展模式。

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