设施蔬菜现代节水技术研究进展

张振贤高丽红任华中陈青云王倩眭晓蕾

（中国农业大学蔬菜系，设施蔬菜生长发育调控北京市重点实验室，北京 100193）

1 我国水资源及设施蔬菜节水现状

水利是农业的命脉，没有水就没有生命。植物一方面从周围环境中吸收水分以保证生命活动之需；另一方面又不断地向环境散失水分以维持体内外水分循环、气体交换以及适宜的体温。植物对水分的吸收、运输、利用和散失的过程称为水分代谢（water metabolism）。研究植物水分代谢的基本规律，掌握合理灌溉的生理基础，研发现代节水技术，对于作物的高产、稳产、优质、高效和良好的农业生态环境具有重要意义。

我国现有水资源总量为28 100亿m3，人均2 150 m3，约为世界平均水平的25%，人均水资源占有量排在109位。预计到2030年人口达到16亿时，人均水资源将下降为1 760 m3，将逼近国际上公认的1 700 m3的严重缺水的警戒线（徐泽珍，2008）。我国水资源的时空分布极不均匀，与国民经济发展布局严重错位，全年降雨多集中在7～8月；在地域分布上，南方水质性缺水，北方资源性缺水，特别是华北、西北区域性缺水更为严重。目前，我国年用水量突破6 000亿m3，缺口500亿m3，农业每年用水量约为4 000亿m3，约占全国总用水量的65%。但是，我国农业用水效率较低，平均灌溉水利用系数仅为0.5，与发达国家的 0.7～0.8差距较大（吴普特 等，2007a），节水潜力巨大，发展节水农业是缓解我国水资源紧缺和促进农业可持续发展的关键所在。目前，人们对节水的重要性仍认识不足，设施农业节水灌溉设备先进性及配套性差，设施农业用水效率整体不高，各种节水技术尚未得到广泛应用。

目前，一些发达国家，如以色列、荷兰等国家普遍使用计算机遥控、土壤墒情监测、自动化等先进灌溉技术，这些技术只在我国上海、北京等少数农业高科技示范园区得以应用，多数设施农业节水灌溉设备基本上处于手动或半自动控制水平，与国外同类产品相比还有很大的差距。未来，设施农业节水发展方向应是设备先进可靠、供水自动化、水肥一体化的良好节水技术。同时，随着塑料模具加工精度越来越高，加工成本费用大幅度降低，可显著促进微喷头、滴灌带及其附件的更新换代速度，为设施农业节水灌溉设备的使用可靠性提供保障。

2 设施蔬菜耗水规律与节水原理

蔬菜产品为鲜品，生产中耗水量大，特别是叶片多而大的蔬菜其蒸腾系数高，耗水量更大。在蔬菜生长发育过程中，一般苗期需水量较小，产品器官形成期需水量较大，此时也是蔬菜需水的临界期，此时缺水对产量和品质有较大的影响。实际作物耗水量受光照、温度、土壤质地等多种环境因素影响，变化幅度较大。

目前，设施蔬菜生产中用水量较大，如设施果菜年均灌水量为800～900 m3·（667 m2）-1，大量灌溉水去向如何？为回答这一问题，高丽红等（2009）采用改进的蒸渗仪和蒸腾仪等设备，通过多点重复试验，系统研究并摸清了经验畦灌下灌溉水在蔬菜生物学产量形成、蒸腾、蒸发和渗漏（1.2 m以下）中的分配比例分别为2%～4%、25%～32%、18%～22%和50%～55%，同时土壤贮水约占3.5%～5.6%。上述分配比例中，产量形成是栽培目的，蒸腾是蔬菜自身生理需求，必不可少；而蒸发虽然可以调节土壤温度、湿度等，渗漏虽然可以淋洗土壤中过多的盐分，但二者对产量形成并无直接作用，据此笔者提出了设施蔬菜节水的基本思路，一是控制地面蒸发、减少土壤水分深层渗漏的“控漏减蒸”思路，现在绝大多数节水技术都可归结到这一思路；二是堵住渗漏和限制蒸发的“堵漏限蒸循环灌溉”的思路；三是 “集雨灌溉”的雨水利用思路，后两个思路是层次更高、效果更好、前景更广的节水技术。

3 设施蔬菜现代节水技术

3.1 农艺节水技术

农艺节水是最简单、实用的节水技术，如：① 膜下异区交替灌溉技术，在垄作条件下进行地膜覆盖，相邻两沟膜下交替灌溉，由于隔沟交替灌溉增加了水的侧渗，减少了直接渗漏，可节水 45%以上（曹琦 等，2010；张利东 等，2011）。② 地面覆盖（膜或草）节水技术，选用无色或有色地膜进行地面覆盖，能够有效减少土面蒸发，可节水25%以上；同时能够有效降低温室内空气湿度，减少病害发生；利用麦草、树叶等秸秆覆盖可起到保墒、保温、促根、抑草、培肥作用。③ 促根节水技术，进行单砧嫁接或异效双砧嫁接，增施有机肥，促进根系壮大，增加吸水面积，也具有良好的节水效果（张宪法 等，2002；陈小燕 等，2008a，2008b；杨志刚 等，2011）。

3.2 工程节水技术

主要包括管道输水（渠道防渗技术）、地下灌溉、定量袋灌、滴灌、隔离栽培等。① 管道输水，在习惯畦灌或沟灌的地方，输水沟改输水软管，或埋设地下硬塑管，将灌溉水直接输送至田间。同时，宽畦（沟）改窄畦（沟），长畦（沟）改短畦（沟），控制渠道渗漏和田间灌水量，提高灌水的有效利用率，一般可节水 20%左右。② 滴灌、微喷灌、渗灌及小管出流灌等微灌技术，微灌属于局部灌溉，只湿润部分土壤，即将灌溉水加压、过滤，经各级管道和灌水器具，将水输送于作物根际附近，一般可节水55%～85%。喷灌技术是将灌溉水加压，通过管道由喷头将水喷洒到地面。与地面畦灌相比，喷灌一般可节水50%～60%。但喷灌设备投资较大，能耗较高，目前多在高效经济作物或经济条件好、生产水平较高的地区应用。③ 膜上灌水，将地膜平铺于畦中或沟中，畦、沟全部被地膜所覆盖，利用地膜输水，并通过作物的放苗孔和专设灌水孔渗入到作物根系，因而膜上灌水实际上也是一种局部灌溉，与常规沟灌相比，节水25%以上。④ 定量袋灌技术，按既定灌水量（根据土质、作物种类等确定，或按每667 m2每次15 m3或20 m3）定制灌水袋，袋长和直径根据灌水量和温室跨度而定，袋上用激光打孔，将水直接冲入袋中，水沿孔逐渐渗入土壤，此项技术高效节水、省时省工（高丽红 等，2009）。⑤ 隔离栽培技术，是“堵漏限蒸”节水技术的简易应用，挖宽50 cm，深40 cm的栽培槽，槽内铺设打孔塑料薄膜或稻草，使土壤耕层与深层隔离，实现节水的目的（温永刚 等，2008）。

3.3 集雨节水技术

集雨节水灌溉已从过去的经验总结向现代高新技术应用和工业化技术方面转变，如以色列、日本等国家利用地理信息系统（Geographic Information System，GIS）与技术研究雨水资源利用理论和方法。我国也研发出了新型雨水存贮窖体的结构材料，并建立了雨水利用智能决策系统。理论上，只要当地年降雨量大于600 mm，一般可集水400 m3，基本上可以满足设施蔬菜高产栽培的需要。此外，根据当地的自然条件进行拦河引水工程、塘坝工程、水池工程、水窖工程等集水灌溉，也可获得良好效果。

3.4 生物节水技术

生物节水是今后的发展方向，如：① 适水种植，根据当地水资源情况，选用耗水量少、耐旱品种，将产品器官形成期安排在雨水多的季节，充分利用雨水。② 选育节水抗旱品种，应用常规育种、分子标记辅助选择、转基因、基因聚合等技术，创制抗旱节水型或水分高效利用型的优异育种新材料，选育抗旱节水新品种进行高效节水。抗旱品种叶片角化层和边界层小，阻止水分通过气孔，减少水分向大气中扩散，降低作物蒸腾量，提高了水分利用效率。③ 生物技术应用，将抗旱基因或水分高效利用的基因遗传转化至农艺性状较好的品种上，实现高产、优质、节水的目的。但这些技术的大面积实际应用尚需时日。

3.5 生理和化学节水技术

① 基于生理需水调控的调亏灌溉（RDI）、分根区交替灌溉（ARDI）和部分根干燥（PRD）等非充分灌溉的高效用水技术，可明显提高作物水分利用效率。一些发达国家及我国部分地区已经开始应用此类灌溉技术，与传统灌溉方式相比，可显著减少灌水量、降低植株蒸腾量，提高品质，且不减产（Mitchell et al.，1991；Zushi & Matsuzoe，1998；刘明池 等，2001）。② 抗旱物质的应用，ABA、CCC、B9、抗毒霉素、多效唑和整形素等植物生长调节剂，具有减小气孔、减少蒸腾失水、增强根系吸水和调节植物水分平衡的作用，可起到节水的作用；氮、磷、钾、钙等矿质元素具有促进根系生长、调节作物水分利用率和增强抗旱性等作用（Wang et al.，2010，2012）；黄腐酸（FA）等有机小分子化合物类抗旱剂，分子量小，能直接溶于水，具有抗旱作用；薄膜型抗蒸腾剂利用高分子物质在植物表面形成极薄的膜，阻止水分蒸腾，提高水分利用效率，但其缺点是对 CO2的吸收和 CO2界面透过有影响，在一定程度上抑制光合作用；近年来高分子吸水树脂（保水剂）在旱地农业广泛应用，对作物逆境成苗和增产效果良好。

3.6 信息节水技术

现代节水技术正朝着信息化、自动化、智能化方向发展，特别是近年来利用3S技术（遥感技术RS、GIS和GPS）为最大限度地优化各项农业投入，充分挖掘田间水肥差异性所隐含的增产潜力创造了条件。利用水分监测与信息采集、作物生长决策模拟、支持农田信息实时采集的各种传感技术和传输技术已引起广泛关注。计算机管理系统使灌溉用水实现了由静态向动态的转变。如美国根据作物水分蒸发量，研究作物耗水量与气象因素之间的关系，确定土壤水分变化和适宜的灌水期与灌水量。利用地面红外线测温仪测定作物冠层和叶面以及周围空气温度，确定作物需水量，采用飞机航测和卫星遥测进行监控（吴普特 等，2007b）。日本、澳大利亚等国已大量使用热脉冲技术测定作物茎秆的液流和蒸腾，利用传感器感知茎粗的细微变化以监测作物水分需求进行科学灌水，并提出土壤墒情监测与预报的理论和方法。

3.7 基于先进制造技术和新材料的节水技术

利用先进的制造技术和新材料加快了节水产品开发进程。将来，多功能、低能耗、环保、智能控制是节水灌溉产品发展的新趋势。发达国家利用先进的激光快速成型制造技术，研发节水灌溉产品，基于新型低压滴灌系统，开发了一系列灌溉控制系统和设备，以及系列化的微喷灌节水设备，技术性能可靠、使用寿命较长；化学保水剂及保水农膜也是较理想的节水灌溉材料，如从煤炭中提取的保水剂和利用沙漠植物和淀粉类物质成功合成的生物类高吸水物质，均具有极好的吸水性；又如已研制出的一种聚苯乙烯合成可降解地膜，其表面是接枝聚合物，利用新的制造技术能精确控制药物降解地膜，灵活和可调的原料配方使其具有广泛用途，基本可以代替“白色污染”的地膜覆盖技术。美国等将聚丙烯酰胺（PAM）喷施在土壤表面，起到了抑制农田水分蒸发、防止水土流失、改善土壤结构的明显效果（吴普特 等，2007b）。

3.8 基于非传统水资源开发利用的节水技术

天然雨水、污水以及微咸水等非传统水资源的开发利用已成为许多国家和地区解决水资源危机的新途径。美国、以色列、墨西哥等国家开展了污水回用于农业的工作，效果良好；我国也提出了污水灌溉方法和理论，但与国外先进国家相比差距较大。在微咸水利用方面，西方国家开展了微咸水灌溉研究和应用，在番茄、西瓜等作物上应用后，不但果实更甜，还可延长货架期。我国微咸水灌溉试验研究起步较晚，初步研究了微咸水灌溉对作物品质以及土壤的影响，提出了微咸水利用技术和模式，但仍有许多工作需要完善（吴普特 等，2007b；张余良，2010）。

3.9 设施蔬菜节水技术的集成与创新

近年来，各国学者都十分重视工程节水、农艺节水、生物节水和信息节水等技术的集成创新及综合效益的提高，以及研究推广与本国经济水平、水资源数量相适应的节水技术模式。如以埃及、巴基斯坦、印度为代表的经济欠发达国家由于受经济条件和技术水平的限制，节水农业技术主要以渠道防渗技术和地面灌水技术为主，并开展了天然降水资源利用技术的模式。而以以色列、美国、澳大利亚为代表的经济发达国家，节水农业技术主要采用以高标准的固化渠道和管道输水技术，喷、微灌技术与改进后的地面灌水技术为主的模式。

4 设施蔬菜水肥耦合技术

在设施蔬菜生产中水肥管理密不可分，节水与施肥量和水肥高效利用密切相关。研究表明，氮素深层渗漏量随灌水量的增加而增加，经验水肥管理下氮素渗漏量每年约为200 kg·hm-2，在节水不控肥的条件下，降低了氮素的深层渗漏量，但增加了耕层土壤（0～30 cm）NO-3-N的浓度，加速了土壤次生盐渍化进程。据此提出的异区交替灌溉和限量袋灌等节水技术，基于目标产量和蔬菜需肥规律的根层氮素调控技术与水氮耦合技术，可节氮肥 30%以上，在设施果菜生产上取得良好效果（韦彦 等，2010；高丽 等，2012；孙丽萍 等，2012）。

5 展望

节水事关人类生存，必须引起高度重视，今后应特别重视以下工作：① 继续加强适于我国国情的现代农艺节水技术研究。在注重依靠高新技术拉动传统技术应用与升级的同时，应将现代信息技术、生物技术与新材料等高新技术应用到现代节水农业技术之中。② 现代生物节水技术是未来节水农业发展的一个重要方向和研究热点，但目前的研究仍属于储备阶段，须加大研究力度。③ 节水灌溉、非传统水资源开发等技术是近期现代节水农业技术研发重点，特别应把重点放在集中解决技术应用过程中的难点问题。

曹琦，王树忠，高丽红，任华中，陈青云，赵景文，王倩，眭晓蕾，张振贤．2010．交替隔沟灌溉对温室黄瓜生长及水分利用效率的影响．农业工程学报，26（1）：47-53．

陈小燕，王璐，王永泉，孙奂明，任华中．2008a．常规灌溉条件下嫁接和增施氮肥对温室黄瓜耗水量及水分利用效率的影响．应用生态学报，19（12）：2656-2660．

陈小燕，王璐，司力珊，王树忠，赵景文，任华中．2008b．常规灌溉条件下自根和嫁接黄瓜灌溉水分配的研究．灌溉排水学报，27（3）：41-44．

高丽红，王树忠，任华中，陈青云，王倩，赵景文，眭晓蕾，张振贤．2009．日光温室果菜农艺节水综合技术研究与示范．中国科技成果，（23）：13-15．

高丽，李红岭，王铁臣，孔祥悦，张振贤，高丽红．2012．水氮耦合对日光温室黄瓜根系生长的影响．农业工程学报，28（8）：58-64．

刘明池，小岛孝之，田中宗浩，陈杭．2001．亏缺灌溉对草莓生长和果实品质的影响．园艺学报，28（4）：307-311．

孙丽萍，温永刚，王树忠，王永泉，张振贤，陈青云，任华中，高丽红．2012．灌水量对日光温室黄瓜水分分配及硝态氮运移的影响．中国农业大学学报，17（1）：93-99．

韦彦，孙丽萍，王树忠，王永泉，张振贤，陈青云，任华中，高丽红．2010．灌溉方式对温室黄瓜水分配及硝态氮运移的影响．农业工程学报，26（8）：67-72．

温永刚，陈青云，王树忠，高丽红，赵景文．2008．土壤隔离栽培对日光温室黄瓜产量和水分利用的影响．上海交通大学学报：农业科学版，26（5）：483-495．

吴普特，赵西宁，冯浩，王玉宝．2007a．农业经济用水量与我国农业战略节水潜力．中国农业科技导报，9（6）：13-17．

吴普特，冯浩，牛文全，赵西宁．2007b．现代节水农业技术发展趋势与未来研发重点．中国工程科学，9（2）：12-18．

徐泽珍．2008．我国水资源现状与节水技术．现代农业科技，（16）：337，341．

杨志刚，崔世茂，陈之群，孔祥悦，高丽红．2011．灌溉下限与嫁接方式对温室黄瓜根系生长及水分利用效率的影响．灌溉排水学报，30（4）：61-64．

张利东，高丽红，张柳霞，王树忠，眭晓蕾，张振贤．2011．交替隔沟灌溉与施氮量对日光温室黄瓜光合作用、生长及产量的影响．应用生态学报，22（9）：2348-2354．

张宪法，于贤昌，张振贤．2002．土壤水分对温室嫁接和非嫁接黄瓜生长与生理特性的影响．应用生态学报，13（11）：1399-1402．

张余良．2010．微咸水灌溉技术．天津：天津科技翻译出版公司．

Mitchell J P，Shennan C，Grattan S R，May D M．1991．Tomato yields and quality under water deficit and salinity．J Amer Soc Hort Sci，116：215-221．

Wang Shaohui，Sui Xiaolei，Hu Liping，Sun Jianlei，Wei Yuxia，Zhang Zhenxian．2010．Effects of exogenous abscisic acid pre-treatment of cucumber（Cucumis sativus）seeds on seedling growth and water-stress tolerance．New Zealand Journal of Crop and Horticultural Science，38：7-18．

Wang Shaohui，Hu Liping，Sun Jianlei，Sui Xiaolei，Wei Yuxia，Zhang Zhenxian．2012．Effects of exogenous abscisic acid on leaf carbohydrate metabolism during cucumber seedling dehydration．Plant Growth Regulation，66：87-93．

Zushi K，Matsuzoe N．1998．Effect of soil water deficit on vitamin C，suger，organic acid，amino acid and carrolene contents of large-fruit tomatoes．Japan Soc Hort Sci，67：927-933．