农业节水灌溉的智能化发展

桑瑜

农业是我国第一用水大户，农业用水占全国用水总量的比例高达60%以上。农业用水“零增长”甚至“负增长”是我国未来相当长一段时期内国家水安全的基本战略。近年来，物联网、云计算等现代信息技术在农业生产、节水灌溉方面的应用，推动了农业节水灌溉改造升级，提高了灌溉技术装备和信息化水平，农业灌溉用水的智能化发展大大提高了农业灌溉用水的利用效率，减少了农业用水的资源浪费，对应对水资源紧缺问题具有重大意义。

关键词：农业用水；节水灌溉；智能灌溉

我国粮食产量已经连续多年稳定在6亿吨以上，口粮自给率超过95%，这其中，水利灌溉发挥了巨大的作用。根据中国农科院发布的数据显示，占全国耕地一半的水浇地，出产了全国75%的粮食，以及90%以上的经济作物。与此同时，水资源匮乏的问题也日益突出，我国水资源总量占世界第六位，但是人均水资源量却只有2300立方米，仅为世界平均水平的1/4，在世界排第110位，接近中度缺水的国家。

农业用水“零增长”甚至“负增长”是我国未来相当长一段时期内国家水安全的基本战略。近年来，随着农业节水灌溉的发展，滴灌、喷灌等节水灌溉方式逐渐替代了大水漫灌，智能装备技术的应用让农业节水灌溉更加高效和节约，也让农业灌溉更加便利和科学。

农业是“用水大户”

农业是我国用水大户。据水利部农村水利水电司司长陈明忠介绍，2019年我国农业用水量为3682.3亿立方米，占用水总量的61.2%，有的地区甚至超过90%，而世界发达国家农业用水比例多在50%以下。农业用水包括农田灌溉用水、林果地灌溉用水、草地灌溉用水、鱼塘补水和畜禽用水。据中国农业科学院作物科学研究所所长、中国科学院院士钱前介绍，我国干旱半干旱地区占国土面积50%以上，但是全国70%以上的种植业产品来自于灌溉耕地，缺水一直是我国农业面临的一大问题。据中国农科院农田灌溉研究所研究员李金山介绍，农田灌溉用水占农业用水90%左右，现状多年平均情形下灌溉缺水量超过300亿立方米。当前我国农业灌溉用水效率总体不高，灌溉水利用系数远低于节水先进国家0.7—0.8的水平，高效节水灌溉面积仅占有效灌溉面积的30%，节水农业的发展还有很长的一段路要走。

2020年3月底，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所农业布局与区域发展团队，在中国农田灌溉用水效率方面研究取得新进展，该研究揭示了我国农田灌溉用水效率的时空变化。作为团队成员之一的姜文来说，“在科学研究中，有一个农田灌溉水有效利用系数，指灌入田间可被作物吸收利用的水量与灌溉系统取用的灌溉总水量的比值。该值越高，灌溉系统输水效率越高，灌溉水的利用率越高。通常认为，大水漫灌比滴灌效率低30%左右，滴灌更节水。”

灌溉水利用系数是衡量水利用程度的一个重要指标。我国农田灌溉水利用系数从2010年的0.501增长到2016年的0.542，增长8.184%，东西差距缩小，而北南差距增大。总体来看，东部地区的系数明显高于西部地区，特别是以沿海河区域为代表的东部和中部地区。同时沿海地区的系数也高于内陆地区。2016年，西北诸河、黄河、松花江、辽河地区灌溉用水系数由0.430以下显著提高到0.525以上，华北地区灌溉用水系数比西南地区高37.83%。在各省农田灌溉水利用系数分析中，山东、辽宁、新疆、天津的系数最高，其纯井灌区系数均大于0.81，而广东和青海的系数最低，表明北部、东部和中部地区用水效率在逐步提高。

在空间上，我国不同地区之间的水资源分布总量差异巨大，其中秦岭淮河以南的南方地区水资源较为丰富，而北方地区水资源相对较少。我国西北地区深居内陆，水资源总量最少，但是由于当地人口数量较少，水资源需求量较小，西北地区并不是缺水最严重的地区。相反，属于我国北方地区的华北地区，由于人口密集、经济发达，是我国水资源最为短缺的地区，尤以京津冀地区最为严重。

华北地区属于资源性缺水地区，因区位优势、光热条件适宜，华北地区经济社会发展迅速，是全国重要的粮食主产区和蔬菜供应基地，2017年有效灌溉面积达到2.5亿亩。同时，华北地區还分布大量的钢铁、电力、化工等高耗水产业。为满足人口增长与经济社会快速发展用水需求，20世纪70年代开始，华北地区大规模开发利用地下水，年开采量由200亿m3增加至2017年的363亿m3，最高年份（2001年）达到511亿m3，是世界上地下水开发范围最广、规模最大、强度最高的地区。目前，华北地区地下水储量与1980年比累计亏空约1800亿m3，地下水超采区面积达18.1万km2。而根据2011年全国首次水利普查数据，农业用水约占河北省全省总用水量的71.20%。

小麦是我国北方农业用水大户，用水量占农业用水的70%；旱地和非充分灌溉小麦约占总面积60%，常年受旱约1亿亩，减产50亿公斤。据估计，减产造成的经济损失超过110亿元。以河北省为例，据统计，近年来全省全年的总用水量约200亿立方米。其中，“用水大户”农业就占了总用水量的60%以上，在农业中，小麦灌溉又占农业用水总量的50%。长期以来，由于水资源缺乏，河北地下水超采严重。2014年12月，南水北调东、中线一期工程全面建成并正式投入运行，有效改善了华北地区水资源条件和配置格局，为实施地下水超采治理创造了条件。对农业来讲，南水北调到达华北以后，在实现生态补水的同时，也为庞大的农业用水在某种程度上松了绑。2019年，我国水生态治理修复初见成效，华北部分地区地下水水位才实现止跌回升。

我国旱作耕地面积超过10亿亩，约占耕地总面积的一半。干旱缺水已成为农业可持续发展的“硬约束”。大力发展旱作农业，是建设现代农业、促进农业绿色发展的必由之路。党的十八大以来，农业农村部按照大力推进生态文明建设、建设节水型社会的要求，牢固树立“节水增产、节水增效”的理念，综合运用工程、设施、农艺、农机、生物、管理等措施，以节水灌溉代替大水漫灌，提高水资源利用效率，并积极培育耐热抗旱作物新品种，增强农业防旱抗旱能力，探索在主要作物上量水生产，推动旱作节水农业不断向前发展。

“十三五”以来，中央每年安排2000万亩高效节水灌溉工程建设，重点支持华北平原、西北旱区等地区大力发展喷灌、滴灌等农业节水技术，冬小麦节水新品种与配套技术集成推广1.1亿多亩。2019年农田灌溉水有效利用系数提高至0.559，提前完成“十三五”规划目标。截至2020年年底，全国水肥一体化技术应用面积近1.5亿亩，农业水价综合改革实施面积超过2.9亿亩，耕地轮作休制度试点面积由2016年的616万亩扩大到2020年的3112万亩，试点省份由2016年的9个扩大到2020年的17个。当前，越来越多的节水灌溉工程正在不断建成，水利部数据显示，2020年计划完成341处大型灌区、358处重点中型灌区续建配套节水改造目标任务。

农业节水灌溉方式与技术

农业是第一用水大户，同时也是节水最具潜力的行业。节水灌溉方式的变革，大大节省了农业用水，减少了水资源浪费。大力发展农业节水灌溉，成为我国缓解水资源供需矛盾的必然选择。从大水漫灌到高效节水，农业生产方式不断走向集约。

目前，我国主要农业节水灌溉方式有喷灌、滴灌、微喷、低压管道灌溉等。

喷灌是指喷洒灌溉，它是利用专门的喷洒设备，如动力机、水泵管道等将水通过加压处理之后，利用水的自然落差，将水输送到灌溉地段，然后通过喷头喷洒的方式，将水喷洒到空气当中，形成水滴或弥雾降落到植物上和地面上。喷灌技术需要压力水源和输水管道以及喷头一起完成。这种灌溉方式较先进，但其实施起来比较复杂，维护也比较麻烦。喷灌射程很大，覆盖的范围广，这种灌溉方式更适合在园林、大型草坪中使用，对于喜水的农作物灌溉并不适合。喷灌约比漫灌节水20%—30%。

滴灌是利用管网和滴头设备进行定时定量灌溉的节水灌溉方式，其能够将水分准确地输送到作物根部位置，以减少水资源浪费。滴灌技术在我国干旱地区应用较为广泛。滴灌灌溉的好处是能够节省水资源，灌溉时用水少。滴灌用的水管埋藏在地下，可以騰出沟渠的使用空间，将肥料溶于水中一起浇灌给作物，能够减少肥料的流失和土壤板结的问题，节省了大量的水资源。滴灌是目前应用广泛的最节水的灌溉模式，滴灌水的利用率可达95%。通常认为，滴灌比地面浇灌省水30%—50%，有些作物可达80%左右，约比喷灌省水10%—20%。

微喷是一种雾滴的喷灌形式，这种灌溉方式是结合喷灌方式的改进版本。微喷浇灌是用旋转式水龙头和辐射式水龙头进行上层和下层双层喷水，解决了喷灌喷洒不了水分到土壤的缺陷，能够让空气和土壤的环境都保持湿润。这种浇灌方式在花卉种植中比较常见，因为既可以保持花房的湿度还可以保持水分每次浇灌得不宜过多的特点。

水肥一体化也是目前最受欢迎的节水灌溉技术之一。水肥一体化是以实现作物科学和精准灌溉为目的，将肥料混合在灌溉水中，通过管道输送到田间，让作物同时吸收水分和养分，让作物始终保持最佳状态，对提高作物品质和产量具有重要作用。水肥一体化多与喷灌和滴灌技术相结合，根据作物生长习性和周围环境判断作物的需水需肥规律，定时定量将溶液输送到作物根系土壤，依靠浓度差让作物吸收，实现水肥同步管理，让作物根系保持最佳含水量。整个过程既能减少水肥渗漏和挥发，又能让作物需要多少吸收多少，提高利用率。

此外，近年来我国部分地区还创新了低压滴灌技术系统、智能小型移动式喷灌机组，以及应用于果园的果树滴灌小管出流技术等节水灌溉方式。

“头水早、二水赶、三水四水紧相连，一直浇到麦开镰。”过去的很多小麦品种不耐旱，整个生育期得浇三四遍水。受资源与环境制约，小麦育种方向逐渐由单纯高产转到了节水高产小麦新品种的培育上。小麦种质资源中蕴藏着丰富的基因资源，从中筛选出抗旱耐热优异种质资源、进而高效培育抗逆新品种，是应对干旱、高温等逆境的重要途径。2020年，中国农业科学院正式启动“藏粮于技”重大科研任务。项目骨干成员之一、中国农业科学院作物科学研究所研究员景蕊莲表示，保守测算，应用抗旱耐热小麦新品种每年至少比普通品种节省“一水”，按常年易旱小麦面积1亿亩计算，抗旱品种在增产19.95亿公斤的基础上，可节水40亿吨，相当于北京市三年的生活用水总量。据测算，2020年，我国节水品种和节水栽培技术的综合推广应用比传统小麦生产节省灌溉水30%左右，平均每亩约减少灌水38m3。

在华北地区，2020年正在推广的小麦产业技术体系中石麦22、衡4399，以及中麦、沧麦、邯麦、邢麦、临麦等系列品种，具有耐旱节水、高产稳产等优良性能，成为华北缺水地区小麦生产主导品种。与节水品种配套使用的“冬小麦节水省肥高产栽培技术”，连年被农业农村部推荐为全国农业主推技术。

目前，我国农业节水技术的推广和产业化仍面临着诸多困难，主要包括应用节水技术、设备的优惠鼓励政策和执行力度还不到位，常常由于成本问题造成先进节水技术设备推广受限；对先进节水技术、设备的信息宣介、资源共享的服务平台还不健全，节水技术供给能力不足问题仍较为突出；对节水产业的扶持政策还不完善。农业高效节水科技推广与服务体系不完善，缺乏专门化技术服务机构给用户提供技术指导，工程良性运行困难，可持续性差，节水效果大打折扣。

智能农业灌溉技术的应用

农业灌溉效率低，水资源使用率低等问题，造成了大量的水资源浪费，严重影响了农业的增产增效，制约了现代农业的发展。智能灌溉控制系统的应用，不仅可以降低劳动成本，还可以准确、定时、定量、高效地给作物自动补充水分，改善土壤环境，达到增产、增质，节水、节能的目标。

智能灌溉其实就是自动化灌溉，即根据土壤的湿度来实现灌溉，整个灌溉过程为自动化控制，不需要人工管理。智能灌溉控制系统使用先进的科学技术手法对土壤墒情等数据进行监测、数据采集和计算机处理，根据作物需水要求来科学有效地控制灌溉，适时适量地对农业用水进行调度。智能灌溉系统适用范围广，几乎适用于所有的旱作物，如谷物、蔬菜、果树、药材等。大力推广和应用智能灌溉控制系统，不仅有利于节省水资源，提升水分使用率，缓解水资源的日益紧张，提升作物的产量和品质，而且也有利于建设和健全节水管理制度体系，深化节水灌溉的理念，增强农田抗御自然灾害的能力，促进农业增效、农民增收。

我国多个地区已将智能灌溉系统应用在农业节水灌溉上。2019年以来，河南省郸城县建设高标准农田21.5万亩，总投入3.86亿元。高标准农田项目区修建沟渠112公里，新打机井2731眼，新建桥涵725座，新修田间道路173公里。配套有包括智能灌溉云平台、农业水价改革平台、农业物联网系统App软件、水位传感器、物联网灌溉控制器、物联网耕地质量监测点、物联网植保监测点、高空诱虫灯和太阳能杀虫灯等先进设备，安装有水肥一体化中心支轴式喷灌机和自驱动绞盘式喷灌设备。同时根据项目区井群布局，按一井配套一组农业灌溉用水计量采集系统，对项目区内耕地内机电井用水量进行实时监控，既能满足电量计费需求，又符合灌区农业灌溉用水计量要求，为水价改革打下了坚实基础。高效节水自动化灌溉技术让农田灌溉更加便利，刷卡取水自动浇地，作业半径290米的中心支轴式喷灌10小时能灌溉400多亩，手机遥控即可澆水。衬砌式排水沟四通八达连接洺河，在雨水多的年份庄稼也不会涝，真正实现了旱能浇、涝能排。

在浙江省宁波市海曙区古林镇蜃蛟片区的国家首批、华东地区唯一的优质高效水稻大田种植数字农业技术集成示范项目，于2020年7月晚稻插秧后首次投用智慧灌溉系统，至2020年12月初晚稻收割完毕，估计节水10%。800亩农田稻田共建有6个泵房，田间灌溉用水全部取自周边的三条河道。河水通过泵房中的进水口流入设有闸门的沟渠，再经由设有电动调节阀和水位传感器的沟渠，进入田间的约30个区块。该智慧灌溉系统包含进水口、泵房、闸门、电动调节阀、出水口等智能灌溉设施。这些设备均能通过物联网技术实现远程控制，只要通过电脑端或手机端的监控系统，就能实时自动监测到水泵的工作参数、沟渠管道的流量、田间水位等，并据此远程控制水泵和阀门，科学灌溉农田。

在浙江省湖州市德清县张陆湾村的国家级节水灌溉示范区，占地53亩的水稻田在2020年喜获丰收，亩产达到1200斤。示范区利用先进的智能节水灌溉技术，实现了“两省、两增、两提高”效益。据了解，园区采用智能泵站、水肥一体、精准灌溉、品质灌溉、尾水循环、科学试验六大技术，对水稻、露天蔬菜、果树、设施农业、水产养殖五大区块分类进行精准灌溉和智能管理。从水稻插秧期到灌浆期，示范园区通过水位计监测水位，依托电动阀门和流量计控制进出水，使水田始终保持丰水状态。同时，在整个水稻生长期，利用墒情仪检测土壤中的氮、磷、钾含量以及土壤温湿度，控制相关设备增减水肥。

黄河勘测规划设计研究院副院长、教授级高工彭少明认为，未来我国农业节水技术方面需要研发适应我国农业经营模式的灌溉节水新技术，重点突破农业用水数据的信息化、配水的精量化、灌溉控制的自动化、水肥药一体化，以及种植业节水增效模式的标准化。水利是农业的命脉。我国粮食连年丰收，另一方面水资源约束趋紧，加快推进高效节水农业，智能农业灌溉技术是关键。