我国节水灌溉技术的现状及发展趋势

我国节水灌溉技术的现状及发展趋势

中国的水资源仅占世界总量的6%，其次是比农田资源（世界人均资源的9%）更稀缺的资源。水资源的缺乏是中国经济可持续发展的巨大障碍。目前我国人均水资源占有量仅为2800m3,只相当于世界平均水平的1/4,同时水资源还存在分布不均的问题,淮河以北的广大北方地区拥有全国60%的土地,却只有15%的水资源。农业是我国用水最多的产业,用水总量4000亿m3,占总用水量的70%以上,其中农田灌溉用水量3600亿～3800亿m3,占农业用水量的90%～95%。农业灌溉每年平均缺水300多亿m3,平均每年受旱面积2146.67万hm2,占全国耕地的1/5,成灾面积860万hm2,每年因旱灾减产粮食100亿～150亿kg。然而,我国水资源短缺与水资源浪费并存的现象十分严重。农田灌溉水的利用率低,平均仅为45%左右;农业用水的效率不高,农田灌溉水的利用效率仅有1.0kg/m3左右。因灌溉方式不合理,造成水资源浪费严重、利用效率低下,加剧了水资源短缺的现状。根据水利部、中国工程院等部门的预测,我国农业用水必须维持零增长或负增长,才能保证我国用水安全和生态安全,缓解水资源供需矛盾的重要途径之一是发展节水灌溉。1节水灌溉的高效节水节水灌溉技术是比传统的灌溉技术明显节约用水和高效用水的灌水技术的总称。节水灌溉技术大致可分为节水灌溉工程技术和节水灌溉农艺技术。目前,我国耕地面积为1.3亿hm2,其中有效灌溉面积5586.67万hm2,占耕地面积的43%。根据《中国水利年鉴2003》的统计数据,截至2002年底,我国农业节水灌溉面积为1866.67万hm2,占有效灌溉面积的33.4%;其中喷灌和微灌面积246.6667万hm2,占节水灌溉面积的13.2%,占有效灌溉面积的4.4%;低压管道输水灌溉面积415.6667万hm2,占节水灌溉面积的22.3%;其余为渠道防渗灌溉控制面积,占节水灌溉面积的64.5%;由此可见,我国有一半以上的耕地面积没有灌溉设施,属于“望天田”;2/3的有效灌溉面积还在沿用传统落后的灌溉方法。在节水灌溉面积中,采用现代先进节水灌溉方式的微乎其微,绝大部分只是按低标准初步进行了节水改造,输水渠道的防渗衬砌率不到30%。因此,我国的节水灌溉面积尤其是高效节水灌溉面积都存在着巨大的发展空间和潜力。1.1节水灌溉技术节水灌溉工程技术是指减少灌溉渠系(管道)输水过程中的水量蒸发与渗漏损失,提高农田灌溉水的利用率的技术。1.1.1新型渠道防渗材料和衬砌形式的研究是为减少渠道的透水性或建立不易透水的防护层而采取的各项技术措施。根据使用的材料可分为土料压实、三合土护面、砖石衬砌、水泥衬砌、塑料薄膜防渗和沥青护面防渗等。我国的渠道防渗工作始终围绕开发性能好、成本低、易于施工、便于群众掌握的防渗材料为中心,同时研究推广新型防渗渠道断面形式和衬砌形式。如陕西省宝鸡峡灌区在近年的三大灌区更新改造过程中,推出了一系列“U”型渠道衬砌机械,就在施工中发挥了重要作用。目前,占我国总用水量80%的农灌主要输水手段是渠道,而传统的土渠输水渗漏损失约为引水总量的50%～60%,全国仅此一项年损失水量约1.7×1011m3,大力发展渠道防渗技术是节水灌溉的重要途径。1.1.2大量采用“管灌”型低能耗地区简称“管灌”,是利用低压管道代替渠道输水的一种灌水方法。“管灌”由于具有一次性投资少、设备简单、比土渠省水40%、省工、省地、省时,增产效益显著,农民易于掌握等优点,颇受重视。因此在无力发展喷灌和微灌的地方,采用“管灌”是一个方向。在井灌区,逐步用低压管来代替中小型渠道,也可以取得很显著的节水效果。在我国北方井灌区已发展到30×106hm2。其中陕西省的关中、陕北地区大片机井灌区大量采用“管灌”技术。实践证明,“管灌”是我国北方地区发展节水灌溉的重要途径之一。1.1.3喷灌系统的优缺点是利用专门的设备将压力水喷洒到空中形成细小水滴,并均匀地降落到田间的灌水方法。喷灌明显的优点是灌水均匀,少占耕地,节省人力,对地形的适应性强。主要缺点是受风影响大,设备投资高。喷灌系统的形式很多,其优缺点也就有很大差别。在我国用得较多的有固定管道式喷灌、半移动式管道喷灌、滚移式喷灌、时针式喷灌、平移式喷灌、绞盘式喷灌等。以上各种喷灌溉形式各有利弊,各自适合于不同的条件,因此只能因地制宜地选择应用。我国从20世纪70年代开始发展喷灌技术,经过多年的努力,喷灌面积已发展到8×105hm2,取得了比较显著的节水、增产效益。这项技术比较适合在山丘地区、干旱缺水地区和经济作物灌区发展。1.1.4膜下灌注技术在大田作物中的应用滴灌技术是将作物生长所需的水分和各种养分适时适量地输送到作物根部附近的土壤,具有显著的节水、增产效果。国外滴灌技术的研究应用起步较早,主要在缺水地区的果树、花卉等经济效益较高的作物上采用。以色列、美国等发达国家在大田棉花上也采用滴灌,但大都采用铺设于裸露地表、使用5～7年的滴灌管,一次性投资很高。国内引进滴灌技术始于1973年,由于种种原因发展速度缓慢,且面积很小,主要应用于蔬菜、花卉、果树等高经济价值作物上,在大田作物上应用较少。膜下滴灌技术是新疆生产建设兵团形成、发展起来的新型滴灌技术,它将滴灌技术与地膜覆盖技术有机结合,充分发挥其节水、节肥药、节机力、节人工和增产、增效作用,为干旱地区发展高效节水灌溉技术开辟了一条新路。近年来,新疆生产建设兵团推广使用一次性滴灌带,并迅速大面积应用于棉花生产的棉花膜下滴灌技术,与常规沟灌相比,膜下滴灌可节水50%左右,增产15%～25%,肥料利用率提高15个百分点左右,亩节水增效100元左右,人均管理定额提高3～4倍。截止到2004年,兵团膜下滴灌的应用面积已达25.33万hm2,是在大田作物中应用膜下滴灌节水面积最大的地区,应用范围已从新疆扩展到内蒙、宁夏、甘肃、陕西和中亚的塔吉克斯坦;采用膜下滴灌的作物发展到甜菜、油菜、加工番茄、蔬菜、瓜类等作物上,节水、增产、增效的效果显著,充分显示出强大的生命力。1.1.5亚表层渗灌防堵节水系统的应用渗灌是继喷灌、滴灌之后,一种新型的有效地下灌溉技术,是在满足植物生理生长需求的条件下,将以往对土地的灌溉转变为对植物根系直接进行灌溉。目前国内有低压渗灌和重力渗灌两种方式。由于以往渗灌普遍存在渗孔易于堵塞、灌水不均匀、坡度较大的田块不宜采用等问题,渗灌的发展曾遇到阻力。针对这些问题,笔者与有关单位联合研制出了新型的亚表层渗灌节水防堵系统,属于低压渗灌范畴,解决了管道堵塞和渗水不均匀等问题。在山西、山东等地多年示范结果表明,保护地栽培下,亚表层渗灌防堵节水系统较地面灌溉节水70%～80%,提高土地利用率5%以上,冬季能提高地温2～3℃以上,增强温室的抗寒能力,空气相对湿度一般降低20%左右,利于透光,提高光能利用率,延长光合作用时间,节省灌溉用工95%以上,节电60%以上,节省病虫害防治费用,做到不用或少用农药。在保护地蔬菜、露地果树应用中,平均增产30%～50%以上,增收35%以上。并在此基础上进行了渗灌安装、使用方法、加肥渗灌、作物增产配套技术等方面的系统研究,制定了亚表层渗灌防堵节水系统安装与应用技术规程,为该技术应用推广提供了理论指导与技术支撑。此外,中科院长春应化所开展了低压渗灌和重力渗灌橡塑渗灌管的研究。这种渗灌技术已成功地应用于温室大棚内蔬菜、花卉、果树,大田马铃薯、大豆的种植,城市绿地以及西部黄土高原植树造林等领域。该渗灌技术可以使温室内蔬菜提前成熟,提高作物产量10%～30%,使马铃薯增产52%。由此可见,渗灌节水技术的发展将对提高我国农业节水灌溉水平起到积极的推动作用,并产生良好的社会效益。1.1.6雨水汇集利用技术与三大产业发展的合作是在干旱、半干旱的山丘地区,将较大强度降雨所产生的地面径流汇集起来,并在最需要时供给作物利用的技术。20世纪80年代末我国开展了雨水汇集利用技术的研究,如汇流表面薄层水泥处理技术、窖窑构建及布局技术、汇集效率、汇流面与种植面积比例确定等,取得了一批有意义的成果。近几年在甘肃东部、陕西白于山区和宁夏南部发展起来的窖灌农业就是采用典型的雨水汇集利用技术,有的地区已把它作为扶贫工程而深受群众欢迎。但在雨水引导汇集贮存和高效利用上缺乏系统化的理论研究,未形成适宜于不同区域的汇流整体规划和与之配套的灌溉技术及作物栽培技术。1.2节水灌溉技术1.2.1高效节水,高产高产调亏灌溉是国际上在20世纪70年代中后期出现并逐步发展的一种新的节水灌溉技术,是在作物生长发育的某些阶段施加一定的干旱胁迫,有目的的使作物处于一定程度缺水的条件下,调节作物的光合产物向不同组织器官的分配,调控地上和地下生长动态,促进生殖生长,控制营养生长,舍弃有机合成物总量,提高经济产量,最终达到节水、高效、高产的目的。根据中国农科院商丘试验区研究结果,在黄淮平原,冬小麦全生育期需水量387.5mm,而小麦生长期平均有效降雨量只有173mm,尚亏缺214.5mm,每公顷6000kg以上的高产区灌溉定额为1800m3,全生育期浇3次水,即冬灌、返青—拔节、抽穗期各浇一水,最佳经济灌溉定额为1200m3/hm2。棉花生长期需水量为379.6mm,一般年份有效降雨量能满足其正常生长的需求,但年际间降水量差异大,遇伏旱时也需要浇一次蕾期水或铃水。浇水量不宜过大,一般浇450～600m3/hm2。夏玉米生长期需水量365.9mm,同期年均有效降雨量276.5mm,尚缺水89.5mm。一般年份夏玉米需要浇二水,即抽雄水和灌浆水,灌溉定额1200m3/hm2,干旱年需增加一次播期水,湿润年在灌浆期浇一水即可。作物调亏灌溉具有广阔的推广应用前景,但目前还需进一步研究适宜于农民应用的田间实施技术。1.2.2灌溉实施工艺小麦与春玉米套种灌草传统的灌溉方式是使作物根系土层达到充分湿润,作物控制性分根交替灌溉是改变根系生长空间的土壤湿润方式,人为控制根区土壤某个区域的干燥或湿润,使作物根区土壤交替干燥,让其产生水分胁迫信号传递至叶气孔,形成最优气孔开度;使另一部分生长在湿润区的根系正常吸水,以减少作物奢侈的蒸腾和植株间的无效蒸发,节约灌溉用水量。这一技术可节水30%以上,水分利用率提高40%～50%。实践证明,春小麦与春玉米套种隔畦灌,棉花、玉米等宽行作物隔沟灌或隔沟交替灌,湿润面积可减少50%、节水高达30%以上、增产幅度5%～10%。但目前还需进一步研究该种技术的最佳田间灌水技术方案,开发适于控制性分根交替灌溉的新型灌水器和与这种灌水技术相配套的作物栽培技术体系。1.2.3改进地面下排水方式是主要围绕传统地面灌水技术存在的灌水均匀度差、灌水定额大等缺点进行的技术改进。包括改进沟畦规格(如长畦改短畦,宽畦改窄畦,短沟灌和细流沟灌等。如陕西省的洛惠渠、宝鸡峡灌区,推广长畦改短畦,宽畦改窄畦,大水漫灌改小畦浅灌后,作物生育期灌水量降低20%～30%)和采用先进的地面灌水技术(如波涌灌、隔沟灌、膜上灌、细索灌、水平畦灌等)。地面灌溉采用这一改进技术,对提高灌水均匀度,节省灌溉用水具有十分重要的意义。目前,在我国最具推广价值的改进地面灌水技术有波涌灌和膜上灌两项。波涌灌是通过改进放水方式,把传统的沟、畦一次放水改为间歇放水,进行间歇灌形成波涌,是20世纪80年代地面灌水技术的一大突破。间歇放水使水流呈波涌状推进,由于土壤孔隙会自动封闭,在土壤表层形成一薄封闭层,水流推进速度快。在用相同水量灌水时,间歇灌水流前进距离为连续灌的1～3倍,从而大大减少了深层渗漏,提高了灌水均匀度,田间水利用系数可达0.8～0.9。目前,在理论上还需进一步研究浑水波涌灌问题,开发适合我国国情的波涌灌灌水设备,这是扩大应用波涌灌技术的关键。膜上灌是在地膜栽培的基础上,把膜侧水流改为膜上流,利用地膜输水,通过膜孔和膜边侧渗给作物进行灌溉,这项技术目前在新疆取得了较高的增产节水效果,新疆采用膜上灌的农田已达23.33万hm2,甘肃、河南等省也开始推广。膜上灌形式有开沟扶埂膜上灌、培埂膜上灌、膜孔灌、沟内膜上灌、膜缝灌、格田膜上畦灌、膜侧膜上灌等多种。膜上灌作物有棉花、蔬菜、玉米、小麦等。地膜栽培和膜上灌结合后具有节水、保肥、提高地温、抑制杂草生长和促进作物高产、优质、早熟等特点。生产试验表明,膜上灌与常规沟灌相比,棉花节水40.8%,增产皮棉5.12%,霜前花增产15%;玉米节水58%,增产51.8%;瓜菜节水25%以上。由于膜上灌是一种新的灌水技术,还有许多不成熟和不完善的地方,对其技术机制、技术要素及其设计方法都需要进一步研究。1.2.4田间用节水灌溉技术传统的水稻灌溉一般是长期保持较深水层,有的地方还采用串灌、漫灌,水肥流失严重。而采用薄、浅、湿、晒的灌溉制度,可取得很好的节水效果。其基本做法是薄水插秧、浅水返青,分蘖前期田间湿润管理,分蘖后期晒田,拔节抽穗期保持薄水,乳熟期保持田间湿润,黄熟期湿润落干。此方法在广西、江苏等地得到广泛推广,推广面积累计达178.2万hm2,可增产7.72%以上。由于水层浅,渗漏量和植株棵间蒸发量就大大减少,从而减少田间耗水量,年平均减少耗水量1069m3/hm2,是值得在稻田大力推广的节水灌溉技术之一。此项技术投入小,收效大,但是此法受地域与自然条件影响大。1.2.5利用微淡水高盐废水灌溉微咸水灌溉技术主要包括不同水质的水混灌和轮灌技术。混灌是将两种不同的灌溉水混合使用,包括咸淡混灌、咸碱(低矿化碱性水)混灌和两种不同盐渍度的咸水混灌,降低灌溉水的总盐渍度或改变其盐分组成。混灌在提高灌溉水水质的同时,也增加了可灌水的总量,使以前不能使用的碱水或高盐渍度的咸水得以利用。轮灌是根据水资源分布、作物种类及其耐盐性和作物生育阶段等交替使用咸淡水进行灌溉的一种方法。如旱季用咸水,雨后有河水时用淡水;强耐盐作物(如棉花)用咸水,弱耐盐作物(如小麦、玉米、大豆)用淡水;播前和苗期用淡水,而在作物的中、后期用咸水。轮灌可充分、有效地发挥咸淡水各自的作用和效益。笔者在山东陵县研究结果表明,麦季利用矿化度在3～5g/L微咸水进行咸淡混灌两年后,对小麦、玉米的年产量无明显不利影响,也没有发生积盐现象,微咸水灌溉带入土体的盐分通过咸淡水轮灌和雨季自然淋洗,1m土体总盐量达到周年平衡。但同时也发现,利用微咸水灌溉其一次性灌溉量不宜过低,否则会使一部分盐分滞留在表层土壤,影响作物的正常生长发育。采用麦秸覆盖等配套技术可以为微咸水的安全有效利用提供保证。2节水灌溉的特点经过多年的研究与示范推广,我国节水灌溉技术已经有了长足的发展,但节水灌溉技术的推广应用难度仍然很大。推进节水灌溉,不仅是技术问题,还有很多是社会经济问题。分析其原因,笔者认为主要有以下制约因素:(1)对节水灌溉发展的支持力度不够。一是投入不足,多年来,政府和有关部门只重视开源和新建灌区工程的建设,而把末级渠系和田间配套设施基本上推给了农民。我国的农民还比较穷,种粮的比较效益低,农民无力购买节水灌溉设备。二是对节水灌溉设备企业缺少政策和资金支持,节水灌溉设备季节性强,企业流动资金大,目前政府尚未将节水灌溉设备列入涉农物资范围,生产企业还不能在税收、贷款等方面享受相关的优惠政策。(2)水管理体制和政策不完善,缺乏节约用水激励机制。目前,我国的灌区没有经营管理自主权,灌区的收入来源主要依靠收取水费。一些灌区为了自身的利益,甚至鼓励用户多用水;有的灌区节约了水,但被无偿地调给了其他部门,无利可图。许多灌区按灌溉面积收取水费,农民节约用水不能在经济上得到补偿,认为购买节水灌溉设备是白花钱。农民是节水灌溉的主体与技术实施者,如果缺乏农民的积极、主动参与,节水灌溉将是一句空话。此外,节水灌溉一定要与高产高效、农民增收结合起来,否则农民很难自愿采用节水灌溉技术。(3)重工程技术,轻农艺技术,工程与农艺技术不配套。长期以来,我国农业节水存在重工程措施轻农艺措施的倾向,忽视农艺等技术在节水中的地位与作用。许多经济成本较低、水资源利用率高、农民容易接受的节水技术因缺乏重视而无法发挥其应有的作用。此外,也与节水灌溉农艺技术是公益性技术,对于地方各级农技推广部门而言只有社会效益与生态效益,无利润可图,因此对农民的无偿服务减少,而推广工程技术可以搞创收维持运转有很大关系。3我国节水灌溉技术的研究现状近年来,现代高新技术的发展,为传统节水灌溉技术的升级插上了翅膀。在节水灌溉的高新技术中,最引人注目的是“3S”技术。“3S”技术的应用产生了数字水文、数字河流、数字渠道、数字灌区等概念。随着GIS空间信息处理技术及相应计算机软件、高性能微机工作站及数字地形高程(DEM)等技术的出现,使得与水文水环境、灌溉管理等有关的地理空间资料的获取、管理、分析、模拟和显示变为可能。随着科技的飞速发展,有关高新技术已开始广泛应用于农业与生态节水领域,如土壤水分测定在时域反射法(TDR)技术成熟的基础上,开发经济实用的基于电容法、热惯量、近红外技术的快速测量仪表;基于作物蒸腾过程、叶面—空气温差与作物旱情的关系,利用红外测温技术诊断作物旱情的研究也取得许多进展;利用遥感技术监测大面积土壤墒情、作物旱情,以及短、中、长期的土壤墒情、作物旱情的预报技术研究方面也取得了长足发展。在作物水分信息采集与精量控制用水技术方面,国外已大量使用红外枪技术,并采用热脉冲技术测定作物茎秆的液流和蒸腾,用于指导精量灌溉。20世纪70年代以来,美国、澳大利亚等国先后提出一些土壤与作物水分监测与预报的理论和方法,美国、以色列等国利用空间信息技术和计算机模拟技术,取得了较大进展,并且已进入田间生产应用阶段。随着作物和土壤水分监测与预报技术的发展,灌溉预报研究进展也很快,美国、英国、澳大利亚等已提出几种具有代表性的节水灌溉预报程序,并进行了多年的实践。随着这些新技术的广泛应用,作物高效用水也由静态用水转向动态用水,充分研究和利用信息技术、红外技术、电测技术监测处理土壤墒情、作物旱情、农田气象资料,进行作物需水预报,并根据优化原理来确定最佳水量分配和控制作物用水。在精准灌溉和灌溉系统的自动控制方面,我国与国际领先水平的差距还较大。发达国家为满足对灌溉系统管理的灵活、准确、快捷的要求,非常重视空间信息技术、计算机技术、网络技术等高新技术的应用,大多采用自动控制运行方式,特别是对大型渠道工程多采用中央自动监控(遥测、遥讯、遥调)方式。在大大减少调蓄工程的数量、降低工程造价费用的同时,既满足了用户的需求,又有效地减少了弃水,提高了灌溉系统的运行性能与效率。遥感等高新技术已大面积用于区域作物耗水监测和土壤墒情及灌溉预报。进入21世纪以来,我国在节水灌溉高新技术领域也步入试验研究与应用阶段。在“九五”期间,已有科研单位引进了激光平地机械并开展了有关试验。推广激光平地技术可使