設(shè)施蔬菜現(xiàn)代節(jié)水技術(shù)研究進(jìn)展

張振賢高麗紅任華中陳青云王倩眭曉蕾

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)蔬菜系，設(shè)施蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

1 我國(guó)水資源及設(shè)施蔬菜節(jié)水現(xiàn)狀

水利是農(nóng)業(yè)的命脈，沒(méi)有水就沒(méi)有生命。植物一方面從周?chē)h(huán)境中吸收水分以保證生命活動(dòng)之需；另一方面又不斷地向環(huán)境散失水分以維持體內(nèi)外水分循環(huán)、氣體交換以及適宜的體溫。植物對(duì)水分的吸收、運(yùn)輸、利用和散失的過(guò)程稱(chēng)為水分代謝（water metabolism）。研究植物水分代謝的基本規(guī)律，掌握合理灌溉的生理基礎(chǔ)，研發(fā)現(xiàn)代節(jié)水技術(shù)，對(duì)于作物的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效和良好的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

我國(guó)現(xiàn)有水資源總量為28 100億m3，人均2 150 m3，約為世界平均水平的25%，人均水資源占有量排在109位。預(yù)計(jì)到2030年人口達(dá)到16億時(shí)，人均水資源將下降為1 760 m3，將逼近國(guó)際上公認(rèn)的1 700 m3的嚴(yán)重缺水的警戒線(xiàn)（徐澤珍，2008）。我國(guó)水資源的時(shí)空分布極不均勻，與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展布局嚴(yán)重錯(cuò)位，全年降雨多集中在7～8月；在地域分布上，南方水質(zhì)性缺水，北方資源性缺水，特別是華北、西北區(qū)域性缺水更為嚴(yán)重。目前，我國(guó)年用水量突破6 000億m3，缺口500億m3，農(nóng)業(yè)每年用水量約為4 000億m3，約占全國(guó)總用水量的65%。但是，我國(guó)農(nóng)業(yè)用水效率較低，平均灌溉水利用系數(shù)僅為0.5，與發(fā)達(dá)國(guó)家的 0.7～0.8差距較大（吳普特 等，2007a），節(jié)水潛力巨大，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)是緩解我國(guó)水資源緊缺和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。目前，人們對(duì)節(jié)水的重要性仍認(rèn)識(shí)不足，設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉設(shè)備先進(jìn)性及配套性差，設(shè)施農(nóng)業(yè)用水效率整體不高，各種節(jié)水技術(shù)尚未得到廣泛應(yīng)用。

目前，一些發(fā)達(dá)國(guó)家，如以色列、荷蘭等國(guó)家普遍使用計(jì)算機(jī)遙控、土壤墑情監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化等先進(jìn)灌溉技術(shù)，這些技術(shù)只在我國(guó)上海、北京等少數(shù)農(nóng)業(yè)高科技示范園區(qū)得以應(yīng)用，多數(shù)設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉設(shè)備基本上處于手動(dòng)或半自動(dòng)控制水平，與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比還有很大的差距。未來(lái)，設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水發(fā)展方向應(yīng)是設(shè)備先進(jìn)可靠、供水自動(dòng)化、水肥一體化的良好節(jié)水技術(shù)。同時(shí)，隨著塑料模具加工精度越來(lái)越高，加工成本費(fèi)用大幅度降低，可顯著促進(jìn)微噴頭、滴灌帶及其附件的更新?lián)Q代速度，為設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉設(shè)備的使用可靠性提供保障。

2 設(shè)施蔬菜耗水規(guī)律與節(jié)水原理

蔬菜產(chǎn)品為鮮品，生產(chǎn)中耗水量大，特別是葉片多而大的蔬菜其蒸騰系數(shù)高，耗水量更大。在蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，一般苗期需水量較小，產(chǎn)品器官形成期需水量較大，此時(shí)也是蔬菜需水的臨界期，此時(shí)缺水對(duì)產(chǎn)量和品質(zhì)有較大的影響。實(shí)際作物耗水量受光照、溫度、土壤質(zhì)地等多種環(huán)境因素影響，變化幅度較大。

目前，設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中用水量較大，如設(shè)施果菜年均灌水量為800～900 m3·（667 m2）-1，大量灌溉水去向如何？為回答這一問(wèn)題，高麗紅等（2009）采用改進(jìn)的蒸滲儀和蒸騰儀等設(shè)備，通過(guò)多點(diǎn)重復(fù)試驗(yàn)，系統(tǒng)研究并摸清了經(jīng)驗(yàn)畦灌下灌溉水在蔬菜生物學(xué)產(chǎn)量形成、蒸騰、蒸發(fā)和滲漏（1.2 m以下）中的分配比例分別為2%～4%、25%～32%、18%～22%和50%～55%，同時(shí)土壤貯水約占3.5%～5.6%。上述分配比例中，產(chǎn)量形成是栽培目的，蒸騰是蔬菜自身生理需求，必不可少；而蒸發(fā)雖然可以調(diào)節(jié)土壤溫度、濕度等，滲漏雖然可以淋洗土壤中過(guò)多的鹽分，但二者對(duì)產(chǎn)量形成并無(wú)直接作用，據(jù)此筆者提出了設(shè)施蔬菜節(jié)水的基本思路，一是控制地面蒸發(fā)、減少土壤水分深層滲漏的“控漏減蒸”思路，現(xiàn)在絕大多數(shù)節(jié)水技術(shù)都可歸結(jié)到這一思路；二是堵住滲漏和限制蒸發(fā)的“堵漏限蒸循環(huán)灌溉”的思路；三是 “集雨灌溉”的雨水利用思路，后兩個(gè)思路是層次更高、效果更好、前景更廣的節(jié)水技術(shù)。

3 設(shè)施蔬菜現(xiàn)代節(jié)水技術(shù)

3.1 農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)

農(nóng)藝節(jié)水是最簡(jiǎn)單、實(shí)用的節(jié)水技術(shù)，如：① 膜下異區(qū)交替灌溉技術(shù)，在壟作條件下進(jìn)行地膜覆蓋，相鄰兩溝膜下交替灌溉，由于隔溝交替灌溉增加了水的側(cè)滲，減少了直接滲漏，可節(jié)水 45%以上（曹琦 等，2010；張利東 等，2011）。② 地面覆蓋（膜或草）節(jié)水技術(shù)，選用無(wú)色或有色地膜進(jìn)行地面覆蓋，能夠有效減少土面蒸發(fā)，可節(jié)水25%以上；同時(shí)能夠有效降低溫室內(nèi)空氣濕度，減少病害發(fā)生；利用麥草、樹(shù)葉等秸稈覆蓋可起到保墑、保溫、促根、抑草、培肥作用。③ 促根節(jié)水技術(shù)，進(jìn)行單砧嫁接或異效雙砧嫁接，增施有機(jī)肥，促進(jìn)根系壯大，增加吸水面積，也具有良好的節(jié)水效果（張憲法 等，2002；陳小燕 等，2008a，2008b；楊志剛 等，2011）。

3.2 工程節(jié)水技術(shù)

主要包括管道輸水（渠道防滲技術(shù)）、地下灌溉、定量袋灌、滴灌、隔離栽培等。① 管道輸水，在習(xí)慣畦灌或溝灌的地方，輸水溝改輸水軟管，或埋設(shè)地下硬塑管，將灌溉水直接輸送至田間。同時(shí)，寬畦（溝）改窄畦（溝），長(zhǎng)畦（溝）改短畦（溝），控制渠道滲漏和田間灌水量，提高灌水的有效利用率，一般可節(jié)水 20%左右。② 滴灌、微噴灌、滲灌及小管出流灌等微灌技術(shù)，微灌屬于局部灌溉，只濕潤(rùn)部分土壤，即將灌溉水加壓、過(guò)濾，經(jīng)各級(jí)管道和灌水器具，將水輸送于作物根際附近，一般可節(jié)水55%～85%。噴灌技術(shù)是將灌溉水加壓，通過(guò)管道由噴頭將水噴灑到地面。與地面畦灌相比，噴灌一般可節(jié)水50%～60%。但噴灌設(shè)備投資較大，能耗較高，目前多在高效經(jīng)濟(jì)作物或經(jīng)濟(jì)條件好、生產(chǎn)水平較高的地區(qū)應(yīng)用。③ 膜上灌水，將地膜平鋪于畦中或溝中，畦、溝全部被地膜所覆蓋，利用地膜輸水，并通過(guò)作物的放苗孔和專(zhuān)設(shè)灌水孔滲入到作物根系，因而膜上灌水實(shí)際上也是一種局部灌溉，與常規(guī)溝灌相比，節(jié)水25%以上。④ 定量袋灌技術(shù)，按既定灌水量（根據(jù)土質(zhì)、作物種類(lèi)等確定，或按每667 m2每次15 m3或20 m3）定制灌水袋，袋長(zhǎng)和直徑根據(jù)灌水量和溫室跨度而定，袋上用激光打孔，將水直接沖入袋中，水沿孔逐漸滲入土壤，此項(xiàng)技術(shù)高效節(jié)水、省時(shí)省工（高麗紅 等，2009）。⑤ 隔離栽培技術(shù)，是“堵漏限蒸”節(jié)水技術(shù)的簡(jiǎn)易應(yīng)用，挖寬50 cm，深40 cm的栽培槽，槽內(nèi)鋪設(shè)打孔塑料薄膜或稻草，使土壤耕層與深層隔離，實(shí)現(xiàn)節(jié)水的目的（溫永剛 等，2008）。

3.3 集雨節(jié)水技術(shù)

集雨節(jié)水灌溉已從過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)向現(xiàn)代高新技術(shù)應(yīng)用和工業(yè)化技術(shù)方面轉(zhuǎn)變，如以色列、日本等國(guó)家利用地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）與技術(shù)研究雨水資源利用理論和方法。我國(guó)也研發(fā)出了新型雨水存貯窖體的結(jié)構(gòu)材料，并建立了雨水利用智能決策系統(tǒng)。理論上，只要當(dāng)?shù)啬杲涤炅看笥?00 mm，一般可集水400 m3，基本上可以滿(mǎn)足設(shè)施蔬菜高產(chǎn)栽培的需要。此外，根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件進(jìn)行攔河引水工程、塘壩工程、水池工程、水窖工程等集水灌溉，也可獲得良好效果。

3.4 生物節(jié)水技術(shù)

生物節(jié)水是今后的發(fā)展方向，如：① 適水種植，根據(jù)當(dāng)?shù)厮Y源情況，選用耗水量少、耐旱品種，將產(chǎn)品器官形成期安排在雨水多的季節(jié)，充分利用雨水。② 選育節(jié)水抗旱品種，應(yīng)用常規(guī)育種、分子標(biāo)記輔助選擇、轉(zhuǎn)基因、基因聚合等技術(shù)，創(chuàng)制抗旱節(jié)水型或水分高效利用型的優(yōu)異育種新材料，選育抗旱節(jié)水新品種進(jìn)行高效節(jié)水?？购灯贩N葉片角化層和邊界層小，阻止水分通過(guò)氣孔，減少水分向大氣中擴(kuò)散，降低作物蒸騰量，提高了水分利用效率。③ 生物技術(shù)應(yīng)用，將抗旱基因或水分高效利用的基因遺傳轉(zhuǎn)化至農(nóng)藝性狀較好的品種上，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、節(jié)水的目的。但這些技術(shù)的大面積實(shí)際應(yīng)用尚需時(shí)日。

3.5 生理和化學(xué)節(jié)水技術(shù)

① 基于生理需水調(diào)控的調(diào)虧灌溉（RDI）、分根區(qū)交替灌溉（ARDI）和部分根干燥（PRD）等非充分灌溉的高效用水技術(shù)，可明顯提高作物水分利用效率。一些發(fā)達(dá)國(guó)家及我國(guó)部分地區(qū)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用此類(lèi)灌溉技術(shù)，與傳統(tǒng)灌溉方式相比，可顯著減少灌水量、降低植株蒸騰量，提高品質(zhì)，且不減產(chǎn)（Mitchell et al.，1991；Zushi & Matsuzoe，1998；劉明池 等，2001）。② 抗旱物質(zhì)的應(yīng)用，ABA、CCC、B9、抗毒霉素、多效唑和整形素等植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，具有減小氣孔、減少蒸騰失水、增強(qiáng)根系吸水和調(diào)節(jié)植物水分平衡的作用，可起到節(jié)水的作用；氮、磷、鉀、鈣等礦質(zhì)元素具有促進(jìn)根系生長(zhǎng)、調(diào)節(jié)作物水分利用率和增強(qiáng)抗旱性等作用（Wang et al.，2010，2012）；黃腐酸（FA）等有機(jī)小分子化合物類(lèi)抗旱劑，分子量小，能直接溶于水，具有抗旱作用；薄膜型抗蒸騰劑利用高分子物質(zhì)在植物表面形成極薄的膜，阻止水分蒸騰，提高水分利用效率，但其缺點(diǎn)是對(duì) CO2的吸收和 CO2界面透過(guò)有影響，在一定程度上抑制光合作用；近年來(lái)高分子吸水樹(shù)脂（保水劑）在旱地農(nóng)業(yè)廣泛應(yīng)用，對(duì)作物逆境成苗和增產(chǎn)效果良好。

3.6 信息節(jié)水技術(shù)

現(xiàn)代節(jié)水技術(shù)正朝著信息化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，特別是近年來(lái)利用3S技術(shù)（遙感技術(shù)RS、GIS和GPS）為最大限度地優(yōu)化各項(xiàng)農(nóng)業(yè)投入，充分挖掘田間水肥差異性所隱含的增產(chǎn)潛力創(chuàng)造了條件。利用水分監(jiān)測(cè)與信息采集、作物生長(zhǎng)決策模擬、支持農(nóng)田信息實(shí)時(shí)采集的各種傳感技術(shù)和傳輸技術(shù)已引起廣泛關(guān)注。計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)使灌溉用水實(shí)現(xiàn)了由靜態(tài)向動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)變。如美國(guó)根據(jù)作物水分蒸發(fā)量，研究作物耗水量與氣象因素之間的關(guān)系，確定土壤水分變化和適宜的灌水期與灌水量。利用地面紅外線(xiàn)測(cè)溫儀測(cè)定作物冠層和葉面以及周?chē)諝鉁囟?，確定作物需水量，采用飛機(jī)航測(cè)和衛(wèi)星遙測(cè)進(jìn)行監(jiān)控（吳普特 等，2007b）。日本、澳大利亞等國(guó)已大量使用熱脈沖技術(shù)測(cè)定作物莖稈的液流和蒸騰，利用傳感器感知莖粗的細(xì)微變化以監(jiān)測(cè)作物水分需求進(jìn)行科學(xué)灌水，并提出土壤墑情監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)的理論和方法。

3.7 基于先進(jìn)制造技術(shù)和新材料的節(jié)水技術(shù)

利用先進(jìn)的制造技術(shù)和新材料加快了節(jié)水產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)程。將來(lái)，多功能、低能耗、環(huán)保、智能控制是節(jié)水灌溉產(chǎn)品發(fā)展的新趨勢(shì)。發(fā)達(dá)國(guó)家利用先進(jìn)的激光快速成型制造技術(shù)，研發(fā)節(jié)水灌溉產(chǎn)品，基于新型低壓滴灌系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了一系列灌溉控制系統(tǒng)和設(shè)備，以及系列化的微噴灌節(jié)水設(shè)備，技術(shù)性能可靠、使用壽命較長(zhǎng)；化學(xué)保水劑及保水農(nóng)膜也是較理想的節(jié)水灌溉材料，如從煤炭中提取的保水劑和利用沙漠植物和淀粉類(lèi)物質(zhì)成功合成的生物類(lèi)高吸水物質(zhì)，均具有極好的吸水性；又如已研制出的一種聚苯乙烯合成可降解地膜，其表面是接枝聚合物，利用新的制造技術(shù)能精確控制藥物降解地膜，靈活和可調(diào)的原料配方使其具有廣泛用途，基本可以代替“白色污染”的地膜覆蓋技術(shù)。美國(guó)等將聚丙烯酰胺（PAM）噴施在土壤表面，起到了抑制農(nóng)田水分蒸發(fā)、防止水土流失、改善土壤結(jié)構(gòu)的明顯效果（吳普特 等，2007b）。

3.8 基于非傳統(tǒng)水資源開(kāi)發(fā)利用的節(jié)水技術(shù)

天然雨水、污水以及微咸水等非傳統(tǒng)水資源的開(kāi)發(fā)利用已成為許多國(guó)家和地區(qū)解決水資源危機(jī)的新途徑。美國(guó)、以色列、墨西哥等國(guó)家開(kāi)展了污水回用于農(nóng)業(yè)的工作，效果良好；我國(guó)也提出了污水灌溉方法和理論，但與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比差距較大。在微咸水利用方面，西方國(guó)家開(kāi)展了微咸水灌溉研究和應(yīng)用，在番茄、西瓜等作物上應(yīng)用后，不但果實(shí)更甜，還可延長(zhǎng)貨架期。我國(guó)微咸水灌溉試驗(yàn)研究起步較晚，初步研究了微咸水灌溉對(duì)作物品質(zhì)以及土壤的影響，提出了微咸水利用技術(shù)和模式，但仍有許多工作需要完善（吳普特 等，2007b；張余良，2010）。

3.9 設(shè)施蔬菜節(jié)水技術(shù)的集成與創(chuàng)新

近年來(lái)，各國(guó)學(xué)者都十分重視工程節(jié)水、農(nóng)藝節(jié)水、生物節(jié)水和信息節(jié)水等技術(shù)的集成創(chuàng)新及綜合效益的提高，以及研究推廣與本國(guó)經(jīng)濟(jì)水平、水資源數(shù)量相適應(yīng)的節(jié)水技術(shù)模式。如以埃及、巴基斯坦、印度為代表的經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)國(guó)家由于受經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)水平的限制，節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)主要以渠道防滲技術(shù)和地面灌水技術(shù)為主，并開(kāi)展了天然降水資源利用技術(shù)的模式。而以以色列、美國(guó)、澳大利亞為代表的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)主要采用以高標(biāo)準(zhǔn)的固化渠道和管道輸水技術(shù)，噴、微灌技術(shù)與改進(jìn)后的地面灌水技術(shù)為主的模式。

4 設(shè)施蔬菜水肥耦合技術(shù)

在設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中水肥管理密不可分，節(jié)水與施肥量和水肥高效利用密切相關(guān)。研究表明，氮素深層滲漏量隨灌水量的增加而增加，經(jīng)驗(yàn)水肥管理下氮素滲漏量每年約為200 kg·hm-2，在節(jié)水不控肥的條件下，降低了氮素的深層滲漏量，但增加了耕層土壤（0～30 cm）NO-3-N的濃度，加速了土壤次生鹽漬化進(jìn)程。據(jù)此提出的異區(qū)交替灌溉和限量袋灌等節(jié)水技術(shù)，基于目標(biāo)產(chǎn)量和蔬菜需肥規(guī)律的根層氮素調(diào)控技術(shù)與水氮耦合技術(shù)，可節(jié)氮肥 30%以上，在設(shè)施果菜生產(chǎn)上取得良好效果（韋彥 等，2010；高麗 等，2012；孫麗萍 等，2012）。

5 展望

節(jié)水事關(guān)人類(lèi)生存，必須引起高度重視，今后應(yīng)特別重視以下工作：① 繼續(xù)加強(qiáng)適于我國(guó)國(guó)情的現(xiàn)代農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)研究。在注重依靠高新技術(shù)拉動(dòng)傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用與升級(jí)的同時(shí)，應(yīng)將現(xiàn)代信息技術(shù)、生物技術(shù)與新材料等高新技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)之中。② 現(xiàn)代生物節(jié)水技術(shù)是未來(lái)節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向和研究熱點(diǎn)，但目前的研究仍屬于儲(chǔ)備階段，須加大研究力度。③ 節(jié)水灌溉、非傳統(tǒng)水資源開(kāi)發(fā)等技術(shù)是近期現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)，特別應(yīng)把重點(diǎn)放在集中解決技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中的難點(diǎn)問(wèn)題。

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