農業(yè)防旱抗旱減災工程技術與應用

李玉中，王春乙，程延年

(1.中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所農業(yè)部農業(yè)環(huán)境實驗室，北京 100081;2.中國氣象科學研究院，北京 100081)

1 前言

干旱是一種因長期無雨或少雨造成空氣干燥、土壤缺水的氣候現(xiàn)象，它是干旱、半干旱地區(qū)氣候的基本特征。在半濕潤地區(qū)，如因氣候異常，某一段時間降水量比多年平均值大大偏少，也會出現(xiàn)干旱，亦稱季節(jié)性干旱。從作物受旱機制來考慮，通常把旱害分為土壤干旱和大氣干旱。土壤干旱是指長期無雨或少雨的情況下，土壤中儲存的有效水分幾乎消耗殆盡，作物根系不能吸收足夠的水分以補償蒸騰的消耗，致使體內水分狀況惡化而受害，如無降水和灌溉的補給，土壤干旱將逐漸加重而受害。大氣干旱是指溫度高，空氣極度干燥，有時還伴有一定風力，作物蒸騰十分強烈，致使體內嚴重缺水而受害。大氣干旱和土壤干旱往往互相聯(lián)系，大氣干旱常常是土壤干旱的前兆，土壤干旱往往是大氣干旱延續(xù)的結果[1]。

長期的大范圍干旱形成旱害，將使農作物大幅度減產，甚至顆粒無收。旱害是中國歷史性的自然災害，受害面積最大、范圍最廣、對農業(yè)生產的危害最重[2]。1950—2007年，全國農業(yè)平均每年因干旱而受災的面積為3.26億畝(1畝≈666.67 m2)，其中成災面積1.86億畝，年均因旱災損失糧食158億kg，占各種自然災害造成糧食損失的60%以上。全國農作物年均因旱災損失糧食由20世紀50年代的43.5億 kg上升到90年代的209.4億 kg，而2000年以來更是高達372.8億kg。近年來，我國干旱災害頻繁發(fā)生，1950—1990年，我國共有11年發(fā)生了重、特大干旱，造成的糧食損失占總產量的4.02%;而1991—2009年，我國共有8年發(fā)生重、特大干旱，造成的糧食損失占總產量的6.09%。過去，北方地區(qū)主要以冬春旱為主，近些年已經呈現(xiàn)出連季干旱、連年干旱的趨勢。1997—2000年北方大部分地區(qū)持續(xù)3年嚴重干旱;2004年秋季至2007年夏季甘肅東北部持續(xù)3年干旱;2008年冬季至2009年春季北方冬麥區(qū)嚴重干旱;2009年東北部分地區(qū)夏伏期間發(fā)生嚴重的卡脖旱等。種種跡象表明，旱災持續(xù)的過程有拉長的趨勢。

在全球氣候變化的大趨勢下，未來旱災的頻率和程度勢必增加，北方地區(qū)農業(yè)干旱災害同樣有加重趨勢。其原因在于:a.北方半干旱地區(qū)未來降水量雖然有增有減，但幅度不大，入不敷出的水分嚴重虧缺局面不會有多大改變;b.隨著北方氣候變暖，蒸散量必然增大，土壤水分狀況會日趨惡化，土壤變干促使北方干旱地區(qū)旱情更為嚴重;c.從歷史資料分析，也可證明中國北緯35°以北地區(qū)在進入20世紀以后氣候偏旱。

干旱同其他氣象災害有所不同，具有累積性，可以通過各種措施防御，其中工程抗旱減災措施具有見效快、作用范圍廣等優(yōu)勢，人們可以根據地區(qū)特點的不同選擇適宜的防旱抗旱工程措施。

2 干旱對作物的影響

干旱對作物的危害程度與其發(fā)生的季節(jié)和作物的種類、品種、生育期有關。春旱影響春播作物的適時播種，使幼苗出土困難，造成缺苗斷壟。對于越冬作物，春旱將嚴重影響抽穗、開花，甚至使子粒不能正常灌漿和成熟，產量顯著降低。北方初夏干旱會阻礙玉米抽穗，形成所謂“卡脖旱”，對產量有很大的影響。初夏旱還會影響夏種作物的播種和出苗，使其出苗不齊或生育期推遲。7—8月氣溫最高、作物需水最多，耐旱力最差，這時發(fā)生的伏旱，影響玉米、高梁的正常發(fā)育，造成棉花蕾鈴脫落。在南方，伏旱影響早稻和中稻的正常灌漿和晚稻的移栽成活。秋旱發(fā)生使夏播作物和部分晚熟春播作物水分供應條件惡化，影響正常灌漿成熟，延遲秋播作物適時播種和出苗生長，特別是夏旱和秋旱連續(xù)發(fā)生時，則對秋收和秋播作物的影響更為嚴重，有時甚至造成完全失收。華南地區(qū)的冬旱對繼續(xù)生長的農作物不利[3]。

作物對干旱的抵抗能力稱為抗旱性。不同的作物抗旱性不同。水稻的抗旱性最弱，遇干旱而無灌溉時減產嚴重，陸稻其次，大麥、小麥、黑麥、胡麻和花生抗旱性較強，糜子、高梁、甘薯、谷子、馬鈴薯、綠豆等被認為是最抗旱的作物。作物對不同類型干旱的反應也不一樣，豆科作物根系發(fā)達，抵抗土壤干旱能力強，但不能忍受大氣干旱;而玉米則相反，抵抗大氣干旱能力強而不能忍受土壤干旱。

干旱對作物各生育期都會發(fā)生危害，但作物的不同生育階段對干旱的敏感性不一樣。作物的水分臨界期出現(xiàn)旱害將影響到作物的發(fā)育，特別是產量。例如，小麥、水稻等谷類作物的水分臨界期在生殖器官形成期，一般是拔節(jié)到抽穗期，這時期缺水將影響小花分化，使作物的穗粒數減低。玉米的水分臨界期主要發(fā)生在抽雄前“大喇叭口”時期，這時的干旱即“卡脖旱”會直接影響雄花的正常發(fā)育。而作物的水分臨界期并不是它們需水量最大的時期，后者往往是在灌漿成熟期，缺水將影響粒重的提高，使產量降低。有些作物的水分臨界期與最大需水量時期相重合，如高梁、谷子的水分臨界期為抽穗到灌漿。

3 抗旱減災工程技術

3.1 集水工程

在干旱地區(qū)，降水量常年較少，在作物生長季節(jié)不能滿足作物生長發(fā)育的需要。必須采取措施，把地表上較大面積上的少量降水聚集到小塊耕地或池塘內，以滿足耕地上作物生長的需要。雨水集存起來的水量是可觀的。比如在1 hm2土地上，降10 mm的雨量，就等于100 m3的水量。集水技術是干旱地區(qū)發(fā)展徑流農業(yè)(或稱聚流農業(yè))的基礎。所謂徑流農業(yè)，就是充分利用現(xiàn)有的降水資源和徑流資源把集水技術與農業(yè)生產相結合的農業(yè)生產技術的總稱[4]。

1)集水技術:通過改變地表狀況，使其不易滲水，以增加地表徑流。其方法有:a.田地修整:在土壤沖刷不嚴重的坡面上，清除巖石和草木，并把土壤表面壓實，以增加降雨徑流。再沿崗坡等高線修渠道或石壩來匯集徑流水，并輸送到坑塘里或引入較低的農田，把水集存起來。b.化學處理:用化學藥品處理土壤。這些化學藥品能封閉土壤使土壤具有斥水性。鈉鹽能使土壤中的粘粒分散成小粒，部分地封閉土壤孔隙和裂隙，可使許多含有粘粒的土壤增加徑流。鈉鹽價廉，容易購備，并能抑制雜草生長，是經濟實用的土壤封孔劑。經常使用的斥水性化學藥品有硅酮、膠乳、瀝青和石蠟。瀝青適用于噴灑鋪面，用于建造廉價、不透水的集水區(qū)。試驗證明，用石蠟處理集水區(qū)，產生的徑流量為降水量的90%，未處理的對照只產生30%的徑流。c.土壤覆蓋:在一些情況下，用一層防水薄膜把土壤覆蓋上要比把土壤本身制成不泄水表面更好些。尤其對于多孔的、不穩(wěn)定的土壤，用塑料薄膜覆蓋雨水匯集區(qū)是很經濟實用的，但薄膜容易被風損壞。試驗證明，塑料薄膜上蓋以砂石，效果很好。砂石保護了底層的薄膜，使其不受輻射和風的破壞，便于修建和管理，有效使用期可超過20年。

2)現(xiàn)代集水工程技術。包括集水區(qū)和種植區(qū)兩個部分，把集水區(qū)收集的降水，直接引入種植區(qū)以種植作物，或把集水區(qū)與蓄水區(qū)結合起來，把集水區(qū)收集的降水引入蓄水池集存起來，然后在旱季缺水時，利用蓄水池的水引入農田進行補充灌溉。

3.2 蓄水工程

蓄水工程包括流域蓄水工程和田間蓄水工程，流域蓄水工程系統(tǒng)包括蓄水工程及其附屬設施。蓄水工程(或稱儲水體，蓄水設施)形式可分為水窖(窯)、蓄水池、澇池和塘壩等類型，其作用是存儲雨水。它和集流面之間應有相關的配套設施，如引水管(渠)、沉沙池、攔污柵、進水管(渠)等，蓄積的水用于農作物需水時補充灌溉。田間蓄水工程就是把天然降水蓄于“土壤水庫”之中，盡量減少農田內的各種徑流損失，需要因時因地制宜采取各種適宜措施。主要包括:a.深松翻。深耕翻加深耕層，疏松土壤，增加土壤中的大孔隙，以增加雨水入滲速度和數量，避免產生地面徑流;打破犁底層，熟化土壤，創(chuàng)造一個深厚的耕作層，促進根系生長發(fā)育。深耕的時間應與當地雨季的來臨相吻合。干旱地區(qū)夏季作物收后夏閑地深耕的時間一般應在當地雨季開始之際，以便充分接納雨水。秋耕時間一般于秋作物收后抓緊進行，盡早耕翻能切斷毛細管，減少地表蒸發(fā)，還可接納部分秋季降水，干旱地區(qū)一般不宜板茬越冬。b.增加土壤有機質，通過秸稈還田、增施有機肥等方式增加土壤的有機質。有機質除了可以為作物生長提供養(yǎng)分外，也是非常好的蓄水保水材料[5]。

3.3 覆蓋抑蒸工程

主要包括地膜覆蓋和秸稈覆蓋。地膜覆蓋是指用厚度為0.002～0.02 mm的聚乙烯塑料膜進行的覆蓋。

1)地膜覆蓋的保墑、提墑作用:土壤含水量決定于土壤水分收支狀況，在北方干旱地區(qū)，如果地下水埋藏深度在3～4 m以下，土壤水分來源主要是降水，土壤失水的途徑主要是土壤蒸發(fā)和作物蒸騰。地膜覆蓋地面以后，切斷了土壤蒸發(fā)面與大氣之間水分交換的通道，土壤水分只能在地表與地膜之間的狹小空間內不斷蒸發(fā)，凝結并附著在地膜的下表面，然后降落到膜內的土壤上，滲入土壤表層。土壤水分就這樣在膜下不斷地蒸發(fā)—凝結—降落，循環(huán)不已。與此同時，土壤下層的水分在土壤溫度梯度的作用下不斷上移到表層，并參與膜下的水分循環(huán)，促進土壤水分向土壤表層聚集。因此，地膜覆蓋具有明顯的保墑、提墑作用。據中國農業(yè)科學院棉花所在河南試驗數據顯示，土壤濕度為20%的棉田，播種后30天，0～5 cm土層的失水量，露地為10.4%，蓋膜的為6.8%，蓋膜比露地減少3.6%，保水作用很明顯。播種后10天測定0～40 cm土層土壤含水量，露地減少1.2%，而蓋膜的不僅不減少，反而增加1%～2%。說明地膜覆蓋還具有提墑作用，使土壤下層的水分上移聚集在上層。另據遼寧棉麻研究所連續(xù)3年在5月份的測定結果，地膜覆蓋的土壤含水量與露地相比，5 cm處增加4.1% ～6.9%，10 cm處增加1.2% ～5.1%，20 cm處增加0.6% ～2.3%。由此可見，地膜覆蓋的土壤含水量與露地的差異，土壤表層最顯著，愈往下差異愈小[4]。

地膜覆蓋存在的問題是廢膜污染環(huán)境的潛在危險。農田多年覆蓋地膜，殘膜清除不凈，就會造成土壤污染。這一問題的解決須多方面、多途徑的共同努力。草纖維膜(簡稱草膜)覆蓋以及對光解膜、紙膜的研制都是很有意義的探索。隨著高分子化學的進一步發(fā)展，廉價的合成樹脂薄膜的大量生產和薄膜加工工藝的進步，成本會不斷下降。當前我國農業(yè)科研部門和生產單位對地膜覆蓋方法(如一膜兩用、溝壟覆蓋等)的試驗、示范和推廣，將逐步總結出一套適用于不同地區(qū)、不同作物的操作簡便、成本低廉、效果顯著的地膜覆蓋栽培管理技術。地膜覆蓋在我國具有廣闊的發(fā)展前景[6]。

2)秸稈覆蓋:秸稈覆蓋不僅可以有效地抑制土壤蒸發(fā)，調節(jié)地溫，提高降水保蓄率，而且有培肥土壤，協(xié)調養(yǎng)分供應，抑制雜草，節(jié)水節(jié)能，增產增收的作用。與地膜覆蓋相比，秸稈覆蓋的優(yōu)點在于覆蓋材料充足，成本低，見效快，適用范圍廣，而且不污染土壤，用地養(yǎng)地結合，經濟效益、生態(tài)效益與社會效益都比較顯著。各種作物的秸稈約占生物產量的三分之一，所以每年都有大量的秸稈可用于覆蓋。秸稈覆蓋還田是先把秸稈覆蓋在農田一段時間，充分利用它來保護土壤，改善農田生態(tài)條件，等秸稈基本腐爛后，再翻壓還田，這是比較科學有效的秸稈還田方式。

3.4 節(jié)水灌溉工程

節(jié)水灌溉工程是根據作物需水規(guī)律及當地供水條件，通過工程性的一些措施有效地利用降水和灌溉水，獲取農業(yè)最佳的經濟效益、社會效益、生態(tài)環(huán)境效益。主要包括:a.低壓管道輸水灌溉，又稱管道輸水灌溉，是通過機泵或利用天然水頭和管道系統(tǒng)直接將低壓水引入田間進行灌溉的方法。這種利用管道代替渠道進行輸水灌溉的技術，避免了輸水過程中水的蒸發(fā)和滲漏損失，節(jié)省了渠道占地，能克服地形變化的不利影響，省工省力，一般可節(jié)水30%，增產20%，省地5%，且投資不大，普遍適用于我國北方井灌區(qū)。b.噴灌:是利用專門設備將水噴射到空中分散成細小的水滴，形成類似下雨效果的一種灌溉方法。噴灌受地形條件的限制小，在砂土或地形坡度達到5%等地面灌溉有困難的地方都可以采用，一般能增產15%，節(jié)水40%，提高工效20～30倍，提高耕地利用率7%。但噴灌受風力影響大，且容易產生蒸發(fā)損失，不適宜空氣特別干旱、風力較大的地區(qū)。由于噴灌設備投資較高，目前多用在水資源缺乏的經濟較發(fā)達地區(qū)。c.微灌:是利用專用設備將有壓水輸送分配到田間，通過灌水器以微小的流量濕潤作物根部附近土壤的一種局部灌溉技術。微灌是目前節(jié)水、增產、優(yōu)質效果最好的一種節(jié)水灌溉技術，但由于其投資較高，目前僅限于經濟作物中使用。微灌通常分為滴灌、微噴灌、小管出流灌和滲灌4種形式[6]。

3.5 人工增雨防旱工程

人工增雨是根據自然界降水形成的原理，人為地補充某些形成降水的條件，促成云層產生降水，增加降水或改變降水分布的措施，通過人工增雨工程緩解農業(yè)旱情。人工催化可以增加降水10%～20%，對發(fā)展旺盛的濃積云催化，甚至可以增大降水量1～2倍。我國北方地區(qū)多春旱，影響作物播種和出苗，在農作物生長關鍵期后進入雨季，但也常因年際波動出現(xiàn)旱象。人工增雨由于種種條件的限制，不可能每次都減緩旱情，但如能在農業(yè)生產關鍵時刻使雨量增加10%左右，就有可能使全國糧食少減產幾十億斤到上百億斤。在水庫流域按特定的設計進行人工增雨，可增加水庫蓄水[7]。

隨著科學技術的發(fā)展，以及人類面臨的水資源短缺狀況的日益嚴重，人工增雨具有廣闊的發(fā)展前景。

3.6 抗旱種衣劑包衣工程

經過連續(xù)3個五年計劃，由中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所研發(fā)的抗旱種衣劑已經形成了針對小麥、玉米、大豆、雜糧系列的綠色環(huán)保性抗旱種衣劑，并進行了中試和產業(yè)化生產，與種子生產企業(yè)合作，實施了抗旱種衣劑包衣工程，在內蒙古、山西、黑龍江等地得到了廣大用戶的認可?？购捣N衣劑以天然的抗旱物質為核心物質，以環(huán)保型高效內吸性的殺蟲劑和殺菌劑為病蟲害防治材料，同時，針對不同作物在種衣劑中復合了作物生長發(fā)育所需要的常量元素和微量元素，滿足作物生長發(fā)育需求?？购捣N衣劑是一種環(huán)保性的種衣劑，使用后在土壤中即成為種子防病治蟲的保護屏障，在逆境下，防止種腐病等發(fā)生，保證種子在逆境下的活力。當土壤水分達到種子萌發(fā)的要求時，抗旱種衣劑刺激種子萌發(fā)，促使作物根系發(fā)達，作物對水分養(yǎng)分吸收能力增強，從而使地上部分生長茁壯，苗齊苗壯、分藥增加。在山西壽陽玉米相關試驗表明，在播種期極端干旱的年份，具有生理節(jié)水抗旱功能的節(jié)水抗旱種衣劑處理出苗率為85%，而對照僅為40%，在土壤墑情比較好的年份，對照的出苗率為77%，抗旱種衣劑處理的為89%?？购捣N衣劑還具有降低作物氣孔開張度的作用，減少作物奢侈蒸騰。種衣劑處理在不同年份對不同農作物產量均有不同程度的提高，其中在干旱嚴重的年份對谷子的產量幅度提高達64%，對玉米產量提高最低也接近10%。作物水分利用效率提高7.0% ～33.0%，抗旱種衣劑包衣工程的實施對我國北方干旱地區(qū)作物的抗旱增產具有重要生產意義。

4 結語

農業(yè)抗旱減災工程種類多種多樣，除了上述提到的工程之外，還有諸如抗旱基因工程、抗旱監(jiān)測預警工程等，不同地區(qū)需要根據其不同特點，結合所在地區(qū)具備的條件，實施、集成與優(yōu)化不同的防旱抗旱減災工程，最大程度地減少干旱對農業(yè)生產的影響。

[1]張養(yǎng)才，何維勛，李世奎.中國農業(yè)氣象災害概論[M].北京:氣象出版社，1991.

[2]馮佩芝，李翠金，李小泉.中國主要氣象災害分析[M].北京:氣象出版社，1985.

[3]趙聚寶，李克煌.干旱與農業(yè)[M].北京:中國農業(yè)出版社，1995.

[4]趙聚寶，徐祝齡，鐘兆站，等，中國北方旱地農田水分開發(fā)利用[M].北京:中國農業(yè)出版社，1996.

[5]農業(yè)部農業(yè)機械化管理司，北京農業(yè)工程大學.旱地農業(yè)工程的理論與實踐[M].北京:北京農業(yè)大學出版社，1995.

[6]百度文庫.現(xiàn)代節(jié)水灌溉工程技術及特點[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/bf081b621ed9ad51f01df246.html，2012.

[7]任久江，王詠濤.農業(yè)減災指南[M].北京:中國農業(yè)出版社，1996.