西北地區(qū)高效節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及對策

藺寶軍，張 芮，高彥婷，張 帥

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

目前水資源短缺已經(jīng)影響到全球環(huán)境變化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。我國的水資源問題矛盾較為突出：北方干旱缺水、南方水災(zāi)害頻發(fā)、水資源供需不平衡、人均水資源占有量偏少。據(jù)統(tǒng)計(jì)中國水資源總量為2.8萬億m3，居世第6位，人均水資源占有量不到2220m3，僅為世界人均水平的1/4[1],預(yù)計(jì)2030年我國人口總數(shù)將達(dá)到16億人，屆時我國的人均水資源占量將從2220m3降至1750m3，成為世界上13個人均水資源最貧乏的國家之一[2]。

我國西北地區(qū)轄陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆5省區(qū)和山西、內(nèi)蒙古的部分區(qū)域，總面積約為3.69×10km2，占全國國土面積的38.4%[3]，屬水資源供需矛盾最為突出、水資源短缺問題最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。西北地區(qū)水資源總量大約為2027億m3，僅占全國水資源的7.25%[4]，年均降水量230mm，蒸發(fā)量約為1840～2300mm[5]。人均水資源占有量只占全國人均水平的80.5%[6]，耕地畝均水資源量857m3，占全國平均水平的3/5,且西北地區(qū)人口、耕地、水資源分布極不均衡，有很大一部分水資源分布于自然條件極差的地區(qū)以及人煙稀少、甚至無人區(qū)，而自然條件好、人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的綠洲區(qū)的水資源量極其有限。

西北干旱地區(qū)水資源的嚴(yán)重匱乏不僅制約區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展和人民生活水平的提高，也給西北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水帶來嚴(yán)重挑戰(zhàn)，如何將現(xiàn)有水資源合理開發(fā)、高效利用、優(yōu)化配置是實(shí)現(xiàn)西北地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要保證。農(nóng)田灌溉用水是西北地區(qū)主要用水，其比例占到總用水量80%左右，因此，因地制宜的采用新型、高效的節(jié)水灌溉技術(shù)成為西北干旱地區(qū)水資源集約利用的主要措施。

1 西北地區(qū)農(nóng)業(yè)用水及高效節(jié)水灌溉技術(shù)現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)節(jié)水對于保障西北地區(qū)糧食安全、水資源安全、維護(hù)生態(tài)環(huán)境安全具有重要的戰(zhàn)略意義；是促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展以及改善人民生活水平、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必要選擇。西北地區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率相對較低。據(jù)相關(guān)資料顯示：我國農(nóng)業(yè)用水占全國總用水量的60%左右，其中農(nóng)田灌溉用水量可占農(nóng)業(yè)用水量的90%～95%，而西北旱區(qū)與之比較，農(nóng)業(yè)用水總量占到西北地區(qū)總用水量的85%左右，且西北地區(qū)的用水效率只有東、中部及西南地區(qū)的24%～39%[7- 8]。西北地區(qū)耕地質(zhì)量總體較差，農(nóng)田灌溉水的利用率較低，陜西、甘肅、寧夏和新疆灌溉水利用系數(shù)分別為0.545、0.537、0.514和0.506[9- 12]。2012年1月，國務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》，提出到2030年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.6以上。目前，發(fā)達(dá)國家的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)已經(jīng)達(dá)到0.7～0.8，我國與之比較，相距甚遠(yuǎn)，采用有效的節(jié)水灌溉措施勢在必行。

西北地區(qū)高效節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣一直是國家農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)，主要包括噴灌、微灌(滴灌所占比例最大)及管灌。自20世紀(jì)70年代以來，陜西、青海、新疆等地先后建立了噴灌系統(tǒng)，尤其以新疆發(fā)展較快，近幾年膜下滴灌技術(shù)在新疆等地大面積推廣，節(jié)水、保墑增溫效果顯著，滴管技術(shù)也受到西北各省市的重視，在張掖農(nóng)場果樹以及寧夏的枸杞種植中相繼得到實(shí)驗(yàn)。2015年國家出臺文件《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃》，提出將水資源緊缺作為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)問題解決,并提出在西北地區(qū)規(guī)?；七M(jìn)噴灌、微灌、滴灌以及管灌等高效節(jié)水工程建設(shè)以緩解西北地區(qū)水資源供需矛盾和解決灌溉水嚴(yán)重浪費(fèi)等問題。

1.1 噴灌技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀

噴灌是利用專門的設(shè)備將有壓水送到灌溉地帶，噴射并散成細(xì)小的水滴，滋潤作物的一種灌溉方法。噴灌可根據(jù)不同的土壤和灌水需求，適時適量的灌溉，而且不產(chǎn)生深層滲漏和田間徑流，保土保肥，灌水均勻，田間灌水有效利用率高，與地面灌溉相比，一般可節(jié)水30%～50%[13- 14]；噴灌適用于各種透水性、尤其是透水性大的土壤，常用于經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜、果樹、苗圃等的灌溉，噴灌技術(shù)節(jié)省勞力，占耕地少，據(jù)統(tǒng)計(jì)，與地面灌溉相比，用工可減少1/6，可節(jié)省土地7%～13%；而且噴灌增產(chǎn)效益明顯，糧食作物增產(chǎn)10%～20%，經(jīng)濟(jì)作物增產(chǎn)20%～30%，蔬菜增產(chǎn)1～2倍[15]；噴灌也是鹽堿地土壤改良的優(yōu)選方法之一，可縮短治鹽周期，脫鹽效果好[16]。近幾年，噴灌取得了可觀的成績，2013年陜西省發(fā)展噴灌面積5.2萬hm2[9]。2015甘肅省有效灌溉面積130.7萬hm2，其中噴灌占1.94%，寧夏地區(qū)有效灌溉面積50.7萬hm2，其中噴灌占7.11%；新疆地區(qū)有效灌溉面積達(dá)494.5萬hm2，其中噴灌占0.74%[17]。同時，很多學(xué)者也致力于噴灌效應(yīng)的研究。姚素梅等發(fā)現(xiàn)與地面灌溉相比，噴灌有利于中筋小麥成熟期籽粒淀粉積累，并在一定程度上提高了中筋小麥淀粉品質(zhì)[18]，與此同時，噴灌處理后冬小麥平均灌漿速率和最大灌漿速率均增大，千粒質(zhì)量也得到了提高[19]。并且節(jié)水灌溉(噴灌>滴灌>溝灌)能顯著改善土壤通透性、提高土壤微生物豐度[20]。

1.2 微灌技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀

微灌優(yōu)勢顯著，尤其是在精準(zhǔn)灌溉和水肥一體化方面，可根據(jù)不同需求適時適量的施肥灌水，是實(shí)現(xiàn)水肥耦合的重要措施之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，滴灌可節(jié)水40%～60%，節(jié)肥30%～50%[21]；微噴灌較畦灌而言可減少灌水量67.5～75.0mm[22]。目前，滴灌是應(yīng)用最廣泛的微灌技術(shù)，其中膜下滴灌技術(shù)優(yōu)勢顯著，是一種結(jié)合了以色列局部浸潤滴灌技術(shù)和國內(nèi)作物覆膜栽培技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的新型節(jié)水灌溉技術(shù)，屬于局部灌溉技術(shù)[23]，兩者的有效結(jié)合使得膜下滴灌技術(shù)在節(jié)水增產(chǎn)、減少地表水的深層滲漏的同時還能夠保墑增溫、減少土壤棵間的無效蒸發(fā)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，膜下滴灌較傳統(tǒng)地面灌溉可節(jié)約用水量的7/8,較噴灌可節(jié)水1/2,較普通滴灌節(jié)水30%[24]，大幅度提高了作物水分利用效率；同時膜下滴灌技術(shù)還能夠有效的改善農(nóng)田小氣候，促進(jìn)土壤水、氣、熱、肥協(xié)調(diào)運(yùn)移。據(jù)研究，膜下滴灌技術(shù)能夠降低作物根區(qū)土壤的鹽分濃度，形成淡化的脫鹽區(qū)，防止土壤次生鹽堿化?！笆濉逼陂g，國家將微灌作為西北地區(qū)重點(diǎn)節(jié)水灌溉技術(shù)進(jìn)行推廣，取得了顯著效果。2013年陜西省微灌面積1.93萬hm2，占有效灌溉面積的1.60%[9]。2014年，西北各省市的微灌面積已達(dá)372.67萬hm2，占全國微灌面積的67%，僅新疆(含兵團(tuán))就達(dá)29.03萬hm2，所占比重最大。2015年，甘肅省微灌面積達(dá)16.99萬hm2，占有效灌溉面積的13.01%[19]；寧夏自治區(qū)微灌面積達(dá)8.41萬hm2，占有效灌溉面積的16.58%；新疆(含兵團(tuán))微灌面積達(dá)322.02萬hm2，占有效灌溉面積的65.12%。其中膜下滴灌也取得了顯著成果，膜下滴灌技術(shù)最早(1996)在新疆實(shí)施推廣，2004年時膜下滴灌技術(shù)推廣到20萬hm2以上，2012年膜下滴灌面積已推廣至200萬hm2以上。目前，膜下滴灌技術(shù)在我國已推廣7000萬畝，并且在40余種作物種植中得到應(yīng)用，其中小麥、玉米、棉花等主要大田作物平均增產(chǎn)30%以上[25]。膜下滴灌作為高效節(jié)水灌溉技術(shù)一直是節(jié)水灌溉領(lǐng)域熱門研究內(nèi)容。為提高水分利用效率、節(jié)約用水，李昭楠、李唯等在西北干旱區(qū)戈壁葡萄的種植中采用了膜下滴灌的灌溉技術(shù)，并開展了實(shí)驗(yàn)與不覆膜常規(guī)滴灌進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用膜下滴灌技術(shù)比不覆膜常規(guī)滴灌節(jié)水33%[26]。為探明干旱地區(qū)膜下滴灌玉米土壤水熱鹽效應(yīng)及秋澆洗鹽灌溉的效果，孫貫芳、屈忠義等進(jìn)行了大量的田間試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：氣溫、灌水、玉米葉面積指數(shù)及土壤含水率共同作用影響土壤溫度，玉米生育期各處理膜內(nèi)0～40cm不積鹽，控制灌水下限為10kPa可有效淋濾0～100cm土壤鹽分[27]。齊智娟、馮浩等為探明干旱地區(qū)膜下滴灌大田玉米在不同覆膜耕作方式下土壤水熱的運(yùn)移規(guī)律，開展了兩年的田間試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)壟作全膜(LQ)處理較壟作半膜(LB)、平作全膜(PQ)和平作半膜(PB)3個處理，在苗期、拔節(jié)期、抽雄期，土壤含水率均有大幅度提高[28]。

1.3 低壓管灌技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀

低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)是以壓力(一般不超過0.2MPa)管道代替明渠的一種輸水技術(shù)，是井灌各類作物灌溉的一種主要模式，該模式操作簡單，便于管理，其特點(diǎn)是出水口流量較大，出水口所需壓力較低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，低壓管道輸水灌溉水利用系數(shù)可提高到0.95，比襯砌渠道減少滲漏損失15%～20%[29]，雖不及噴灌和膜下滴灌節(jié)水，但就西北各地應(yīng)用低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，地面灌溉仍占主導(dǎo)地位,且低壓管道輸水灌溉也有其自身的優(yōu)勢，低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)與噴灌系統(tǒng)比較，管材承壓較低、不需要加高壓的機(jī)泵裝置，因此投資相對低，工程見效快，與滴灌系統(tǒng)比較，低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)對水質(zhì)的要求相對較低，無需設(shè)置專門的過濾器，因此，被廣泛的應(yīng)用于西北地區(qū)的部分省市，據(jù)統(tǒng)計(jì)：2013年陜西省發(fā)展低壓管道輸水灌溉面積21.33萬hm2，占有效灌溉面積的17.63%[9]。2015年甘肅、寧夏、新疆低壓管道輸水灌溉面積分別占有效灌溉面積的11.99%，、1.43%，、2.37%[19]。趙文功對青海土渠、混凝土襯砌渠、PVC管道3種形式的輸水效率進(jìn)行比較，相比土渠和混凝土襯砌渠道，低壓管道輸水的渠系水利用系數(shù)分別提高了90.2%和11.4%，灌溉水利用系數(shù)分別提高了92.3%和11.9%[30]，為低壓管道輸水在青海淺山區(qū)的應(yīng)用提供了重要依據(jù)。

1.4 其它高效節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展情況

微潤灌是一種新型地下精準(zhǔn)灌溉方式，屬于局部灌溉，是將高分子半透膜微潤管埋入地下，連續(xù)的向作物根區(qū)供給微量的水、肥，以滿足作物生長需要。其最主要的特點(diǎn)是節(jié)水節(jié)肥。與溝灌相比，經(jīng)微潤灌處理的黃瓜在全生育期可節(jié)水54.9%，水分利用效率可提高1.3倍[31]。與微噴灌相比，經(jīng)微潤灌處理的草坪，生長更好、質(zhì)量更高[32]。與滴灌相比，微潤灌處理的冬小麥可節(jié)水1/4，節(jié)水50%～80%[33]。

微潤灌、調(diào)虧灌溉節(jié)水效果明顯，優(yōu)勢顯著，但是應(yīng)用有限，并沒有大面積大田實(shí)踐，要在西北地區(qū)大面積推廣，還需解決自身的一些問題，例如微潤灌灌水量小能否及時有效的滿足大田作物的需水要求以及灌水器的堵塞問題等。

2 討論

近些年，西北地區(qū)在高效節(jié)水灌溉技術(shù)推廣應(yīng)用中取得了一定的成績，但就各類高效節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣情況和應(yīng)用現(xiàn)狀來看還存在一些問題。

2.1 噴灌技術(shù)應(yīng)用中存在的問題

西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)落后，受地域、資金、技術(shù)、設(shè)備、灌溉面積的制約，現(xiàn)有的噴灌形式單一，控制面積小。

噴灌設(shè)備產(chǎn)品性能較差，設(shè)備的可靠性、耐久性較差，設(shè)備老化快，使用2年后，問題較多，維修頻繁。

計(jì)算機(jī)應(yīng)用和智能化控制、自動化管理方面還亟待提高。目前，噴灌技術(shù)的發(fā)展已從過去的水利、機(jī)械化控制逐步轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)控制，發(fā)展到模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[34]，向著低能耗精準(zhǔn)灌溉和變量施水精準(zhǔn)灌溉方向發(fā)展。與國外以及我國一些發(fā)展較快的地區(qū)先相比，西北地區(qū)的信息化水平還有一定差距，計(jì)算機(jī)輔助應(yīng)用，遙感控制，智能化，現(xiàn)代化操作、管理，基于GPS，GIS,PS的精準(zhǔn)灌溉技術(shù)還十分欠缺。

2.2 膜下滴灌技術(shù)應(yīng)用中存在的問題

膜下滴灌條件下水肥耦合效應(yīng)方面的研究欠缺；長期膜下滴灌會使得灌溉水中的鹽分集聚在作物根底，并沒有使鹽分排除土體[35]，雖然可以防止土壤次生鹽堿化，但治標(biāo)不治本。

膜下滴灌因?yàn)樯婕暗礁材ぴ耘喾N植方式，因此會有大量的地膜殘留，有研究表明：殘膜對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境危害甚大，可以破壞土壤結(jié)構(gòu)、抑制土壤微生物和土壤酶的活性、阻礙水肥的運(yùn)輸，導(dǎo)致作物減產(chǎn)，且大量的殘膜造成白色污染，引發(fā)次生環(huán)境問題[36- 37]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，西北地區(qū)殘膜量較華中、華北、華南、東北、西南等地最大，而且據(jù)資料顯示，新疆是我國殘膜量最大的地區(qū)，殘膜量達(dá)128.12kg/hm2[38]。

2.3 低壓管道輸水灌溉技術(shù)應(yīng)用中存在的問題

田間工程的標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，配套設(shè)施不夠完善。田間工程從設(shè)計(jì)到施工再到驗(yàn)收投入使用，缺乏嚴(yán)格的規(guī)范要求，致使有些地區(qū)出現(xiàn)地埋管道、井、電、泵、田間灌溉系統(tǒng)不能協(xié)調(diào)配套的現(xiàn)象，例如有井無泵、有泵無電等。

管理制度有待提高和完善。重建輕管現(xiàn)象依然存在，農(nóng)民對節(jié)水灌溉重視不夠，認(rèn)識不夠，管理維護(hù)參與意識不夠，加之相應(yīng)的管理制度不夠健全，致使有些工程不能達(dá)到設(shè)計(jì)年限標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)期節(jié)水效果；

低壓管道在田間的使用，依舊沿用傳統(tǒng)溝、畦灌的方法，田間水的利用效率雖然有所提高，但相比而言，還是較低。

3 解決對策及發(fā)展展望

3.1 開展噴灌技術(shù)信息化探索與應(yīng)用研究

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，噴管機(jī)組將更加輕型化，單機(jī)控制面積將更大，機(jī)組的種類將更多，適用于大田作物，草坪灌溉、果樹田園噴灌的各類噴灌設(shè)備精細(xì)化、多樣化發(fā)展；隨著數(shù)字化、信息化農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)將更多應(yīng)用于灌溉體系中，實(shí)現(xiàn)模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制；實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測土壤養(yǎng)分、溫度、含水率、氣壓等相關(guān)指標(biāo)，自動化監(jiān)測氣象指標(biāo)等。

3.2 開展滴灌技術(shù)與生態(tài)農(nóng)藝技術(shù)耦合模式研究

西北地區(qū)推廣膜下滴灌技術(shù)優(yōu)勢顯著，但還需深入研究。膜下滴灌節(jié)水效果明顯，可以有針對性的研究膜下滴灌條件下作物的增產(chǎn)機(jī)理，探索適合于膜下滴灌條件下高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的作物品種和種植模式；進(jìn)一步深入的研究膜下滴灌條件下水、鹽、熱、肥之間的相互影響與運(yùn)移規(guī)律，探索如何有效的解決積鹽問題；一方面致力于可降解膜的研究和應(yīng)用，另一方面重視殘膜的回收，同時生物覆蓋技術(shù)措施能增加土壤微生物和土壤養(yǎng)分量，具有蓄水保墑、肥田增產(chǎn)的作用，研究采用生物覆蓋技術(shù)具有一定意義。

3.3 重視節(jié)水技術(shù)研究，提高輸水標(biāo)準(zhǔn)

從工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、運(yùn)行、管理每一環(huán)節(jié)要有嚴(yán)格的規(guī)范和要求，提升管道輸水工程的標(biāo)準(zhǔn)，提升田間工程的標(biāo)準(zhǔn)和配套程度；發(fā)展推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水的高效綜合技術(shù)，將農(nóng)業(yè)節(jié)水措施和工程節(jié)水措施有機(jī)結(jié)合；在引用或研制精確量水設(shè)備的同時，完善灌區(qū)計(jì)量設(shè)施，實(shí)現(xiàn)用水的精準(zhǔn)計(jì)量和數(shù)字化管理，完善灌溉水資源配置調(diào)度，從粗放到精細(xì)的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)來用水的計(jì)算機(jī)實(shí)時監(jiān)控和配置，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)用水管理和行政管理的數(shù)字化。

在發(fā)展工程節(jié)水措施的基礎(chǔ)上加大對生物節(jié)水措施和農(nóng)藝節(jié)水措施的研究推廣，同時加強(qiáng)灌區(qū)信息化建設(shè)調(diào)虧灌溉，控制性分根交替灌溉，痕量灌溉以及智能水肥一體化與滴管技術(shù)的耦合和精準(zhǔn)施肥、精準(zhǔn)灌溉等是近幾年討論研究的熱點(diǎn)，應(yīng)重點(diǎn)投入、深入研究。

4 結(jié)語

“十二五”期間國家將西北地區(qū)作為節(jié)水灌溉技術(shù)研究推廣的重點(diǎn)區(qū)域，并且取得了顯著成果，截止2015年，噴灌和微灌在內(nèi)蒙古、新疆、寧夏及甘肅的推廣面積占有效灌溉面積的比重均超過全國平均水平。發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)勢在必行，是一項(xiàng)長期而艱巨的工作任務(wù)。隨著“十二五”規(guī)劃的完成以及“十三五”規(guī)劃的實(shí)施，新型的節(jié)水灌溉技術(shù)在西北地區(qū)的發(fā)展成績顯著，但同時各種灌溉技術(shù)也暴露出很多問題，且調(diào)虧灌溉、微潤灌、智能水肥一體化技術(shù)、痕量灌溉等技術(shù)仍在試點(diǎn)研究，還未能大面積推廣。西北地區(qū)地域遼闊，應(yīng)因地制宜的推廣新型節(jié)水灌溉技術(shù)，充分水保障微灌、噴灌、管灌等的發(fā)展，同時兼顧新的生物節(jié)水措施和農(nóng)藝節(jié)水措施的研究推廣，令其相輔相成，并且提高灌區(qū)信息化水平，充分利用信息技術(shù)來提高灌溉工程的智能化和灌區(qū)行政管理的數(shù)字化程度。