西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)建設(shè)理論與技術(shù)保障體系構(gòu)建

鄧銘江 陶汪海 王全九 蘇李君 馬昌坤 寧松瑞

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710048；2.寒旱區(qū)水資源與生態(tài)水利工程研究中心， 烏魯木齊 830000)

0 引言

我國國土遼闊，氣候差異大，降水分布不均，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)發(fā)展水平差異顯著。面對日益增長的人口、資源和生態(tài)環(huán)境壓力，灌區(qū)尤其是大型灌區(qū)對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展作用更加顯著。我國灌溉農(nóng)田生產(chǎn)的糧食產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的75%，占經(jīng)濟(jì)作物的90%，其中大中型灌區(qū)占全國11%的耕地面積，生產(chǎn)了全國22%的糧食，創(chuàng)造了全國農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的1/3，保障了2.1億農(nóng)民的生產(chǎn)發(fā)展，是我國商品糧的重要生產(chǎn)基地，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有舉足輕重的地位[1-2]。

西北旱區(qū)包括新疆、青海、甘肅、寧夏、陜西和內(nèi)蒙古等6省(自治區(qū))范圍內(nèi)的黃河流域、內(nèi)陸干旱區(qū)和半干旱草原區(qū)，該地區(qū)北邊和西邊以國境線為界，東邊以大興安嶺為界，南邊以昆侖山、巴顏喀拉山、秦嶺為界，東西長3 800 km，南北寬2 100 km，面積3.45×106km2，占國土總面積35.9%[3]。西北旱區(qū)耕地面積有2.27×107hm2(占全國的19%)，灌溉農(nóng)業(yè)面積約有1.13×107hm2，是我國重要的糧食生產(chǎn)和耕地資源后備基地，灌區(qū)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展對于實(shí)現(xiàn)我國糧食安全具有重要意義。但西北旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展受到氣候干旱、水資源短缺、土壤鹽堿化和土地質(zhì)量低等多重自然條件的影響，同時(shí)灌區(qū)供水保證率低、灌排設(shè)施不配套、水肥利用效率低，導(dǎo)致生態(tài)用水與農(nóng)業(yè)用水矛盾加劇、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)不協(xié)調(diào)、農(nóng)民增產(chǎn)不增收等問題仍較為突出[4]。同時(shí)，現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)和先進(jìn)生產(chǎn)管理模式難以大面積推廣應(yīng)用，直接影響灌區(qū)生態(tài)環(huán)境和美麗鄉(xiāng)村建設(shè)戰(zhàn)略的實(shí)施。

在農(nóng)業(yè)資源環(huán)境約束增強(qiáng)和社會對農(nóng)產(chǎn)品安全要求提高的形勢下，須大力推進(jìn)灌區(qū)現(xiàn)代化改造，促進(jìn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，落實(shí)“藏糧于地、藏糧于技”的戰(zhàn)略方針，科學(xué)協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)建設(shè)間的關(guān)系，合理配置和高效利用農(nóng)業(yè)資源，建設(shè)環(huán)境優(yōu)美、人居適宜的生態(tài)灌區(qū)是當(dāng)前西北灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要任務(wù)。為此，本文對現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)建設(shè)理論與技術(shù)保障體系進(jìn)行深入研究，為西北灌區(qū)的總體功能提升提供理論指導(dǎo)。

1 灌區(qū)建設(shè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1.1 我國灌區(qū)發(fā)展歷程與成就

我國灌區(qū)發(fā)展歷程可分為3個典型階段：第1階段是1949—1979年，屬于灌溉工程大規(guī)模建設(shè)時(shí)期，建設(shè)新灌區(qū)和改建擴(kuò)大舊灌區(qū)，健全渠系建筑物，灌溉農(nóng)田面積大幅提升；第2階段是1980—1990年，屬于農(nóng)村土地經(jīng)營及灌區(qū)管理體制改革時(shí)期，灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率大幅提升；第3階段為1990年至今，屬于節(jié)水灌溉改造時(shí)期，升級和完善已建的灌溉工程設(shè)施，大力發(fā)展了節(jié)水灌溉技術(shù)[5]。我國灌區(qū)經(jīng)過70余年的發(fā)展建設(shè)，取得了顯著成效，農(nóng)業(yè)灌溉面積占世界總灌溉面積的21%，基本形成了世界上灌溉面積最大的農(nóng)田灌溉保障體系[6]，在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和糧食安全方面發(fā)揮了不可替代的作用。我國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)從1949年的0.3左右提升到2019年的0.56左右(西北旱區(qū)0.52左右)[7]，高效節(jié)水灌溉面積達(dá)到1.61×107hm2，在基礎(chǔ)設(shè)施、農(nóng)業(yè)用水效率、管理體制、基層服務(wù)、抗旱減災(zāi)及農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力等方面都明顯提高[8]。目前，全國擁有大型灌區(qū)456處，中型灌區(qū)7 316處，小型灌區(qū)2 058 200處。雖然人均耕地面積只有世界平均水平的30%，但耕地灌溉率是世界平均水平的3倍，人均灌溉面積與世界平均水平相近。

然而，隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，農(nóng)業(yè)水土資源高效利用，生態(tài)環(huán)境建設(shè)，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的集約化、機(jī)械化、精細(xì)化、智能化程度不斷提高，對灌區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施、功能、效益及管理模式等提出了新的要求，需要進(jìn)一步改進(jìn)灌排技術(shù)、改善生態(tài)環(huán)境、增加效率與效益、健全灌區(qū)現(xiàn)代管理和服務(wù)體系、綜合提升灌區(qū)生產(chǎn)和服務(wù)能力。

1.2 國外先進(jìn)灌區(qū)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)

人多地少是我國的基本國情，在人口多和耕地少的雙重壓力下，灌區(qū)的合理規(guī)劃與建設(shè)是保障我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全的重要途徑。以色列、日本、美國、歐盟等主要國家和地區(qū)在灌區(qū)建設(shè)和發(fā)展方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

以色列的自然條件與我國西北旱區(qū)有很多相似之處，其領(lǐng)土面積(2.5×104km2)的60%以上為沙漠和山地，耕地面積僅占23.8%。由于水資源的匱乏，以色列一直致力于農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的研究，不斷提高水資源利用效率。在20世紀(jì)80年代已基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化灌溉，現(xiàn)如今是灌溉科學(xué)最發(fā)達(dá)的國家之一， 60%以上的農(nóng)田和100%的果園、綠化區(qū)及蔬菜種植均采用滴灌技術(shù)，灌溉水利用效率達(dá)到95%，有75%的灌溉水實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用[9-10]。

日本國土面積約為3.8×105km2，其中2/3為山地，耕地面積約為4.7×104km2，人均耕地面積僅為中國的1/3。然而，日本自20世紀(jì)50年代從美國引進(jìn)噴灌技術(shù)，并形成了日本特色的噴灌灌溉農(nóng)業(yè)；到20世紀(jì)70年代末基本實(shí)現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化，有1/3的農(nóng)田采用自動化程度較高的管道輸水灌溉[11-12]。如今，日本重點(diǎn)提升灌區(qū)生態(tài)功能，重視農(nóng)田水利與生態(tài)環(huán)境間的和諧發(fā)展，強(qiáng)調(diào)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施及農(nóng)村環(huán)境的治理，大量的灌溉用水通過河道、池塘等在區(qū)域內(nèi)循環(huán)利用，在區(qū)域內(nèi)形成了動態(tài)水環(huán)境，對涵養(yǎng)地下水、保持生物多樣性、建設(shè)生態(tài)農(nóng)村發(fā)揮了重要作用[13]。

美國的國土面積有9.83×106km2，約有一半以上的國土面積為平原地區(qū)，為農(nóng)業(yè)機(jī)械的規(guī)?；a(chǎn)提供了便利。在20世紀(jì)中期，美國開始推廣大型噴灌技術(shù)；20世紀(jì)70年代基本實(shí)現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化，此后農(nóng)田水利建設(shè)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向推廣精準(zhǔn)灌溉和生態(tài)環(huán)境保護(hù)[14-15]。美國西部屬于干旱半干旱地區(qū)，但卻是農(nóng)業(yè)灌溉最集中的地區(qū)(80%的灌溉面積位于西部)，也是糧食主產(chǎn)區(qū)。占美國耕地16%的灌溉農(nóng)田提供了48%的農(nóng)作物產(chǎn)值。據(jù)美國農(nóng)業(yè)部測算，灌溉作物平均產(chǎn)值(2 400美元/hm2)是非灌溉作物(500美元/hm2)的4.8倍。大規(guī)模的灌區(qū)建設(shè)促進(jìn)了農(nóng)業(yè)規(guī)模化和現(xiàn)代化，并推動了貿(mào)易和工業(yè)發(fā)展[16]。

歐盟近年來主要致力于保護(hù)農(nóng)業(yè)水資源質(zhì)量，保障農(nóng)業(yè)安全，并制定《歐盟水框架指令》，旨在構(gòu)建綜合的流域監(jiān)測與管理系統(tǒng)。荷蘭是灌溉農(nóng)業(yè)非常發(fā)達(dá)的歐盟國家，代表著當(dāng)今世界現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，荷蘭注重信息化管控、田間監(jiān)測和大數(shù)據(jù)分析，在玻璃溫室環(huán)境控制方面，實(shí)現(xiàn)了全部自動化控制，包括光照系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)、水肥一體灌施系統(tǒng)、二氧化碳補(bǔ)充裝置以及機(jī)械采摘、監(jiān)測系統(tǒng)等，智能化的配肥噴灌系統(tǒng)、領(lǐng)先的生物防控技術(shù)形成了荷蘭高投入、高產(chǎn)出的高效經(jīng)營模式[17-18]。

1.3 西北灌溉農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在的問題

雖然我國西北地區(qū)灌區(qū)建設(shè)取得了巨大成績，但灌區(qū)運(yùn)行過程中仍然出現(xiàn)了多項(xiàng)急需解決的問題，相比國際先進(jìn)灌區(qū)的建設(shè)水平仍存在諸多不足，主要體現(xiàn)在如下方面：

(1)水資源過度開發(fā)利用，農(nóng)業(yè)用水需求有增無減。西北旱區(qū)水資源量約為1 303億m3(僅占全國5.7%)，單位面積水資源約為7.4×104m3/km2(僅為全國平均水平的1/5)[19]。農(nóng)業(yè)用水占該區(qū)域水資源消耗量90%以上，水分生產(chǎn)率為1.30 kg/m3[20-21]，與美國和以色列等灌溉發(fā)達(dá)國家相比(2.0 kg/m3以上)仍存在較大差距。此外，鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)、扶貧搬遷等社會工程仍需要大量的水土資源增量作為支撐。因此，西北灌區(qū)需要進(jìn)一步優(yōu)化水土資源配置，大力提升水土資源生產(chǎn)效率。

(2)土壤次生鹽堿化嚴(yán)重，鹽堿地改良和水鹽調(diào)控技術(shù)有待突破。我國鹽堿地主要集中在西北地區(qū)(占全國鹽堿地面積的2/3)，新疆鹽堿化程度最高，鹽堿化耕地面積為1.26×106hm2，約占耕地面積的1/3[22-23]。新疆地區(qū)高效節(jié)水灌溉面積達(dá)到3.34×106hm2，大規(guī)模的節(jié)水灌溉徹底改變了農(nóng)田水鹽運(yùn)移特征，以明排為主的鹽堿地改良模式已不可持續(xù)[24]。因此，急需發(fā)展規(guī)?；?jié)水下的灌區(qū)水鹽協(xié)同調(diào)控理論與技術(shù)，同時(shí)創(chuàng)新以“作物生長與鹽分和諧共處”為理念的鹽堿地改良技術(shù)，為灌區(qū)作物生長創(chuàng)造適宜的環(huán)境。

(3)偏重田間節(jié)水灌溉技術(shù)，忽視輸配水系統(tǒng)節(jié)水改造。由于渠道防滲率低，配套設(shè)施簡陋，水質(zhì)含沙量大，導(dǎo)致高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)供水保證率低，使灌溉系統(tǒng)的整體效果和效益欠佳。西北旱區(qū)絕大部分高效節(jié)水灌溉采用加壓灌溉，按3.34×106hm2滴灌面積推算，年耗電約50億kW·h，排放CO2約5.10×106t。西北旱區(qū)灌溉水源多來自山區(qū)河流或水庫，這些高位水源理論上不需加壓即可自流或自壓灌溉，放棄地勢落差而重新加壓灌溉，浪費(fèi)了巨大能源。因此，西北灌區(qū)的建設(shè)需進(jìn)一步發(fā)展高效節(jié)能降耗的輸配水系統(tǒng)。

(4)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)用水矛盾突出，農(nóng)業(yè)面源污染問題加劇。由于盲目擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，灌區(qū)農(nóng)業(yè)和生態(tài)需水超出水資源承載能力，引發(fā)諸多生態(tài)環(huán)境問題，導(dǎo)致糧食減產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率降低[25-26]。如新疆維吾爾自治區(qū)2017年用水總量為552億m3(超紅線26億m3)，同時(shí)地下水開采量超紅線35億m3，用水矛盾突出[27]。此外，為了提高生產(chǎn)能力，農(nóng)藥和化肥過量使用、不合理的地膜覆蓋利用及農(nóng)村廢水缺乏有效處理，造成灌區(qū)水土環(huán)境污染嚴(yán)重。因此，需要明晰灌區(qū)水土資源利用理論與方法，協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)間關(guān)系。

(5)節(jié)水灌溉面積迅速擴(kuò)大，但其良性運(yùn)行卻難以為繼。新疆維吾爾自治區(qū)是全國節(jié)水灌區(qū)面積最大的省區(qū)，占全國微灌面積75%以上。由于社會環(huán)境和經(jīng)濟(jì)能力的差異，南北疆節(jié)水灌溉發(fā)展水平差異較大，其中南疆地區(qū)已建成的高效節(jié)水工程運(yùn)行良好的僅有50%左右，造成大量浪費(fèi)[28]。目前高效節(jié)水每畝投資約700元(財(cái)政補(bǔ)助400元，農(nóng)民自籌300元)，而貧困地區(qū)財(cái)政和農(nóng)民自籌能力有限，導(dǎo)致高效節(jié)水工程建設(shè)和運(yùn)維先天不足。此外，部分工程技術(shù)模式、設(shè)備選型及設(shè)計(jì)方案不夠合理，影響了工程質(zhì)量和效益。因此，西北灌區(qū)的建設(shè)需進(jìn)一步完善灌區(qū)管理體制，保障灌區(qū)的良性運(yùn)行和農(nóng)業(yè)健康發(fā)展。

1.4 解決現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)問題的關(guān)鍵理論與技術(shù)

根據(jù)對西北灌溉農(nóng)業(yè)所面臨問題的分析，西北灌區(qū)建設(shè)亟待解決的關(guān)鍵理論和技術(shù)包括：

(1)水資源匱乏和生態(tài)環(huán)境脆弱是長期制約西北農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主導(dǎo)因素，不能以犧牲生態(tài)環(huán)境、浪費(fèi)資源為代價(jià)進(jìn)行擴(kuò)大再生產(chǎn)?，F(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)的建設(shè)需充分考慮農(nóng)業(yè)與草原、森林、荒漠及濕地等多種生態(tài)功能的協(xié)調(diào)關(guān)系，發(fā)展集“山水林田湖草沙”功能為一體的灌區(qū)生態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化布局理論。

(2)西北地區(qū)特殊的自然環(huán)境條件和相對落后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，導(dǎo)致水肥利用效率低、土壤鹽堿化、土地質(zhì)量退化嚴(yán)重，急需發(fā)展農(nóng)業(yè)物能轉(zhuǎn)運(yùn)高效調(diào)控理論，創(chuàng)新灌排系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)和農(nóng)田作物生境營造技術(shù)，為作物生長創(chuàng)造適宜的生長環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源高效利用。

(3)西北灌區(qū)缺乏有效的系統(tǒng)安全評估理論，直接影響灌區(qū)物能有效管理與調(diào)配，以及灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，因此急需發(fā)展西北內(nèi)陸河流域水土資源安全、西北灌區(qū)生態(tài)環(huán)境安全、西北灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全和西北地區(qū)文化服務(wù)安全等方面的評價(jià)理論，創(chuàng)新灌區(qū)生態(tài)功能提升技術(shù)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)健康和可持續(xù)發(fā)展。

2 現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)建設(shè)目標(biāo)與系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)的內(nèi)涵與特征

2.1.1定義和內(nèi)涵

現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)是指按照生態(tài)學(xué)原理規(guī)劃建設(shè)，具有高標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)田、完備的灌排系統(tǒng)、科學(xué)的水土資源配置、健康的生態(tài)環(huán)境、智能化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、精準(zhǔn)的關(guān)鍵過程監(jiān)測、高效的農(nóng)業(yè)資源利用、專業(yè)化的服務(wù)體系、優(yōu)美的人居環(huán)境，能規(guī)?；a(chǎn)高附加值優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的灌區(qū)。現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)是傳統(tǒng)灌區(qū)的繼承和發(fā)展，通過利用先進(jìn)的科技成果，合理配置水土資源與生態(tài)景觀結(jié)構(gòu)，提升灌區(qū)的綜合效能，保障灌區(qū)服務(wù)功能可持續(xù)發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)工程、經(jīng)濟(jì)、社會與自然間關(guān)系相協(xié)調(diào)，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供健康的生態(tài)系統(tǒng)、優(yōu)配的生產(chǎn)資料、先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)、協(xié)調(diào)的社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境等保障條件。

2.1.2西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)的基本特征

為了充分發(fā)揮西北地區(qū)光熱和土地資源豐富的優(yōu)勢，有效解決農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展所面臨的特殊問題，西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)的建設(shè)應(yīng)通過科學(xué)合理規(guī)劃農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，科學(xué)配置水土資源，提高資源生產(chǎn)能力，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，增加農(nóng)(牧)民收入，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境持續(xù)協(xié)同發(fā)展。西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)不僅承擔(dān)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品任務(wù)，而且擔(dān)負(fù)著營造優(yōu)良生態(tài)環(huán)境、傳承優(yōu)秀文化、建設(shè)富裕美麗鄉(xiāng)村的重任。因此西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)應(yīng)具有以下特征：優(yōu)質(zhì)的土地資源、先進(jìn)的節(jié)水灌溉、高效的控鹽排水、協(xié)調(diào)的生態(tài)環(huán)境、集約的物能利用、規(guī)模的生產(chǎn)經(jīng)營、智能的過程監(jiān)控、專業(yè)的科技服務(wù)、優(yōu)秀的文化傳承、持續(xù)的效能發(fā)揮。

2.2 西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)建設(shè)基本理論與技術(shù)框架

2.2.1基本框架

西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)建設(shè)的理論與技術(shù)體系構(gòu)建是以建設(shè)功能協(xié)同、系統(tǒng)健康和服務(wù)持續(xù)的現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)為目標(biāo)，以灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)、物能輸配系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)為建設(shè)對象，拓展西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)農(nóng)田物能調(diào)控、服務(wù)功能配置、系統(tǒng)安全評估等方面的三大理論，研發(fā)作物生境營造、灌排優(yōu)化設(shè)計(jì)、生態(tài)功能提升等方面三大技術(shù)，構(gòu)建以“三大目標(biāo)、三大系統(tǒng)、三大理論和三大技術(shù)”為要素的綜合現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)建設(shè)理論與技術(shù)保障體系(圖1) 。

圖1 現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)建設(shè)基本理論與技術(shù)框架Fig.1 Fundamental theoretical and technological basis for creation of modern ecological irrigation districts

2.2.2基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能及水分來源的灌區(qū)類型劃分

由于西北地區(qū)地域遼闊，降雨與水系分布和自然地理景觀地域差異顯著，形成了各具特色的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式、種植結(jié)構(gòu)、人居習(xí)性和文化傳承，灌區(qū)功能與定位及發(fā)展?jié)摿σ泊嬖陲@著差異，因此現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)應(yīng)根據(jù)區(qū)域差異分類建設(shè)。由于西北地區(qū)降水分布差異大，作物生長所需水分來源主要為降水和灌溉水。為了便于構(gòu)建適水發(fā)展灌區(qū)發(fā)展模式，依據(jù)西北灌區(qū)主要農(nóng)作物和林果需水特征(300～900 mm)，總體平均值約為500 mm。西北旱區(qū)主要作物種植區(qū)的有效降雨量為10～290 mm[29]。作物生育期內(nèi)降雨量或灌水量占作物需水量的比率，可視為其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的貢獻(xiàn)度。當(dāng)降雨貢獻(xiàn)度不足時(shí)，則必須依靠灌溉來保障作物的生育期需水。因此本文主要根據(jù)西北旱區(qū)主要作物的需水量和有效降雨量特征，將西北旱區(qū)灌區(qū)劃分為4類：

(1)灌溉依賴型灌區(qū)：指地區(qū)多年生育期降雨小于50 mm的灌區(qū)，生育期降雨對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)貢獻(xiàn)度小于10%，農(nóng)作物和生態(tài)用水主要依賴于人工灌溉實(shí)現(xiàn)，沒有灌溉就沒有農(nóng)業(yè)的灌區(qū)(如新疆準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地)。

(2)灌溉主導(dǎo)型灌區(qū)：指地處多年平均生育期降雨在50～150 mm的灌區(qū)，生育期降雨對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)貢獻(xiàn)度在10%～30%，農(nóng)作物用水主要依賴于人工灌溉，而生態(tài)林草生長僅需少量灌溉的灌區(qū)(如甘肅河西走廊)。

(3)灌溉補(bǔ)充型灌區(qū)：指地處多年平均生育期降雨在150～250 mm的灌區(qū)，生育期降雨對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)貢獻(xiàn)度在30%～50%，農(nóng)作物用水依賴于人工灌溉和天然降雨共同供水，而生態(tài)林草生長不需灌溉可維持正常生長的灌區(qū)(如寧蒙河套灌區(qū))。

(4)灌溉提質(zhì)型灌區(qū)：指地處多年平均生育期降雨大于250 mm的灌區(qū)，生育期降雨對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)貢獻(xiàn)度大于50%，降雨可以滿足作物生命需水，但無法滿足目標(biāo)產(chǎn)量所需水分，而生態(tài)林草生長不需灌溉可發(fā)揮有效功能的灌區(qū)(如黃土高原西北部地區(qū))。

3 西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)建設(shè)核心理論

為了建設(shè)功能協(xié)調(diào)、環(huán)境優(yōu)美的西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)，需要灌區(qū)服務(wù)功能優(yōu)化配置、農(nóng)田物能調(diào)控、生態(tài)系統(tǒng)安全評估方面的理論支撐。

3.1 西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)服務(wù)功能優(yōu)化配置理論

灌區(qū)服務(wù)功能優(yōu)化配置理論的核心是協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)間關(guān)系，需要明確灌區(qū)生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能定位，并提出水土資源優(yōu)化配置的科學(xué)方法。

3.1.1灌區(qū)生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能定位

3.1.1.1景觀生態(tài)系統(tǒng)

根據(jù)國家水土資源、生態(tài)環(huán)境和糧食安全等戰(zhàn)略需要，結(jié)合灌區(qū)中長期發(fā)展規(guī)劃、自然環(huán)境條件、資源優(yōu)勢、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)規(guī)劃和灌區(qū)類型，借助廣義景觀生態(tài)學(xué)和社會經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，明確灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)發(fā)展、人口增長趨勢，以及灌區(qū)風(fēng)災(zāi)、凍災(zāi)、土地退化、環(huán)境污染、生物多樣性降低等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)類型和等級。以整體論和系統(tǒng)論為指導(dǎo)，解析山(防風(fēng)、涵養(yǎng)水源)、水(蓄、輸、配水)、林(防風(fēng)固土、涵養(yǎng)水源)、田(農(nóng)業(yè)生產(chǎn))、湖(水生產(chǎn)品生產(chǎn)、水生態(tài)景觀)、草(牧業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù))、沙(沙漠植物、沙漠經(jīng)濟(jì))等生態(tài)單元的效能[30]，以及景觀要素和組分間互作關(guān)系，確立灌區(qū)尺度“山水林田湖草沙”生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能定位(圖2)。如新疆、河西走廊及柴達(dá)木盆地平原區(qū)，以天然草甸與林灌植被、人工耕地和水域等構(gòu)成的綠洲景觀占6.86%～25.3%，以戈壁、荒漠、裸土、礫石和沙漠化土地構(gòu)成的荒漠景觀占33.1%～72.2%，構(gòu)成了以荒漠為景觀基質(zhì)、綠洲為景觀鑲嵌的荒漠-綠洲-河渠廊道景觀模式。

圖2 灌區(qū)景觀生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能定位Fig.2 Structure and function of ecological landscape in irrigation districts

3.1.1.2農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不僅提供了生物和非生物之間物質(zhì)、能量、信息和價(jià)值轉(zhuǎn)化的載體，也為人類生活提供了承載空間，滿足人類生活的多種需求。生態(tài)空間、生產(chǎn)空間和生活空間構(gòu)成了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)“三位一體”的結(jié)構(gòu)定位，生態(tài)功能、生產(chǎn)功能和生活功能的正常發(fā)揮是維系農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)(圖3)。生產(chǎn)功能是以土地資源為載體產(chǎn)出各種產(chǎn)品和服務(wù)的功能，包括食物供給、原材料供給、生物質(zhì)能源供給等，生產(chǎn)功能的集約高效是農(nóng)業(yè)發(fā)展的根本動力；生活功能是為人類生產(chǎn)和發(fā)展提供的各種空間(如存儲空間、居住空間、移動空間等)和保障功能(科研、教育、休閑等)，生活功能的宜居適度是推動城鄉(xiāng)、區(qū)域、民族關(guān)系融合發(fā)展的紐帶；生態(tài)功能是維持人類生存的自然條件，包括氣候調(diào)節(jié)、涵養(yǎng)水源、水分和養(yǎng)分循環(huán)等，為生產(chǎn)和生活提供生態(tài)基礎(chǔ)，是社會生產(chǎn)活動順利開展的先決條件，并規(guī)定了生產(chǎn)空間、生活空間的發(fā)展方向。

圖3 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能定位Fig.3 Structure and function of agroecosystems

3.1.2現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)水土資源優(yōu)化配置

3.1.2.1土地資源優(yōu)化配置

按照灌區(qū)景觀生態(tài)格局和生態(tài)服務(wù)功能定位，科學(xué)規(guī)劃耕地、林地、草地、建設(shè)用地等土地資源，強(qiáng)化各功能區(qū)之間的協(xié)調(diào)性和互補(bǔ)性，使各土地資源類型的綜合生態(tài)效益最大。按照2%～10%農(nóng)田防護(hù)林用地規(guī)模，科學(xué)布局和建設(shè)防護(hù)林體系，構(gòu)建適用于西北旱區(qū)的農(nóng)田防護(hù)林的林帶規(guī)模和造林密度，有效提高控制風(fēng)災(zāi)和凈化空氣的效能；在河、湖、大型渠道岸邊設(shè)置100～500 m寬的環(huán)境保護(hù)區(qū)(如植被過濾帶)，用于控制進(jìn)入水體的污染物。對于受鹽堿威脅的灌區(qū)，在系統(tǒng)分析灌區(qū)鹽堿運(yùn)移轉(zhuǎn)化宏觀特征基礎(chǔ)上，基于灌區(qū)入流或引水帶入的總鹽量與灌區(qū)排水排出的總鹽量差值，建立不同灌區(qū)類型的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)鹽分運(yùn)移與轉(zhuǎn)化定量分析方法，明確灌區(qū)鹽堿合理處置空間，保障土地資源可持續(xù)利用。系統(tǒng)研究不同類型灌區(qū)土地質(zhì)量下降的主導(dǎo)因子與改良途徑，建立基于土壤質(zhì)地、化學(xué)組成、孔隙結(jié)構(gòu)、微生物群落、土壤供養(yǎng)能力為一體的土地質(zhì)量評價(jià)方法。以規(guī)模化生產(chǎn)、機(jī)械化作業(yè)、集約化經(jīng)營為導(dǎo)向，發(fā)展適宜的灌區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)方法，建立土地資源養(yǎng)用結(jié)合機(jī)制，提升土地資源生產(chǎn)和生態(tài)效能。

3.1.2.2水資源優(yōu)化配置

水資源是西北旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)建設(shè)的主控因子，灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境建設(shè)均以水資源承載能力為前提，以高效輸配、節(jié)能降耗、節(jié)水增效和適度規(guī)模為基本原則，合理配置水資源，科學(xué)協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)間關(guān)系，是灌區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)保障。在明確不同氣候條件下降水、冰雪融化及其河流來水特征基礎(chǔ)上，綜合分析流域骨干工程調(diào)蓄能力、灌排系統(tǒng)保障能力、節(jié)水模式的成本與效益、水土資源承載能力，科學(xué)確定水資源系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)及環(huán)境系統(tǒng)用水適宜度。在灌溉依賴型灌區(qū)、灌溉主導(dǎo)型灌區(qū)，構(gòu)建河道內(nèi)與河道外引水“三七調(diào)控”、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)耗水“五五分賬”的臨界閾值調(diào)控模式[31]，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會協(xié)調(diào)發(fā)展。在灌溉補(bǔ)充型和灌溉提質(zhì)型灌區(qū)，充分發(fā)揮降水對生態(tài)生命需水的補(bǔ)充功能，提升農(nóng)業(yè)用水比例。在工程、技術(shù)和管理3方面加強(qiáng)節(jié)水，助力水資源有效保護(hù)與高效利用。在淡水資源短缺地區(qū)，發(fā)展微咸水安全利用、苦咸水和污廢水處理與回用方法，建立適應(yīng)不同類型灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)-生態(tài)環(huán)境建設(shè)-水質(zhì)與水量優(yōu)化配置-水鹽污調(diào)控綜合管理方法；建立集灌區(qū)生態(tài)功能為一體的水資源優(yōu)化配置模型，形成西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)水-土-生-環(huán)綜合管理理論。

3.2 西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)農(nóng)田物能調(diào)控理論

西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)農(nóng)田物能調(diào)控主要包括節(jié)水節(jié)能型灌排系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和農(nóng)田作物生境精細(xì)調(diào)控理論兩部分。為提升灌區(qū)水資源輸配效率，構(gòu)建水鹽平衡的灌排模式，形成農(nóng)田多要素作物生境調(diào)控方法提供理論支撐。

3.2.1西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)節(jié)水節(jié)能型灌排系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論

以最大限度實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水源的水量、水質(zhì)和水能功能為出發(fā)點(diǎn)，以提升水資源利用效率和灌溉水實(shí)時(shí)供給與調(diào)配能力為目標(biāo)，借助農(nóng)田水利學(xué)、流體力學(xué)、水環(huán)境化學(xué)、農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)、運(yùn)籌學(xué)等相關(guān)理論，系統(tǒng)分析西北灌區(qū)自然條件、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、水源狀況，形成高效輸配、節(jié)能降耗、節(jié)水增效、水鹽相容、生態(tài)安全、綠色發(fā)展的西北旱區(qū)農(nóng)業(yè)高效節(jié)能型灌排系統(tǒng)優(yōu)化理論(圖4)。

圖4 灌排系統(tǒng)優(yōu)化理論Fig.4 Theory of irrigation and drainage system optimization

(1)山區(qū)水庫-管道輸水-自壓滴灌模式

平原水庫滲漏蒸發(fā)損失嚴(yán)重，水庫利用效率不足50%，同時(shí)造成周邊地下水位抬升，易導(dǎo)致土地次生鹽堿化。應(yīng)采用山區(qū)水庫逐步代替平原水庫，打破現(xiàn)有灌溉系統(tǒng)格局，應(yīng)對錯亂低效的灌溉輸水系統(tǒng)實(shí)施徹底改造。由于片面強(qiáng)調(diào)農(nóng)業(yè)節(jié)水，忽略了輸配水系統(tǒng)改造和土壤鹽堿化防治，導(dǎo)致運(yùn)行成本加大、土壤鹽分積累加重，進(jìn)而影響了高效節(jié)水技術(shù)功效的發(fā)揮。山區(qū)性河流水庫具有高水位、自壓灌溉的天然優(yōu)勢，放棄天然水頭而重新加壓灌溉，耗能巨大。以新疆為代表的西北旱區(qū)具有發(fā)展自壓灌溉得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，建設(shè)山區(qū)水庫-管道輸水-自壓滴灌的現(xiàn)代灌溉系統(tǒng)，既可大幅提升水資源輸配效率，又可降低工程運(yùn)行成本。

(2)灌排分區(qū)調(diào)控模式

西北內(nèi)陸河流進(jìn)入平原區(qū)，通常形成4個顯著的水文地質(zhì)單元，即沖洪積扇、扇緣溢出帶、綠洲平原、荒漠平原。針對4個單元的水文地質(zhì)特點(diǎn)，建立水量調(diào)蓄區(qū)、調(diào)蓄開采區(qū)、調(diào)控開采區(qū)、禁止開采區(qū)。并基于水鹽平衡調(diào)控，建立分區(qū)灌排模式，即：垂直入滲排水、井灌井排、井灌井排與水平排水結(jié)合、水平排水與干排鹽結(jié)合、明排與暗排結(jié)合。地下水的排泄方式和水位調(diào)控是土壤水鹽調(diào)控的關(guān)鍵，須分區(qū)建立地下水開發(fā)和水鹽平衡灌排模式，合理調(diào)控管理地下水位，延緩?fù)寥婪e鹽過程。

3.2.2農(nóng)田作物生境精細(xì)調(diào)控理論

水土資源高效而可持續(xù)利用已經(jīng)提升水肥生產(chǎn)效率、作物產(chǎn)量、果實(shí)品質(zhì)，是農(nóng)田作物生境調(diào)控的目標(biāo)，需結(jié)合現(xiàn)代栽培學(xué)、作物生理學(xué)和農(nóng)田水肥高效利用相關(guān)理論，從調(diào)控土壤供養(yǎng)能力、根系吸收能力、莖稈傳導(dǎo)能力和作物生產(chǎn)能力4方面創(chuàng)新作物生境調(diào)控理論與技術(shù)。明晰水、肥、氣、熱、光、鹽、(微)生物、農(nóng)藥、電子等在保障作物健康生長中貢獻(xiàn)度和脅迫效應(yīng)，闡明各生境要素之間的相互作用機(jī)制，構(gòu)建水、肥、氣、熱、鹽、農(nóng)藥遷移轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型，以及考慮生境要素作用的作物生長和產(chǎn)量品質(zhì)評估模型。確定基于生態(tài)環(huán)境安全的肥料、農(nóng)藥、地面覆蓋物、化學(xué)改良劑合理使用量閾值，提出土壤根際微生物與作物品種的互生關(guān)系和農(nóng)藥、殺蟲劑、除草劑、保水保肥劑的科學(xué)施用方法，明確作物根區(qū)微環(huán)境變化特征與作物生理生長間的定量關(guān)系。挖掘灌溉水生理和生產(chǎn)功能，開發(fā)基于土壤生產(chǎn)力、水肥利用效率及鹽堿地改良效果提升的(微)生物方法，并與水利改良、化學(xué)改良、生物改良和農(nóng)藝措施有機(jī)融合，明確作物根區(qū)關(guān)鍵生境要素與外控因子耦合作用效能，確定農(nóng)田地力提升和作物增產(chǎn)增效的主要指標(biāo)體系，形成適應(yīng)不同氣候條件、土壤特性、地下水狀況、作物類型、種植結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的灌溉農(nóng)田作物生境要素耦合精細(xì)調(diào)控理論。

3.3 灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)安全評估理論

現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)建設(shè)是一個綜合社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等多領(lǐng)域的復(fù)雜工程，進(jìn)行現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)的綜合評價(jià)，對灌區(qū)建設(shè)進(jìn)行科學(xué)指導(dǎo)和評估，對協(xié)調(diào)灌區(qū)農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境之間相互關(guān)系具有重要意義。

3.3.1灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)安全評價(jià)內(nèi)容

灌區(qū)作為一個生態(tài)系統(tǒng)，其服務(wù)功能表征了系統(tǒng)安全性，同時(shí)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力和保障水平?jīng)Q定著灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)安全水平。灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能主要包括農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)功能、防災(zāi)控污功能、人居與文化傳承功能等。農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)功能主要指通過綠色植物為人類提供的糧食、蔬菜、水果、牧草等產(chǎn)品，這也是灌區(qū)主要功能；防災(zāi)控污能力是調(diào)節(jié)氣候，減輕洪澇、旱災(zāi)、風(fēng)害、控制農(nóng)業(yè)面源污染，降低溫室氣體(如生物固氮)，增加碳匯等功能；人居與文化傳承功能是指為居民提供舒適生活環(huán)境，以及開展科學(xué)活動、農(nóng)事體驗(yàn)、傳統(tǒng)教育、觀光娛樂等方面的自然景觀和場所。灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能比重和關(guān)注點(diǎn)與灌區(qū)所處地區(qū)自然條件、生活水平和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度有關(guān)。

3.3.2灌區(qū)系統(tǒng)安全評價(jià)方法

灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)安全評價(jià)主要是對其結(jié)構(gòu)合理性、完整性、服務(wù)功能實(shí)現(xiàn)程度等進(jìn)行定量評價(jià)。根據(jù)灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的特征及其服務(wù)功能，可選取社會經(jīng)濟(jì)、景觀格局、水土資源利用、濕地環(huán)境、大氣環(huán)境、生物活力、作物生長及產(chǎn)量品質(zhì)等建立定量評價(jià)指標(biāo)體系，進(jìn)行評價(jià)與管控，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)內(nèi)資源-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)-社會協(xié)調(diào)發(fā)展。通過系統(tǒng)分析灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水、鹽、碳、氮、生間動力聯(lián)系，并闡明其足跡變化特征，確立灌區(qū)水土資源的承載力。建立灌區(qū)“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)-效能”評價(jià)模型，發(fā)展灌區(qū) “山水林田湖草沙”為一體生態(tài)系統(tǒng)安全的綜合評價(jià)方法，以及綜合考慮水文動力過程和生態(tài)動力過程的生態(tài)水文模型。提出灌區(qū)生態(tài)安全的預(yù)警指標(biāo)體系和生態(tài)安全管理方法，構(gòu)建適合西北不同類型灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)安全評估理論。

4 西北生態(tài)灌區(qū)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

針對西北生產(chǎn)與運(yùn)行管理中存在的主要問題，現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)建設(shè)急需突破的關(guān)鍵技術(shù)可概括為：灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)控污能力與景觀價(jià)值提升技術(shù)、現(xiàn)代生態(tài)灌排系統(tǒng)管控關(guān)鍵技術(shù)、作物生境要素調(diào)控技術(shù)。

4.1 灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)控污能力與景觀價(jià)值提升技術(shù)

4.1.1灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)控污能力提升技術(shù)

農(nóng)村生活污水、農(nóng)田化肥農(nóng)藥、養(yǎng)殖業(yè)廢料等在地表徑流和排水系統(tǒng)作用下進(jìn)入水體和土壤中，將引發(fā)農(nóng)業(yè)面源污染。農(nóng)業(yè)面源污染防治是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)健康發(fā)展的重要任務(wù)，需要從控源、治污和再利用入手，實(shí)現(xiàn)控污與資源化雙重效能，總體防控技術(shù)體系如圖5所示。

圖5 灌區(qū)污染防控技術(shù)體系Fig.5 Pollution prevention and control technology system for irrigation districts

4.1.1.1農(nóng)田面源污染控制技術(shù)

對水蝕、風(fēng)蝕攜帶的農(nóng)田污染物所引發(fā)的面源污染，需從兩方面采取措施進(jìn)行控制：控制污染物傳輸?shù)膭恿涂刂莆廴驹?。在灌溉依賴型和灌溉主?dǎo)型灌區(qū)，侵蝕常以風(fēng)蝕形式發(fā)生。在風(fēng)蝕動力控制方面，可以通過構(gòu)建科學(xué)的農(nóng)田防風(fēng)林帶系統(tǒng)和優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)來降低風(fēng)蝕危害。在灌溉補(bǔ)充型和灌溉提質(zhì)型灌區(qū)，農(nóng)田面源污染常以水蝕為主。在水蝕動力控制方面，可采取平整土地、提高農(nóng)田蓄水能力、增加田面糙率等方式降低徑流攜帶能力。在控制污染源方面，一方面通過確定合理施肥數(shù)量、深度及方式，采取控制性施肥和施藥，降低土壤養(yǎng)分和農(nóng)藥向地表傳遞的可能性。另一方面，通過采取地面覆蓋、提高土壤抗蝕能力和固定養(yǎng)分能力等措施，發(fā)展免耕種植等保護(hù)性耕作措施，控制土壤污染物向地表傳輸數(shù)量和速率。

4.1.1.2農(nóng)村生活污水處理與再利用技術(shù)

農(nóng)村生活污水的大量排放是灌區(qū)水環(huán)境污染的重要來源，需要因地制宜地發(fā)展適合農(nóng)村污水處理的技術(shù)。可根據(jù)灌區(qū)自然條件，研發(fā)太陽能和風(fēng)能驅(qū)動的生物膜技術(shù)，以及人工濕地技術(shù)。由于微生物對污水的水質(zhì)和水量變化有較強(qiáng)的適應(yīng)性，生物膜內(nèi)可形成較長的生物鏈，從而構(gòu)成穩(wěn)定的污水處理系統(tǒng)，并通過太陽能和風(fēng)能驅(qū)動，集污水預(yù)處理、生物處理、沉淀、消毒等為一體，實(shí)現(xiàn)光、風(fēng)資源利用和污水處理有機(jī)結(jié)合。充分利用灌區(qū)水池、水塘、灘地等洼陷結(jié)構(gòu)，構(gòu)建適合當(dāng)?shù)氐匦螚l件的表面流、潛流和垂直流人工濕地，實(shí)現(xiàn)人工濕地污水處理、污水再利用、改善景觀的功能。

4.1.1.3農(nóng)村養(yǎng)殖污水處理技術(shù)

隨著社會對肉食品需求量增加，農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展對水環(huán)境保護(hù)帶來巨大沖擊，需要研發(fā)適宜不同類型灌區(qū)的農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖業(yè)污水處理技術(shù)。由于農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖業(yè)污水具有作物生長需要的養(yǎng)分元素，同時(shí)也包含潛在能源。因此可以還田利用，或通過相關(guān)物理、化學(xué)及生物技術(shù)進(jìn)行有效處理后再利用。畜禽養(yǎng)殖廢水的資源化利用，主要包括沼氣、沼液、沼渣的綜合利用，處理水種植業(yè)回用和生物協(xié)同方式的資源化利用。根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，發(fā)展種養(yǎng)結(jié)合、處理回用和多級循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，充分發(fā)揮農(nóng)村養(yǎng)殖污水所具有的生產(chǎn)和生態(tài)功能，實(shí)現(xiàn)“養(yǎng)、治、用”相結(jié)合。

4.1.2灌區(qū)生態(tài)景觀價(jià)值提升技術(shù)

灌區(qū)生態(tài)景觀主要包括灌排渠系、農(nóng)田、林草地、交通道路和居民點(diǎn)5方面的景觀單元，通過提升生態(tài)景觀價(jià)值，以增強(qiáng)灌區(qū)生態(tài)服務(wù)功能。西北旱區(qū)的景觀設(shè)計(jì)需要充分考慮西北地區(qū)特殊的氣候環(huán)境、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、地形地貌、歷史人文等方面的特色，對西北旱區(qū)農(nóng)業(yè)資源、景觀資源、人文資源等進(jìn)行合理配置，提升灌區(qū)的綜合效益。

4.1.2.1灌排渠系

灌排渠系是灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的重要組成部分，在保證灌排系統(tǒng)完整性和輸配水功能的基礎(chǔ)上，將渠系與灌區(qū)內(nèi)其它水系連接成水生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，共同維系灌區(qū)水體的良性循環(huán)，提升輸水、配水、蓄水和凈水能力。在營造渠系水體景觀時(shí)，需針對西北地區(qū)易發(fā)生的季節(jié)性渠道凍脹問題，從材料耐久性、地形條件、管理養(yǎng)護(hù)方面考慮，研發(fā)抗凍、防滲、易檢測的渠道襯砌材料。通過河流內(nèi)的水生植物與渠系邊緣空間的植被造景來保證灌區(qū)生態(tài)廊道的連續(xù)性，使渠道與河道水體景觀相協(xié)調(diào)。渠道兩岸設(shè)置緩沖帶，改善水質(zhì)保護(hù)河水生態(tài)安全，為生物提供適宜棲息空間，增加空間異質(zhì)性。

4.1.2.2灌區(qū)農(nóng)田

根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)原理，配置適宜西北旱區(qū)生長的植物組合，提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在農(nóng)作物選擇上，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件與農(nóng)作物習(xí)性種植相應(yīng)物種，采用單種、復(fù)種、間種、套種等合理的農(nóng)作制度，創(chuàng)造生態(tài)安全的農(nóng)耕環(huán)境，提供優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、無污染的農(nóng)產(chǎn)品；景觀造景方面，以農(nóng)業(yè)美學(xué)理論為指導(dǎo)，運(yùn)用“點(diǎn)線面”結(jié)構(gòu)中的比例、均衡、協(xié)調(diào)性特征，根據(jù)農(nóng)作物的生長規(guī)律和季節(jié)性變化，合理規(guī)劃農(nóng)業(yè)景觀元素。

4.1.2.3林草地

林草地既可涵養(yǎng)水源又美化環(huán)境。因地制宜的規(guī)劃灌區(qū)林地景觀，并采取防護(hù)林模式、混合林帶模式，或農(nóng)、草、林立體模式等，建設(shè)灌區(qū)林帶系統(tǒng)和景觀生態(tài)廊道，以道路林帶、水系林帶、農(nóng)田林網(wǎng)為網(wǎng)格，將農(nóng)田板塊、林帶廊道、水體系統(tǒng)融合起來，打通灌區(qū)各個物質(zhì)要素之間的交換、流通渠道，構(gòu)建生態(tài)安全、景觀優(yōu)質(zhì)的灌區(qū)農(nóng)林草體系。特別根據(jù)西北地區(qū)林果優(yōu)勢，選擇本土易養(yǎng)護(hù)的林果品種和易機(jī)械化作業(yè)的林果立體栽培模式，以及集經(jīng)濟(jì)價(jià)值和景觀效果兼具的物種，配置形成經(jīng)濟(jì)型風(fēng)景林帶。

4.1.2.4交通道路

道路作為灌區(qū)典型的人工廊道，也是區(qū)域物質(zhì)、能量、信息流動交換的生態(tài)廊道。合理規(guī)劃灌區(qū)內(nèi)連接外部公路的路線，方便交通的同時(shí)加快區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。機(jī)耕路與田間路屬于灌區(qū)必需的生產(chǎn)路，關(guān)系到灌區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。在道路建設(shè)中注重農(nóng)田生態(tài)的穩(wěn)定性，采用本土物料鋪設(shè)，保護(hù)原始的土壤結(jié)構(gòu)，在路緣景觀帶的植物種植上，要保證農(nóng)作物有良好的光照條件及充足的土壤養(yǎng)分。景觀道路布局需增強(qiáng)視覺觀賞與空間體驗(yàn)，遵循自然生態(tài)原則，將灌區(qū)農(nóng)田景觀、水利景觀、聚落景觀有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)景觀空間的整體連續(xù)性。

4.1.2.5居民點(diǎn)

農(nóng)村居民點(diǎn)景觀結(jié)構(gòu)和格局是長期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對自然景觀不斷改造和影響的結(jié)果，尤其是道路、房屋等人工構(gòu)筑建設(shè)，使區(qū)域中的非自然廊道和斑塊增加，不同程度影響區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能，需要補(bǔ)充林草地、水體、濕地等景觀，保持整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和平衡。此外，要合理布局人工景觀和工業(yè)景觀，村鎮(zhèn)居住區(qū)與工礦業(yè)之間要留有一定的植被緩沖區(qū)，工業(yè)景觀內(nèi)部要進(jìn)行綠地系統(tǒng)建設(shè)。人口聚居區(qū)要配套建設(shè)給排水系統(tǒng)和垃圾污水收集處置設(shè)施，提高村落生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和污染調(diào)控能力。

4.2 現(xiàn)代生態(tài)灌排系統(tǒng)管控關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)渠系優(yōu)化配水技術(shù)

渠系配水是根據(jù)農(nóng)業(yè)氣象條件和灌溉可利用水量變化合理確定灌區(qū)各級渠道引水量大小、持續(xù)時(shí)間和引水頻次，輸配水直接關(guān)系到灌溉服務(wù)質(zhì)量。我國大型灌區(qū)骨干渠系水利用系數(shù)2015年才達(dá)到0.597，大量的水資源在渠系輸配水過程中因滲漏大量損失。因此，通過渠系優(yōu)化配水減少渠系滲漏損失，對現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)的水資源管理意義重大。渠系優(yōu)化配水是根據(jù)渠道控制區(qū)域內(nèi)的種植結(jié)構(gòu)、作物需水量和土壤質(zhì)地的時(shí)空差異性，來合理調(diào)配各級渠道適宜引水量以實(shí)現(xiàn)滲漏損失最小。渠系優(yōu)化配水過程可概括為：①上級渠道的管理者發(fā)布整個灌溉區(qū)域的用水計(jì)劃。②灌溉子區(qū)用戶以上級計(jì)劃為基礎(chǔ)，制定各子區(qū)用水計(jì)劃。③最后再由上級管理者統(tǒng)一協(xié)調(diào)，確定滿足各區(qū)域需水要求的多目標(biāo)計(jì)劃。優(yōu)化配水過程可概化為一個多級多水源的多目標(biāo)決策問題。多級指灌溉渠系是從水源取水、輸送、分配到田間的各級渠道網(wǎng)絡(luò)，如總干渠、干渠、分干渠、支渠等骨干渠道和斗渠、農(nóng)渠、毛渠等田間渠道，多水源包括河流、水庫等多種水源，目標(biāo)包括滲漏損失最小、產(chǎn)量最大等。

4.2.2現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)智能灌溉技術(shù)

智能灌溉是對土壤墑情、作物生長、氣候條件等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，作出灌溉決策，并進(jìn)行針對性灌溉，達(dá)到充分利用灌溉水資源的目的。

4.2.2.1農(nóng)田墑情感知

農(nóng)田墑情信息是制定作物生長季灌溉計(jì)劃和開展防旱抗旱的重要基礎(chǔ)信息，墑情感知結(jié)果可為實(shí)現(xiàn)適時(shí)、適量的精準(zhǔn)灌溉提供決策依據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，云計(jì)算面向服務(wù)的新型計(jì)算模式為解決農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測面臨的問題提供了新途徑。構(gòu)建農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測云服務(wù)平臺，把土壤墑情監(jiān)測的采集、處理、分析等功能和數(shù)據(jù)集成到云服務(wù)平臺上，使農(nóng)業(yè)從業(yè)者通過網(wǎng)絡(luò)云平臺便捷的訪問、調(diào)用、獲取所需要的信息和服務(wù)，從而降低土壤墑情監(jiān)測的建設(shè)和維護(hù)成本，提高土壤墑情應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)效率。

4.2.2.2灌溉決策

基于感知信息與灌溉模型進(jìn)行灌溉決策，制定智能化的作物智能灌溉指導(dǎo)方案。農(nóng)田灌溉決策主要建立在土壤水分運(yùn)移規(guī)律的研究理論基礎(chǔ)上，包括土壤墑情預(yù)測、作物需水預(yù)測、灌水量預(yù)測等。決策指標(biāo)一般都基于土壤-植物-大氣連續(xù)體，大致分為3種：根據(jù)農(nóng)田土壤水分狀況確定灌溉時(shí)間和水量，包括作物適宜水分上下限、土壤條件、土壤水量平衡等；根據(jù)作物對水分虧缺的生理反應(yīng)信息確定是否需要灌溉，包括作物冠層溫度、莖/葉水勢、莖流等；根據(jù)作物生長的小環(huán)境氣象因素確定灌溉的時(shí)間和作物的需水量，即通過作物的蒸騰蒸發(fā)量來進(jìn)行灌溉決策。

4.2.3智能控制技術(shù)

灌溉智能控制是基于運(yùn)籌學(xué)、人工智能、控制理論等基本理論，結(jié)合模糊控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，根據(jù)不同作物生長期需水情況，自動形成最優(yōu)灌溉控制方案。模糊控制理論具有較強(qiáng)的知識表達(dá)能力和推理能力，可解決灌溉過程中復(fù)雜的非線性問題，但實(shí)際應(yīng)用中依賴于農(nóng)業(yè)種植經(jīng)驗(yàn)的輸入，需進(jìn)一步結(jié)合智能算法對模糊規(guī)則進(jìn)行動態(tài)尋優(yōu)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以很好的與模糊控制理論結(jié)合，促進(jìn)灌溉系統(tǒng)中模糊規(guī)則的形成、隸屬函數(shù)的選型和調(diào)整等工作，解決復(fù)雜農(nóng)田環(huán)境下多目標(biāo)控制問題。專家系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)技術(shù)與信息技術(shù)的深度融合，在綜合分析農(nóng)業(yè)領(lǐng)域相關(guān)知識、經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)和模型的基礎(chǔ)上，得到灌溉最優(yōu)解決方案。因此，灌溉智能控制技術(shù)應(yīng)是多種智能控制方法的融合，通過定性和定量相結(jié)合的方法，針對被控制對象和灌溉任務(wù)的復(fù)雜性、不確定性、多變性，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信息的處理、優(yōu)化和判斷，最終達(dá)到智能精準(zhǔn)灌溉的目的[24,32]。

4.3 作物生境要素調(diào)控技術(shù)

提高西北旱區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉水利用效率及生產(chǎn)效率是緩減旱區(qū)水資源供需矛盾和實(shí)現(xiàn)生態(tài)安全的重要途徑，而西北旱區(qū)田間作物生長過程和灌區(qū)鹽分遷移與累積過程是直接影響農(nóng)業(yè)水資源綜合效益的兩個關(guān)鍵過程。因此，改善田間作物生境和實(shí)現(xiàn)灌區(qū)土壤鹽分相對均衡是實(shí)現(xiàn)西北旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源可持續(xù)利用的重要任務(wù)。結(jié)合現(xiàn)代栽培學(xué)、作物生理學(xué)和農(nóng)田水肥高效利用相關(guān)理論，將農(nóng)田作物生境分為3個分環(huán)境，即農(nóng)田小氣候環(huán)境、土壤環(huán)境和地下水環(huán)境，3個分環(huán)境間物能傳輸與轉(zhuǎn)化涉及氣-冠界面、土-氣界面、土-根界面、包氣帶與飽和帶界面。調(diào)控作物生長過程的技術(shù)發(fā)展主要圍繞提高水、肥、氣、熱、鹽、生、光、藥、電的功能和控制鹽分對作物生長威脅這一主題(圖6)。

圖6 作物生境要素與綜合調(diào)控原理圖Fig.6 Crop growth elements and comprehensive regulation

4.3.1農(nóng)田小氣候環(huán)境調(diào)控技術(shù)

農(nóng)田光能分布、空氣溫濕度、風(fēng)速、二氧化碳濃度和土壤溫濕度特征構(gòu)成了農(nóng)田小氣候的環(huán)境要素。農(nóng)田小氣候既具有固有的自然特征，又是一種人工小氣候，可通過現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)措施在一定程度上調(diào)控農(nóng)田小氣候，改變作物冠層溫度和光照利用程度，提高作物光合效率和控制水分無效蒸發(fā)。主要技術(shù)包括：①冠層遮光技術(shù)，如棉花在正常光照的1/5～1/2時(shí)生長最好，弱光條件下棉花的蕾鈴脫落、光合產(chǎn)物代謝都有所改善[33]。②作物間套作技術(shù)，可提高光能利用效率，增加作物的養(yǎng)分吸收能力，如豆科/禾本科間作體系中豆科作物生物固氮和禾本科作物對土壤氮素利用上的互補(bǔ)和促進(jìn)作用，又如雙子葉和單子葉作物的搭配中單子葉作物可為雙子葉作物提供Fe、Zn等微量元素[34]。③生長調(diào)節(jié)劑，如紅棗果實(shí)表皮直接吸收的水分是引起裂果的主要原因，可通過噴灑人工合成生長素改變果實(shí)表面的氣孔開度、氣孔密度等特征，提高果實(shí)品質(zhì)[35]。

4.3.2土壤環(huán)境調(diào)控技術(shù)

土壤溫度、濕度、微生物、養(yǎng)分、鹽分含量都對作物的生長有著顯著影響，提高土壤供養(yǎng)能力和作物吸養(yǎng)能力是土壤環(huán)境調(diào)節(jié)的目標(biāo)。其關(guān)鍵技術(shù)有：①活化水灌溉技術(shù)，即通過磁化、去電子和增氧技術(shù)，改變水分子締合結(jié)構(gòu)，降低水表面張力和接觸角，提高水溶解氧數(shù)量，增強(qiáng)水分生理生產(chǎn)功能，提高水肥利用效率，活化水灌溉增產(chǎn)效果達(dá)5%～15%，同時(shí)磁化水和去電子水可有效降低根區(qū)土壤鹽分含量和鹽分對作物的威脅[36]。②生物膜覆蓋技術(shù)，既可降解作為作物養(yǎng)分，又可改善土壤水、鹽、熱、養(yǎng)分分布，提升作物根系吸水吸肥能力[37]。③排水控鹽技術(shù)，水是鹽漬化形成的動力，要將土壤中鹽分“洗出”并保持脫鹽狀態(tài)，灌排比例應(yīng)達(dá)到4∶1，“洗鹽用水”是干旱區(qū)農(nóng)業(yè)用水的重要組成部分[38]。

4.3.3地下水環(huán)境調(diào)控技術(shù)

田間作物生長過程和灌區(qū)鹽分遷移與累積過程是直接影響農(nóng)業(yè)水資源綜合效益的兩個關(guān)鍵過程。綜合考慮灌區(qū)鹽分遷移與累積特征，確定植被健康生長的合理生態(tài)地下水埋深、鹽漬臨界地下水埋深、生態(tài)警戒地下水埋深及最佳地下水埋深等閾值[39-40]。根據(jù)生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)準(zhǔn)則，確定區(qū)域內(nèi)高效節(jié)水灌溉規(guī)模，發(fā)展生態(tài)安全的地下水開發(fā)利用技術(shù)。將節(jié)水灌溉、冬春灌技術(shù)與工程措施(明排、暗排、豎排等)及非工程措施(生物排水)相結(jié)合，將鹽分排放區(qū)域與排水再利用有機(jī)融合，構(gòu)建多種措施結(jié)合的灌區(qū)垂直和橫向排水系統(tǒng)，有效控制灌區(qū)農(nóng)田土壤鹽分累積，實(shí)現(xiàn)土地可持續(xù)利用[41-42]。同時(shí)，將灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)與鹽分排放區(qū)相對分離，實(shí)施控制性排水和排污權(quán)管理，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)排放或達(dá)標(biāo)排放，維持和控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)鹽分相對平衡，并利用農(nóng)田排水改善旱區(qū)生態(tài)環(huán)境(圖7)。

圖7 地下水環(huán)境調(diào)控技術(shù)Fig.7 Groundwater environmental control technology

5 展望

現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)是對傳統(tǒng)灌區(qū)工程設(shè)施、管理水平和建設(shè)理念的升級改造，通過提高灌區(qū)水土資源優(yōu)化配置、提高灌溉水利用效率、改良鹽堿土、改善生態(tài)環(huán)境、提升灌區(qū)生態(tài)服務(wù)功能，為西北地區(qū)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供硬件基礎(chǔ)。本文主要從西北灌區(qū)生態(tài)服務(wù)功能提升、灌排系統(tǒng)優(yōu)化和灌區(qū)作物生境營造3方面闡明了西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)建設(shè)的關(guān)鍵理論與技術(shù)。在西北灌區(qū)生態(tài)服務(wù)功能提升方面，需明確灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能定位，統(tǒng)籌規(guī)劃西北灌區(qū)“山水林田湖草沙”系統(tǒng)，提出西北灌區(qū)水土資源優(yōu)化配置方法，構(gòu)建灌區(qū)控污與景觀價(jià)值提升綜合技術(shù)模式，建立灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)安全評估指標(biāo)體系與評價(jià)方法。在灌排系統(tǒng)優(yōu)化方面，需構(gòu)建山區(qū)水庫-管道輸水-自壓滴灌的節(jié)能高效模式，建立地下水開發(fā)和水鹽平衡相協(xié)調(diào)的灌排調(diào)分區(qū)控模式，創(chuàng)新渠系優(yōu)化配水與智能灌溉技術(shù)。在灌區(qū)作物生境營造方面，需明確作物生境要素的功能與互作機(jī)制，發(fā)展基于農(nóng)田小氣候、土壤環(huán)境和地下水環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控的作物生境營造技術(shù)。