中國(guó)噴灌機(jī)現(xiàn)狀與發(fā)展思考

湯玲迪，袁壽其*，劉俊萍，邱志鵬，馬駿，孫向陽(yáng)，周傳國(guó)，高志俊

（1． 江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2． 江蘇華源節(jié)水股份有限公司，江蘇 徐州 221100； 3． 安徽艾瑞德農(nóng)業(yè)裝備股份有限公司，安徽 蕪湖 241070； 4． 北京德邦大為科技股份有限公司，天津 301802； 5． 沃達(dá)爾（天津）股份有限公司，天津 301600； 6． 江蘇旺達(dá)噴灌機(jī)有限公司，江蘇 常州 213151）

中國(guó)是水資源最匱乏的國(guó)家之一，水資源時(shí)空分布極不均勻，農(nóng)業(yè)用水占全國(guó)總用水量約62.4%[1]，因此，農(nóng)業(yè)節(jié)水是促進(jìn)水資源可持續(xù)利用和保障國(guó)家糧食安全的重大戰(zhàn)略舉措.噴灌是一種農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉技術(shù)，不僅能改善田間小氣候，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育[2]，而且對(duì)鹽堿地也具有良好的淋洗作用[3]，并可利用沼液等有機(jī)水肥進(jìn)行灌溉[4]，因此，噴灌技術(shù)與其他高效節(jié)水灌溉技術(shù)相比具有不可替代的作用.噴灌機(jī)是實(shí)現(xiàn)噴灌技術(shù)的載體，主要有大型噴灌機(jī)、中型噴灌機(jī)和固定/半固定輕小型噴灌機(jī)組三大類型.近10 a來(lái)，中國(guó)學(xué)者從不同角度綜合分析了中國(guó)灌溉裝備的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[5]，還有學(xué)者分別分析了大型噴灌機(jī)、卷盤式噴灌機(jī)和輕小型噴灌機(jī)各自的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[6-8].但隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智能化的快速發(fā)展，需要提出適合中國(guó)國(guó)情、區(qū)域資源條件和不同農(nóng)作物的噴灌機(jī)發(fā)展策略.

1 噴灌應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 噴灌應(yīng)用面積

截至2020年的水利數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，中國(guó)噴灌應(yīng)用面積10 a變化分析見(jiàn)表1.由表1可知，到2020年，中國(guó)噴灌面積Si達(dá)461.356億m2，比10 a前增加了1.52倍，其中，“十二五”期間和“十三五”期間全國(guó)噴灌面積分別新增23.8%和23.1%，全國(guó)節(jié)水灌溉面積Sws分別新增13.7%和21.7%，噴灌面積與節(jié)水灌溉面積新增占比分別為19.2%和12.9%.

目前，中國(guó)東北地區(qū)噴灌面積最大，占全國(guó)總噴灌面積47.0%，其中黑龍江省貢獻(xiàn)率最大，占東北地區(qū)噴灌面積35.3%.其次是華北地區(qū)，占全國(guó)總噴灌面積22.5%.噴灌技術(shù)應(yīng)用主要集中在北方地區(qū)，覆蓋了中國(guó)糧食主產(chǎn)地.第三是華東地區(qū)，占全國(guó)總噴灌面積13.2%.可見(jiàn)，噴灌技術(shù)應(yīng)用的區(qū)域發(fā)展差距較大，北方地區(qū)耕地面積大，農(nóng)作物主要是大田主糧作物，適合大、中型行走式噴灌機(jī)作業(yè)；南方地區(qū)地塊散而小，農(nóng)作物主要是果蔬茶等經(jīng)濟(jì)作物，適合輕小型噴灌機(jī)應(yīng)用.

表1 中國(guó)噴灌技術(shù)應(yīng)用面積20 a變化分析

1.2 節(jié)水灌溉面積對(duì)比

中國(guó)灌溉面積包括耕地、林地、果園、牧草和其他灌溉面積，近10 a來(lái)節(jié)水灌溉面積與灌溉面積的占比從43%增加到近50%，節(jié)水灌溉仍有50%的發(fā)展空間.節(jié)水灌溉包括噴灌、微灌、低壓管灌和其他灌溉方式.根據(jù)中國(guó)大陸7個(gè)大區(qū)分布，節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用具有明顯的區(qū)域特征：東北以噴灌為主，占全國(guó)噴灌總面積47.0%；西北以微灌為主，占全國(guó)微灌總面積60.3%；華北以低壓管灌為主，占全國(guó)低壓灌溉總面積36.9%;華東以渠道及其他灌溉為主，占全國(guó)其他灌溉總面積40.6%.總體上高效節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用面積偏低，噴灌技術(shù)應(yīng)用占比僅為12%，與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在較大差距.

2 噴灌機(jī)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

2.1 發(fā)展回顧

20世紀(jì)20年代，蘇聯(lián)發(fā)明了自動(dòng)旋轉(zhuǎn)噴頭和遠(yuǎn)射程噴灌設(shè)備，并將固定或半固定式噴灌系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)田灌溉；20世紀(jì)30至70年代，美國(guó)推出了具有灌溉管理成本低、自動(dòng)化程度高、適應(yīng)大片平整土地等優(yōu)點(diǎn)的滾移式噴灌機(jī)、圓形噴灌機(jī)和平移噴灌機(jī)；20世紀(jì)70年代，歐洲推出了具有適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)方便的卷盤式噴灌機(jī).歐美發(fā)達(dá)國(guó)家噴灌面積占節(jié)水灌溉面積均超過(guò)50%.

中國(guó)的噴灌技術(shù)是從20世紀(jì)50年代開始，歷經(jīng)引進(jìn)、探索、發(fā)展、停頓和再發(fā)展5個(gè)階段.20世紀(jì)70和80年代，研究人員開發(fā)了系列輕小型噴灌機(jī)組，適應(yīng)了中國(guó)當(dāng)時(shí)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)體制和散小農(nóng)田的灌溉.為適應(yīng)大田作物機(jī)械化灌溉，20世紀(jì)80年代又通過(guò)引進(jìn)、消化、吸收，開發(fā)了大型圓形噴灌機(jī)和平移噴灌機(jī)、中型卷盤式噴灌機(jī)和滾移式噴灌機(jī)，但限于各種原因，發(fā)展速度較慢，保有量嚴(yán)重不足.2010年以前，噴灌仍以輕小型噴灌機(jī)為主，市場(chǎng)占有率達(dá)70%以上.

直到2010年以后，大、中型噴灌機(jī)的發(fā)展進(jìn)入快速增長(zhǎng)期，“十二五”和“十三五”期間，噴灌面積分別新增23.8%和23.1%.目前，國(guó)內(nèi)的卷盤式噴灌機(jī)保有量達(dá)10 多萬(wàn)臺(tái)套，大型噴灌機(jī)保有量1.8萬(wàn)多臺(tái)套，輕小型噴灌機(jī)保有量約40萬(wàn)臺(tái)套，形成了以卷盤式噴灌機(jī)、大型噴灌機(jī)和輕小型噴灌機(jī)為主流噴灌裝備的格局，基本適應(yīng)了中國(guó)不同區(qū)域不同作物對(duì)噴灌裝備的需求.

2.2 類型和特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)外主流噴灌裝備習(xí)慣上分為大型中心支軸式（圓形）和平移式噴灌機(jī)、中型卷盤式和滾移式噴灌機(jī)、輕小型固定式/半固定式噴灌機(jī).但大中小概念很難界定，比如卷盤式噴灌機(jī)已經(jīng)有輕小型機(jī)型，圓形和平移噴灌機(jī)也可以中型化，因此，將噴灌機(jī)分為行走式和固定式2大類型更有實(shí)際意義.行走式噴灌機(jī)更適合機(jī)械化灌溉，減少了大量勞動(dòng)力，提高了灌溉作業(yè)效率.各種噴灌機(jī)類型如圖1所示，功能特點(diǎn)見(jiàn)表2.

表2 各種噴灌機(jī)功能特點(diǎn)

2.3 研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)

2.3.1 卷盤式噴灌機(jī)

卷盤式噴灌機(jī)機(jī)動(dòng)靈活、維護(hù)方便、適合大中小不同地塊規(guī)模，是中國(guó)近10 a發(fā)展最快的噴灌機(jī)種類.目前，龍頭企業(yè)江蘇華源節(jié)水股份有限公司已研發(fā)出新型高效水渦輪、永磁直流電動(dòng)機(jī)和液壓馬達(dá)3種驅(qū)動(dòng)的共3個(gè)系列50多種規(guī)格，月產(chǎn)能達(dá)到800臺(tái)套.骨干企業(yè)有江蘇新格灌排設(shè)備有限公司、江蘇旺達(dá)噴灌機(jī)有限公司、徐州大有灌排設(shè)備有限公司、徐州泰豐泵業(yè)有限公司等，骨干企業(yè)主要集中在江蘇徐州.激光切割機(jī)、機(jī)器臂焊接等現(xiàn)代加工裝備被企業(yè)廣泛采用，實(shí)現(xiàn)了新一代卷盤式噴灌機(jī)的產(chǎn)業(yè)化，市場(chǎng)占有率達(dá)70%，噴灌面積占總噴灌面積的50%左右.

在江蘇大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)、中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)等國(guó)內(nèi)高校院所長(zhǎng)期努力下，卷盤式噴灌機(jī)制造過(guò)程中的“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)獲得了重大突破，整體技術(shù)達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平.中國(guó)自主優(yōu)化的高效水渦輪已完全替代早先引進(jìn)的第一代水渦輪，效率指標(biāo)領(lǐng)先國(guó)外[9].光伏電驅(qū)動(dòng)技術(shù)指標(biāo)[10]、噴灌均勻性控制與預(yù)測(cè)技術(shù)[11-12]、折疊噴灑臂技術(shù)、驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)優(yōu)化匹配技術(shù)[13]等達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平.自主研發(fā)的卷盤式噴灌機(jī)典型研究成果如圖2所示.

卷盤式噴灌機(jī)由于使用噴槍進(jìn)行噴灑作業(yè)，需要一定的壓力才能覆蓋一定的噴灑面積，同時(shí)還有輸水卷管及水渦輪的附加水力損失，所以能耗問(wèn)題始終是卷盤式噴灌機(jī)長(zhǎng)期面對(duì)的難題.因此，多能互補(bǔ)混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)、全工況驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)調(diào)控技術(shù)、寬幅桁架噴灑臂及低壓微噴頭、變量灌溉技術(shù)應(yīng)用、提高PE輸水管力學(xué)性能和減少壁厚及質(zhì)量、基于灌水決策的機(jī)載物聯(lián)網(wǎng)控制器、云水肥管理平臺(tái)等將是下一代卷盤式噴灌機(jī)的研發(fā)重點(diǎn).

此外，卷盤式噴灌機(jī)將向輕小型化及智能人化方向發(fā)展，以適應(yīng)不同土地規(guī)模，特別是小散地塊、丘陵山區(qū)果蔬茶等經(jīng)濟(jì)作物的無(wú)人水肥藥靶向同步噴施.

2.3.2 圓形和平移噴灌機(jī)

圓形噴灌機(jī)和平移噴灌機(jī)習(xí)慣上都稱為大型噴灌機(jī)，圓形噴灌機(jī)也稱中心支軸式噴灌機(jī)，占大型噴灌機(jī)的90%，噴灌面積占總噴灌面積的14%左右[6].國(guó)內(nèi)有現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司、安徽艾瑞德農(nóng)業(yè)裝備股份有限公司、沃達(dá)爾（天津）股份有限公司、德邦大為（天津）灌溉裝備有限責(zé)任公司、滄州華雨灌溉設(shè)備有限公司、大連雨林灌溉設(shè)備有限公司等骨干企業(yè).

在中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、西北農(nóng)林科技大學(xué)、江蘇大學(xué)等國(guó)內(nèi)高校院所的長(zhǎng)期研究下，通過(guò)引進(jìn)、消化、吸收，已基本掌握了圓形和平移噴灌機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)國(guó)產(chǎn)化，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平.噴頭配置和行走控制技術(shù)[14-15]、變量噴灌技術(shù)[16-17]、水量分布特性預(yù)測(cè)與仿真技術(shù)[18-19]、平移噴灌機(jī)定位與導(dǎo)航技術(shù)[20-21]、水肥一體化技術(shù)[22-23]等居國(guó)際先進(jìn)水平.典型研究成果如圖3所示.

大型噴灌機(jī)是長(zhǎng)期停留在田間的灌溉裝備，隨時(shí)可以啟動(dòng)作業(yè)，自動(dòng)化程度較高，因此，基于大型噴灌機(jī)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)大型噴灌機(jī)多功能化將是其發(fā)展方向.除了已有的水肥一體化功能外，在衛(wèi)星定位和導(dǎo)航技術(shù)的支持下，圓形和平移噴灌機(jī)將合為一體，形成適應(yīng)多種地塊形狀的圓平噴灌機(jī)[24]；在噴灌機(jī)桁架上附加往復(fù)滑動(dòng)施藥系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)植保功能等等.

2.3.3 滾移式噴灌機(jī)

滾移噴灌機(jī)是一種半行走半固定的噴灌機(jī)類型，與圓形、平移和卷盤噴灌機(jī)相比，自動(dòng)化程度較低，在噴灌機(jī)市場(chǎng)的占有率不高，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展較慢，研究也相對(duì)較少.制造企業(yè)有現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司等.

中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院較早地開展?jié)L移式噴灌機(jī)引進(jìn)、消化、吸收的研究工作[25]，近來(lái)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)也開展了相關(guān)研究[26-27].

滾移式噴灌機(jī)應(yīng)用的主要難點(diǎn)是自動(dòng)化程度低，在完成一次定點(diǎn)噴灌作業(yè)后，移位到下一個(gè)位置前和到位后，需要人工將支管與干管的供水栓脫離和連接，因此，研究解決支管和干管供水栓自動(dòng)連接問(wèn)題是滾移式噴灌機(jī)今后的發(fā)展方向.

2.3.4 輕小型噴灌機(jī)

輕小型噴灌機(jī)是中國(guó)傳統(tǒng)的噴灌機(jī)型，“十二五”以前噴灌以輕小型噴灌機(jī)為主，長(zhǎng)期以來(lái)為中國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水和抗旱發(fā)揮了重要作用.目前國(guó)內(nèi)骨干企業(yè)有江蘇旺達(dá)噴灌機(jī)有限公司、江蘇國(guó)農(nóng)泵業(yè)有限公司、常州金壇天鵝噴灌機(jī)械有限公司等，江蘇常州是輕小型噴灌機(jī)企業(yè)的主要集聚地.

江蘇大學(xué)等國(guó)內(nèi)高校院所對(duì)中國(guó)輕小型噴灌機(jī)關(guān)鍵技術(shù)開展了長(zhǎng)期研究. 20世紀(jì)70和80年代，主要針對(duì)噴頭、噴灌均勻性、機(jī)組配套等進(jìn)行研發(fā)，先后完成了PY1搖臂噴頭全國(guó)聯(lián)合設(shè)計(jì)和PY2搖臂噴頭系列研發(fā)；“十五”和“十一五”期間，獨(dú)創(chuàng)了隙控式射流噴頭，開發(fā)了射流式自吸泵及低能耗機(jī)組，探索了非圓形域噴灑方法及噴頭結(jié)構(gòu)等；“十二五”期間，完善了變域變量噴灑方法與噴頭結(jié)構(gòu)，獨(dú)創(chuàng)了噴滴灌兩用機(jī)組等，形成了低能耗變量輕小型噴灌機(jī)組；“十三五”期間，自主優(yōu)化的低壓旋轉(zhuǎn)噴頭性能優(yōu)于國(guó)外，研發(fā)了無(wú)蓄電池太陽(yáng)能抽水系統(tǒng)，發(fā)明了新型負(fù)壓反饋射流噴頭及水藥一體微噴頭等，形成了中國(guó)新型綠色輕小型噴灌機(jī)組.新型輕小型噴灌機(jī)典型研究成果如圖4所示.

目前，輕小型噴灌機(jī)的市場(chǎng)占有率受卷盤式噴灌機(jī)和大型噴灌機(jī)的沖擊很大，但在低壓管灌、抗旱、散小地塊丘陵山區(qū)和設(shè)施農(nóng)業(yè)灌溉時(shí)仍發(fā)揮很大作用.新能源水泵、低壓噴頭、水肥一體化設(shè)備、智能化是固定噴灌系統(tǒng)今后的發(fā)展方向.

2.3.5 總結(jié)

從以上噴灌機(jī)研究進(jìn)展可以看出，在土地規(guī)?；潭容^高但農(nóng)村勞動(dòng)力缺乏的情況下，自動(dòng)化程度較高的圓形噴灌機(jī)、平移噴灌機(jī)和卷盤式噴灌機(jī)發(fā)展較快，因而這3種類型的噴灌機(jī)的研究熱度也較高.新一代卷盤式噴灌機(jī)設(shè)計(jì)理論、關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品的創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化成果顯著，但需要進(jìn)一步降低能耗、提高智能化水平和應(yīng)用模式創(chuàng)新等.圓形和平移噴灌機(jī)整機(jī)已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，智能變量噴灌、水肥一體化技術(shù)的理論與應(yīng)用成果豐碩，但關(guān)鍵核心部件的設(shè)計(jì)理論及自主創(chuàng)新仍顯不足，在水資源不足、土地規(guī)模不大和管理水平不高的地區(qū)推廣應(yīng)用，仍有很大局限性.輕小型噴灌機(jī)自主創(chuàng)新了眾多的新技術(shù)和新產(chǎn)品，形成了新型綠色輕小型噴灌機(jī)，但成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化相對(duì)薄弱.滾移式噴灌機(jī)有待加大自主創(chuàng)新力度，提升自動(dòng)化程度，加快產(chǎn)業(yè)化步伐.在行走式噴灌機(jī)的田間管理與應(yīng)用模式中，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，多功能智能灌溉機(jī)器人將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇.

3 噴灌機(jī)發(fā)展思考

3.1 資源環(huán)境約束與挑戰(zhàn)

水資源短缺已成為全球糧食安全的主要制約因素.中國(guó)降水時(shí)空分布不均，受季風(fēng)氣候及地勢(shì)的影響，降水量呈南多北少、東多西少的基本格局.而且華北平原區(qū)地下水嚴(yán)重超采，形成160 余個(gè)地下水超采區(qū).北方地區(qū)僅利用全國(guó)1/5的水資源，卻生產(chǎn)全國(guó)一半以上的糧食，承擔(dān)巨大的資源和環(huán)境壓力.

康紹忠院士[28]提出，糧食安全的水資源保障應(yīng)包括水資源的合理配置與高效供給、水資源的農(nóng)業(yè)高效利用、 水污染防治和保護(hù)、應(yīng)對(duì)極端氣候?yàn)?zāi)害的水資源保障等方面.因此，在資源環(huán)境強(qiáng)約束挑戰(zhàn)下，應(yīng)綜合人口、資源、環(huán)境、耕地、種植結(jié)構(gòu)、成本等多種因素，選擇符合實(shí)際的節(jié)水灌溉技術(shù).

3.2 發(fā)展機(jī)遇

3.2.1 國(guó)家戰(zhàn)略和政策引導(dǎo)

2022年中央一號(hào)文件和國(guó)家“十四五”規(guī)劃綱要提出“2022年建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田1億畝，累計(jì)建成高效節(jié)水灌溉面積4億畝”[29]和 “新建高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田2.75億畝，其中新增高效節(jié)水灌溉0.6億畝”的目標(biāo).要求“發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)和旱作農(nóng)業(yè)”“深入實(shí)施農(nóng)藥化肥減量行動(dòng)”[29]，治理農(nóng)膜污染，“支持將符合條件的鹽堿地等后備資源適度有序開發(fā)為耕地”[30].《全國(guó)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃》提出,“到2030年建成12億畝高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田”“將高效節(jié)水灌溉與高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)統(tǒng)籌規(guī)劃、同步實(shí)施，完成1.1億畝新增高效節(jié)水灌溉建設(shè)任務(wù)”[31].

國(guó)家為農(nóng)業(yè)節(jié)水的發(fā)展提供了政策保障和難得機(jī)遇，同時(shí)，對(duì)節(jié)水灌溉裝備研發(fā)提出了更高、更全面的要求.

3.2.2 智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展機(jī)遇

智慧農(nóng)業(yè)是通過(guò)現(xiàn)代信息技術(shù)和智能裝備等與農(nóng)業(yè)深度跨界融合，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程的信息感知、定量決策、智能控制、精準(zhǔn)投入、個(gè)性化服務(wù)的全新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式.智慧農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向.美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)家的農(nóng)業(yè)智能裝備研究與應(yīng)用發(fā)展迅速，主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)已經(jīng)或正在實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”或“無(wú)人作業(yè)”，大幅度提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率和農(nóng)業(yè)資源利用效率[32].農(nóng)業(yè)智能裝備和農(nóng)業(yè)機(jī)器人的科技進(jìn)步為中國(guó)灌溉裝備發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)遇.

3.2.3 農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)變化

2022年中央一號(hào)文件要求“在黃淮海、西北、西南地區(qū)推廣玉米大豆帶狀復(fù)合種植，在東北地區(qū)開展糧豆輪作，在黑龍江省部分地下水超采區(qū)、寒地井灌稻區(qū)推進(jìn)水改旱、稻改豆試點(diǎn)，在長(zhǎng)江流域開發(fā)冬閑田擴(kuò)種油菜”[29].農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的改變，給黃淮海（華北、華東和華中結(jié)合部）、西南等低壓管灌和地面灌溉面積較多的地區(qū)開展行走式機(jī)械化噴灌發(fā)展提供了更加有利的條件.

3.2.4 鹽堿地改造耕地

習(xí)近平總書記在黃河三角洲農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)考察調(diào)研時(shí)指出,“18億畝耕地紅線要守住，5億畝鹽堿地也要充分開發(fā)利用.如果耐鹽堿作物發(fā)展起來(lái)，對(duì)保障中國(guó)糧倉(cāng)、中國(guó)飯碗將起到重要作用”[33].中國(guó)可開發(fā)利用鹽堿地面積多達(dá)1 333.4億m2，主要分布在遼寧、河北、天津、山東等渤海濱海段省市；江蘇北部、上海、浙江等黃海、東海濱海段省市；北京、天津、河北、山東、河南、安徽北部和江蘇北部等黃淮海平原；福建、臺(tái)灣、廣東、廣西、海南島等南海濱海段?。▍^(qū)）.大多集中在低壓管灌和地面灌溉面積較多的華北、華東地區(qū)，噴灌機(jī)大面積鹽堿地改造應(yīng)用潛力巨大.

3.3 噴灌的優(yōu)勢(shì)作用

3.3.1 節(jié)水效應(yīng)對(duì)比

噴、微灌是高效節(jié)水灌溉技術(shù)，微灌最節(jié)水，許多研究認(rèn)為，噴灌比地面灌溉節(jié)水30%～50%，微灌較地面灌溉節(jié)水50%～70%，低壓管灌比渠道灌節(jié)水15%～30%.因此，單從節(jié)水考慮，節(jié)水能力由高到低依次是微灌、噴灌、低壓管灌和渠道灌.

噴灌應(yīng)用最多的是東北地區(qū)，占噴灌面積47%，其中黑龍江占35%.微灌面積近10 a增長(zhǎng)迅速，其中西北地區(qū)超60%，新疆占52%，但同時(shí)膜下滴灌的農(nóng)膜及滴灌帶殘留污染仍是微灌面臨的重大問(wèn)題.低壓管灌主要應(yīng)用在華北和華東地區(qū)，分別占36.9%和28.8%，特別是北方井灌區(qū)，可能是造成地下水嚴(yán)重超采的主要原因.華東是渠道地面灌溉面積最大的地區(qū)，占40.6%，但節(jié)水效果明顯不及噴微灌技術(shù).總體上，中國(guó)噴微灌面積占比仍然偏低，僅占31%，其中噴灌為12%.因此，建議在中國(guó)北方地區(qū)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況擴(kuò)大噴微灌應(yīng)用面積，減少低壓管灌方式，減輕水資源和環(huán)境壓力.在中國(guó)南方地區(qū)，加大使用噴灌技術(shù)，減少地面灌溉和低壓管灌.

3.3.2 投資成本對(duì)比

節(jié)水灌溉的投資成本由包括水源（泵站）工程、管道或渠道工程、灌溉設(shè)備投入、費(fèi)用、維護(hù)等要素構(gòu)成.一定規(guī)模的節(jié)水灌溉工程選用不同節(jié)水灌溉設(shè)備和供水條件等都會(huì)影響成本.若水源為渠水、電力配套，按地下水源設(shè)計(jì)，壽命5 a，（1.33～3.33）×105m2規(guī)模農(nóng)田，供水流量100 m3/h，考慮水肥一體化設(shè)備，運(yùn)輸費(fèi)以1 000 km以內(nèi)計(jì).以小麥灌溉為例，滴灌首部過(guò)濾系統(tǒng)為三級(jí)過(guò)濾方式，即沉淀池+砂石過(guò)濾器+網(wǎng)式過(guò)濾器，設(shè)計(jì)過(guò)濾能力為120 m3/h，滴灌帶采用機(jī)械敷設(shè)；卷盤式噴灌機(jī)首部過(guò)濾系統(tǒng)為一級(jí)過(guò)濾方式，即沉淀池；圓形噴灌機(jī)灌溉小麥毛豆一年兩熟輪作；平移噴灌機(jī)灌溉小麥玉米一年兩熟輪作.不同灌溉方式的投資成本見(jiàn)表3（由華源公司提供）.

可見(jiàn)，隨著中國(guó)噴灌機(jī)國(guó)產(chǎn)化程度和性能的提升，噴灌的畝造價(jià)已大幅降低，如果計(jì)入滴灌帶每季使用后的更換費(fèi)用，噴灌機(jī)比滴灌的成本還要低.如果考慮更大規(guī)模農(nóng)田，大型噴灌機(jī)的成本會(huì)更低.而且噴灌機(jī)的設(shè)備利用率高、壽命長(zhǎng)（平均15 a）、維護(hù)費(fèi)用低、作業(yè)效率高.當(dāng)然，滴灌設(shè)備成本也會(huì)隨著科技進(jìn)步不斷降低，而且在水資源嚴(yán)重匱乏的干旱和半干旱地區(qū)，應(yīng)該首選滴灌.

3.3.3 優(yōu)勢(shì)和不可替代性

噴灌的最大優(yōu)勢(shì)是使農(nóng)田灌溉從傳統(tǒng)的人工作業(yè)變成半機(jī)械化、機(jī)械化和自動(dòng)化作業(yè)，并正朝著全面智能化方向發(fā)展.隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及國(guó)力增強(qiáng)，高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)及農(nóng)業(yè)規(guī)?；?jīng)營(yíng)穩(wěn)步推進(jìn)，噴灌機(jī)性能及功能不斷增強(qiáng)，使以往噴灌的局限性逐步轉(zhuǎn)變成發(fā)展優(yōu)勢(shì).

噴灌不僅節(jié)水，而且能協(xié)調(diào)土壤水、氣、熱狀況，改善小氣候，使作物的蒸騰受到明顯抑制，對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和品質(zhì)的提高效果顯著.同時(shí)噴灌對(duì)水質(zhì)要求不高，可以利用沼液等有機(jī)水肥開展作物的灌溉.噴灌還對(duì)鹽堿地具有良好的淋洗作用，對(duì)擴(kuò)大耕地具有促進(jìn)作用.在遭遇嚴(yán)重旱情時(shí)，噴灌可以及時(shí)快速補(bǔ)充糧食作物水分，是抗旱保糧的主要手段.因此，與其他灌溉技術(shù)相比，噴灌技術(shù)具有不可替代的作用.

4 展 望

4.1 補(bǔ)齊全程機(jī)械化短板

長(zhǎng)期以來(lái)農(nóng)業(yè)機(jī)械化注重拖拉機(jī)、播種機(jī)、收割機(jī)、施肥機(jī)、植保機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械，而灌溉機(jī)械則處于邊緣化，灌溉機(jī)械化成為全程機(jī)械化的短板.當(dāng)前，隨著智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，要求田間管理智能化，而土壤水分管理是作物生長(zhǎng)的必要保障，農(nóng)業(yè)全程機(jī)械化不能缺席灌溉裝備的機(jī)械化，行走式噴灌機(jī)正是補(bǔ)齊短板的最好灌溉裝備.目前，玉米大豆復(fù)合種植和夏糧小麥促弱轉(zhuǎn)壯模式等農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的改變，更加需要全程機(jī)械化作業(yè)和田間管理，噴灌機(jī)水肥變量精準(zhǔn)作業(yè)將發(fā)揮更大作用.

4.2 開辟水肥藥同機(jī)一體化新模式

國(guó)家政策多次強(qiáng)調(diào)要深入實(shí)施農(nóng)藥化肥減量行動(dòng)，研發(fā)示范高效節(jié)水灌溉、測(cè)土配方施肥等現(xiàn)代節(jié)水節(jié)肥農(nóng)業(yè)技術(shù)，研究與農(nóng)藝相適應(yīng)的精準(zhǔn)施肥施藥等智能作業(yè)裝備.“十三五”期間多個(gè)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃開展了圓形和平移噴灌機(jī)、卷盤式噴灌機(jī)水肥一體化作業(yè)研究和應(yīng)用示范，取得了許多研究成果，基于行走式噴灌機(jī)平臺(tái)的施藥植保系統(tǒng)也已形成樣機(jī)，水肥藥同機(jī)一體化作業(yè)新模式將彌補(bǔ)打藥機(jī)地隙高度低、植保無(wú)人機(jī)載藥量低、續(xù)航能力差等不足.

4.3 實(shí)現(xiàn)無(wú)人化智能化灌溉作業(yè)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星遙感、人工智能、傳感技術(shù)和智能控制等領(lǐng)域的科技進(jìn)步，中國(guó)無(wú)人農(nóng)機(jī)成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)，噴灌機(jī)全程無(wú)人化智能作業(yè)也自然成為今后發(fā)展的方向，未來(lái)噴灌機(jī)將集農(nóng)田作物水分、養(yǎng)分、病蟲害、長(zhǎng)勢(shì)等信息感知技術(shù)、智能化決策、精準(zhǔn)化作業(yè)和智慧化管理于一體，實(shí)現(xiàn)全程無(wú)縫對(duì)接.為解決中國(guó)農(nóng)村“老人化”“空心化”等勞動(dòng)力短缺突出問(wèn)題、突破農(nóng)業(yè)全程機(jī)械化中農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的難點(diǎn)技術(shù)提供全程無(wú)人灌溉解決方案.