農(nóng)業(yè)灌溉模式與節(jié)水技術(shù)應(yīng)用

張繼偉

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

水資源短缺、水資源利用效率低是限制社會(huì)發(fā)展、工業(yè)進(jìn)步及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要條件，水資源在社會(huì)發(fā)展中起著決定性作用。另一方面，我國(guó)人口眾多，水資源稀缺，人均水資源占有量不足世界平均水平的四分之一[1-2]。據(jù)2021年水資源報(bào)告統(tǒng)計(jì)，我國(guó)水資源總量約為29 040億m3，其中，僅農(nóng)業(yè)灌溉用水量就高達(dá)302億m3，但是農(nóng)田水資源利用效率僅為52.95%,而發(fā)達(dá)國(guó)家的農(nóng)業(yè)水資源利用效率高達(dá)80.20%以上[3-4]。

水資源短缺、水資源利用效率低、我國(guó)水資源時(shí)空分布不均等都成為限制我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素[5]，因此，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)是保證農(nóng)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展及國(guó)家糧食安全的重要保證條件之一。

1 農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 渠道防滲節(jié)水灌溉技術(shù)

目前，在農(nóng)業(yè)地區(qū)的灌溉渠道主要以砂礫石層或者土質(zhì)的渠床，在進(jìn)行農(nóng)田灌溉時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的灌溉水滲漏等問(wèn)題，減少水分利用效率，因此，渠道防滲節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，主要包括混凝土防滲技術(shù)(圖1)[6]、土料防滲技術(shù)，改善了灌溉渠道的滲漏問(wèn)題，提升了農(nóng)田灌溉效率，有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

圖1 混凝土渠道防滲結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 滴灌技術(shù)

滴灌主要分為地表滴灌技術(shù)及地下滴灌技術(shù)兩種發(fā)展模式，是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最節(jié)水的灌溉技術(shù)。由于滴灌技術(shù)需要投入相應(yīng)的管道及設(shè)備，最初只應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)作物的生產(chǎn)中，隨著后續(xù)技術(shù)的逐漸完善，經(jīng)濟(jì)效益的逐漸顯現(xiàn)，開(kāi)始廣泛應(yīng)用于大田作物，是目前應(yīng)用最為廣泛的節(jié)水灌溉技術(shù)。滴灌技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，灌溉水只濕潤(rùn)作物生長(zhǎng)部分，可以減少灌溉水的投入，減少水分的無(wú)效蒸發(fā)，還可以防止雜草生長(zhǎng)，且不易產(chǎn)生地表徑流。

1.3 水肥一體化技術(shù)

水肥一體化技術(shù)是在滴灌技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的一種新型農(nóng)業(yè)灌溉方式，通過(guò)在水中加入肥料，可以提供足夠的水分和養(yǎng)分，實(shí)現(xiàn)水肥精準(zhǔn)灌溉，提高肥料利用效率，減少化肥、農(nóng)藥由于地表徑流造成的農(nóng)田環(huán)境污染，由于滴灌能夠及時(shí)適量供水、供肥，因此，水肥一體化技術(shù)可以在提高農(nóng)作物產(chǎn)量的同時(shí)，提高和改善農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)。

1.4 水肥氣一體化節(jié)水灌溉技術(shù)

地下滴灌技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的田間節(jié)水灌溉技術(shù)，可以顯著提高水分、養(yǎng)分利用效率，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉與施肥，但是，灌溉水分入滲會(huì)驅(qū)替土壤孔隙中的空氣，導(dǎo)致土壤出現(xiàn)周期性的滯水，造成土壤通氣性下降，土壤氧氣含量降低，作物有氧呼吸受到影響，根系呼吸速率降低，因此對(duì)土壤中的水分和養(yǎng)分吸收利用效率下降，如果根系長(zhǎng)期處于厭氧環(huán)境或得不到足夠的氧氣，根系對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收下降，也會(huì)改變植物的激素水平和酶活性，阻礙光合作用，限制營(yíng)養(yǎng)器官的功能，植物地上部分則表現(xiàn)為葉片萎縮，作物鮮重和干重顯著下降，最終導(dǎo)致作物產(chǎn)量和品質(zhì)的下降，成為農(nóng)作物高產(chǎn)的主要限制條件。水肥氣一體化技術(shù)是在地下滴灌的基礎(chǔ)上，利用空氣泵或者羅茨風(fēng)機(jī)等通風(fēng)裝置向作物根部土壤增加空氣，或者采用文丘里裝置將空氣以微氣泡的形式摻入灌溉水中，提高灌溉水中氧含量，提高土壤中植株根系的呼吸速率，進(jìn)而影響到了植株根系對(duì)水分與肥料的吸收效率，所以可以有效促進(jìn)農(nóng)作物植株的生長(zhǎng)，農(nóng)作物達(dá)到豐產(chǎn)增收，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量有所提升[7]。

1.5 再生水灌溉

再生水灌溉是指將城鄉(xiāng)污水處理后可再次利用的水，用于農(nóng)田灌溉，但是隨著研究的逐漸深入，相關(guān)研究均表明，再生水中廣泛存在著抗生素抗性基因，再生水灌溉后是否會(huì)對(duì)土壤環(huán)境及作物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響是目前廣泛開(kāi)展的研究項(xiàng)目之一。中國(guó)農(nóng)科院農(nóng)田灌溉研究所非常規(guī)水資源利用團(tuán)隊(duì)，基于宏觀基因調(diào)控技術(shù)，開(kāi)展再生水長(zhǎng)期灌溉土壤后，對(duì)土壤環(huán)境及作物生長(zhǎng)的影響，研究結(jié)果表明，不同灌溉處理方式(地下水灌溉、再生水灌溉、地下水再生水交替灌溉)對(duì)土壤抗生素抗性基因組成無(wú)顯著影響。但是關(guān)于再生水灌溉后作物生長(zhǎng)，及人體吸收后對(duì)人體是否有影響的論證仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證與分析。再生水灌溉是目前節(jié)水灌溉中最具潛力的灌溉方式之一[8]。

2 節(jié)水灌溉模式下不同作物需水規(guī)律的研究

研究不同作物及不同生育時(shí)期的需水規(guī)律，對(duì)于提高水分利用效率，在保證作物高產(chǎn)的前提下兼顧節(jié)水灌溉模式的發(fā)展。作物需水量是指作物在適宜的土壤水肥環(huán)境中，獲得高產(chǎn)時(shí)的作物蒸騰、棵間蒸發(fā)量及構(gòu)成作物體內(nèi)水分總量之和?？瞄g蒸發(fā)量及構(gòu)成作物體內(nèi)水分總量之和與作物蒸騰量相比較小，不足1%，因此忽略不計(jì)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，主要以作物蒸騰量來(lái)計(jì)算作物需水量，是制定合理節(jié)水灌溉模式的主要理論依據(jù)，對(duì)作物灌溉管理決策具有重要意義，也是當(dāng)前節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)。

2.1 影響作物蒸騰量的主要因素

作物蒸騰量的主要影響因素包括氣象條件，如日照、降雨量、濕度及風(fēng)速等，土壤質(zhì)地，作物種類及生長(zhǎng)發(fā)育階段等。

2.1.1 氣候因素對(duì)作物蒸騰量的影響

太陽(yáng)輻射是作物蒸騰作用的主要能量來(lái)源之一，太陽(yáng)輻射越高，作物蒸騰速率加快，在一定時(shí)間內(nèi)蒸騰量越高，但是，當(dāng)太陽(yáng)輻射過(guò)強(qiáng)時(shí)，作物出于自我保護(hù)狀態(tài)，氣孔關(guān)閉，從而減少自身的水分散失，保護(hù)自身生長(zhǎng)所需水分。

大氣濕度主要通過(guò)影響葉面和大氣之間的水汽壓差進(jìn)而影響作物的蒸騰量，大氣濕度越高，作物蒸騰速率就會(huì)逐漸減弱，蒸騰量減少，大氣濕度較小，隨之降低。

風(fēng)速對(duì)作物蒸騰量的影響主要是通過(guò)影響葉面水汽擴(kuò)散速率，進(jìn)而影響蒸騰量的變化，風(fēng)速越高，可以促進(jìn)作物蒸騰作用，在一定范圍內(nèi)，蒸騰量的增減變化與風(fēng)速的1/2～1次方成正比，當(dāng)風(fēng)速增大到一定限速，葉面氣孔開(kāi)合度減小，進(jìn)而減少作物蒸騰量的變化。

2.1.2 土壤含水率對(duì)作物蒸騰量的影響

土壤含水率是影響作物蒸騰量的主要土壤環(huán)境因素之一，當(dāng)土壤水分虧缺時(shí)，土壤中的毛細(xì)管傳導(dǎo)度降低，作物根系活力降低，對(duì)水分的吸收減弱，植株體內(nèi)含水率降低，葉片氣孔關(guān)閉，從而導(dǎo)致作物葉片蒸騰速率降低，作物蒸騰量在一定范圍內(nèi)隨著土壤含水率的增加而增大，但是當(dāng)土壤含水量過(guò)大時(shí)，土壤中大部分孔隙被水份占據(jù)，導(dǎo)致土壤通氣性降低，根系有氧呼吸減弱，根系無(wú)法進(jìn)行正常的新陳代謝活動(dòng)，進(jìn)而引起根系蒸騰減弱。

2.1.3 作物生物學(xué)特性對(duì)蒸騰量的影響

不同種類作物蒸騰量有顯著的差異性，耐旱性較強(qiáng)的地方作物葉片表面積不發(fā)達(dá)，葉面積較小，氣孔細(xì)小，保水能力較強(qiáng)，蒸騰失水量較小。同一種作物在不同階段的蒸騰量也有很大的差異，作物生長(zhǎng)前期，植株較小，蒸騰量較低，隨著作物的逐漸生長(zhǎng)及發(fā)育，蒸騰量逐漸達(dá)到最大后隨著作物的成熟與衰老又逐漸減小。

2.2 節(jié)水灌溉模式下作物蒸騰量的計(jì)算方法

針對(duì)目前常見(jiàn)的節(jié)水灌溉模式下，水稻的需水規(guī)律進(jìn)行分析研究。

水稻蒸騰量主要是通過(guò)水稻根系層土壤深度內(nèi)水量平衡進(jìn)行計(jì)算，如式(1)所示

ETci=Ii+Pi-Si-△Wi-Di

(1)

式中ETci—第i階段作物蒸發(fā)蒸騰量，mm；

Ii—第i階段灌水量，mm；

Pi—第i階段有效降水量，mm；

Si—第i階段蒸滲儀內(nèi)的滲漏量，mm；

△Wi—第i階段根系層土壤控制深度內(nèi)土壤儲(chǔ)水量變化量，mm；

Di—第i階段的排水量，mm。

目前，不同地區(qū)節(jié)水灌溉模式下水稻蒸騰量的計(jì)算與灌溉模式基本形成完善的體系，表1為黑龍江地區(qū)不同節(jié)水灌溉模式下水稻蒸發(fā)量的變化。

表1 不同節(jié)水灌溉模式下黑龍江水稻蒸騰量的變化

3 節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與研究重點(diǎn)

3.1 存在的限制

關(guān)于節(jié)水灌溉技術(shù)下對(duì)土壤環(huán)境及作物生長(zhǎng)影響越來(lái)越清晰，然而在一些相關(guān)研究中表明還存在一定弊端和不足，導(dǎo)致節(jié)水灌溉技術(shù)下對(duì)土壤與作物之間的調(diào)控機(jī)理的認(rèn)知受到一定的限制，具體歸納為以下幾點(diǎn)。

1)節(jié)水灌溉技術(shù)在減少水分投入的前提下可以保證作物的穩(wěn)產(chǎn)，甚至高產(chǎn)，對(duì)作物水分、養(yǎng)分吸收利用的影響、作物同化產(chǎn)物在作物體內(nèi)輸移分配及其對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生的影響等基礎(chǔ)理論尚存在一定缺口。節(jié)水灌溉技術(shù)從土壤環(huán)境到作物產(chǎn)量及品質(zhì)之間的作用路徑尚不明確。

2)不同作物或相同作物不同生育期時(shí)作物對(duì)不同節(jié)水灌溉參數(shù)的響應(yīng)規(guī)律尚不清楚，節(jié)水灌溉智能化控制系統(tǒng)尚未形成體系，這些都成為節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用和灌溉智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其推廣的重要因素。

3.2 研究重點(diǎn)

需要進(jìn)一步探究作物不同生育時(shí)期對(duì)節(jié)水灌溉技術(shù)的響應(yīng)特征，明晰節(jié)水灌溉模式下保證作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的作用路徑和主要推動(dòng)力，以不同作物生育期為單位確定最佳的節(jié)水灌溉技術(shù)參數(shù)。從全面統(tǒng)籌推進(jìn)考慮，未來(lái)的研究還應(yīng)針對(duì)以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)突破。

1)節(jié)水灌溉模式中，尤其是水肥一體化技術(shù)下土壤水、肥、藥多相流在土壤中的輸送規(guī)律，對(duì)養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化及土壤養(yǎng)分供應(yīng)的影響，作物根系空間構(gòu)型對(duì)土壤水分、養(yǎng)分吸收利用的影響，作物同化產(chǎn)物的建成機(jī)制上存在一定的缺口。因此，可以通過(guò)進(jìn)一步精準(zhǔn)調(diào)控水肥而向可持續(xù)灌溉和精準(zhǔn)灌溉的方向發(fā)展。

2)開(kāi)展節(jié)水灌溉模式對(duì)植株表觀形態(tài)、產(chǎn)量、品質(zhì)等向激素調(diào)節(jié)、過(guò)氧化物及抗氧化酶系變化、基因調(diào)控、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等方向轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步明確節(jié)水灌溉技術(shù)下改善作物品質(zhì)，提高作物產(chǎn)量的生理生化機(jī)制。

4 結(jié)論

水資源短缺、水資源利用效率低、水資源時(shí)空分布不均等都成為限制我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素，因此，開(kāi)展節(jié)水灌溉技術(shù)的研究對(duì)于穩(wěn)定我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本研究系統(tǒng)闡述了目前應(yīng)用最為廣泛的節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展模式，如渠道防滲節(jié)水灌溉技術(shù)、滴灌技術(shù)、水肥一體化技術(shù)及再生水灌溉技術(shù)等，并系統(tǒng)分析了節(jié)水灌溉技術(shù)下作物需水規(guī)律的理論依據(jù)及發(fā)展模式，并針對(duì)目前節(jié)水灌溉模式發(fā)展現(xiàn)狀中存在的問(wèn)題給予相應(yīng)的發(fā)展建議，研究結(jié)果為推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，保證我國(guó)糧食安全提供參考。