農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)農(nóng)藝技術(shù)措施分析

潘玉忠，梁 敏

(龍江縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，黑龍江 龍江 161100)

0 引言

水資源已經(jīng)成為制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，農(nóng)業(yè)灌溉用水與工業(yè)、生活、環(huán)境用水競(jìng)爭(zhēng)日趨緊張[1]。目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉主要包括噴灌、溝灌、壟灌及滴灌。其中溝灌和壟灌用水粗放無(wú)度，在當(dāng)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)逐漸摒棄，目前應(yīng)用最為廣泛的節(jié)水灌溉措施主要為渠道防滲、噴灌、微噴灌和滴灌[2]。本文通過(guò)對(duì)目前不同農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉方式、農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)對(duì)土壤環(huán)境及作物生長(zhǎng)的作用機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)地分析，并提出未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展多元化農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)及田間智能灌溉技術(shù)，以期為進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)用水效率、優(yōu)化農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 不同農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

1.1 渠道防滲技術(shù)

我國(guó)西北干旱及半干旱地區(qū)水分蒸發(fā)嚴(yán)重、土壤鹽漬化及地下水位過(guò)深是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制條件[3]。我國(guó)在20世紀(jì)50年代從日本引進(jìn)渠道防滲技術(shù)，主要工作原理如圖1所示。由于造價(jià)低、防滲效果良好在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。主要應(yīng)用在地勢(shì)及地下水位較高的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)，目前在西北地區(qū)，如新疆、內(nèi)蒙古、青海及甘肅等地區(qū)進(jìn)行廣泛應(yīng)用。渠道防滲技術(shù)與井渠技術(shù)相互結(jié)合，可以在控制地下水位的同時(shí)解決季節(jié)性缺水問(wèn)題，根據(jù)不同作物及不同地區(qū)，按照灌區(qū)對(duì)地下水位及作物需水量的控制要求，制定相應(yīng)計(jì)劃控制灌水量和灌水時(shí)間，還可以防止土壤鹽堿化。

圖1 渠道防滲技術(shù)田間工作原理

1.2 噴灌技術(shù)

噴灌技術(shù)是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最早的一種農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)，主要包括噴灌頭、固定管道、田間移動(dòng)軸及中心支架等部分，是通過(guò)在田間安裝管道，將灌溉水通過(guò)壓力管道輸送至田間，經(jīng)過(guò)田間管道噴頭噴射到作物上空，以水霧及水滴的形式灑落在作物表面。在我國(guó)輻射面積較廣，主要是由于噴灌系統(tǒng)的應(yīng)用不受作物種類(lèi)、地形地貌的限制，工程造價(jià)較低，田間安裝較為簡(jiǎn)單，可以應(yīng)用在水果、蔬菜及大田作物的灌溉，在田間占據(jù)面積較小，應(yīng)用范圍較為廣泛。但是噴灌技術(shù)較為明顯的缺點(diǎn)是水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，在作物灌溉時(shí)，會(huì)出現(xiàn)噴灌不均勻、田間蒸發(fā)浪費(fèi)較為嚴(yán)重等問(wèn)題，因此，隨著我國(guó)大力推廣節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)始發(fā)展其他節(jié)水灌溉技術(shù)逐漸替代噴灌技術(shù)。

1.3 滴灌技術(shù)

滴灌主要是依靠滴灌管道將灌溉用水通過(guò)滴灌管上的孔口或滴頭精準(zhǔn)輸送到作物根部土壤進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉，因水資源利用率高，在干旱和半干旱地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。滴灌主要分為地表滴灌和地下滴灌，其中，地下滴灌技術(shù)是目前被公認(rèn)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率最高的一種滴灌技術(shù)，可以將液體肥料與灌溉水混合后直接輸送到作物根部，更加精準(zhǔn)地為作物根系提供水分及養(yǎng)分，最大程度減少水分徑流與化肥污染。由于地表保持干燥，還可以保持土壤表層干燥，減少了雜草種子的發(fā)芽和生長(zhǎng)。

后期逐步發(fā)展為水肥一體化技術(shù)，將水分與養(yǎng)分精準(zhǔn)輸送到作物根部，通過(guò)滴灌管可以使水分和養(yǎng)分均勻、定時(shí)和精準(zhǔn)地輸送至作物根系。可以根據(jù)作物不同生育時(shí)期的需水需肥規(guī)律定時(shí)灌溉。目前，水肥一體化技術(shù)在干旱及半干旱地區(qū)開(kāi)始廣泛應(yīng)用，應(yīng)用水肥一體化技術(shù)可以避免在干旱地區(qū)水分及化學(xué)肥料在表層的揮發(fā)慢等問(wèn)題，避免由于降雨沖刷等造成肥料流失，對(duì)環(huán)境造成污染，提高水肥利用效率。相關(guān)研究均表明，水肥一體化技術(shù)可以節(jié)省水肥60%～85%左右。

1.4 增氧灌溉技術(shù)

進(jìn)行滴灌時(shí)，土壤中持續(xù)的飽和濕潤(rùn)區(qū)導(dǎo)致水分代替空氣存在于土壤中，進(jìn)而限制了土壤孔隙中氧氣的可利用性和移動(dòng)性，無(wú)法滿足作物根系呼吸所需要的O2含量，土壤缺氧會(huì)造成作物氣孔關(guān)閉、葉水勢(shì)降低，影響作物正常的生理功能，成為農(nóng)作物高產(chǎn)的主要限制條件，因此后期逐步發(fā)展出來(lái)一種增氧灌溉技術(shù)。增氧灌溉技術(shù)是由澳大利亞昆士蘭中心大學(xué)David Midmore和庫(kù)克大學(xué)的蘇寧虎教授提出的一種新型農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)，是在地下滴灌的基礎(chǔ)上，通過(guò)向作物根部土壤增加空氣，或增加灌溉水中氧氣的方式，滿足作物根部土壤氧環(huán)境的需求，在提高灌水效率的同時(shí)可以有效緩解作物根部的缺氧癥狀，改善作物根系土壤微環(huán)境和土壤酶活性，維持作物根系正常的新陳代謝和呼吸功能，提高作物的產(chǎn)量與品質(zhì)。但是加氣灌溉是近幾年來(lái)開(kāi)始的一種新型灌溉技術(shù)，尚未形成完善的技術(shù)體系，雖然在田間相關(guān)應(yīng)用結(jié)果均表明，增氧灌溉技術(shù)可以提高作物農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量及品質(zhì)，但是目前主要出于實(shí)驗(yàn)室階段，尚未在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行大面積推廣應(yīng)用。

2 農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)生態(tài)效益分析

2.1 節(jié)水、節(jié)肥、省工

滴灌技術(shù)屬于大田布局管道進(jìn)行局部灌溉的一種灌溉方式，可以使水分及化學(xué)肥料的浪費(fèi)降到最低，減輕環(huán)境污染，僅需要閥門(mén)控制整個(gè)田間的灌溉與施肥，可以顯著降低農(nóng)戶(hù)勞動(dòng)強(qiáng)度，降低生產(chǎn)成本。水肥一體化技術(shù)相對(duì)于噴灌及微灌技術(shù)，不需要進(jìn)入田間，只需要通過(guò)開(kāi)閉相對(duì)應(yīng)的閥門(mén)就可以為田間作物定時(shí)、定點(diǎn)的提供水分與養(yǎng)分，在節(jié)省勞動(dòng)力的同時(shí)，精準(zhǔn)地將水分和養(yǎng)分輸送至作物根部，極大地提高化學(xué)肥料的利用效率。采用滴灌技術(shù)還可以減輕田間病蟲(chóng)害與雜草的發(fā)生，滴灌技術(shù)將水分直接輸送至作物根區(qū)，地表保持干旱，減少了雜草的發(fā)生，農(nóng)田環(huán)境濕度降低，相對(duì)應(yīng)的可以降低土傳病害的發(fā)生。

農(nóng)業(yè)給水灌溉系統(tǒng)的主要投資包括灌溉首部、水泵、管道、閥門(mén)等，總計(jì)投資成本約為1 000～3 500 元·(667 m2)-1，使用期限約在6年左右，每年可以節(jié)省灌溉水、化學(xué)肥料及人工合計(jì)約為850 元·(667 m2)-1，作物還可以增產(chǎn)20%～35%左右，在減輕農(nóng)戶(hù)勞動(dòng)力的同時(shí)提高農(nóng)戶(hù)收入[4]。

2.2 改善土壤環(huán)境，提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)

傳統(tǒng)灌溉方式，如噴灌和溝灌，灌溉水在壓力作用下進(jìn)行作物灌溉，會(huì)對(duì)土壤進(jìn)行沖刷，造成土壤水蝕，會(huì)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)造成破壞，土壤通氣性降低。而滴灌技術(shù)屬于局部微量灌溉，使作物灌溉水均勻緩慢的入滲至作物根部，可以維持較好的土壤理化結(jié)構(gòu)，為作物生長(zhǎng)提供一個(gè)適宜的土壤環(huán)境。滴灌將作物所需的水分及養(yǎng)分均勻、準(zhǔn)確地輸送至作物根部土壤，提高作物根系對(duì)水肥的利用效率，改善作物生長(zhǎng)形狀與品質(zhì)，達(dá)到作物提質(zhì)增產(chǎn)的目的、由于滴灌系統(tǒng)可以降低灌溉水、化學(xué)肥料及農(nóng)藥的施用，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入成本，因此可以提高社會(huì)效益、生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3 農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)存在的問(wèn)題

3.1 管道堵塞，造成鹽分積累

由于土壤中的雜質(zhì)多、有機(jī)物質(zhì)、泥沙及過(guò)濾系統(tǒng)不完善等會(huì)造成田間滴灌管道堵塞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響整個(gè)滴灌系統(tǒng)的順利運(yùn)行，而進(jìn)行田間滴灌管的更換十分耗費(fèi)人力物力。在西北鹽漬地區(qū)使用滴灌系統(tǒng)，灌溉水中鹽分含量較高，鹽分隨著灌溉水會(huì)積累在管道邊緣隨著水分沖刷進(jìn)入作物根部，對(duì)作物根系造成鹽分迫害，因此在西北鹽漬地區(qū)進(jìn)行灌溉時(shí)應(yīng)注意對(duì)灌溉水中的鹽分進(jìn)行及時(shí)清理。

3.2 水肥一體化系統(tǒng)不完善

水肥一體化技術(shù)是一項(xiàng)綜合技術(shù)，在大田農(nóng)業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)及溫室農(nóng)業(yè)中均得到了廣泛應(yīng)用，但是目前推廣應(yīng)用中仍然存在一些問(wèn)題。首先應(yīng)建立一套完善的水肥一體化應(yīng)用技術(shù)體系與應(yīng)用措施，針對(duì)不同的應(yīng)用區(qū)域、土壤質(zhì)地、作物類(lèi)型、種植方式及水源特點(diǎn)等，設(shè)計(jì)水肥一體化系統(tǒng)中滴灌管埋設(shè)深度、管灌區(qū)域、灌溉部分的安裝方式，技術(shù)體系關(guān)于閥門(mén)安裝、水肥容量、水泵及施肥泵的選型等進(jìn)行說(shuō)明[5]。其次應(yīng)加快液態(tài)肥的研究，目前大多數(shù)地區(qū)仍然是施用水分融化固態(tài)肥料后進(jìn)行輸送，這種方式極易引起管道堵塞，對(duì)后期田間應(yīng)用造成不利影響。最后就是在水肥一體化技術(shù)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)對(duì)操作方式進(jìn)行說(shuō)明，防止由于技術(shù)操作不當(dāng)造成整體系統(tǒng)的運(yùn)行故障。

4 農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮著十分重要的作用，因此要密切跟蹤學(xué)科前沿進(jìn)展，把握發(fā)展趨勢(shì)，找準(zhǔn)主攻方向，明確研究重點(diǎn)，突破制約瓶頸，不斷取得更大成效。

4.1 多元化節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展

多元化節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)是將化肥、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑及殺蟲(chóng)劑等農(nóng)用化學(xué)品隨著灌溉水輸送至作物根部土壤，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)投入的效益最大化，節(jié)省能源、成本和時(shí)間，減少化肥及殺蟲(chóng)劑等農(nóng)用化學(xué)品的使用，并最大程度地降低浪費(fèi)和污染。農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)的多元化將大幅度提高地下滴灌系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。

4.2 作物動(dòng)態(tài)需水模型的建立

影響土壤水分含量的主要因素有大氣因素(包括大氣溫濕度、降雨量、大氣壓力、光照強(qiáng)度及風(fēng)速等)，土壤性質(zhì)及農(nóng)業(yè)管理措施等。由于外界環(huán)境的不斷變化，導(dǎo)致土壤水分含量處于動(dòng)態(tài)變化。不同作物在不同時(shí)期的需水量不同。因此，對(duì)于不同作物及作物不同生育周期需水量處于動(dòng)態(tài)變化，作物在整個(gè)生育周期中都需要平衡地供應(yīng)水分，未來(lái)應(yīng)對(duì)作物整個(gè)生育周期動(dòng)態(tài)需水量開(kāi)展研究，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)供水，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，避免水資源過(guò)多造成浪費(fèi)或者水分供應(yīng)不及時(shí)造成作物缺水。

4.3 智能化田間灌溉系統(tǒng)的研究

當(dāng)前，我國(guó)已經(jīng)建立了比較完善的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田資源信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，建設(shè)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)中心，建立農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集、共享、分析和使用，在信息獲取、參數(shù)反演、模型構(gòu)建和精度檢驗(yàn)等方面研發(fā)了一系列信息技術(shù)。全面分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，提高對(duì)作物種植面積、生產(chǎn)進(jìn)度、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、天氣情況、氣候條件、災(zāi)害程度和土壤環(huán)境的關(guān)聯(lián)監(jiān)測(cè)能力，支撐農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化及農(nóng)業(yè)環(huán)境精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，從源頭上提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。隨著田間智能灌溉技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)及規(guī)?；闹饾u擴(kuò)大，其控制過(guò)程也向自動(dòng)化和智能化轉(zhuǎn)變，構(gòu)建實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析預(yù)警和指揮調(diào)度于一體的土壤灌溉智能決策系統(tǒng)的研究，基于不同土壤環(huán)境及不同作物品種生長(zhǎng)時(shí)期的動(dòng)態(tài)需水模型，對(duì)作物不同時(shí)期的需水量進(jìn)行精準(zhǔn)補(bǔ)償，滿足作物生長(zhǎng)過(guò)程中的水分需求。

5 結(jié)語(yǔ)

推進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用與發(fā)展，是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。闡述了農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的促進(jìn)作用，包括在改善土壤環(huán)境、農(nóng)業(yè)資源高效利用、作物產(chǎn)量及品質(zhì)等方面發(fā)揮的重要作用。從全面統(tǒng)籌推進(jìn)考慮，還需要從以下兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)突破。

1)通過(guò)結(jié)合多種農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)改善現(xiàn)有滴灌系統(tǒng)的管理，將田間灌溉技術(shù)與其他農(nóng)用化學(xué)品精確配合使用，提高肥料和化學(xué)藥品利用效率，減少傳統(tǒng)施肥、植保等農(nóng)業(yè)措施存在的潛在污染，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

2)建立作物生長(zhǎng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)需水模型，分析土壤水分在作物不同時(shí)期的衰減規(guī)律，為田間作物灌溉智能化調(diào)控系統(tǒng)的建立提供理論基礎(chǔ)。建立田間灌溉智能化調(diào)控系統(tǒng)與智能決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)田間水分、養(yǎng)分自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)制，降低農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)運(yùn)行成本，推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)的智能化發(fā)展。

(04)