農(nóng)業(yè)水利灌溉工程中的節(jié)水措施

張繼偉

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

0 引言

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計預(yù)測，我國人口在2030年將達(dá)到16億，年糧食需求將增加到6.4億～7.3億t，根據(jù)我國農(nóng)業(yè)發(fā)展要求，為了滿足糧食需求，農(nóng)業(yè)灌溉面積應(yīng)發(fā)展至6 000萬hm2左右，根據(jù)現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)灌溉用水量，預(yù)計在2030年農(nóng)業(yè)灌溉用水量將達(dá)到6 500億m3。因此，為解決耕地面積有限、灌溉用水緊缺的局面，發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。

目前，農(nóng)業(yè)應(yīng)用較為廣泛的節(jié)水灌溉措施主要包括渠道防滲技術(shù)、滴管技術(shù)、水肥一體化技術(shù)，還涌現(xiàn)出一批節(jié)水灌溉新技術(shù)，如加氣灌溉技術(shù)及再生水灌溉技術(shù)等，為農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展提供新的發(fā)展思路與需求。

1 農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 節(jié)水灌溉含義

我國《節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》中對節(jié)水灌溉的定義為：根據(jù)不同作物不同生育時期需水規(guī)律及地區(qū)水資源條件，對降水及農(nóng)業(yè)灌溉水進行高效利用，是保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益最大化的主要措施。

1.2 節(jié)水灌溉技術(shù)體系分類

節(jié)水灌溉體系主要包括工程技術(shù)類節(jié)水、管理類節(jié)水及政策類節(jié)水灌溉措施。

1.2.1 工程技術(shù)類節(jié)水灌溉措施

1)水資源合理開發(fā)利用技術(shù)。主要是指利用相關(guān)工程技術(shù)措施，對天然水資源進行合理的調(diào)控、分配與開采，為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供必要的水資源，主要開發(fā)技術(shù)包括雨水蓄集利用技術(shù)、坑塘截流調(diào)控地下水技術(shù)、深溝河網(wǎng)蓄水技術(shù)、機井改造技術(shù)及再生水灌溉回收利用技術(shù)等。

2)渠道防滲技術(shù)。是指為了減少輸水渠道滲漏損失而采取的工程技術(shù)措施，是目前應(yīng)用廣泛的節(jié)水灌溉技術(shù)之一。采用該技術(shù)可以將水資源利用系數(shù)從0.24提高到0.56左右，減少水資源輸送損失。

3)低壓管道輸水灌溉(管灌)。是指采用低壓管道代替?zhèn)鹘y(tǒng)明水渠輸水灌溉的幾種措施，低壓管道輸水可以減少輸水過程中的滲漏和水分蒸發(fā)損失，提高輸水效率。

1.2.2 管理類節(jié)水灌溉措施

管理類節(jié)水灌溉措施主要是進行實時節(jié)水灌溉制度，制定土壤墑情監(jiān)測預(yù)警技術(shù)、農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域配水技術(shù)及現(xiàn)代化管理技術(shù)等。

1.2.3 政策類節(jié)水灌溉措施

政策類節(jié)水灌溉技術(shù)措施主要是指根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀建立節(jié)水灌溉技術(shù)服務(wù)體系，改進水資源管理體系，改變水價收費等方法，進而制定可持續(xù)發(fā)展節(jié)水灌溉政策等。

2 地面灌溉節(jié)水技術(shù)

地面灌溉節(jié)水技術(shù)是我國主要的灌溉技術(shù)之一，占我國農(nóng)業(yè)灌溉總面積的95%以上，提高地面灌溉節(jié)水技術(shù)利用效率是提高農(nóng)田水資源利用效率，從根本上緩解我國水資源短缺的主要實施途徑。

2.1 地面灌溉技術(shù)主要類型

2.1.1 畦灌

畦灌是指將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)試驗區(qū)劃分成多個狹長的小地塊，灌溉水從毛渠放入畦中以薄層水流動，流動過程中逐漸滲透濕潤土壤，主要包括順畦和橫畦兩種灌溉方式，如圖1(a)、(b)所示。畦灌適合用于小麥、谷物及花生等窄行距、種植密度大的作物，在使用過程中主要受到供水情況、土壤質(zhì)地及土地平整度的影響。

圖1 畦灌主要類型示意圖

2.1.2 溝灌

溝灌主要是在作物種植行間開挖灌水溝，灌溉水進入灌水溝后在流動過程中借助土壤毛細(xì)管的作用從灌水溝壁逐漸滲透，采用此方法進行作物灌溉有利于保持土壤結(jié)構(gòu)，減少灌溉水的蒸發(fā)損失，但是由于需要挖溝，勞動強度較大。

2.1.3 膜上灌溉技術(shù)

膜上灌溉是指在地膜覆蓋的基礎(chǔ)上，將膜側(cè)灌水改為膜上灌溉，將灌溉水通過放苗孔進行局部灌溉，可以改善土壤水分供應(yīng)條件，提高地溫，解決水土流失等問題，而且膜上灌溉可以保持土壤良好的通氣性，保證土壤的疏松不板結(jié)。

2.2 地面灌溉質(zhì)量評價體系

2.2.1 節(jié)水增產(chǎn)率

節(jié)水增產(chǎn)率是指在同樣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件及氣候自然條件下，與傳統(tǒng)灌溉技術(shù)相比，其單位面積產(chǎn)量增加百分?jǐn)?shù)，計算公式如式(1)所示。

(1)

式中Fy—節(jié)水增產(chǎn)率，%；

Y1,Y2—兩種灌水方法或兩項灌水技術(shù)的平均單位面積產(chǎn)量，kg·hm-2。

2.2.2 節(jié)水率

節(jié)水率是節(jié)水灌溉技術(shù)體系下重要的評價指標(biāo)之一，計算公式如式(3)所示。

(3)

式中ηa—節(jié)水率，%；

W1,W2—兩種灌溉方法單位面積上灌溉用水量，通?？捎脤嶋H的灌水定額計算，m3·(667 m2)-1。

3 微灌工程技術(shù)

3.1 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)之一。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)濟作物的生產(chǎn)中，隨著后續(xù)技術(shù)的逐漸完善，經(jīng)濟效益的逐漸顯現(xiàn)，開始廣泛應(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)之一。滴灌技術(shù)可以實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，灌溉水只濕潤作物生長部分，可以減少灌溉水的投入，減少水分的無效蒸發(fā)，還可以防止雜草生長，且不易產(chǎn)生地表徑流。

3.2 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)展起來的一種新型農(nóng)業(yè)灌溉方式，通過注入水中的肥料，可以提供足夠的水分和養(yǎng)分，實現(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，提高和改善農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)。

3.3 加氣灌溉技術(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，實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉與施肥，但是，灌溉水分入滲會驅(qū)替土壤孔隙中的空氣，導(dǎo)致土壤出現(xiàn)周期性滯水，造成土壤通氣性下降，土壤氧氣含量降低，限制土壤呼吸，進而造成根系對水分和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收下降，作物地上部分則表現(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)、穩(wěn)產(chǎn)的主要限制條件。加氣灌溉技術(shù)是在地下滴灌的基礎(chǔ)上，利用空氣泵或者羅茨風(fēng)機等通風(fēng)裝置向作物根部土壤增加空氣，進而達(dá)到提高灌溉水中O2含量的目的，為作物根系生長提供一個良好的水、氣環(huán)境，可以有效促進農(nóng)作物植株的生長，達(dá)到作物提質(zhì)增產(chǎn)的目的。

4 農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展趨勢

4.1 發(fā)展精細(xì)化灌溉技術(shù)

目前，我國已經(jīng)基本實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)低壓管道輸水技術(shù)，未來應(yīng)繼續(xù)發(fā)展大型渠道灌溉管道化，并逐漸加強管道管材的生產(chǎn)研發(fā)。另一方面，加強地面平整是提高地面灌溉效率的重要前提，因此，應(yīng)配合激光平地技術(shù)、水平灌溉技術(shù)及土壤墑情自動監(jiān)測技術(shù)等改進地面灌溉效率，逐漸實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水資源適時適量的精細(xì)灌溉發(fā)展。

4.2 推廣非充分灌溉技術(shù)

非充分灌溉技術(shù)是將生物技術(shù)、信息技術(shù)與灌溉技術(shù)相互連接與支持，創(chuàng)建一種新型灌溉理論技術(shù)體系，例如減少灌溉次數(shù)等提高灌水利用效率，目前仍然處于研究階段。

4.3 “3S”技術(shù)在節(jié)水灌溉中的應(yīng)用

“3S”技術(shù)主要包括遙感技術(shù)(RS)、地理信息管理技術(shù)(GIS)和全球定位系統(tǒng)技術(shù)(GPS)，利用“3S”對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間信息進行采集、處理、管理及分析，能保證農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)更加規(guī)范、科學(xué)與合理。

4.4 發(fā)展其他新型節(jié)水灌溉技術(shù)

4.4.1 污水灌溉技術(shù)

污水灌溉技術(shù)是指利用污水進行農(nóng)業(yè)灌溉，利用泥土、微生物及作物等分解污水中的一些物質(zhì)。首先對污水進行積淀、過濾，去除固體污染物或加入殺菌劑等，保證污水處理后符合灌溉水標(biāo)準(zhǔn)，但是該技術(shù)需在專家指導(dǎo)下進行田間應(yīng)用。

4.4.2 利用空氣水分進行灌溉

主要是利用相關(guān)措施收集空氣中的水分，直接供給作物或者匯聚后再進行灌溉，對于沙漠地區(qū)及缺少淡水資源的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域是一種可行辦法，但是目前水分收集設(shè)備十分昂貴，在今后的發(fā)展中，如何降低生產(chǎn)成本是重點解決的問題。

4.4.3 光伏提水技術(shù)

光伏提水技術(shù)主要由太陽能板、控制室及水泵等組成(圖2)，可以實現(xiàn)節(jié)電、節(jié)水、節(jié)約能源的目的。

圖2 光伏提水系統(tǒng)示意圖

5 結(jié)論

農(nóng)業(yè)灌溉資源短缺、灌溉利用效率低是限制我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素，因此，開展節(jié)水灌溉技術(shù)的研究對于穩(wěn)定我國農(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，并系統(tǒng)分析了節(jié)水灌溉技術(shù)下水稻節(jié)水灌溉理論依據(jù)及發(fā)展模式，研究結(jié)果對于推動我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，保證我國糧食安全具有重要意義。

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