北方缺水地區半旱地農業有限補灌模式探討

李英能

(中國農業科學院農田灌溉研究所，河南新鄉 453003)

1 前言

水是生命之源，更是作物生長之必需。按給作物供水的形式和保障程度，可將我國約1.22億hm2耕地上進行的農事活動分為旱地農業、半旱地農業和灌溉農業3種類型。半旱地農業是指自然降水只能部分滿足農作物生長的要求，且需要進行補充灌溉才能獲得較高和較穩定產量的農業［1］。廣義地說，我國除西北內陸地區因降水稀少，農作物基本沒有降水可利用，單靠灌溉來滿足農作物的需水要求，沒有灌溉就沒有農業，屬典型的灌溉農業外，其他大部分地區因受季風氣候的影響，降水和農作物生長需水不同步，單靠降水不能滿足農作物生長的需水要求，都需要進行補充灌溉，在這類地區只要是農作物既利用了降水又進行了灌溉，都可認為是半旱地農業。狹義地說，半旱地農業是指除實施旱地農業和灌溉農業以外的可采用集雨措施或當地水源對農作物進行有限灌溉的農業。半旱地農業的核心是在運用農藝技術措施充分利用降水的前提下，利用當地水源對農作物進行有限補灌。其特點:一是有集雨工程或小型水源工程;二是有灌溉設施;三是在農作物關鍵需水期能進行補充灌溉。其與旱地農業的主要區別是，旱地農業是不灌溉的農業，沒有灌溉設施，單靠自然降水維持農作物的需水要求，因此也稱為“雨養農業”。而半旱地農業有灌溉設施，可以對農作物進行補水灌溉。其與灌溉農業的主要區別是，半旱地農業沒有一定的灌溉保證率，不能在作物全生育期內根據需水要求進行灌溉，只能在某個關鍵需水期進行補水灌溉。而灌溉農業有一定的灌溉保證率，可在該保證率內保障農作物全生育期灌溉用水的需求。筆者認為，半旱地農業應該是指這種狹義上的半旱地有限補灌農業。這種半旱地農業正好填補了傳統旱地農業和灌溉農業之間的空白，構成了“旱地農業—半旱地農業—灌溉農業”這個連續系統。

我國北方缺水地區適宜發展半旱地農業的地區主要分布在年降水量為250～600 mm的半干旱和半濕潤地區［2］，總體上位于秦嶺、淮河以北的旱作農區，包括東北山丘平原區、黃淮海山地平原區、內蒙古草原區、西北黃土高原區。總土地面積為281.65萬km2，總耕地面積約為6 467萬hm2，估計已有或具有發展半旱地農業可能的耕地面積約為3 533萬hm2。這些地區的主要問題是干旱少雨，水土流失嚴重，水資源不足［3］。半旱地農業區是未來我國新發展灌溉農業的重點地區，鑒于受水資源條件和地形、地貌等自然條件以及經濟條件的制約，這些適宜發展半旱地農業的地區能發展為灌溉農業的面積不多，大約只有幾百萬公頃，大部分仍需發展半旱地農業。因此，探討北方缺水地區半旱地農業有限補灌模式，對提高農作物產量、保障糧食和農產品供給安全具有重要意義。

2 半旱地農業有限補灌技術模式

半旱地農業有限補灌的技術模式建立在高效利用水分的農業藝技術措施基礎上，通過修建水源工程設施、采用節水高效灌溉設備和有限補灌制度構成，因此是一種綜合技術模式。

1)高效利用水分的農藝技術措施。高效利用水分的農藝技術措施的主要目的是提高降水和補灌水滲入農田土壤的水分利用效率，它通過選擇適宜的作物種類、品種、種植方式和合理有效的田間管理、配方施肥、耕作、覆蓋、化控調節等措施，來減少作物生長期的水分消耗，提高作物的水分利用效率，減少作物用水，最終達到節水、高產、高效的目標。高效利用水分的農藝技術措施大致上可劃分為7大類:種植結構優化技術、抗旱節水品種篩選應用技術、耕作保墑技術、覆蓋保墑技術、蒸騰蒸發抑制技術、化學制劑保水技術和水肥耦合技術。

2)水源工程設施。半旱地農業補灌的水源主要有集蓄降雨、小流域地面徑流、季節性河道的截潛流、山泉水、引洪補源的地下水、灌溉回歸水等。因此，需修建的水源工程設施主要有水窖(窯)、水池、塘壩、水井、小泵站等。水窖(窯)是集雨補灌地區的主要水源工程。為了集蓄雨水還需要修建集流場，集流場應盡量利用公路、場院、屋頂等現有設施，在坡地上修建人工集流場時，應特別注意水土保持。水池和小塘壩主要是匯集小流域的地面徑流，也可用于集蓄雨水或調蓄山泉及灌溉回歸水。小泵站除可低水高用外，更可用于抽取引洪補源地區水井的地下水。

3)節水高效灌溉設備。半旱地農業的補灌水源一般只靠集蓄雨水和當地有限的地表及地下小水源，這些水源的水量較小且保證率低。因此，為提高補灌水的利用率和利用效率，必須采用節水程度較高的灌溉措施。當前常用的節水灌溉措施主要有渠道防滲輸水灌溉、低壓管道輸水灌溉、噴灌、微灌以及田間節水地面灌等。針對半旱地農業的特點，宜選擇節水高效的低壓管道輸水灌溉、微灌、噴灌措施，這些措施均采用管道輸水和可控灌水，可將輸水損失和田間灌水損失減少到最低程度。在田間采用地面灌溉時，應修建等高梯田，嚴格平整土地，實施溝灌和小畦灌，最大限度地提高補灌的田間水利用率。由于半旱地農業只能實施有限的補灌，每年補灌次數很少，灌溉設備利用率很低，因此不宜修建永久固定式灌溉工程，而適合采用移動式節水灌溉設備，如移動軟管地面灌、坐水點灌、移動式滴灌、移動式噴灌機噴灌等，既可根據降水利用情況，機動靈活進行補灌，又可在不灌時方便保管維護。

4)有限補灌制度。由于半旱地農業受到水源制約，只能進行有限補灌。在供水條件無法滿足作物全生育期需水要求的條件下，如何合理安排補灌時間及補灌定額，使有限的補灌水能夠充分、高效地利用并達到產量或總收益最高，這就是有限補灌制度要達到的目標。在半旱地農業區制訂有限補灌制度的理論依據是作物對水分虧缺反應和作物水分生產函數，如水分脅迫后蒸騰失水與干物質合成過程的相對變化、復水解除虧缺后生長過程的反彈作用和蒸騰過程的氣孔調節機理等。因此，應根據作物的需水規律和不同生育階段缺水對產量影響反應，在充分利用降水的基礎上確定有限補灌制度，如在集雨補灌的地區將有限的水量用于補灌“出苗水”、“關鍵水”、“救命水”，在利用地表及地下小水源補灌的地區將有限水量進行抗旱灌溉或灌“保產水”、“增產水”等。

半旱地農業有限補灌綜合技術模式就是根據各地不同的自然和經濟條件，因地制宜地將上述4項技術措施進行組裝配套、有機組合，形成一套適合當地條件的節水、高產、高效的技術體系。

3 不同類型區半旱地農業有限補灌發展模式

我國北方不同類型缺水地區的半旱地農業在自然和經濟條件上有一定的共同點，但在某些方面卻有著顯著的差異，因此，必須因地制宜選擇其有限補灌的發展模式。

1)東北山丘平原區。包括黑龍江、吉林、遼寧三省全部及內蒙古東四盟。土地總面積115.83萬km2，耕地面積為2 353萬hm2，其中半旱地約為1 667萬hm2。本區年降水量為 300～900 mm，時空分布不均，自北向南遞增，且7—9月占全年降水量60%以上，而4—5月降水量只占全年的10% ～15%，因此，春旱嚴重，且持續時間長，需要補水灌溉，作物才能高產穩產。主要作物為玉米、大豆、小麥、谷子和高梁。本區半旱地農業主要是利用當地地下和地表水源，補灌出苗水、保苗水，然后充分利用后期降水，使農作物獲得較高的產量。為此，應主要發展坐水種節水抗旱補灌綜合技術模式、玉米補灌后覆膜節水抗旱綜合技術模式和移動式噴灌抗旱綜合技術模式。坐水種節水抗旱補灌綜合技術模式是利用行走式注水點播機，將開溝、注水、點種、施肥、覆土一次作業完成，主要用于玉米、大豆、甜菜的抗旱點灌。玉米補灌后覆膜節水抗旱綜合技術模式是把“行走式”節水灌溉技術、地膜覆蓋技術和玉米先進栽培技術有機結合起來的一種高度集約化經營的高產栽培技術模式。移動式噴灌抗旱綜合技術模式是利用當地水源，采用輕小型移動式噴灌機具在農作物受旱時進行補灌。

2)黃淮海山地平原區。包括冀、魯、晉、豫、蘇北、皖北及京津二市。總土地面積為59.59萬km2，總耕地面積約為2 747萬 hm2，其中半旱地約為880萬hm2。本區年降水量一般為500～900 mm，年降水量約為70% ～80%，集中于6—9月，春旱十分嚴重，發生的概率在80%以上。主要作物為小麥、玉米、棉花、油料和蔬菜及林果等。本區半旱地農業主要是在丘陵山區發展集雨或小流域集水補灌，在平原地區利用當地水源和引黃補灌地下水發展抗旱補灌，通過灌“關鍵水”、“增產水”，滿足農作物關鍵生育期的需水要求。為此，本區宜發展移動式噴灌、移動式軟管灌等節水抗旱綜合技術模式。該模式是結合抗旱保墑措施，在丘陵山地采取山腳打井、山腰建池或在河溝進行梯級攔蓄和建設高位水囤，提水上山進行抗旱噴灌或管灌;在漫坡漫崗地，以小流域治理為重點，建蓄水工程發展抗旱噴灌或管灌;在平原補源區，合理布局淺井，連片發展抗旱噴灌和管灌;在一家一戶分散經營地區，采用集蓄雨水建水窖、水池或利用灌區的回歸水打淺井，根據農戶經濟實力和擁有的農田面積，使用軟管輸水灌溉或輕小型噴灌機噴灌。

3)內蒙古草原區。包括內蒙古自治區中部的41個旗(縣)、市，總土地面積為40.13萬km2，其中可利用草場為2 833萬hm2，是我國重要的畜牧業基地之一。本區耕地面積約為167萬hm2，其中半旱地約為 153萬 hm2。本區年降水量為 300～430 mm，年蒸發量為500～2 400 mm，由于降水時空分布不均，且蒸發量大，干旱是本區農牧業生產的最大自然災害。本區為農牧結合區，作物大部分分布在丘陵坡地上，半旱地農業補灌的重點是結合飼草料基地建設，對飼草、玉米、馬鈴薯、胡蘿卜、甜菜等作物進行抗旱補灌。因此，可集蓄當地的降水或利用當地有限的地表水和地下水發展家庭草庫倫節水抗旱補灌模式、“五個一”節水補灌綜合技術模式以及太陽能、風能提水補灌技術模式等。家庭草庫倫節水抗旱補灌模式主要是在一些地下水埋深較淺的沙質草場或居住相對分散，出水量較少的高平原地區，以戶為單位，在自家承包的草場內，選擇水土資源條件相對較好的地區，進行小面積灌溉飼草料地建設，采用低壓軟管輸水補灌，或采用輕小型移動式噴灌機補灌。“五個一”節水補灌綜合技術模式即每牧戶牧民在自家承包的草場內打1眼機電井，建設1塊2.7～3.3 hm2的節水灌溉飼草料地，建1座水塔，修1座青貯窖，建1座舍飼暖棚以及配套圍欄、防護林帶等，采用低壓軟管管輸水補灌，或采用輕小型移動式噴灌機補灌。太陽能、風能提水補灌技術模式是指采用太陽能或風能發電裝置，修建蓄水及輸水工程，采用移動式噴灌或低壓軟管輸水灌溉技術對飼草料進行補灌。

4)西北黃土高原區。西北黃土高原泛指陜甘秦嶺以北、內蒙陰山以南、寧夏賀蘭山、青海日月山以東、山西太行山以西的廣大地區，是我國最大的黃土高原，地跨青、甘、寧、蒙、晉、陜、豫等七省(區)。總土地面積為66.1萬km2，耕地面積為1 233萬hm2，其中半旱地約為853萬hm2。黃土高原屬大陸性氣候，降雨稀少，多年平均降水量由西部的200 mm向東漸增至600 mm，其中70% ～80%集中在7—9月，且多以暴雨或雷陣雨形式出現，對土壤補給的有效降水很少。因此，黃土高原區十年九旱，春旱、伏旱、秋旱經常出現。本區的主要作物為小麥、玉米、棉花、雜糧、果菜等。本區半旱地農業有限補灌模式以集蓄雨水發展節水補灌“出苗水”、“保苗水”和“關鍵水”為主，該模式是根據西北地區水土資源和農業生產特點，采取結合小流域治理的集雨節水補灌、坡面集雨與林草建設節水補灌、道路路面集雨節水補灌、土圓井水源節水補灌、庭院經濟集雨節灌、旱作農田就地攔蓄集雨節灌等技術集成，發展集蓄雨水進行節水高效的補灌來實現雨水高效利用，提高農產品產量和質量。節水補灌方式常用低壓軟管輸水地面灌、移動式噴灌和微灌、坐水點灌等。在灌區的邊緣也可利用灌溉回歸水打淺井，采用低壓軟管輸水灌、移動式噴灌等發展抗旱補灌“關鍵水”、“增產水”。

4 北方缺水地區半旱地農業發展有限補灌的策略

4.1 針對半旱地農業特點制訂有限補灌發展規劃

半旱地農業是能利用集雨或當地小水源進行有限補灌的農業，它與傳統的旱地農業和灌溉農業有所不同，必須根據其特點制訂可行的發展規劃，避免產生盲目性。半旱地農業建立在高效利用當地降水的基礎上，當降水不能滿足作物關鍵生育期需水時，可采用有限的水源進行補灌，以使農作物獲得較高的產量。因此，適宜發展半旱地農業的地區應具有3個必要條件:一是有適用當地條件高效利用降水的農藝技術可應用;二是有修建集雨工程或當地小水源工程的條件;三是有適宜補灌的設備和技術。我國北方缺水地區的半旱地面積雖然很大，但由于自然和經濟條件的制約，有相當部分難以修建集雨工程或當地小水源工程，只能發展旱地農業，而另有少部分由于經濟能力和技術水平的提升，可以在未來發展成灌溉農業。在制訂有限補灌發展規劃時，應堅持以水定需、以經濟定規模的原則，確定適宜發展半旱地農業的地域，因地制宜統籌考慮集雨和當地小水源的承載能力，投入水源工程與補灌設施的經濟能力，以此確定有限補灌的模式和發展規模。

4.2 加強對提高水分利用效率的農藝技術措施研究與推廣

半旱地農業是立足于提高水分利用效率基礎上的農業，既要提高降水又要提高補灌水的水分利用效率，達到節水高產高效的目的。提高水分利用效率必須采取適宜的節水高效的農藝技術措施，對于這些技術措施我國已開展過大量的研究，取得了諸多成果，不少技術措施已趨于成熟，在推廣應用中發揮了顯著作用。但是仍有一些關鍵技術問題需要研究解決，如建立節水型農業結構，使抗旱節水作物在種植體系中占到一定比例，科學確定一個地區的復種指數;采取適應性種植技術，根據降水時空變化確定實行旱作或灌溉的適宜時機;依據作物需水規律的詳細資料，運用信息技術進行精確控制灌溉，將灌溉定額降至最低限度;應用基因工程和常規育種相結合的方法培育耐旱和高水分利用效率的新品種等［1］。筆者認為其中最主要的是既耐旱又高水分利用效率的高產品種培育，這也是一個永恒持續研究的課題。縱觀我國農業技術發展的歷史，無一不是圍繞著作物品種這個命題展開的。我國農作物的單產和總量不斷攀升，其中品種改良的貢獻率最大。就農業生產而言，從最初的大水大肥低產到現在的節水節肥高產，都是圍繞著品種改良后，通過研究開發出適宜該品種成套的節水節肥的高產栽培技術措施而取得的。

4.3 選用經濟實用的補灌設備和節水高效補灌技術

半旱地農業的有限補灌主要依賴當地的集雨和地表及地下小水源，受氣象因素影響很大，不但供水總量小且保證率也低。因此，每年可補灌的次數很少，一般只能補灌“出苗水”、“救命水”或“關鍵水”。由于補灌設備利用率很低，從經濟上考慮不宜采用永久固定的補灌設施，如防滲渠道輸水灌溉、地埋低壓管道輸水灌溉、固定式噴灌或微灌等。眾所周知，要對農作物進行灌溉就必須有灌溉設施，把灌溉水從水源輸送到田間灌入作物根層的土壤中。灌溉設施的投入費用和維護費用直接影響到投入產出效益，據有關統計分析，防滲渠道輸水灌溉的全國綜合平均單價為11 970元/hm2，地埋低壓管道輸水灌溉為12 450元/hm2，噴灌(不含水源工程)為15 525元/hm2(其中固定式噴灌為24 465元/hm2、大中型機組式噴灌為14 760元/hm2、小型機組式噴灌為3 735元/hm2)，微灌(不含水源工程)為16 590元/hm2(其中大田微灌為14 910元/hm2、設施農業微灌為 26 655元/hm2、林果微灌為23 385元/hm2)，如果加上每年的維護費用，則所需投入更大。半旱地農業有限補灌的產出效益要比灌溉農業產出效益低，如遇到連續干旱年，其補灌設施往往由于無水可補，產出效益更低。因此，宜選用移動式的補灌設備，同時為了高效利用補灌水，必須采用節水高效的灌溉技術，如低壓移動軟管澆灌或點灌、坐水種機具點灌、移動式噴灌或微灌等，這些移動式節水灌溉設備一般每公頃只需投入幾百元到幾千元。

4.4 創建半旱地農業發展有限補灌的保障體系

半旱地農業區一般自然條件比較差，經濟能力比較薄弱，農民的文化水平比較低。因此，要發展半旱地農業有限補灌，必須創建一套包括投入、管理和技術服務在內的保障體系。由于這類地區農民收入一般較低，投入補灌工程能力有限，國家應該加大投入的力度。為了充分發揮投資效益，可采取直補材料設備的辦法，鼓勵農民發展半旱地農業有限補灌。半旱地農業地區一般也是勞務輸出量大的地區，據農業部門有關統計，隨著“打工潮”的出現并不斷壯大，大量農村青壯年和知識層次較高的勞動力向城市轉移。目前中國從事農業生產的勞動力平均年齡在50歲以上，其中經濟發達地區務農的農民年齡已接近60歲，“老人農業”現象已成為困擾中國農業發展的現實問題。這種“老年農業”現象直接引發了3個問題:一是農業生產進度時常受到影響;二是傳統精耕細作的生產方式逐漸被“懶人農業”替代;三是農業生產新技術、新設備推廣應用難。半旱地農業區這種現象估計也很嚴重，為此，可采取:a.鼓勵土地流轉，發展適度規模經營，減少農業生產的勞動力需求量;b.建立半旱地農業有限補灌專業服務隊，改變傳統一家一戶的農業經營方式，由具有一定專業知識的基層農技人員來管理;c.研究開發操作簡單“傻瓜”式的節水高效補灌設備，農民只需按一兩個鍵就能完成補灌作業。與此同時，各地的灌溉試驗站、鄉鎮水利站、補灌設備生產企業都要積極對半旱地農業發展有限補灌進行指導和提供技術服務。

［1］山 侖.發展半旱地農業緩解我國北方缺水壓力［J］.科技導報，2011，29(23):68 －69.

［2］北方旱地農業類型分區及其評價課題協作組.北方旱地農業類型分區及其評價［R］.中國農業科學院農業自然資源和農業區劃研究所，1986.

［3］中國農業水利簡明區劃編寫組.中國農業水利簡明區劃［R］.1981.