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農業節水研究進展及未來發展戰略*

2012-09-12 12:08:14楊永輝胡玉昆張喜英
中國科學院院刊 2012年4期
關鍵詞:農業

文/楊永輝 胡玉昆 張喜英

中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心 石家莊 0 50 0 2 1

農業節水研究進展及未來發展戰略*

文/楊永輝 胡玉昆 張喜英

中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心 石家莊 0 50 0 2 1

世界大多數地區水資源短缺都與農業生產有關,作為用水大戶,農業水資源高效利用對于解決區域水資源短缺和保障糧食生產可持續發展具有極其重要的作用。我國農業節水研究經過20多年來的發展,逐步實現了從最初以農田節水特別是強調農田工程節水為主向更注重改良作物遺傳品質節水、農田節水與區域水資源管理節水并重,以及多水源綜合利用節水的多學科節水研究體系,大大提高了我國農田節水的潛力。然而生產實踐中,受我國社會經濟發展水平特別是小農經濟制約,我國的農田節水水平和農田水分利用效率還不高,急需通過政府、民間的多渠道投入,通過機制和管理創新,建立起適合各地區經濟發展水平的從供水環節、田間節水到區域水資源管理的現代綜合農田灌溉節水體系,保障我國未來糧食安全。

水資源短缺,水分利用,灌溉節水,生物節水,管理節水

1 我國水資源狀況和農業用水

中國無論人均水資源還是畝均水資源都不富裕,特別是中國水資源分布嚴重不均,大量淡水資源集中在南方,廣大的長江以北地區(包括海河流域、淮河流域、黃河流域、西北和東北地區),水資源總量只占全國總量的19%,約為5 460億m3。

國際水管理研究所(IWMI)指出,世界上大多數國家和地區水資源短缺都與農業有關。根據文獻[1]報告,如果全世界糧食生產中灌溉水能減少10%,就可以滿足其他所有目的的人類用水;相反,如不能大幅提高農業用水效率,為滿足2050年全球糧食需求,世界農業灌溉用水量會從目前的2 700 km3大幅增加到4 000 km3,農業水資源安全和高效利用是整個水資源研究領域的重中之重。

農業用水占全社會總用水的比重最大,是區域水平衡和水資源可持續利用的最重要因素。以海河流域為例,20世紀50年代和60年代由于電力和機械條件限制,灌溉農田十分有限,當時地下水位淺,洪澇頻繁。自上世紀70年代開始,華北平原北部一些子流域的徑流就開始減少,這通常被歸結為人類活動和氣候變化的影響,我們最近的研究表明,徑流量開始下降的主要時期是在1978—1984年間即中國農業土地改革初期,這與當時農民自主經營土地積極性的發揮以及機械和電力條件的改善有關[2]。如我們在滹沱河的研究表明,滹沱河流域地表徑流80年代后減少了近50%,人類活動的影響達76%,而當時農業用水占總用水量的比例高達90%以上[3]。同時,大寨這一中國農業活動最劇烈的區域又是該區域地表徑流下降最劇烈的區域。農業可能是目前大部分北方流域地表徑流減少、河道枯竭的主要原因。

隨著工業化、城市化進程的逐漸加快,農業用水占總用水量的比例不斷下降,但總量減少并不大。如2010年,全國的農業用水量約為3 689億m3,占總用水量的61.3%,而2000年的時候,這個比重為68.8%,用水量為3 784億m3。根據我國《節水型社會建設“十二五”規劃》,2015農業灌溉用水總量基本不增長,此時農業用水占總用水量的58%左右。另一方面,從區域分布格局來看,農業用水所占比例下降并不均衡,經濟發達地區農業用水比例下降明顯高于經濟不發達地區,如廣東省2000年農業用水占總用水量60.1%,2010年為49.5%,年均下降速度為1%,每10年下降10%,遠遠高于全國的平均下降水平。與之相對應,發達地區糧食增速減緩甚至糧食減產、耕地面積萎縮卻是不爭的事實,以廣東省為例,2008年的糧食播種面積為4 398千公頃,而1980年為5 970千公頃。糧食增產的壓力越來越集中到北方缺水地區,無疑進一步惡化了北方缺水地區水資源態勢,如新疆和黑龍江農業用水都有增加的趨勢。以華北為例,2003—2006年間華北平原每年地下水超采40.6億—75.7億m3[4],地下水超采使該地區形成世界上最大的地下漏斗區,地下水位的急劇下降、河道斷流以及流量的不斷萎縮,都昭示著中國北方半濕潤、半干旱和干旱地區的用水日趨緊張。

2 我國與先進國家節水灌溉體系的差距

農田節水對大眾來講,一般首先想到的是灌溉節水技術如滴灌、噴灌等。農田節水作為干旱、半干旱地區或者缺水地區傳統的田間作業方式由來已久,并形成了獨特的精耕細作抗旱保墑耕作技術體系,以最大限度地蓄住天上水,盡可能地保住土中墑,高效率地利用土中水,以此來減輕干旱威脅。

2.1 先進國家的灌溉體系

目前我國整體灌溉水的利用效率不高,其中損失最多的是輸水過程中的滲漏和蒸發,輸水過程中水分損失主要發生在地表水向地下水的轉換滲漏,如果不與地下水中的咸水混合,滲漏水仍可被利用,因此國際上越來越不認同把滲漏水視作一種水分損失。但從動機和實際實踐來講,國際上都很注重盡可能少地減少輸水過程中的水分損失,因為減少輸水過程的水分損失可以直接提高水的灌溉利用效率,易于實現灌溉面積的增加。

以以色列為例,這個世界缺水最嚴重的國家,沙漠面積占國土面積的67%,人均水資源可利用量僅為271m3,其水源地是位于約旦河上游敘以邊境的太巴列湖,為了充分發揮該湖的效能,以色列投資數億美元,修建了長達440多km的引水管道,依靠北高南低的地形把水送到中部和南部,形成覆蓋國土60%的“國家引水渠”網絡,保證了遠距離調水的水分利用效率,該工程使以色列核心區域的沙漠平原成為旱澇保收的糧果基地。在田間灌溉方面,“溫室加滴灌”的灌溉模式大大保證了灌溉水從支渠到田間到作物根系的灌水效率[5,6]。

美國注重輸水過程的管道化,即使是溝灌和畦灌,大部分采用管道輸水,水通過管道直送溝、畦。大面積集約式的作業方式保證了現代灌溉節水技術的應用和普及,目前生產中50%的面積采用噴灌包括固定式和移動式、43%為地面灌溉、6%為滴灌、其他灌溉占1%,現代化水平很高。灌水時期的確定方面,大部分農田已實現精準控制,通過測定土壤水分、葉面溫度等確定土壤墑情,實施灌溉,大大減少了灌水的無效損失,提高了灌溉水的利用率[7,8]。

2.2 我國的灌溉節水體系

我國依靠有限的財力,已建立起一套覆蓋全國主要缺水地區,基于地表水和地下水利用的灌溉體系。1950—2008年間,灌溉農田面積從1 600萬公頃擴大到5 800萬公頃,利用占總耕地45%的灌溉面積,生產了75%以上的糧食,灌溉水利用系數(田間水量與取水口水量之比)從0.3提高到2000年的0.42和2008年的0.48。灌溉體系的建立和農業水利用效率的提高為我國成功解決巨大人口的糧食問題提供了保障。

但受經濟發展水平和小農戶式經營模式限制,我國灌溉節水體系建設還很不完善。大部分輸水渠道還無法實現襯砌,2011年的“中央一號”文件提出發展水利事業,國家希望通過人力、財力、物力的投入,重點解決灌溉水利用效率過低的問題,在2030年前,通過適度擴大灌溉耕地面積,增加糧食產量,保障我國人口高峰時的糧食安全。

3 農業節水與農業水資源高效利用研究進展

經過多年的擴展,“農業節水”研究已遠遠超過了傳統意義上“農田灌溉節水”的范疇,滲透到農業生產的各個環節,綜合提高農業水資源的利用效率是農業節水研究的重要內容。

首先從尺度上講,農業節水已遠遠超出了“農田”的概念,除了傳統的農田節水研究,開始更加注重作物個體即“植株”的節水,以及大區域上根據區域水資源狀況通過進行宏觀尺度的水資源布局和農業結構調整實現節水,從植株-田間-區域3個尺度,研究解決實現農業節水的理論、技術和水資源利用戰略。其次,除了技術上的農業節水措施,管理節水也受到越來越多的重視。

3.1 生物節水

生物節水是指通過挖掘生物體自身的生理和基因潛力使作物利用有限的水獲得盡可能多的農業產出。實踐證明,作物高水效品種選育是提高作物水分利用效率的重要手段[9]。小麥是我國北方最重要的糧食作物之一,同時也是耗水較高的作物。圍繞小麥控制水分利用效率基因的挖掘和品種選育,中科院農業水資源重點實驗室最近開展了一系列工作,對比了上世紀60年代到2000年后不同時期培育的26個小麥品種的水分利用效率,結果顯示,在相同種植條件下,水分利用效率從70年代開始有逐漸提高的趨勢,單方水的糧食生產效率從1.0—1.2kg/m3逐漸升高到目前的1.4—1.5kg/m3,揭示了小麥品種選育中水分利用效率性狀有增加的趨勢[10]。通過大田試驗和小麥遺傳基因譜圖技術,定位了一系列抗旱節水主效QTLs[11],并應用到品種選育中,到目前為止已經選育出一批水分高效利用的冬小麥品種。

高水效品種的突破表現在:生物量向經濟產量轉化效率提高,在不增加生物量生產基礎上,通過收獲指數進一步提高來增加經濟產量,實現農田耗水量不變條件下增產;另一個途徑是通過遺傳調控,提高作物生物量生產過程中的水分利用效率,用盡可能少的水生產更多的干物質,通過提高作物的光合效率,降低農田耗水量。這兩個方面的突破將進一步帶動農田高效用水的發展。

3.2 農田節水

農田依然是農業節水的關鍵環節。農田節水的核心是減少和有效控制水分,通過農田3個過程的傳輸與損失,這3個過程為:土壤水蒸發、植物蒸騰和土壤水滲漏,其中最關鍵的是土壤水蒸發與植物蒸騰。農業節水基礎理論研究正在不斷走向多學科交叉,通過土壤科學、作物生理、營養施肥、遺傳育種、水利灌溉等多學科合作來系統研究制約農田水分利用效率提高的因素。通過對農田土壤-植物-大氣系統(SPAC)的研究,可以摸清農田土壤-大氣界面、作物-大氣界面、土壤-地下水界面間的能量與水分傳輸與轉化過程;并圍繞作物生理需水與耗水,通過研究水-土-植物關系、干旱條件下植物根系和氣孔反應的機制、干旱脅迫對植物超補償功能等問題,實現降水(灌溉水)—土壤水—植物水—光合作用—生物量—糧食產量轉化過程的定量描述,建立提高各環節轉化效率的節水調控理論,開展農業節水理論與技術創新。

以華北地區的小麥、玉米兩熟耕作制度為例,通過SPAC系統水循環的長期定位試驗表明,土壤棵間蒸發約占蒸散發(ET)總量的30%[12],土壤棵間蒸發不參與糧食生產過程,因而減少土壤蒸發是減少農田水分無效損失的重要措施。以華北地區目前大面積推廣的小麥-玉米秸稈覆蓋節水技術為例,每年可減少蒸發量約90mm(畝均減少耗水60m3),占每年土壤蒸發量的1/3,具有很好的節水潛力。圍繞減少土壤蒸發所發展的節水技術還包括:地膜覆蓋節水保墑、保護性耕作、隔行灌、滲灌等等。

作物蒸騰是保證作物光合作用,形成作物產量的基礎?,F代節水技術也同樣強調如何通過調節作物蒸騰,實現單位作物蒸騰獲取最大的作物產量。除了基因水平節水技術提高作物的單株蒸騰水的利用效率外,虧缺灌溉和精準實時灌溉也是減少作物奢侈蒸騰的有效手段。針對虧缺灌溉我國已開展了一系列研究,如針對西北干旱區作物虧缺灌溉開展了一系列研究,明確了不同作物的調虧灌溉時期[13];明確了華北小麥玉米對于水分虧缺的關鍵階段[9]。通過作物模型的模擬發現,在小麥返青期的3月份適當水分虧缺可以控制冬小麥生長,作物葉面積指數的適當下降會減少蒸騰,實現利用作物特定時期水分虧缺對產量影響相對較少的特點,降低作物蒸騰耗水,在輕微減產的情況下,提高作物單方水的利用效率[14]。這種小麥返青期水分虧缺、吐穗和灌漿期保證充足供水的技術可使小麥生長季節節水約75mm(50m3/畝)。

3.3 工程節水

工程節水是農田節水得以實現的基,農民是農田節水技術應用的主體,現階段大多數農民還無法有意識地、自發地采用農田節水技術。實踐表明,如果節水技術無法與農民的經濟效益或勞動力投入結合,就無法刺激農民應用節水技術的積極性。節水技術在取得節水效益的同時,如何能提高農民的經濟效益、減少勞動力投入,是節水技術大面積推廣應用的前提。

工程節水可以幫助實現以上目標,如中科院遺傳與發育生物學所農業資源研究中心與河北省農機研究所在華北共同研制的小麥、玉米秸稈粉碎機械,將小麥、玉米的收獲、秸稈粉碎、播種有機地結合在一起,使農民減少了秸稈收獲、秸稈處理、播種的繁重體力勞動,粉碎的秸稈覆蓋地表,使得節水的同時還可以增加土壤的肥力,提高水肥的利用效率,減少農民在農忙季節的勞動力投入,因此得到了大面積應用。

經過多年發展,我國已經形成了一大批具有自主知識產權的工程節水生產線和作業器械,這些技術包括:滴灌、滲灌、噴灌(微噴)、秸稈粉碎作業機械、免耕和少耕機械等等,適應我國現階段農業發展的節水需求。

3.4 區域節水與管理節水

區域農業節水主要探索不同區域農業生產變化(如生產結構和不同節水措施、耕作措施)與水平衡因素和作物耗水之間的定量關系,評估不同區域節水農業發展對區域水循環的影響;研究基于現代遙感技術、信息技術的區域農業耗水時空格局評估方法、區域農業水資源演變的主要驅動機制,提出適宜區域發展的農業水資源配置戰略。

管理節水則強調從水權、水政策、水價等方面加強對水資源使用的監管,農業用水應實行總量控制與定額管理。要在區域水循環、水資源和區域節水研究的基礎上,明確各區域農業用水總量和各生產單元的灌溉用水定額,各流域進行用水總量分配,地表水和地下水結合逐級分配用水指標,通過用水監測如用水或用電監控的IC卡,逐級落實節水控制目標,可嘗試建立水市場機制,對超額用水累進加價,對節約用水進行有償轉讓。這樣才真正實現農業水資源的高效利用,保障國家水資源安全和糧食生產安全。我國正在落實的水資源管理紅線,正是通過管理措施,實現缺水地區需水和供水之間平衡的關鍵措施。

3.5 節水技術的綜合集成

現代節水技術越來越強調生物技術、農田節水技術、工程技術、區域節水和管理節水的多項技術集成和根據不同地區的實際特點發展推廣適宜的節水模式。

以位于干旱區的新疆為例,應用棉花地膜滴灌技術,根據棉花不同階段的生長需水提供低于棉花蒸發耗水的灌溉水量,該技術集虧缺灌溉技術和地膜覆蓋技術于一身,大大提高了水分的田間利用率。該技術模式的大面積推廣普及有賴于工程技術提供的滴灌產品以及機械技術提供的全自動鋪設滴灌帶、覆膜的作業機械。此外,地膜滴灌得以大面積推廣的另外一個原因是西北干旱區大部分地區位于棉花生育期的下限,鋪設地膜可以提高棉花生長早期的地溫,延長棉花生長期,有利于棉花增產。

華北地區則根據自身秸稈無法處理、焚燒污染環境的特點,發展了基于秸稈覆蓋節水、全自動秸稈粉碎覆蓋與播種的聯合作業機械,結合適度虧缺灌溉、節水品種種植、低壓管道輸水以及IC卡智能灌溉控制等多種技術集成,實現了年畝節水60m3以上,該技術已大面積應用,取得了顯著的節水效果和良好的社會、經濟效益。

4 農田節水發展的未來挑戰

4.1 加強節水灌溉設施建設、增加農田灌溉面積

灌溉體系的建立為我國糧食安全提供了重要保障。著眼未來,需要調動全社會對農田水利建設的積極性,在用好中央和地方投資的同時,發揮農民作為用水主體的積極作用。通過進一步完善我國灌溉體系,減少灌溉輸水過程中的水分損失,保障乃至適當增加作物灌溉面積,才能大幅度提高缺水地區糧食總產,保障我國糧食安全。

同時也需要注意到,在我國半濕潤、半干旱、干旱地區,由于農田灌溉水利用效率的提高,通過灌溉滲漏向下游河道、地下水補給的水資源量在逐漸減少,這也加劇了下游地區的缺水,因而,需加大上游節水對下游水資源的影響研究,在節水的同時,通過合理調配上下游水資源配置,促進流域上下游間的和諧發展。

4.2 搭建適宜各區域發展特點的農田節水發展技術集成模式

我國通過布局一系列的農田節水項目,在各個區域上,基本量化了農田水分損失的過程和途徑,為摸清各個地區的農田節水潛力打下了堅實的理論基礎,各地區還針對不同區域的水資源和氣候特點、經濟發展水平,建立了一些生產上行之有效的灌溉模式。如華北秸稈覆蓋+虧缺灌溉為核心的綜合節水模式、西北的地膜滴灌節水模式、南方水稻干濕交替灌溉模式等。我國現階段大部分農村還處在一家一戶的經營模式下,農民收入水平相對較低,農田節水的社會效益和生態效益雖然顯著,但農民的經濟效益一般相對較小,這些客觀因素都限制了農田節水技術的應用和普及。因而,我國農業節水的發展,需要不斷根據不同地區的水資源特點、經濟發展水平,通過加大對工程節水、農藝節水、生物節水和農田節水機理、技術和配套農機具的研發和技術集成,發展適合各地區農業經濟發展水平的節水發展模式,通過減少農民勞動力投入、發展高附加值農業、實現節水增產增收,調動農民應用節水技術的積極性。

4.3 “擴源”是保障國家糧食安全的必然選擇

在我國糧食生產越來越依靠北方,而北方水資源短缺越來越嚴峻的大背景下,節水即使潛力很大但也很難保障糧食生產最基本耗水的情況下,“擴源”成為保障國家糧食安全的另一選擇?!皵U源”是指通過多種渠道增加各種水資源的供給,這些措施如正在實施的南水北調、遠距離調水,同時更應該加強多種水資源的聯合利用。如應該大力發展雨水資源的收集及節水灌溉技術、發展雨水利用及灌溉作業配套機械,增加雨水資源的利用率;發展微咸水、咸水資源的安全灌溉技術和作業配套機具,提高微咸水資源的利用效率;發展城市中水資源的安全灌溉技術和安全灌溉監控系統等等。目前我國城市中水的再利用水平較低,發展中水安全灌溉技術前景廣闊。

4.4 建立有效的調節機制,是國家糧食安全的必然選擇

面對不斷惡化的水資源態勢,我國各大流域如黃河、石羊河、黑河、塔河等都開始利用水資源的強制調節機制,保障水資源供給的平衡。水利部最近又明確提出了我國水資源利用的三條紅線,采取強制措施保障水資源供需的長期平衡。類似的調節機制在未來我國水資源管理中無疑將發揮極其重要的作用。

農業領域也如此,節水、擴源和用水調節是保障我國糧食生產和水資源安全的必然選擇。現階段我國在發展節水技術、對多水源的利用技術提高農業水資源的利用效率的前提下,還應該大力強化對水資源使用的監管,研究推出各地適用的水權、水市場、節水補償等政策,發揮經濟杠桿的調節作業,研究在不影響農民種糧積極性和農民種糧收入前提下的水政策,通過刺激農民節水的積極性,真正實現農業的節水增產。

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AbstractIn most areas of the world,water shortage is caused by over use of water in agricultural sector.As the biggest user,improvement on water use efficiency(WUE)in agriculture is crucial for solving regional water shortage and securing food production especially for China,with the highest population in the world.After over 20 years’development,China’s water-saving agricultural research has expanded from original mainly focusing on field water-saving to three scales:genetics level to improve WUE of single crop through crop breeding,field level to improve WUE by efficiently controlling water transfer in Soil-Plant-Atmosphere-Continuum(SPAC), and spatial or regional level to improve WUE by monitoring and managing agricultural water use and by regulating crop patterns.Meanwhile,studies on efficient use of multiply water resources such as brackish water, waste water,rainwater and even sea water are also carried out.Such studies have greatly increased the potential for keeping an acceptable food production under water shortage condition.However,present economic condition and especially individual small farm land limited the application of modern technologies and development of basic infrastructures for modern irrigation.Future efforts should more rely on governmental input to improve irrigation infrastructure to secure China’s irrigation area and irrigation WUE.Meanwhile,in field level,water-saving will rely on farmers’incentive to adopt new technologies of water saving.And thus,development and application of suitable field water-saving technology,high WUE crops,technologies for spatial and farmer level water use monitoring,and water policies to regulate farmers’water use and saving are all important for a successful water-saving society in agriculture.

Keywordswater shortage,water use efficiency,field water-saving,spatial water-saving,water policy

楊永輝 中科院遺傳與發育生物學所農業資源研究中心副主任、研究員。日本千葉大學博士、中科院“百人計劃”終期評估優秀獲得者?,F任中科院農業水資源重點實驗室主任、中科院水資源研究中心副主任。曾在英國陸地生態研究所及日本國立環境研究所長期從事客座研究。先后主持承擔了國家自然基金項目、“973”項目、中科院知識創新重要方向性項目、科技部國際合作項目、中澳合作項目和中日合作項目等。在國內外知名雜志發表SCI論文40余篇。E-mail:yonghui.yang@sjziam.ac.cn

Agricultural Water-saving:Recent Progress and Future Challenges

Yang YonghuiHu Yukun Zhang Xiying
(Key Laboratory ofAgricultural Water Resources,Center forAgricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology,CAS 050021Shijiazhuang)

10.3969/j.issn.1000-3045.2012.04.008

國家“973”項目2010CB951002和科技部

國際合作專項2009DFA21690

2012年5月17日

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