氣候變化背景下農田灌溉措施的現狀與思考

陳金陵

(昆明理工大學現代農業工程學院，云南昆明 650500)

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氣候變化背景下農田灌溉措施的現狀與思考

陳金陵

(昆明理工大學現代農業工程學院，云南昆明 650500)

在過去的幾十年中，隨著CO2, CH4, N2O等溫室氣體的不斷排放，全球氣候正在不斷變暖。氣候變化已經對農田生態系統帶來了很大的變化，特別是對農田灌溉帶來較大的影響。水對農作物生長具有重要作用，而干旱半干旱地區的灌溉水源卻存在著不穩定性；氣候變化引起的氣溫升高則會促進水分的蒸發，加劇水資源危機。該文綜述了主要的氣候因子如溫度和降水變化的背景下農田灌溉措施對農田生態系統的影響，包括作物生長、產量和水分利用效率等方面。旨在為21世紀全球氣候變化給農田生態系統帶來挑戰情況下的農田灌溉措施提供參考。

氣候變化；灌溉措施；農田生態系統

相關數據顯示，從1750～2005年大氣中的CO2已從280 ml/m3增加到379 ml/m3，從1901～2000年全球地表平均溫度上升了0.74 ℃[1-2]。氣候變化引起了一系列的極端天氣現象，如一旦發生氣象災害則受災面積廣、受害人數眾多、損失巨大。如2009年以來，西南地區的“季節性干旱”，尤其是云南百年一遇的大旱，10年江西、四川地區的“強暴雨災害”等。

為研究氣候變化對農田灌溉的影響，李春龍等[3]通過對長江流域各區域多年降雨變化分析，發現各區域呈現出不同的變化趨勢。而降雨和灌溉滲入是農田水分的主要來源[4]，面對降雨和灌溉水源不穩定的趨勢，必須通過合理地灌溉才能保證農田生產的穩定與安全。文章主要綜述了在氣候變化背景下不同灌溉措施對農田生產的影響，為今后不同地區不同環境的農田采取合理的灌溉措施提供參考。

1 氣候變化對農田灌溉的影響

農田灌溉是通過合理的節水灌溉措施，以作物生命需水信息為基礎，以提高農田水分利用效率為核心，以提高作物產量為目標，為作物節水、高產和優質提供技術支撐。目前，已經出現了較多的農田節水灌溉技術，比如溝灌、噴灌、滴灌、滲灌等。他們各有特點，應當在氣候變化的背景下選擇適合不同地區、不同作物的灌溉措施，力求灌溉水利用效率最大化，為高標準農田節水、高產奠定基礎。

1.1 溝灌 溝灌是我國地面灌溉中一種普遍使用的灌溉方法。灌溉前在作物行間開挖灌水溝，水分在灌水溝內流動過程中借助毛細管的作用潤濕根區土壤。其優點是不會破壞作物根部附近的土壤結構，適用于寬行距的中耕作物[4]，比漫灌相節水30%～40%。缺點是一次灌水量較大，植物的蒸發蒸騰量仍很大。溝灌的灌溉面積大，會造成無效的土壤水分蒸發增加，且土壤含水量高、濕度大，增加了植株蒸騰量。由氣候變化引起的氣溫升高，必然不同程度的加速植物蒸騰；同時氣候變化引起干熱風出現的頻率增加、日照時數的增大，導致干旱、半干旱地區農作物的蒸發量增大，甚至對農作物的生產帶來不利影響，加之，溝灌由于濕度高還容易引發病蟲災害的發生。由此看出，雖然常規溝灌種植面積較大，但并不是理想的灌溉方法。

為解決溝灌方式水分利用效率低下的現狀，康紹忠[5]提出了隔溝交替灌溉的節水灌溉技術。梁宗鎖[6]的研究表明：與常規溝灌相比，交替隔溝灌溉在節水33.3%的情況下而不引起產量的下降。他們的研究還表明，隔溝交替灌溉的方法可以明顯減少棵間蒸發、降低蒸騰速率，不僅有節水、提高產量的優點，同時，還能夠提高作物的品質。隔溝交替灌溉之所以有這樣的效果，主要是因為降低了棵間無效蒸發，由于壟兩側的灌水溝存在含水量差，側滲增加，減小深層滲漏。在保持光合速率不下降的前提下使蒸騰速率下降，最終表現為水分利用效率大大提高[6]。由此看來，隔溝交替灌溉比常規溝灌能更有效提高水分利用率，同時提高作物的產量與品質。因此，該技術在干旱半干旱地區具有廣闊的應用前景。

1.2 噴灌 噴灌是一種較為先進的全面灌溉方法，利用噴頭等專門設備把有壓水噴灑到空中，形成水滴后像降雨一樣落到地面和作物表面。國內不少學者對噴灌進行了大量的試驗研究，楊曉光[7]等研究表明噴灌具有降低近地面溫度，提高作物生長區大氣濕度，調節田間小氣候的作用。與全球氣候變暖的趨勢相反，噴灌可以適當的降低溫度，與地面灌溉相比，可降低冠層溫度使其維持在適宜光合作用的溫度范圍(20～25 ℃左右)內；同時可以增大氣孔阻力，進而降低蒸騰速率，其研究還表明噴灌的水分利用效率比地面灌溉高出52%。此外，噴灌較地面灌溉最高可提高小麥產量491.4 kg/hm2，主要是通過延遲弱勢粒的灌漿期來提高小麥的千粒質量，進而提高小麥產量[8-9]。可見，噴灌技術對提高小麥的產量與品質有一定的促進作用。但是，噴灌受風速影響較大，當噴灌區有風時不僅會影響灌溉的均勻度，而且會加速植物騰發。當風速超過5.5 m/s時，影響作用尤為明顯。在風速較大的地區不提倡采取噴灌的灌溉方法。

有研究表明，近47年來重慶各季和全年的平均風速均呈現減弱趨勢[10]，近50年來西北地區的年平均風速也呈減弱趨勢[11]。可見，全國風速整體上正呈現減小的趨勢。引起風速減小的可能原因是由于全球氣候變暖而引起的大氣環流變化[12]。由此看來，全球氣候變暖引起的風速減小對減慢植株的騰發有一定的緩解作用。

1.3 滴灌 滴灌屬于局部灌溉，由滴頭直接把水滴在作物根區的土壤表面，其水分利用效率可達95%，是我國干旱地區最有效的節水灌溉方式之一。膜下滴灌在我國新疆干旱地區已經有了很好的發展，張治等[13]研究表明采用膜下滴灌在作物生育前期起到保溫保墑的效果，可以在一定程度上提高地溫，有利于作物的生長，到了生育后期效果減弱，可進行揭膜處理。滴灌對提高水分利用效率有很好的效果，李毅杰等[14]發現使用65%田間持水量作為土壤水分下限，與溝灌相比，雖然甜瓜單果重下降3.2%，但是水分利用率提高76.4%，節水58.1%。王聰聰等[15]發現60%～70%的田間持水量作為水分控制下限可達到高產、優質、節水的目的。可見，灌水較大并不能達到農田生產的最優效果，應選擇適宜的水分下限作為田間灌溉的標準，這樣才能提高水分利用效率。滴灌之所以有較高的水分利用效率主要是因為減少土壤濕潤面積降低了無效的棵間蒸發，從而減少了水分浪費。而且滴灌能夠保持較好的根部土壤結構，改善了根區土壤的通氣狀況，為農作物生長創造了更為有利的根區微環境條件。與溝灌相比，能夠使地表濕度減到最小，因此可以減少病蟲害的發生，有利于產量與品質的提高。雖然滴灌減少了棵間的無效蒸發，但是由氣候變暖溫度升高卻會引起較高的蒸騰量，同時滴灌技術在推廣應用中會導致土壤次生鹽漬化的發生。次生鹽漬化是干旱半干旱地區影響農業生產發展的主要問題之一，而洗鹽措施則會導致土壤肥料的流失，造成不必要的浪費。因此鹽堿化地區推廣滴灌技術還需要結合當地的實際情況和適宜的農藝措施，這樣才能使滴灌技術發揮更大的效益。

此外，張樂森[16]通過采用滴灌施肥與溝灌施肥相對比發現，滴灌施肥不僅可以節水24.25%～26.65%，增加大蔥產量10.36%，還可提高水分利用效率26.59%，促進對各種肥料的吸收。劉虎成等[17]發現滴灌施肥處理的生姜植株氮磷鉀利用率較常規溝灌施肥顯著增加，同時還顯著提高生姜根莖經濟產量17.94%以及水分利用效率112.71%，在肥料減量20%的情況下仍有很好的效果。可見，采用滴灌施肥比常規施肥效果更佳，可以減少氮流失量，減少對土地的污染。因此，田間應用滴灌技術時，可選擇適宜的滴灌施肥方式，如近年來，引起國內外眾多學者關注的，廣大政府部門高度重視的滴灌水肥一體化技術，確實對提高作物根區水肥利用效率起到積極的促進作用。

1.4 滲灌 滲灌，即地下滴灌，是利用地下管道系統將灌溉水引入田間耕作層借毛細管作用自下而上濕潤土壤的方式，是目前世界范圍內最節水的灌溉技術之一。牛西午等[18]發現：提高蘋果相同產量，滲灌比漫灌節水，且提高果品品質。與溝灌相比，滲灌也可節水36.7%，生產效率提高70.7%[19]。馮利平等[20]通過3年試驗發現，滲灌比噴灌平均節水43.9%，小麥產量提高9.5%。可見，滲灌有很好的節水效果，能顯著提高水分利用效率。這主要是因為滲灌減少了棵間無效的水分蒸發，提高水分利用效率；滲灌技術將水分直接輸送到植物根系層，提高了根系對水分的吸收；而且地表干燥，不易產生病蟲害及雜草、減少農藥的使用；同時也提高了地表溫度，為作物生長提供有利環境，這些優勢都有利于作物產量與品質的提高[21]。由此看來，滲灌與地面滴灌相比，大大減少了地表蒸發，而且不占用田間耕地便于機械化操作。

然而由于地表未澆水，因氣候變化、氣溫升高造成的地表干裂則會降低植株的出芽率，對作物苗期生長會產生不利的影響，最終影響作物的產量。張玉龍等通過對比試驗發現，滴灌技術更有利于改善并保持土壤有機氮的作用，滲灌則需要深施或者少施氮肥[22]；與溝灌相比，滲灌和滴灌為植物根系生長創造更有利的土壤環境，促進根系的吸收，為穩產和高產提供基礎[23]。綜上所述，各種灌溉措施均有優缺點，過去圍繞單一的節水灌溉技術在平原地區進行了較為深入的研究，將來還需要將各種灌溉技術的優缺點深度融合，力求提出新的節水灌溉技術，并研發出新的節水灌溉設備，解決山區農業水資源利用效率低下的突出問題。

2 結語

全球氣候變化仍在加劇，水資源短缺問題日益突出，水資源虧缺已嚴重困擾著農業的可持續發展。因此，必須轉變以往粗放的灌溉模式，發展節水灌溉。傳統的灌溉方法不僅浪費水資源、水分利用率低，而且不適宜的灌溉制度還會造成作物的低產量與低品質。因此，必須改變傳統的農田灌溉模式，大力推廣節水高效的農田灌溉技術，緩解氣候變暖對農業生產造成的不利影響[24]。

合理的灌溉應該要滿足成本低，水分利用效率高，不會造成鹽漬化等要求。干旱半干旱地區如何在氣候變化的背景下，依據作物生長和土壤的特點，結合覆膜和秸稈還田等技術，在選擇適宜的節水灌溉措施條件下，依據作物生命需水信息的要求，重新改寫農作物的灌溉制度已經成為亟待解決的問題，還需要做出系統深入的研究。

[1] 張建云，王國慶，劉九夫.氣候變化權威報告—IPCC報告[J].中國水利，2008(2):37-40.

[2] 秦大河，羅勇，陳振林.氣候變化科學的最新進展：IPCC第四次評估綜合報告解析[J].氣候變化研究進展，2007，3(6):311-314．

[3] 李春龍，張方偉，訾麗，等.長江流域降水多年變化特征[J].人民長江，2013，44(15):11-13.

[4] 郭元裕.農田水利學[M].北京：中國水利水電出版社，1997.

[5] 康紹忠，張建華，梁宗鎖，等.控制性交替灌溉——一種新的農田節水調控思路[J].干旱地區農業研究，1997，15(1):1-6.

[6] 梁宗鎖，康紹忠，石培澤，等.隔溝交替灌溉對玉米根系分布和產量的影響及其節水效益[J].中國農業科學，2000，33(6):26-32.

[7] 楊曉光，陳阜，宮飛，等.噴灌條件下冬小麥生理特征及生態環境特點的試驗研究[J].農業工程學報，2000，16(3):35-37.

[8] 姚素梅，康躍虎，呂國華，等.噴灌與地面灌溉條件下冬小麥籽粒灌漿過程特性分析[J].農業工程學報，2011，27(7):13-17.

[9] 姚素梅，康躍虎，劉海軍，等.噴灌與地面灌溉冬小麥干物質積累、分配和運轉的比較研究[J].干旱地區農業研究，2008，26(6):51-56.

[10] 李艷，耿丹，董新寧，等.1961-2007年重慶風速的氣候變化特征[J].大氣科學學報，2010，33(3):336-340.

[11] 田莉，奚曉霞.近50年西北地區風速的氣候變化特征[J].安徽農業科學，2011，39(32):20065-20068.

[12] 江瀅，羅勇，趙宗慈，等.近50年中國風速、風向變化及原因分析[C]//地理學與生態文明建設——中國地理學會2008年學術年會論文摘要集.長春，2008.

[13] 張治，田富強，鐘瑞森，等.新疆膜下滴灌棉田生育期地溫變化規律[J].農業工程學報，2011，27(1):44-51.

[14] 李毅杰，原保忠，別之龍，等.不同土壤水分下限對大棚滴灌甜瓜產量和品質的影響[J].農業工程學報，2012，28(6):132-138.

[15] 王聰聰，孫磊，郭鳳臺，等.土壤水分狀況對溫室滴灌番茄水分利用效率及果實品質的影響[J].灌溉排水學報，2011，30(2):86-89.

[16] 張樂森.設施栽培大蔥滴灌水肥一體化的產量和水肥利用效率[J].貴州農業科學，2014，42(1):135-139.

[17] 劉虎成，徐坤，張永征，等.滴灌施肥技術對生姜產量及水肥利用效率的影響[J].農業工程學報，2012，28(Z1):106-111.

[18] 牛西午，李永山，馮永平，等.晉南半干旱地區果樹滲灌補水效應研究[J].農業工程學報，2003，19(1):72-75.

[19] 劉作新，杜堯東，蔡崇光，等.日光溫室滲灌效果研究[J].應用生態學報，2002，13(4):409-412.

[20] 馮利平，巴比江，甄文超，等.北京地區冬小麥滲灌技術節水高產綜合效益研究[J].中國農業大學學報，2001，6(5):35-41.

[21] 王淑紅，張玉龍，虞娜，等.滲灌技術的發展概況及其在保護地中應用[J].農業工程學報，2005，21(z1):92-95.

[22] 姬景紅，張玉龍，張玉玲，等.灌溉方法對保護地土壤有機氮礦化特性的影響[J].土壤學報，2009，46(5):869-877.

[23] 楊麗娟，張玉龍，楊青海，等.灌溉方法對番茄生長發育及吸收能力的影響[J].灌溉排水，2009，19(3):58-61.

[24] HUANG J P,WANG B F, ZHOU B D. Analysis on the water-saving irrigation technique based on the perspective of food safety[J]. Asian Agricultural Research,2014(8):89-92.

Status Quo and Thinking of Farmland Irrigation Measures under the Background of Climate Change

CHEN Jin-ling

(Faculty of Modern Agricultural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650500)

As the greenhouse gases (CO2, CH4, N2O) are emitting constantly, the global climate is warming. In the past several decades, climate change has brought great changes to farmland ecosystems, especially adverse effects brought to farmland irrigation. Water plays an important role in the growth of crops, while the irrigation water in arid and semi-arid regions is unstable. On the other hand, temperature rising caused by climate change will promote the evaporation and aggravate the water crisis. This paper summarized the effects of irrigation measures on farmland ecosystems under the background of major climatic factors such as temperature and precipitation changing, including crop growth, yield, and water use efficiency. The aim is to provide references for irrigation measures at the challenge of global climate change brought to farmland ecosystem in the 21st century.

Climate change; Irrigation measures; Farmland ecosystems

陳金陵(1991-)，女，江蘇南京人，碩士研究生，研究方向：農業節水灌溉。

2015-04-22

S 274

A

0517-6611(2015)17-378-03