黑龍江省高效節水技術研究應用十年回顧

李芳花，黃 彥，鄭文生，王 柏

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

黑龍江省是農業大省，農作物播種面積達1593.3萬hm2,承擔和保障著國家糧食安全的重任。水資源總量810億m3[1]，耕地占有量僅為5083.5 m3/hm2，低于全國22 995 m3/hm2的平均水平。黑龍江省水資源時空分布不均，耕地的85%集中在松嫩平原、三江平原，而水資源量僅占全省水資源量的50%；作物生育期降水量分布不均，多集中在6—9月。近些年，農業旱災頻繁出現，導致作物減產、農民減收，制約了區域經濟社會發展。而且，隨著農田水利工程的投入，灌溉面積不斷擴大，農業灌溉用水量持續攀升，全省農業用水量已達到總用水量的70%。由此，需要從整體思路來考慮如何解決水資源短缺與有效利用問題，開展高效節水技術研究與應用推廣，使綜合節水能力得到快速提升。近十年來，黑龍江省水利科學研究院通過開展水旱田高效節水、農業綜合節水、節水技術集成等研究，提出了噴灌、滴灌、機械化節水抗旱技術、玉米需水規律與灌溉管理技術、寒區玉米膜下滴灌高產栽培節水灌溉技術、調虧型抗旱灌溉技術、水稻控灌條件下高產栽培技術等研究成果，凝練了適合黑龍江省自然條件的節水灌溉技術及管理模式，提出了標準化水田示范區建設模式，廣泛用于全省小型農田水利重點縣項目和高標準灌區工程建設，其研究成果為黑龍江省農田水利科研事業的發展，奠定了堅實的基礎。

1 背 景

2009年國務院常務會議通過了《黑龍江省千億斤糧食生產能力建設規劃》，同年黑龍江省與國家水利部簽定了“關于加快黑龍江水利發展與改革、推進黑龍江千億斤糧食產能工程建設合作備忘錄”。2011年，黑龍江省又提出在“十二五”期末，全省糧食總產量再上新臺階，力爭達到1500億斤的目標。同年，財政部、水利部、農業部聯合發布了關于支持東北四省區開展“節水增糧行動”的意見，通過大規模水利建設發展灌溉農業。2012—2015年發展高效節水灌溉工程253.33萬hm2，黑龍江省規劃落實100萬hm2，占總面積的40%，含大型噴灌面積53.33萬hm2、膜下滴灌面積17.33萬hm2、中小型噴灌面積25.33萬hm2、水稻灌區灌溉面積4.00萬hm2。農業節水是推行綠色發展方式、增強農業可持續發展能力的方向性、戰略性大事。發展高效節水灌溉是深入推進農業供給側結構性改革的重要內容，2018年國家計劃新增高標準農田533.33萬hm2以上、高效灌溉面積133.33萬hm2，這是2018年我國政府向全社會做出的莊重承諾。

高效節水灌溉是黑龍江省農作物生產中效果最明顯、潛力最大的節水途徑，在灌溉區碎片化經營、水資源限定、時空分布不均的條件下，如何合理開發利用地下水資源，科學、有序發展高效灌溉面積，研究高效灌溉條件的共性和關鍵技術，組裝適合區域節水增效綜合技術模式，提高農田水資源利用效率，大幅增加糧食產量，提出適合的工程建設與管理模式，顯得尤為重要。因此，深入開展高效節水灌溉的關鍵技術課題研究，將對支持節水灌溉工程建設管理、持續提高糧食生產能力、促進水資源不足地區開展長效化高效灌溉、保障灌區社會安定和國家糧食安全等具有重要的現實意義。

2 技術發展與需求

高效節水灌溉是對除土渠輸水和地表漫灌之外所有輸、灌水方式的統稱。根據灌溉技術發展的進程，輸水方式在土渠的基礎上大致經過防滲渠和管道輸水兩個階段，灌水方式則在地表漫灌的基礎上發展為噴灌、微灌、直至地下滴灌。高效節水灌溉是一個重要的、長期的研究課題，涉及農田水利工程、農學、生態學、氣象學等多個學科交叉的研究領域，其研究的突破必須依靠新的相關理論與技術來支撐。針對黑龍江省旱田、水田作物高效節水的技術需求，依據非充分灌溉、水肥耦合、調虧灌溉等高效節水灌溉理論與方法研究灌溉管理技術，以提高輸水效率和水分利用率為目標開發關鍵工程技術與產品，以應用示范推廣為目標進行全鏈式創新研究。重點采用作物高效耗水協同調控理論與方法，建立適應規模化、集約化水旱田的高效節水灌溉關鍵技術體系與應用模式，實現示范推廣應用過程的節水灌溉技術、農藝與農機技術和相關政策機制等有機融合，達到節水、高效、綠色、生態的目標。

在節水灌溉作物的總耗水中，只有不到2%的水分滯留在作物中，其余98%以上的水分通過土壤的蒸發和作物葉面蒸騰兩個途徑散發到大氣中。可見，在水資源緊缺的情勢下，對于灌溉用水來說，最大的節水潛力在于提高作物的水分生產率，而應用轉基因技術來創造新的抗旱節水品種，應該是一項潛力巨大的節水高新技術。在水資源高效利用領域，量水設施、信息系統、自動化設備及集成系統開發等方面的研究，對灌溉水優化調度及提高有效利用率具有很大的挖掘潛力。“3S”技術屬于現代對地觀測新技術，其應用已成為現代灌溉農業不可缺少的一部分。在農業管理過程中，研究通過遙感、地理信息系統、全球衛星定位系統以及自動化控制技術，按照田間每一操作單元的具體條件，精細準確地實施灌溉、施肥等管理措施，可以最大限度地優化使用各項農業投入，以獲取最高產量和最大經濟效益。精準農業的研究與發展將會大大提高作物對水的利用效率，是重要的節水措施之一。在灌溉評價中，其生態效益因素體現著灌溉對當地生態環境改善的顯著作用，單位面積產量體現著緊缺土地資源的生產能力，作物對水、肥的利用效率，灌溉水利用系數，水分生產率等體現著不同灌溉方式達到的精確、高效目標實現程度。因此，灌溉評價理論研究中，評價指標及其權重的確定，需綜合社會、經濟、生態、資源匹配等多項目標進行選擇。

3 水田節水灌溉技術研究

水田節水灌溉技術是充分合理利用各種灌溉水資源，采取工程、農業、管理等技術措施，使區域內有限的灌溉水資源總體利用率最高及其效益最佳的一種技術集成。

水田節水灌溉綜合技術包括工程節水、農業節水和管理節水，其中：工程節水技術措施主要包括渠道防滲、管道輸水灌溉、改進地面灌、集雨灌溉等；農業節水技術措施主要包括以調減高耗水作物種植面積為主要方向的種植結構優化技術，以提高作物抗逆性為主要方向的品種改良技術，耕作保墑技術，以配方施肥、增施有機肥為主要內容的水肥耦合技術，合理水稻種植密度等；管理節水技術措施主要包括節水高效灌溉制度的制定、土壤墑情監測與灌溉預報技術，灌區配水技術，灌區量水技術和灌溉自動控制技術等幾個方面。

3.1 項目支撐

在水田節水技術研究方面，先后承擔了國家重點研發計劃“水田高效節水灌溉技術集成應用”、國家科技支撐計劃項目“大型灌區節水技術集成與示范”，黑龍江省科技攻關項目“水稻控灌條件高產栽培技術模式研究”“非充分灌溉條件下水稻節水灌溉模式的研究”，黑龍江省水利廳重點科技項目“寒地高緯度區水稻田間用水管理標準研究與制定”等科研項目。

3.2 取得的研究成果

3.2.1 研發了裝配式矩型混凝土渠道，確定了防滲、防凍脹措施

引進了國外渠道設計理念，研制了適應于支、斗、農灌溉渠道的裝配式矩型渠道系列產品，提出了自密實混凝土和加筋混凝土的渠道結構設計方法和裝配式構件生產工藝等，確定了混凝土配比參數，產品指標達到C50、F300標準，較現行工程中使用的U型渠槽、梯型預制塊、現澆混凝土等渠道，延長渠道使用壽命30 a以上，提高了施工速度和質量及輸配水利用效率。提出了鋪裝EPS顆粒輕質土、EPS保溫板、GCL膨潤土墊等保溫材料和換填(砂、碎石)等防凍脹措施[2-6]，減小渠基土的凍深與凍脹量，減輕土體凍脹融沉降對防滲防護結構的破壞。確定了鋪裝材料、換填形式和鋪裝厚度。

3.2.2 提出了適宜寒冷地區的管道化灌溉技術模式

通過反復凍融循環實驗，篩選了適宜寒冷地區凍脹破壞的管道材料，確定了季節性凍土區管道埋設深度為0.6～1.0 m[7-9]。形成了寒冷粳稻灌區輸水管道系統技術指標，采用自然壓式和加壓式兩種灌溉供水工程方式，解決了北方“管代渠”的重大難題，降低了工程造價。其優勢是減少占地，便于維護，提高灌溉水利用效率，土地利用率提高5%以上。自壓式可大幅節約運行耗電成本，較加壓式節約耗電50%以上。編制了《寒地水田灌區地埋低壓管道輸配水技術規程》，為技術推廣提供了規范性文件。

3.2.3 建立了規模化、標準化的田間示范工程

根據土壤類型、灌水條件及方式、農機作業效率等，建設規模化、標準化田間示范工程。格田規格推薦為50 m×60 m、50 m×100 m、100 m×100 m，利用激光技術平整田面，高差±3 cm；灌水渠道采用裝配式矩型渠道，排水溝道采用生態或半生態形式；為便于農機作業，增設田間作業道路，間距200～500 m。形成渠、田、林、路及生態溝道于一體的標準化農田，為田間工程標準化建設提供了樣板。

3.2.4 建立了水稻全生育期節水控制灌溉制度

控制灌溉通過薄水層灌溉、無水層管理方式充分利用灌溉水和天然降水，在減少灌溉用水量的同時，最大限度地減少田面劣變水排放，從而減少了灌區農業面源污染。節水控制灌溉在管道灌溉示范區和渠道灌溉示范區比對照區分別增產23.4%、27.8%，說明控制灌溉的水分管理在水稻產量指標形成時期為后期水稻穩產高產打下了基礎。在綜合分析水稻植株生態指標與土壤水分調控之間的耦合關系的基礎上，確定了寒地黑土區水稻非充分灌溉土壤水分控制閾值，為水稻節水高產灌溉建立了最優灌溉模式[10-13]。建立了具有區域性的水稻水分生產函數模型，揭示了寒地黑土區水稻階段需水敏感規律，確定了階段需水優化分配與產量關系，為寒地黑土區水資源優化配置、水利工程規劃提供基本依據。

3.2.5 提出了節水控制灌溉及水肥一體化技術模式

以控制灌溉模式進行灌水管理，施肥、用藥時按照實際需求保持水層深度和時間，分段施肥比例為基肥∶蘗肥∶穗肥∶花肥=4.5∶2∶1.5∶2，插秧密度為21穴/m2時為最優組合模式。技術模式較充分灌溉方式可提高產量13.0%，水分生產率可提高21.14%，肥料利用率提高。稻田是CO2(二氧化碳)、CH4(甲烷)和N2O(氧化亞氮)等溫室氣體的主要排放源，CH4和N2O會對臭氧層產生破壞作用。水稻節水控制灌溉使水稻田面長期無水層成為現實，使土壤排放的溫室氣體總量、組成及其產生的潛在溫室效應也相應發生變化[14-21]。水稻控制灌溉與水肥一體化模式對減少面污染源、減少溫室氣體排放、改善灌區生態環境具有顯著生態效益。同時也減少了因地下水位抬高引起的次生鹽害，有利于防止水土流失。

4 旱田節水技術研究

4.1 項目支撐

結合黑龍江省干旱、半干旱地區節水農業發展需求，積極開拓思路，從科技性、實用性、高效性出發，在節水灌溉技術、行走式節水灌溉機械、深松改土蓄水保墑機械研發及應用、旱情監測和預測預報技術等方面，取得了豐碩的科研成果。先后承擔了國家科技支撐計劃“黑龍江西部節水增糧高效灌溉技術集成研究與規模化示范”、水利部科技推廣項目“農業高效噴灌技術推廣示范”、黑龍江省科技攻關項目“松嫩平原干旱、半干旱區節水旱作農業綜合技術研究與示范(專題)”、黑龍江省科技推廣計劃“振動深松旋耕滅茬蓄水保墑機”；黑龍江省青年基金項目“黑土區坡面土壤氮肥隨侵蝕徑流運移規律試驗研究”“黑土區滴灌水肥一體化條件下土壤水氮遷移規律”、黑龍江省水利廳重點科技項目“節水增糧行動高效灌溉關鍵技術研究與示范”項目等，編制了“旱作節水抗旱技術規范”“苗期補灌技術規范”“注(坐)水灌溉播種技術規范”“黑龍江省農用井(機電井)管護規程”等地方標準。

4.2 取得的研究成果

4.2.1 抗旱保墑技術及其應用研究

先后承擔了水利部、科技部及省內科研項目研發了具有自主產權的2BFS-1、8ZS-2、1SZ-140/210/280等三個系列抗旱機具專利產品。注水灌溉技術的研究與推廣，以2BFS-1暗式注水點播機、8ZS-2中耕作物補水機的研制為核心，創造性地應用發展了“土壤中水熱平衡理論”，首次提出了坐水種及中耕注水灌溉的技術指標，為黑龍江省大田播種期、中耕期旱作物節水灌溉開辟了一條點水源機械化灌溉的新途徑。通過對田間給水方式的創新改變了以往傳統坐水種費工、費時、效率低的狀況，使干旱、半干旱地區的玉米等大田作物的松土、注水、開溝、播種、施肥、覆土、鎮壓七項作業一次完成，達到了注水、播種同步進行，使干旱、半干旱地區的玉米等大田作物春季播種、灌溉實現機械化作業，作業效率提高10倍以上。在黑龍江省及東北地區累計應用面積達到3.33萬hm2以上，取得了顯著的經濟效益和社會效益。成果經鑒定均達到了國內領先水平，并獲得了國家實用新型專利，先后獲得水利部科技進步二等獎、國家發明四等獎、黑龍江省省長特別獎，使大田坐水種、中耕期補水實現了機械化作業。依據該項科研成果中注水灌溉機理和技術指標研究，注水灌溉及其相關定義和指標已作為節水灌溉的一種方式寫入國家“節水灌溉技術規范”中。

4.2.2 形成了東北半干旱區節水灌溉技術集成模式

以東北半干旱抗旱灌溉區糧食生產為對象，以提高降水利用率、節水增產增效為目標，經過多年的試驗研究和示范，形成了抗旱灌溉節水農業模式和技術體系，建設示范區1666.67 hm2，降水利用率由50%提高到75%，作物水分利用效率由0.90 kg/m3提高到1.27 kg/m3，增產30%。

建立了節水、抗旱、保土、兼顧生態的抗旱灌溉節水農業模式，完成了暗式注水灌溉點播、苗期中耕補灌、坡耕地壟向區田蓄水、振動式深松改土蓄水、行間覆膜播種、機械化保護性耕作等關鍵技術研究，集成了基于信息技術的東北半干旱抗旱灌溉區“蓄、保、補”抗旱技術體系[22-23]，探索了示范區節水評價體系和運行管理機制，為節水農業發展提供了示范樣板和技術支持。課題成果應用2.89萬hm2，節水1216萬m3，取得了明顯的經濟、社會和生態效益，應用前景良好。

4.2.3 玉米膜下滴灌設備與技術集成模式

以保障國家糧食安全和水安全為目標，重點研發低壓膜下滴灌專用灌水器和移動式滴灌灌水施肥裝置，提出低壓膜下滴灌系統優化設計方法和標準化配套模式；研究膜下滴灌技術節水增產機理和水肥管理調控方法[24-25]，開發滴灌系統運行管理和性能評價軟件與指南；提出不同積溫帶玉米膜下滴灌節水增產灌溉施肥制度及水肥管理模式，構建玉米膜下滴灌技術經濟評價指標體系。達到節水、節能、增產、保障農田生態環境安全的綜合目的，為膜下滴灌技術在北方地區的大規模推廣應用提供技術支撐。在黑龍江等地建設示范區133.33 hm2以上，示范區輻射面積666.67 hm2以上；田間水利用率提高10%以上，肥料利用效率提高10%～15%，增產糧食10%～15%。

5 未來研究方向

(1)水田：水田節水面臨“適度規模化、全程機械化、高度集約化”發展新機遇，同時也面臨發展節水灌溉技術帶來的區域衍生水問題，由研究水量對產量的影響到更重視水對品質的影響，從單一的農田水循環逐漸擴展到渠系、灌區及流域尺度，從農業用水單一環節的研究，轉向為充分考慮輸配水與水轉化過程、水分消耗過程、經濟產量形成過程、水利工程質量與效益等農業用水多環節的系統性耦合研究，在研究過程中考慮農業環境、生態、景觀平衡，注重生態灌區建設、農村水環境與生態保護。因此，要在作物高效用水機理與農業灌溉用水對生態環境的影響，灌區用水精準量測與精量調配控制，節水灌溉與生態環境效應評價技術與方法等方面創新節水灌溉理論，突破高效節水灌溉關鍵技術與集成技術，亟需在基礎理論、共性關鍵技術、應用集成示范方面取得重大創新與突破。

(2)旱田：重點開展東北糧食主產區高效節水灌溉技術與集成應用研究、水資源優化調配及對區域生態環境影響研究、旱作農業高效節水灌溉技術集成研究與示范和土壤墑情監測與旱情預測系統在節水農業中應用研究；利用生物、計算機模擬、電子信息、高分子材料等一系列高新技術手段進行試驗研究，實現多學科相互交叉、各種單項技術互相滲透的綜合研究思路，提高節水灌溉研究水平[26-30]。