自動節水灌溉技術研究及其應用

李建新

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

農用灌溉水利技術是農業生產高效實施的基礎，合理應用灌溉技術能夠為農作物生長創造良好條件，尤其在現代化農業生產過程中，大面積耕作的農田對于灌溉要求更高，傳統漫灌式灌溉不能充分利用水資源，不合理的灌溉還會造成水土流失。2017—2022年，每年的中央一號文件均會對建設高效節水農田提出相關要求，我國農田的水利基礎設施建設也得到了良好開展。但目前來看，我國的現代化灌溉技術應用仍處于起步階段，現代微灌、滴灌等節水灌溉技術普及程度仍待提升，尤其對于水資源短缺地區，應當通過合理應用節水灌溉技術提高水資源利用率。

1 節水灌溉技術應用情況

1.1 國際先進經驗

節水灌溉技術作為精確農業的重要組成部分，一直以來受到世界各國的高度重視，尤以歐洲、日本等農業發達國家研究與應用居多，節水灌溉技術的應用已經在發達國家展現出明顯的技術優勢，有效實現了資源的最佳利用。美國在近百年來一直致力于節水灌溉技術的研究與普及，為更好滿足西部干旱、半干旱農田的用水需求，對農田進行了大范圍的管道輸水基礎設施建設，并以農田為核心建立了系統化的節水灌溉技術體系。自20世紀50年代，美國開始推廣節水灌溉技術后，到21世紀初期，其節水灌溉農田比例以超過55%，尤其在2010年以后的十余年間，計算機技術和電氣控制技術與節水灌溉技術實現了深度融合，并逐漸對不同地區的農田進行灌溉系統的設計和建設，實現了農田灌溉與氣象、土壤等信息的結合，灌溉過程全程自動化，農民僅通過電子設備查看排水灌水過程即可。日本針對節水灌溉技術也開展了大量的研究和應用工作，由于日本地區的主食以水稻為主，因此，在有限的農業耕地面積條件下，水田占比接近58%，這對水資源的有效利用提出了更高要求。日本的節水灌溉技術初期引進于美國，現階段在灌溉技術改良區已實現節水灌溉覆蓋率超過90%，為提高節水灌溉技術的普及效率，日本將很多農業水利工程劃歸為國家項目，由政府出資，并在法律層面規定灌溉設備設施改良費用由政府和個人分擔，有效促進了節水灌溉技術的普及應用。發達國家的先進技術和政策布局對于我國而言具有一定的參考和借鑒價值，有利于我國節水灌溉工程建設合理性的提升[1]。

1.2 國內技術發展特征

我國對于節水灌溉技術的研究滯后于國際平均水平，早期的研究集中于渠道襯砌、短溝灌溉等簡單技術，對于節水能力的提升十分有限。到20世紀80年代以后，我國的管道輸水技術得到快速發展，噴灌、微灌等節水灌溉設備在一定范圍內得到推廣和普及。到20 世紀 90 年代初期，受到國家政策的影響，節水灌溉技術進入快速發展期，節水灌溉產品市場初步建立。21世紀以后，我國的節水灌溉面積得到了快速增長，如圖1、圖2所示，農業耕地整體的節水灌溉面積從2000年的0.144 億hm2增長到2020年0.378億hm2，增長162.5%，其中噴灌、微灌、管道輸水灌溉等高效節水灌溉面積達到0.23億hm2。農業灌溉用水有效利用系數從2000年的0.41增長到2020年的0.67，增長63.4%。近年來，我國農業灌溉年均用水量基本維持在3 400億m3，需完成0.69億hm2的耕地，灌溉用水量占全社會用水總量的56%左右，節水灌溉技術的進一步普及和發展意義重大[2]。

圖1 2000—2020年我國農業節水灌溉面積變化情況

圖2 2000—2020年我國農業農業灌溉用水有效利用系數變化情況

現階段，我國的農業節水灌溉技術和設施得到了長足發展與進步，但目前仍存在較多技術性問題和推廣工作需要深入開展，我國農業科研人員也針對節水灌溉技術進行了本土化的研究與自動化技術升級。2016年沈陽農業大學姜森嚴[3]針對遼寧省玉米生產過程實際情況，選取4個玉米種植面積比超過60%的分區地點，分別進行了覆膜滴灌、無膜滴灌、傳統溝灌三類對比試驗，驗證了覆膜滴灌的技術優勢，覆膜滴灌使玉米株高、葉面積指數、蛋白質含量、淀粉含量、產出率等指標均明顯提升，同時說明了部分區域應用覆膜滴灌的不適用性，強調了合理選擇節水灌溉技術的重要性；2017年石河子大學劉南江[4]針對新疆生產建設兵團的干旱半干旱農業生產環境，設計了節水灌溉自控系統使用的數據采集器，利用GSM短信通訊方式進行土壤水分、溫度、電磁閥啟閉狀態等多種數據信息的采集，并實現對灌溉電磁閥的控制，所設計的數據采集器能實現根據預先設定的時間對土壤水分、溫度等數據進行實時采集，并自動灌溉；2019年東北農業大學張忠明[5]針對黑龍江地區水稻生產過程的灌溉技術展開研究，設計了控制灌溉、“薄、淺、濕、曬”灌溉、葉齡模式灌溉、“淺、濕”灌溉等多種灌溉試驗模式，對比了多種灌溉模式的優缺點，總結了各灌溉處理水稻在生長生育性狀、耗水量、產量等眾多數據的特征，說明了不同灌溉模式的應用方向，有利于合理選擇黑土區的灌溉方式；2021年河北農業大學張兵[6]研究了河北省果農節水灌溉技術應用普及的影響因素，對果農采用意愿和行為差異性分析，說明了農業生產組織化和標準化程度、水利基礎設施、政府補貼范圍等因素對果農應用節水灌溉技術的影響關系，給出了多項促進節水灌溉技術應用的有效措施，有利于提高節水灌溉技術應用率。

2 自動節水灌溉技術組成

2.1 管道輸水技術

管道輸水是現代節水灌溉技術實施的基礎，主要是將灌溉用水利用水泵送入輸水管路，利用水泵提供的壓力進行供水，供水管路布置在灌溉的關鍵位置，保證灌溉工作能覆蓋整個農田。管道輸水主要用于替代傳統渠道輸水，其應用能有效減少水資源滲漏和蒸發損失，能更好保證水資源充分應用于農業灌溉中，同時管道輸水技術相對于傳統渠道輸水在送水速度、灌溉量、基礎設施建設等方面優勢明顯，并與現代節水灌溉技術實現更好的結合[7]。

2.2 電氣控制與檢測技術

電氣控制是自動灌溉的實施者，是替代傳統灌溉過程人工判斷土壤狀態、人工控制灌溉時機、人工控制灌溉量等過程，將電氣控制技術與管道輸水技術相結合，能實現區域范圍內的高精度灌溉控制。電氣控制主要包括了土壤溫濕度測量、數據傳輸、數據分析、方案判斷、灌溉決策、灌溉實施等內容，通過傳感器獲取的不同區域的土壤狀態控制電磁閥進行區域化的精確自動灌溉。

2.3 灌溉技術類別

現階段應用的節水灌溉技術主要包括噴灌、滴灌、滲灌、微噴灌等多種類別。噴灌是利用泵體將水增壓后被噴頭的特殊結構以小水滴的形式噴出，使其均勻灑落于土壤表面，是主要的節水灌溉技術之一，其優點是對地形地勢的適應性好，技術應用較為簡單，缺點是受風力影響較大，不適宜風力過大地區應用；滴灌是將水增壓后在管路中輸送，管路中均勻布置有滴頭，水在滴頭位置滴入田間，緩慢均勻浸潤土壤，其優點是省水能力強、結構簡單，缺點是使用過程受水質影響大，水質不良地區易出現滴頭堵塞；滲灌是將輸水管路安裝于地下，水管能夠按照指定流量滲水，從而浸潤根系土壤，其優點是進一步降低水分蒸發，提高水資源利用率，缺點是管道布局占用地下空間，不利于耕作，且維修困難；微噴灌是介于噴灌和滴灌之間的一種灌溉技術，微噴灌能夠在實現灌溉的同時將化肥溶于水中噴灑于作物植株上，顯著提高化肥利用率，多用于葉面施肥場合使用[8]。

3 自動節水灌溉技術應用注意事項

3.1 輸水管路的合理布局

由于農業生產環境十分復雜，不同地區受到地形、地貌，生產習慣的影響，對于輸水管路的布局存在很大差異性。因此在引進節水灌溉技術前，應根據地區特點合理設計相應的灌溉網絡布局。明確要引進的灌溉技術種類，如噴灌、微灌等，再根據農田形狀、農機行駛路線等對管路進行設計，確保輸水管路與正常農業生產不干涉；合理設計管路密度，避免布局過密造成管路材料和水資源浪費。

3.2 電控系統的建立與硬件選型

電控系統是自動節水灌溉實施的關鍵，需要在完成輸水管路和噴頭、滴頭等選擇的同時進行電控技術的適配，包括電控系統總體設計、總體的灌溉策略設計，如土壤信息的獲取方案、灌溉開啟標準、灌溉時間流量、灌溉后監測等；同時還要進行細節的硬件設計，如電磁閥功能選擇、電磁閥位置布置、傳感器選型、傳感器位置設計及信息數據傳輸方式等。

3.3 灌溉設備使用與技能培訓

在灌溉設備布局與建設完成后，農機推廣部門及灌溉設備的生產、銷售廠家還要重視對農民進行節水灌溉設備使用及維護保養培訓，確保農民掌握自動節水灌溉設備日常使用、遠程控制、調試、故障處理等技能，保證設備性能得到充分發揮。

4 結語

總體上看，我國節水灌溉相關工作在取得顯著成果的同時，技術應用仍與發達國家存在一定的差距。因此，農業管理部門和科研機構應因地制宜加強農業節水灌溉工作的普及與技術研發力度，推廣真正適合我國農業生產的節水灌溉模式與技術，在完善基礎設施的同時，重視節水灌溉理念的普及，加快推進智慧灌區建設，實現農業生產灌溉過程的標準化、規范化管理。