農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)農(nóng)藝技術(shù)措施分析

潘玉忠，梁 敏

(龍江縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，黑龍江 龍江 161100)

0 引言

水資源已經(jīng)成為制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，農(nóng)業(yè)灌溉用水與工業(yè)、生活、環(huán)境用水競爭日趨緊張[1]。目前，我國農(nóng)業(yè)灌溉主要包括噴灌、溝灌、壟灌及滴灌。其中溝灌和壟灌用水粗放無度，在當(dāng)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)逐漸摒棄，目前應(yīng)用最為廣泛的節(jié)水灌溉措施主要為渠道防滲、噴灌、微噴灌和滴灌[2]。本文通過對目前不同農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉方式、農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)對土壤環(huán)境及作物生長的作用機理進行系統(tǒng)地分析，并提出未來應(yīng)進一步發(fā)展多元化農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)及田間智能灌溉技術(shù)，以期為進一步提高農(nóng)業(yè)用水效率、優(yōu)化農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 不同農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

1.1 渠道防滲技術(shù)

我國西北干旱及半干旱地區(qū)水分蒸發(fā)嚴(yán)重、土壤鹽漬化及地下水位過深是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制條件[3]。我國在20世紀(jì)50年代從日本引進渠道防滲技術(shù)，主要工作原理如圖1所示。由于造價低、防滲效果良好在我國得到了廣泛應(yīng)用。主要應(yīng)用在地勢及地下水位較高的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)，目前在西北地區(qū)，如新疆、內(nèi)蒙古、青海及甘肅等地區(qū)進行廣泛應(yīng)用。渠道防滲技術(shù)與井渠技術(shù)相互結(jié)合，可以在控制地下水位的同時解決季節(jié)性缺水問題，根據(jù)不同作物及不同地區(qū)，按照灌區(qū)對地下水位及作物需水量的控制要求，制定相應(yīng)計劃控制灌水量和灌水時間，還可以防止土壤鹽堿化。

圖1 渠道防滲技術(shù)田間工作原理

1.2 噴灌技術(shù)

噴灌技術(shù)是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最早的一種農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)，主要包括噴灌頭、固定管道、田間移動軸及中心支架等部分，是通過在田間安裝管道，將灌溉水通過壓力管道輸送至田間，經(jīng)過田間管道噴頭噴射到作物上空，以水霧及水滴的形式灑落在作物表面。在我國輻射面積較廣，主要是由于噴灌系統(tǒng)的應(yīng)用不受作物種類、地形地貌的限制，工程造價較低，田間安裝較為簡單，可以應(yīng)用在水果、蔬菜及大田作物的灌溉，在田間占據(jù)面積較小，應(yīng)用范圍較為廣泛。但是噴灌技術(shù)較為明顯的缺點是水資源浪費嚴(yán)重，在作物灌溉時，會出現(xiàn)噴灌不均勻、田間蒸發(fā)浪費較為嚴(yán)重等問題，因此，隨著我國大力推廣節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展，開始發(fā)展其他節(jié)水灌溉技術(shù)逐漸替代噴灌技術(shù)。

1.3 滴灌技術(shù)

滴灌主要是依靠滴灌管道將灌溉用水通過滴灌管上的孔口或滴頭精準(zhǔn)輸送到作物根部土壤進行精準(zhǔn)灌溉，因水資源利用率高，在干旱和半干旱地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。滴灌主要分為地表滴灌和地下滴灌，其中，地下滴灌技術(shù)是目前被公認為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率最高的一種滴灌技術(shù)，可以將液體肥料與灌溉水混合后直接輸送到作物根部，更加精準(zhǔn)地為作物根系提供水分及養(yǎng)分，最大程度減少水分徑流與化肥污染。由于地表保持干燥，還可以保持土壤表層干燥，減少了雜草種子的發(fā)芽和生長。

后期逐步發(fā)展為水肥一體化技術(shù)，將水分與養(yǎng)分精準(zhǔn)輸送到作物根部，通過滴灌管可以使水分和養(yǎng)分均勻、定時和精準(zhǔn)地輸送至作物根系。可以根據(jù)作物不同生育時期的需水需肥規(guī)律定時灌溉。目前，水肥一體化技術(shù)在干旱及半干旱地區(qū)開始廣泛應(yīng)用，應(yīng)用水肥一體化技術(shù)可以避免在干旱地區(qū)水分及化學(xué)肥料在表層的揮發(fā)慢等問題，避免由于降雨沖刷等造成肥料流失，對環(huán)境造成污染，提高水肥利用效率。相關(guān)研究均表明，水肥一體化技術(shù)可以節(jié)省水肥60%～85%左右。

1.4 增氧灌溉技術(shù)

進行滴灌時，土壤中持續(xù)的飽和濕潤區(qū)導(dǎo)致水分代替空氣存在于土壤中，進而限制了土壤孔隙中氧氣的可利用性和移動性，無法滿足作物根系呼吸所需要的O2含量，土壤缺氧會造成作物氣孔關(guān)閉、葉水勢降低，影響作物正常的生理功能，成為農(nóng)作物高產(chǎn)的主要限制條件，因此后期逐步發(fā)展出來一種增氧灌溉技術(shù)。增氧灌溉技術(shù)是由澳大利亞昆士蘭中心大學(xué)David Midmore和庫克大學(xué)的蘇寧虎教授提出的一種新型農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)，是在地下滴灌的基礎(chǔ)上，通過向作物根部土壤增加空氣，或增加灌溉水中氧氣的方式，滿足作物根部土壤氧環(huán)境的需求，在提高灌水效率的同時可以有效緩解作物根部的缺氧癥狀，改善作物根系土壤微環(huán)境和土壤酶活性，維持作物根系正常的新陳代謝和呼吸功能，提高作物的產(chǎn)量與品質(zhì)。但是加氣灌溉是近幾年來開始的一種新型灌溉技術(shù)，尚未形成完善的技術(shù)體系，雖然在田間相關(guān)應(yīng)用結(jié)果均表明，增氧灌溉技術(shù)可以提高作物農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量及品質(zhì)，但是目前主要出于實驗室階段，尚未在全國范圍內(nèi)進行大面積推廣應(yīng)用。

2 農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)生態(tài)效益分析

2.1 節(jié)水、節(jié)肥、省工

滴灌技術(shù)屬于大田布局管道進行局部灌溉的一種灌溉方式，可以使水分及化學(xué)肥料的浪費降到最低，減輕環(huán)境污染，僅需要閥門控制整個田間的灌溉與施肥，可以顯著降低農(nóng)戶勞動強度，降低生產(chǎn)成本。水肥一體化技術(shù)相對于噴灌及微灌技術(shù)，不需要進入田間，只需要通過開閉相對應(yīng)的閥門就可以為田間作物定時、定點的提供水分與養(yǎng)分，在節(jié)省勞動力的同時，精準(zhǔn)地將水分和養(yǎng)分輸送至作物根部，極大地提高化學(xué)肥料的利用效率。采用滴灌技術(shù)還可以減輕田間病蟲害與雜草的發(fā)生，滴灌技術(shù)將水分直接輸送至作物根區(qū)，地表保持干旱，減少了雜草的發(fā)生，農(nóng)田環(huán)境濕度降低，相對應(yīng)的可以降低土傳病害的發(fā)生。

農(nóng)業(yè)給水灌溉系統(tǒng)的主要投資包括灌溉首部、水泵、管道、閥門等，總計投資成本約為1 000～3 500 元·(667 m2)-1，使用期限約在6年左右，每年可以節(jié)省灌溉水、化學(xué)肥料及人工合計約為850 元·(667 m2)-1，作物還可以增產(chǎn)20%～35%左右，在減輕農(nóng)戶勞動力的同時提高農(nóng)戶收入[4]。

2.2 改善土壤環(huán)境，提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)

傳統(tǒng)灌溉方式，如噴灌和溝灌，灌溉水在壓力作用下進行作物灌溉，會對土壤進行沖刷，造成土壤水蝕，會對土壤結(jié)構(gòu)造成破壞，土壤通氣性降低。而滴灌技術(shù)屬于局部微量灌溉，使作物灌溉水均勻緩慢的入滲至作物根部，可以維持較好的土壤理化結(jié)構(gòu)，為作物生長提供一個適宜的土壤環(huán)境。滴灌將作物所需的水分及養(yǎng)分均勻、準(zhǔn)確地輸送至作物根部土壤，提高作物根系對水肥的利用效率，改善作物生長形狀與品質(zhì)，達到作物提質(zhì)增產(chǎn)的目的、由于滴灌系統(tǒng)可以降低灌溉水、化學(xué)肥料及農(nóng)藥的施用，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入成本，因此可以提高社會效益、生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。

3 農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)存在的問題

3.1 管道堵塞，造成鹽分積累

由于土壤中的雜質(zhì)多、有機物質(zhì)、泥沙及過濾系統(tǒng)不完善等會造成田間滴灌管道堵塞，嚴(yán)重時會影響整個滴灌系統(tǒng)的順利運行，而進行田間滴灌管的更換十分耗費人力物力。在西北鹽漬地區(qū)使用滴灌系統(tǒng)，灌溉水中鹽分含量較高，鹽分隨著灌溉水會積累在管道邊緣隨著水分沖刷進入作物根部，對作物根系造成鹽分迫害，因此在西北鹽漬地區(qū)進行灌溉時應(yīng)注意對灌溉水中的鹽分進行及時清理。

3.2 水肥一體化系統(tǒng)不完善

水肥一體化技術(shù)是一項綜合技術(shù)，在大田農(nóng)業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)及溫室農(nóng)業(yè)中均得到了廣泛應(yīng)用，但是目前推廣應(yīng)用中仍然存在一些問題。首先應(yīng)建立一套完善的水肥一體化應(yīng)用技術(shù)體系與應(yīng)用措施，針對不同的應(yīng)用區(qū)域、土壤質(zhì)地、作物類型、種植方式及水源特點等，設(shè)計水肥一體化系統(tǒng)中滴灌管埋設(shè)深度、管灌區(qū)域、灌溉部分的安裝方式，技術(shù)體系關(guān)于閥門安裝、水肥容量、水泵及施肥泵的選型等進行說明[5]。其次應(yīng)加快液態(tài)肥的研究，目前大多數(shù)地區(qū)仍然是施用水分融化固態(tài)肥料后進行輸送，這種方式極易引起管道堵塞，對后期田間應(yīng)用造成不利影響。最后就是在水肥一體化技術(shù)實際應(yīng)用時，應(yīng)對操作方式進行說明，防止由于技術(shù)操作不當(dāng)造成整體系統(tǒng)的運行故障。

4 農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)未來發(fā)展趨勢

農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮著十分重要的作用，因此要密切跟蹤學(xué)科前沿進展，把握發(fā)展趨勢，找準(zhǔn)主攻方向，明確研究重點，突破制約瓶頸，不斷取得更大成效。

4.1 多元化節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展

多元化節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)是將化肥、植物生長調(diào)節(jié)劑及殺蟲劑等農(nóng)用化學(xué)品隨著灌溉水輸送至作物根部土壤，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)投入的效益最大化，節(jié)省能源、成本和時間，減少化肥及殺蟲劑等農(nóng)用化學(xué)品的使用，并最大程度地降低浪費和污染。農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)的多元化將大幅度提高地下滴灌系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。

4.2 作物動態(tài)需水模型的建立

影響土壤水分含量的主要因素有大氣因素(包括大氣溫濕度、降雨量、大氣壓力、光照強度及風(fēng)速等)，土壤性質(zhì)及農(nóng)業(yè)管理措施等。由于外界環(huán)境的不斷變化，導(dǎo)致土壤水分含量處于動態(tài)變化。不同作物在不同時期的需水量不同。因此，對于不同作物及作物不同生育周期需水量處于動態(tài)變化，作物在整個生育周期中都需要平衡地供應(yīng)水分，未來應(yīng)對作物整個生育周期動態(tài)需水量開展研究，實現(xiàn)精準(zhǔn)供水，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，避免水資源過多造成浪費或者水分供應(yīng)不及時造成作物缺水。

4.3 智能化田間灌溉系統(tǒng)的研究

當(dāng)前，我國已經(jīng)建立了比較完善的農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對農(nóng)田資源信息的動態(tài)監(jiān)測，建設(shè)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)中心，建立農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集、共享、分析和使用，在信息獲取、參數(shù)反演、模型構(gòu)建和精度檢驗等方面研發(fā)了一系列信息技術(shù)。全面分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的歷史數(shù)據(jù)和實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，提高對作物種植面積、生產(chǎn)進度、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、天氣情況、氣候條件、災(zāi)害程度和土壤環(huán)境的關(guān)聯(lián)監(jiān)測能力，支撐農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化及農(nóng)業(yè)環(huán)境精準(zhǔn)監(jiān)測，從源頭上提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。隨著田間智能灌溉技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)及規(guī)模化的逐漸擴大，其控制過程也向自動化和智能化轉(zhuǎn)變，構(gòu)建實時監(jiān)測、分析預(yù)警和指揮調(diào)度于一體的土壤灌溉智能決策系統(tǒng)的研究，基于不同土壤環(huán)境及不同作物品種生長時期的動態(tài)需水模型，對作物不同時期的需水量進行精準(zhǔn)補償，滿足作物生長過程中的水分需求。

5 結(jié)語

推進農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用與發(fā)展，是一項系統(tǒng)工程。闡述了農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)對農(nóng)業(yè)發(fā)展的促進作用，包括在改善土壤環(huán)境、農(nóng)業(yè)資源高效利用、作物產(chǎn)量及品質(zhì)等方面發(fā)揮的重要作用。從全面統(tǒng)籌推進考慮，還需要從以下兩個方面實現(xiàn)突破。

1)通過結(jié)合多種農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)改善現(xiàn)有滴灌系統(tǒng)的管理，將田間灌溉技術(shù)與其他農(nóng)用化學(xué)品精確配合使用，提高肥料和化學(xué)藥品利用效率，減少傳統(tǒng)施肥、植保等農(nóng)業(yè)措施存在的潛在污染，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

2)建立作物生長過程中動態(tài)需水模型，分析土壤水分在作物不同時期的衰減規(guī)律，為田間作物灌溉智能化調(diào)控系統(tǒng)的建立提供理論基礎(chǔ)。建立田間灌溉智能化調(diào)控系統(tǒng)與智能決策系統(tǒng)，實現(xiàn)對田間水分、養(yǎng)分自動補償機制，降低農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)運行成本，推動我國農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)的智能化發(fā)展。

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