農業節水調控灌溉及水肥同施技術思路

王 成

(乾安縣道字鄉農業綜合服務站,吉林 乾安 131408)

0 引言

我國屬于農業生產大國,農業耕作面積廣闊,農作物種類繁多,但我國農業水資源相對不足,且時空分布不均衡,據統計我國年均水資源量在2.7萬億～2.8萬億m3范圍,耕地平均可用水量僅接近世界水平的75%。根據2023年中央一號文件指示精神,在加強高標準農田建設的同時,應“補上土壤改良、田間灌排設施等短板,統籌推進高效節水、水肥一體化設施建設”。水資源作為農業生產的命脈,水資源浪費和農田干旱成為制約農業發展與經濟效益的關鍵,面對農業水資源利用率低的現狀,發展節水灌溉農業,合理應用水肥同施技術具有很大改善農業現狀的潛力,也將是農業可持續發展的必然選擇。

1 節水調控灌溉特征

1.1 作用與現狀

現階段,我國農業生產過程對水資源的需求量持續增加,受到農業用水資源短缺的制約,農業灌溉需求的矛盾日益突顯,從農業灌溉實施情況看,水資源的利用率明顯不足,水資源浪費的現象普遍存在。一是灌溉設施相對落后,水資源在輸送、存儲、灌溉的過程中存在嚴重損失;二是農業管理人員節水意識不足,灌溉過程應存在漫灌、過度灌溉等問題;三是農田周邊水資源存在污染問題,主要為農業生產過程重施藥、施肥、油料泄漏等因素影響,導致優質水源逐漸減少,使我國農業生產面臨著嚴重的發展制約。近年來,在國家政策的支持下,農業基礎設施建設逐步加強,但“重建輕管”的現象十分突出,很多節水設施在實際應用過程中不能發揮應有潛力,導致我國大田平均灌溉效率僅達到47%左右。未來通過加強農田水力資源建設和優化管理,不僅能有效改善現階段粗放型灌溉的弊端,還能使農民掌握更先進優良的農業灌溉技術,為推動農業經濟發展打下良好基礎[1-2]。

1.2 政策實施與政策支持

我國實施農田水利工程建設已接近25年,自20世紀80年代初期以來,我國每年的中央一號文件均涉及到農業水資源管理與相關設施建設。為加強農田水利建設,20世紀90年代以前,我國開始興建水利工程及小型水電設施,并逐漸落實了水面開發與水資源治理工作,關注農田周邊生態環境,并針對部分旱地農田應用新的宜地耕作技術,改善灌溉條件。21世紀初,小型農田水利建設實現普及,以節水灌溉設施為主的基礎設施建設及大型灌區設施配套實施推廣,應用農田排澇機械設備,有效改善農田適應自然條件的能力。2011年以后,水利建設逐漸從基礎設施建設向系統化發展,通過國家對地區政策制度指導農田灌溉工作的實施,為高效灌溉、節水灌溉等農田給予優惠政策及相應補貼。2023年我國中央一號文件進一步要求分區域、分類型明確農田布局,持續建設高標準農田,統籌推進高效節水技術[3]。

2 節水調控灌溉關鍵技術

2.1 精量灌溉技術

精量灌溉技術是通過對農田水分需求、水分消耗等特征分析,精確估算局部區域農作物生長所需灌溉用水量,并結合節水灌溉設備設施實現精量灌溉。通過分析農作物生長階段不同的用水需求,如生長各個階段之間的農田水分蒸發、植株蒸騰、水分深層滲漏等進行深入分析,準確把握農作物生育期和生長期對灌溉水量的精確需求,形成嚴謹的節水灌溉技術,包括作物在播種前、全生育期內的總體灌水次數、不同時期單次灌水定額及適宜灌水的時間節點,精確研判實施灌溉決策[4]。

2.2 常用節水灌溉方式

2.2.1 渠道防滲灌溉

渠道灌溉是農田傳統灌溉的方式之一,在未經硬化的地面渠道輸水,其過程會產生嚴重的水資源浪費,采用渠道防滲技術可通過渠道硬化、工程防滲等措施防止水資源浪費,增加水資源的利用率。常用的渠道防滲建設方式包括:三合土護面防滲、砌石防滲、塑料薄膜防滲、混凝土防滲以及綜合防滲技術等。與傳統土渠灌溉水資源利用率30%～50%相比,渠道防滲灌溉模式水資源利用率可達70%～85%,具有疏水效率高、建設簡單和成本低等優勢,是我國近年來灌溉基礎設施建設主要的方式之一。

2.2.2 噴施灌溉

噴施灌溉簡稱噴灌,是利用管道噴頭等機械灌溉設施將帶有一定壓力的水噴射到空中,使其分散成均勻的小水滴降落到地面,是一種有效的灌溉方式,該灌溉方式適用于大部分的大田糧食作物、棉花、蔬菜及果樹等,具有節水、省時、省工等優勢,水資源利用率可達到80%～85%,與渠道灌溉方式相比,后期的維護、保養工作量明顯降低,且灌水均勻,不易出現土壤板結等問題,并在一定程度改善空氣濕度,降低氣溫,沖洗植物葉面,改善農作物生長環境條件[5-6]。

2.2.3 微量灌溉

微量灌溉簡稱微灌,是利用最新的專用設備,在一定程度降低管道灌溉壓力,并結合特殊灌水器、電磁閥等設備實現精量灌溉控制,實現不同區域灌溉水量的精確可控,將水分直接輸送到作物根部附近的土壤中,微灌平均水資源損失率小于10%,具有節能、增產、節水、適應性強、省工省力等優勢。根據灌溉特征的不同,微灌主要包括滴灌、微噴灌、滲灌等[7]。

1)滴灌。氣管末端為滴頭或管帶小孔,能夠使水在特定區域以特定間隔均勻滴出,滴灌所需的壓力很小,能夠通過滴頭或管帶小孔的間隔距離設計使水精確滴落在作物的根系附近,實現局部灌溉,適用于干旱缺水地區應用,水資源利用率可達90%～95%,缺點是滴頭或管帶小孔易堵塞,維護工作量大[8]。

2)微噴灌。它是一種新型的噴灌技術,能利用微噴頭將灌溉水噴灑成微小的水滴,兼具噴灌與滴灌的技術優勢,有效避免滴頭或管帶小孔堵塞,可提高水資源利用率。微噴灌的管道壓力與滴灌近似,但其流速更快,堵塞率有效降低,并且能高效率覆蓋大面積灌溉,水資源利用率在90%左右,微噴灌能增加空氣濕度,優化作物生長環境,但其在潮濕地區和風力較大的地區不適宜應用。

3)滲灌。與上述兩種微灌方式不同,滲灌法也稱為浸灌法或地下灌水法,其灌溉設施修筑于地下,主要設備為地下管路和滴頭,對于大部分農作物而言,滲灌設備的埋覆深度在25～30 cm左右,其利用毛細管作用自下而上濕潤土壤從而實施灌溉。滲灌模式水分蒸發損失較小,水資源利用率可達95%,但滲灌同樣面臨著長時間應用后的堵塞問題,后期維護保養難度較大[9]。

2.2.4 覆膜灌溉

覆膜灌溉是一種特別的節水灌溉方式,其利用塑料膜的覆蓋作用減少土壤水分蒸發,提高地溫,是良好的土壤灌溉模式。其主要實施方式包括以下3種:1)膜下滴灌。土壤表面覆膜后,滴灌帶設置在膜下,適用于干旱缺水地區;2)膜畦灌。將塑料平鋪在畦面上,灌水時水在膜上方流淌,在適宜的孔洞處滲入土壤進行精準灌溉;3)膜溝灌。與膜畦灌類似,在溝底和溝坡或部分垅背上鋪設塑料薄膜,作物種在溝坡或垅背上,灌溉水在溝中流淌并在薄膜的孔洞處滲入土壤進行灌溉。覆膜灌溉具有田面蒸發和深層滲漏減少以及不沖刷地表等多重優勢。

3 水肥同施技術思路

3.1 水肥同施技術特征

水肥同施技術通常與噴灌、微灌等管道灌溉技術相配合應用,其肥料選用可溶性固體或液體肥料,通過分析土壤中的養分含量和作物種類等因素,合理選擇肥料種類和用量,將其與灌溉水相混合,通過管道系統實現同步供水供肥,利用灌溉過程將肥料噴施到指定區域,實現定時定量施肥灌溉,使土壤長期維持在最佳的水肥平衡狀態。該技術的應用能有效實現節水省肥,提高肥料利用率,平均可減少化肥使用量40%～50%。同時,降低用水量與施肥時間,提高作業效率[10]。

3.2 水肥同施系統建設

3.2.1 匹配優質水源

要實現水肥同施,首先需要將農田灌溉管道連接至優質水源,積極利用周邊的江河、湖泊、水庫、地下水等渠道進行便捷灌溉,部分水資源短缺的農田需要預先修建引水、蓄水、疏水等基礎工程,為水肥同施系統提供基礎保障[11]。

3.2.2 建設樞紐系統

樞紐系統是實施水肥同施的執行系統,主要包括水泵、過濾裝置、壓力調節裝置、流量監控裝置、過壓保護裝置、水肥混合裝置、自動施肥灌溉設備等,該系統承擔整個水肥同施系統的驅動、監控、執行等重要功能。做為灌溉與施肥的執行核心,該系統利用水泵將水源中的灌溉水引入疏水管道,并通過沙石過濾器、碟片過濾器等多級過濾裝置進行過濾,然后將潔凈的水輸送至水肥混合裝置,完成灌溉水與可溶性肥料的混合,再輸送至各個灌溉終端,實施自動化灌溉。

3.2.3 建設智能控制系統

智能控制系統是實施水肥同施的智能管理系統,具有自動化、智能化的特征,使用者通過該系統可隨時隨地查看各個硬件系統的狀態及灌溉施肥情況。該系統配有大量監控類電氣硬件,如壓力傳感器、流量傳感器、灌溉狀態監控器等,能夠實時對灌溉施肥過程進行全程監控。通過遠程控制實現灌溉施肥方案的調整,該系統可實現灌溉時間、肥水比例、灌溉流量等方面的精量控制,并能夠在系統運行過程出現異常時及時報警,用戶還可通過手機端隨時隨地調整施肥灌溉方案,或查看工作實施進度,可有效提高農田管理效率[12]。

4 結語

綜上所述,現代化農業生產的發展須不斷改善農業生產灌溉方式,減少水資源浪費等問題。結合新型節水灌溉設備實施水肥一體化技術,能有效提高水肥利用率和灌溉、施肥的合理性。未來,節水灌溉技術與水肥同施技術應加強與自動控制技術、互聯網技術及環境監測技術相結合,在全面考慮土壤、作物、天氣、溫度、蒸騰等因素,實施科學灌溉與施肥,逐漸與AI技術整合,加強灌溉施肥系統的學習能力,改善我國農業灌溉技術,促進農業向綠色、生態、高質量發展。