吳 煒，施六林，王 艷，盧碧蕓，鄭 蘭，李雪瑩

(安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所，安徽合肥 230031)

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國內(nèi)外農(nóng)業(yè)設(shè)施節(jié)水現(xiàn)狀及展望

吳 煒，施六林，王 艷，盧碧蕓，鄭 蘭，李雪瑩

(安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所，安徽合肥 230031)

通過對發(fā)達國家農(nóng)業(yè)設(shè)施節(jié)水技術(shù)發(fā)展分析以及對國內(nèi)農(nóng)業(yè)設(shè)施節(jié)水技術(shù)應(yīng)用的梳理，探討了未來農(nóng)業(yè)設(shè)施節(jié)水的發(fā)展趨勢和發(fā)展我國設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)對策。

農(nóng)業(yè)；設(shè)施節(jié)水；研究進展

水資源一直是各個國家極其重視的戰(zhàn)略資源，特別是在一些缺水嚴(yán)重的國家。節(jié)水農(nóng)業(yè)是指節(jié)約和高效用水的農(nóng)業(yè)，即在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村經(jīng)濟活動中既要節(jié)約用水，又要高效用水，提高水的利用效率和效益。節(jié)水農(nóng)業(yè)的根本目的是在水資源有限的條件下實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益的最大化，提高應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的單方水的經(jīng)濟產(chǎn)出。農(nóng)業(yè)設(shè)施節(jié)水主要是通過節(jié)水灌溉設(shè)施的應(yīng)用與實施，來提高水資源的利用效率，其設(shè)施主要包括管灌、微灌、噴灌等[1]。

1 國外農(nóng)業(yè)設(shè)施節(jié)水的發(fā)展概況

1.1 以色列以色列地處中東地區(qū)東部，國土面積約2.78萬km2，其中沙漠面積約占2/3淡水資源奇缺是以色列的一大特點。以色列全國降水量少且分布不均勻，全國一半以上的面積年降水不足180 mm，除每年11月至來年3月為雨季外，其余7個月都是連續(xù)干旱季節(jié)，而年際降水變化幅度也高達25%～160%。根據(jù)有關(guān)資料，以色列多年平均徑流量為20.45億m3，人均年徑流量403 m3，約是中國人均年徑流量的18%。 大量猶太移民的遷入，給原本十分有限的水資源和土地資源增加了更大的壓力。

以色列國成立于1948年，建國后將水作為國家的生命線，十分重視對有限水資源的充分利用。早在20世紀(jì)50年代政府就著手籌劃，于1963年建成了宏大的北水南調(diào)工程，將北部的水通過管道送往缺水的中部、南部地區(qū)，并以他為骨干，形成了覆蓋全國、縱橫交錯的地下供水管網(wǎng)，為城市、農(nóng)村提供生產(chǎn)和生活用水。灌溉管網(wǎng)的支管末端設(shè)有伸出地面的給水栓，上面接上直徑為10～20 mm、經(jīng)防老化處理(使用壽命20年)的聚乙烯管和相應(yīng)配置的噴頭、滴頭進行灌溉。這種封閉的輸水和配水灌溉系統(tǒng)，有效地減少了輸水和田間灌水過程中的滲漏和蒸發(fā)損失，使水的有效利用率達到了80%～90%，同時也節(jié)省了修溝渠占用的土地。

以色列農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展歷經(jīng)了幾個主要階段，包括大水漫灌→溝灌→噴灌→滴灌。20世紀(jì)50年代，噴灌技術(shù)成為灌溉的主要方式。20世紀(jì)60年代，工程師西姆查·布拉斯父子第一次提出滴水灌溉的設(shè)想，并成功地研制出滴灌裝置。滴灌非常適合精細種植，滴灌技術(shù)引發(fā)了以色列農(nóng)業(yè)灌溉根本性革命。從此以后，滴水灌溉技術(shù)不斷更新，功能不斷提高。目前，以色列超過80%的農(nóng)業(yè)土地使用滴灌方法進行灌溉，使單位面積耕地的耗水量大幅下降，極大地提高了水的利用效率。

此外，以色列積極發(fā)展智能節(jié)水灌溉，帶動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、高效農(nóng)業(yè)發(fā)展。以色列灌溉工程全部實現(xiàn)了計算機控制、自動化操作。灌溉的水泵房里設(shè)有一組過濾器，過濾水中的雜質(zhì)，防止噴頭和滴管堵塞；再加設(shè)一個肥料混合罐，將肥料攪拌均勻后注入管道，和水一起澆到作物的根部，還裝備了計算機集中控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)根據(jù)事先編定的程序和土壤墑情監(jiān)測反饋信息，自動操縱水泵、閘閥進行灌溉。過濾器內(nèi)的污物積累到一定程度后，自動進行沖洗。節(jié)水灌溉給農(nóng)作物提供適時適量的水、肥、營養(yǎng)劑、農(nóng)藥，提高了作物的產(chǎn)量，加上優(yōu)良的品種、科學(xué)的種植，使得以色列的農(nóng)業(yè)成為高效農(nóng)業(yè)的典范。以色列大田籽棉單產(chǎn)超過6 000 kg/hm2，西紅柿、茄子超過80 t/hm2。

目前，以色列每年都在推出新的滴灌技術(shù)與設(shè)備，并從滴灌技術(shù)中派生出埋藏式灌溉、噴灑式灌溉、散布式灌溉等多種技術(shù)與裝備，這些技術(shù)有的已經(jīng)進入了包括中國在內(nèi)的國際市場。例如，以色列著名的NETAFIM滴灌技術(shù)設(shè)備公司，產(chǎn)品和服務(wù)遍及70多個國家和地區(qū)，年產(chǎn)滴頭300多億只，年銷售額超過2億美元，占全球灌溉設(shè)備市場總銷量的70%。以色列溫室種植全部采用滴灌為主的噴灌系統(tǒng)，以色列溫室滴灌的最高水利用率為95%[2]。

1.2 美國美國農(nóng)業(yè)設(shè)施節(jié)水發(fā)達，主要體現(xiàn)在干旱缺水的中西部地區(qū)10個州都建立了完備的節(jié)水灌溉體系。全國共建設(shè)了水庫348座，泵站267座，渠道21.6萬km，輸水干管2 300 km，水電站58座，使得中西部的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力得以充分保證。

同時，積極推廣應(yīng)用多種節(jié)水灌溉方式。目前美國80%以上的灌溉技術(shù)為噴灌技術(shù)，有固定式噴灌和移動式噴灌，其中大多數(shù)為中軸式移動噴灌。這種節(jié)水灌溉方式盡管一次投資大，但效率高、使用勞動力少、使用期長。近年來隨著滴灌技術(shù)的不斷推廣，美國農(nóng)業(yè)滴灌面積逐年擴大，其中最有效的為膜下滴灌。

此外，美國已經(jīng)廣泛應(yīng)用土壤水分監(jiān)測技術(shù)，對農(nóng)作物的土壤水分進行實時監(jiān)控，實行按需灌溉。每天對農(nóng)作物生長的不同土層土壤水分進行定點定時測定和記錄(包括需求量和補給量)，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)對補給量進行計算，盡可能地做到按需灌溉和精量灌溉[3]。

1.3 澳大利亞澳大利亞國土面積760多萬km2，人口1 800萬。全國年平均降水量460 mm，40%的土地為極干旱的半沙漠、沙漠地區(qū)，32%的土地年降水量為250～500 mm，是地球上最干旱的大陸。全國沒有大的江河、湖泊，地表水資源十分缺乏。在推行節(jié)水灌溉方面，其不少做法與以色列相似。

一方面，為了解決內(nèi)陸干旱缺水問題，澳大利亞政府在工農(nóng)業(yè)較發(fā)達的東部地區(qū)修建了包括80 km輸水渠道、145 km輸水隧洞的雪山跨流域調(diào)水工程，該工程年調(diào)水量23億m3，擴大灌溉面積24萬hm2。另一方面，積極推廣應(yīng)用滴灌等先進灌溉技術(shù)。近年來，由于灌溉水源緊張及長期大水漫灌導(dǎo)致土壤鹽漬化嚴(yán)重，政府支持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者采用節(jié)水灌溉控制土壤鹽漬化，取得了明顯成效。目前，全國灌溉面積30.6萬hm2已經(jīng)采用滴灌和噴灌技術(shù)，且節(jié)水灌溉的面積呈逐年上升趨勢[4-9]。

2 國內(nèi)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)設(shè)施節(jié)水的主要技術(shù)措施

2.1 渠道防滲渠道防滲采用建立渠道的工程措施減少渠道輸水滲漏損失。渠道防滲的優(yōu)點體現(xiàn)在：防止水資源下滲流失，節(jié)約灌溉用水；保持地下水位，防止土壤次生鹽堿化；提高渠道的抗坍塌能力，保持渠道的輸水能力。

渠道防滲技術(shù)總體上可分兩類。①提高或改變原渠床土壤滲透性能。做法上又可分為物理機械法和化學(xué)法。前者是通過減少土壤空隙達到減少滲漏的目的；后者是摻入化學(xué)材料以增強渠床土壤的不透水性。②設(shè)置防滲層，即進行渠道襯砌，可用混凝土和鋼筋混凝土、塑料薄膜、砌石等各種不同材料襯砌渠床。采用防滲措施后，渠道滲漏損失可以減少50%～90%?；炷烈r砌是一種較普遍的渠道防滲形式，防滲防沖效果好、耐久，但投資較大。塑料薄膜防滲技術(shù)國外在20世紀(jì)40年代已開始應(yīng)用，中國從20世紀(jì)60年代以來發(fā)展很快，該法防滲效果好，造價較低，一般適用于流速小的渠道。20世紀(jì)70年代以來，采用了瀝青玻璃纖維等新型防滲新材料，同時在機械化施工等方面的研究和應(yīng)用也逐漸發(fā)展起來。

2.2 管道輸水通過鋪設(shè)管道來減少輸水過程中的損失。節(jié)水原理與渠道防滲一樣，此措施節(jié)水效果更好，但是投資較大。

2.3 噴灌技術(shù)噴灌是把由水泵加壓或自然落差形成的有壓水通過壓力管道輸送到田間，再經(jīng)噴頭噴射到空中，形成細小水滴，均勻地灑落在農(nóng)田里。一般說來，這種灌溉方式的明顯優(yōu)點是灌水均勻，少占耕地，節(jié)省人力，對地形的適應(yīng)性強；主要缺點是受風(fēng)影響大，設(shè)備投資高。經(jīng)過20多年的努力，現(xiàn)在我國已有噴灌面積80多萬hm2。噴灌系統(tǒng)的形式很多，主要包括固定管道式噴灌、半移動式管道噴灌、中心支軸式噴灌機、滾移式噴灌機、大型平移噴灌機、紋盤式噴灌機、中、小型噴灌機組等。

2.4 滴灌技術(shù)滴灌是迄今為止農(nóng)田灌溉最節(jié)水的灌溉技術(shù)之一。但因其價格較高，僅被用于高附加值的經(jīng)濟作物中。近年來，隨著滴灌帶的廣泛應(yīng)用，“昂貴技術(shù)”不再昂貴，完全可以應(yīng)用在普通大田作物上。目前在滴灌技術(shù)支撐下，也發(fā)展了一些其他節(jié)水技術(shù)，如膜下滴灌節(jié)水模式在新疆的棉花生產(chǎn)中，就得到了廣泛應(yīng)用。

2.5 集雨蓄水灌溉該裝置主要在西北部黃土高原旱塬農(nóng)作區(qū)推廣應(yīng)用，主要由6部分構(gòu)成，分別是集雨場(以田間路面、坡面、場面為主)、下水溝、過濾池(濾掉泥沙和雜物)、蓄水窖(一般蓄水30～60 m3)、提水泵、輸水管(連接田間灌溉)。目前我國農(nóng)田這種集雨灌溉設(shè)施有幾百萬個[10-12]。

3 未來農(nóng)業(yè)設(shè)施節(jié)水的發(fā)展趨勢與展望

3.1 水肥一體化水肥一體化技術(shù)是將灌溉與施肥融為一體的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉新技術(shù)，目前該技術(shù)發(fā)展勢頭強勁。該項技術(shù)的實施可以實現(xiàn)省水、省肥、省工、高產(chǎn)的效果，從而提高農(nóng)業(yè)收益。水肥一體化是借助壓力系統(tǒng)(或地形自然落差)，將可溶性固體或液體肥料，按土壤養(yǎng)分含量和作物種類的需肥規(guī)律和特點，配兌成的肥液與灌溉水一起，在壓力管道和滴頭的控制下形成滴灌，均勻、定時、定量，浸潤作物根系發(fā)育生長區(qū)域，可滿足主要根系生長發(fā)育的水分和養(yǎng)分需求。

3.2 節(jié)水新技術(shù)的應(yīng)用和推廣

3.2.1痕量節(jié)水技術(shù)。 痕量灌溉是指在滿足植物水分需求的前提下，通過特制的控水頭，將低壓水轉(zhuǎn)化成極細小的水流，以極其低的速度，均勻、不間斷地將水直接輸送到植物根系附近的土壤。與滴灌技術(shù)相比，痕量灌溉技術(shù)可節(jié)水40%～60%。節(jié)水的同時，作物不減產(chǎn)。痕量灌溉技術(shù)的核心在于控水頭(也稱無耗能水泵)?？厮^功能與微灌技術(shù)中的灌水器類似，是利用毛細管力對水的天然控制作用，在不耗費任何額外能源的情況下，實現(xiàn)長期、穩(wěn)定控制出水量。該項技術(shù)適用范圍廣，使用前景廣闊。

3.2.2電子電導(dǎo)率探針節(jié)水灌溉技術(shù)。 通過電子電導(dǎo)率探針探測，獲取土壤中實時的水肥數(shù)據(jù)，按照植物的生長需要及時地調(diào)整水肥配比，滿足植物的生長需求。電子電導(dǎo)率探針的核心部件特制的電子針探頭，具有精度高、造價低的優(yōu)點。這項技術(shù)的的應(yīng)用和推廣，對于實現(xiàn)水肥一體化的智能化控制推廣與普及具有重要意義[14-15]。

3.2.3基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、3S技術(shù)和太陽能技術(shù)的自適應(yīng)灌溉系統(tǒng)?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、3S技術(shù)和太陽能技術(shù)的自適應(yīng)灌溉系統(tǒng)是今后的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由太陽能電池板提供能量，具有智能控制及數(shù)據(jù)遠傳功能，實時監(jiān)測土壤溫濕度信息信息和澆灌用水的水質(zhì)信息，通過GPRS遠傳到上位計算機中進行處理，若出現(xiàn)干旱季節(jié)土壤缺水、洪澇時導(dǎo)致地下水位過高的情況，系統(tǒng)可自動開啟排灌設(shè)施，確保了灌溉農(nóng)業(yè)用水以及農(nóng)田的安全，因此，具有廣泛的應(yīng)用前景[16-20]。

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安徽省農(nóng)科院重點及新興學(xué)科培育項目：江淮分水嶺地區(qū)節(jié)水新技術(shù)研究與示范(NO.12A1307)。安徽省農(nóng)科院青年創(chuàng)新基金項目(NO.13B1349)。

吳煒(1981- )，男，安徽合肥人，助理研究員，博士，從事農(nóng)業(yè)設(shè)施節(jié)水技術(shù)研究。

2014-11-20

S 274

A

0517-6611(2015)01-104-02