鄧銘江 陶汪海 王全九 蘇李君 馬昌坤 寧松瑞

(1.西安理工大學省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室， 西安 710048；2.寒旱區(qū)水資源與生態(tài)水利工程研究中心， 烏魯木齊 830000)

0 引言

我國國土遼闊，氣候差異大，降水分布不均，導致農業(yè)發(fā)展水平差異顯著。面對日益增長的人口、資源和生態(tài)環(huán)境壓力，灌區(qū)尤其是大型灌區(qū)對現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展作用更加顯著。我國灌溉農田生產(chǎn)的糧食產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的75%，占經(jīng)濟作物的90%，其中大中型灌區(qū)占全國11%的耕地面積，生產(chǎn)了全國22%的糧食，創(chuàng)造了全國農業(yè)總產(chǎn)值的1/3，保障了2.1億農民的生產(chǎn)發(fā)展，是我國商品糧的重要生產(chǎn)基地，在農業(yè)生產(chǎn)和農村經(jīng)濟發(fā)展中占有舉足輕重的地位[1-2]。

西北旱區(qū)包括新疆、青海、甘肅、寧夏、陜西和內蒙古等6省(自治區(qū))范圍內的黃河流域、內陸干旱區(qū)和半干旱草原區(qū)，該地區(qū)北邊和西邊以國境線為界，東邊以大興安嶺為界，南邊以昆侖山、巴顏喀拉山、秦嶺為界，東西長3 800 km，南北寬2 100 km，面積3.45×106km2，占國土總面積35.9%[3]。西北旱區(qū)耕地面積有2.27×107hm2(占全國的19%)，灌溉農業(yè)面積約有1.13×107hm2，是我國重要的糧食生產(chǎn)和耕地資源后備基地，灌區(qū)農業(yè)高質量發(fā)展對于實現(xiàn)我國糧食安全具有重要意義。但西北旱區(qū)農業(yè)發(fā)展受到氣候干旱、水資源短缺、土壤鹽堿化和土地質量低等多重自然條件的影響，同時灌區(qū)供水保證率低、灌排設施不配套、水肥利用效率低，導致生態(tài)用水與農業(yè)用水矛盾加劇、農業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境建設不協(xié)調、農民增產(chǎn)不增收等問題仍較為突出[4]。同時，現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術和先進生產(chǎn)管理模式難以大面積推廣應用，直接影響灌區(qū)生態(tài)環(huán)境和美麗鄉(xiāng)村建設戰(zhàn)略的實施。

在農業(yè)資源環(huán)境約束增強和社會對農產(chǎn)品安全要求提高的形勢下，須大力推進灌區(qū)現(xiàn)代化改造，促進傳統(tǒng)農業(yè)向現(xiàn)代農業(yè)轉變，落實“藏糧于地、藏糧于技”的戰(zhàn)略方針，科學協(xié)調農業(yè)發(fā)展和生態(tài)建設間的關系，合理配置和高效利用農業(yè)資源，建設環(huán)境優(yōu)美、人居適宜的生態(tài)灌區(qū)是當前西北灌溉農業(yè)發(fā)展的重要任務。為此，本文對現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)建設理論與技術保障體系進行深入研究，為西北灌區(qū)的總體功能提升提供理論指導。

1 灌區(qū)建設現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1.1 我國灌區(qū)發(fā)展歷程與成就

我國灌區(qū)發(fā)展歷程可分為3個典型階段：第1階段是1949—1979年，屬于灌溉工程大規(guī)模建設時期，建設新灌區(qū)和改建擴大舊灌區(qū)，健全渠系建筑物，灌溉農田面積大幅提升；第2階段是1980—1990年，屬于農村土地經(jīng)營及灌區(qū)管理體制改革時期，灌區(qū)農業(yè)生產(chǎn)效率大幅提升；第3階段為1990年至今，屬于節(jié)水灌溉改造時期，升級和完善已建的灌溉工程設施，大力發(fā)展了節(jié)水灌溉技術[5]。我國灌區(qū)經(jīng)過70余年的發(fā)展建設，取得了顯著成效，農業(yè)灌溉面積占世界總灌溉面積的21%，基本形成了世界上灌溉面積最大的農田灌溉保障體系[6]，在我國經(jīng)濟發(fā)展和糧食安全方面發(fā)揮了不可替代的作用。我國農田灌溉水有效利用系數(shù)從1949年的0.3左右提升到2019年的0.56左右(西北旱區(qū)0.52左右)[7]，高效節(jié)水灌溉面積達到1.61×107hm2，在基礎設施、農業(yè)用水效率、管理體制、基層服務、抗旱減災及農業(yè)綜合生產(chǎn)能力等方面都明顯提高[8]。目前，全國擁有大型灌區(qū)456處，中型灌區(qū)7 316處，小型灌區(qū)2 058 200處。雖然人均耕地面積只有世界平均水平的30%，但耕地灌溉率是世界平均水平的3倍，人均灌溉面積與世界平均水平相近。

然而，隨著國民經(jīng)濟發(fā)展，農業(yè)水土資源高效利用，生態(tài)環(huán)境建設，以及農業(yè)生產(chǎn)的集約化、機械化、精細化、智能化程度不斷提高，對灌區(qū)基礎設施、功能、效益及管理模式等提出了新的要求，需要進一步改進灌排技術、改善生態(tài)環(huán)境、增加效率與效益、健全灌區(qū)現(xiàn)代管理和服務體系、綜合提升灌區(qū)生產(chǎn)和服務能力。

1.2 國外先進灌區(qū)建設經(jīng)驗

人多地少是我國的基本國情，在人口多和耕地少的雙重壓力下，灌區(qū)的合理規(guī)劃與建設是保障我國農業(yè)生產(chǎn)安全的重要途徑。以色列、日本、美國、歐盟等主要國家和地區(qū)在灌區(qū)建設和發(fā)展方面積累了豐富經(jīng)驗。

以色列的自然條件與我國西北旱區(qū)有很多相似之處，其領土面積(2.5×104km2)的60%以上為沙漠和山地，耕地面積僅占23.8%。由于水資源的匱乏，以色列一直致力于農業(yè)節(jié)水技術的研究，不斷提高水資源利用效率。在20世紀80年代已基本實現(xiàn)現(xiàn)代化灌溉，現(xiàn)如今是灌溉科學最發(fā)達的國家之一， 60%以上的農田和100%的果園、綠化區(qū)及蔬菜種植均采用滴灌技術，灌溉水利用效率達到95%，有75%的灌溉水實現(xiàn)循環(huán)利用[9-10]。

日本國土面積約為3.8×105km2，其中2/3為山地，耕地面積約為4.7×104km2，人均耕地面積僅為中國的1/3。然而，日本自20世紀50年代從美國引進噴灌技術，并形成了日本特色的噴灌灌溉農業(yè)；到20世紀70年代末基本實現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化，有1/3的農田采用自動化程度較高的管道輸水灌溉[11-12]。如今，日本重點提升灌區(qū)生態(tài)功能，重視農田水利與生態(tài)環(huán)境間的和諧發(fā)展，強調農業(yè)基礎設施及農村環(huán)境的治理，大量的灌溉用水通過河道、池塘等在區(qū)域內循環(huán)利用，在區(qū)域內形成了動態(tài)水環(huán)境，對涵養(yǎng)地下水、保持生物多樣性、建設生態(tài)農村發(fā)揮了重要作用[13]。

美國的國土面積有9.83×106km2，約有一半以上的國土面積為平原地區(qū)，為農業(yè)機械的規(guī)模化生產(chǎn)提供了便利。在20世紀中期，美國開始推廣大型噴灌技術；20世紀70年代基本實現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化，此后農田水利建設的重點轉向推廣精準灌溉和生態(tài)環(huán)境保護[14-15]。美國西部屬于干旱半干旱地區(qū)，但卻是農業(yè)灌溉最集中的地區(qū)(80%的灌溉面積位于西部)，也是糧食主產(chǎn)區(qū)。占美國耕地16%的灌溉農田提供了48%的農作物產(chǎn)值。據(jù)美國農業(yè)部測算，灌溉作物平均產(chǎn)值(2 400美元/hm2)是非灌溉作物(500美元/hm2)的4.8倍。大規(guī)模的灌區(qū)建設促進了農業(yè)規(guī)?；同F(xiàn)代化，并推動了貿易和工業(yè)發(fā)展[16]。

歐盟近年來主要致力于保護農業(yè)水資源質量，保障農業(yè)安全，并制定《歐盟水框架指令》，旨在構建綜合的流域監(jiān)測與管理系統(tǒng)。荷蘭是灌溉農業(yè)非常發(fā)達的歐盟國家，代表著當今世界現(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展方向，荷蘭注重信息化管控、田間監(jiān)測和大數(shù)據(jù)分析，在玻璃溫室環(huán)境控制方面，實現(xiàn)了全部自動化控制，包括光照系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)、水肥一體灌施系統(tǒng)、二氧化碳補充裝置以及機械采摘、監(jiān)測系統(tǒng)等，智能化的配肥噴灌系統(tǒng)、領先的生物防控技術形成了荷蘭高投入、高產(chǎn)出的高效經(jīng)營模式[17-18]。

1.3 西北灌溉農業(yè)生產(chǎn)存在的問題

雖然我國西北地區(qū)灌區(qū)建設取得了巨大成績，但灌區(qū)運行過程中仍然出現(xiàn)了多項急需解決的問題，相比國際先進灌區(qū)的建設水平仍存在諸多不足，主要體現(xiàn)在如下方面：

(1)水資源過度開發(fā)利用，農業(yè)用水需求有增無減。西北旱區(qū)水資源量約為1 303億m3(僅占全國5.7%)，單位面積水資源約為7.4×104m3/km2(僅為全國平均水平的1/5)[19]。農業(yè)用水占該區(qū)域水資源消耗量90%以上，水分生產(chǎn)率為1.30 kg/m3[20-21]，與美國和以色列等灌溉發(fā)達國家相比(2.0 kg/m3以上)仍存在較大差距。此外，鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、美麗鄉(xiāng)村建設、扶貧搬遷等社會工程仍需要大量的水土資源增量作為支撐。因此，西北灌區(qū)需要進一步優(yōu)化水土資源配置，大力提升水土資源生產(chǎn)效率。

(2)土壤次生鹽堿化嚴重，鹽堿地改良和水鹽調控技術有待突破。我國鹽堿地主要集中在西北地區(qū)(占全國鹽堿地面積的2/3)，新疆鹽堿化程度最高，鹽堿化耕地面積為1.26×106hm2，約占耕地面積的1/3[22-23]。新疆地區(qū)高效節(jié)水灌溉面積達到3.34×106hm2，大規(guī)模的節(jié)水灌溉徹底改變了農田水鹽運移特征，以明排為主的鹽堿地改良模式已不可持續(xù)[24]。因此，急需發(fā)展規(guī)模化節(jié)水下的灌區(qū)水鹽協(xié)同調控理論與技術，同時創(chuàng)新以“作物生長與鹽分和諧共處”為理念的鹽堿地改良技術，為灌區(qū)作物生長創(chuàng)造適宜的環(huán)境。

(3)偏重田間節(jié)水灌溉技術，忽視輸配水系統(tǒng)節(jié)水改造。由于渠道防滲率低，配套設施簡陋，水質含沙量大，導致高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)供水保證率低，使灌溉系統(tǒng)的整體效果和效益欠佳。西北旱區(qū)絕大部分高效節(jié)水灌溉采用加壓灌溉，按3.34×106hm2滴灌面積推算，年耗電約50億kW·h，排放CO2約5.10×106t。西北旱區(qū)灌溉水源多來自山區(qū)河流或水庫，這些高位水源理論上不需加壓即可自流或自壓灌溉，放棄地勢落差而重新加壓灌溉，浪費了巨大能源。因此，西北灌區(qū)的建設需進一步發(fā)展高效節(jié)能降耗的輸配水系統(tǒng)。

(4)農業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境建設用水矛盾突出，農業(yè)面源污染問題加劇。由于盲目擴大生產(chǎn)規(guī)模，灌區(qū)農業(yè)和生態(tài)需水超出水資源承載能力，引發(fā)諸多生態(tài)環(huán)境問題，導致糧食減產(chǎn)和農業(yè)生產(chǎn)效率降低[25-26]。如新疆維吾爾自治區(qū)2017年用水總量為552億m3(超紅線26億m3)，同時地下水開采量超紅線35億m3，用水矛盾突出[27]。此外，為了提高生產(chǎn)能力，農藥和化肥過量使用、不合理的地膜覆蓋利用及農村廢水缺乏有效處理，造成灌區(qū)水土環(huán)境污染嚴重。因此，需要明晰灌區(qū)水土資源利用理論與方法，協(xié)調農業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境保護間關系。

(5)節(jié)水灌溉面積迅速擴大，但其良性運行卻難以為繼。新疆維吾爾自治區(qū)是全國節(jié)水灌區(qū)面積最大的省區(qū)，占全國微灌面積75%以上。由于社會環(huán)境和經(jīng)濟能力的差異，南北疆節(jié)水灌溉發(fā)展水平差異較大，其中南疆地區(qū)已建成的高效節(jié)水工程運行良好的僅有50%左右，造成大量浪費[28]。目前高效節(jié)水每畝投資約700元(財政補助400元，農民自籌300元)，而貧困地區(qū)財政和農民自籌能力有限，導致高效節(jié)水工程建設和運維先天不足。此外，部分工程技術模式、設備選型及設計方案不夠合理，影響了工程質量和效益。因此，西北灌區(qū)的建設需進一步完善灌區(qū)管理體制，保障灌區(qū)的良性運行和農業(yè)健康發(fā)展。

1.4 解決現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)問題的關鍵理論與技術

根據(jù)對西北灌溉農業(yè)所面臨問題的分析，西北灌區(qū)建設亟待解決的關鍵理論和技術包括：

(1)水資源匱乏和生態(tài)環(huán)境脆弱是長期制約西北農業(yè)生產(chǎn)的主導因素，不能以犧牲生態(tài)環(huán)境、浪費資源為代價進行擴大再生產(chǎn)?，F(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)的建設需充分考慮農業(yè)與草原、森林、荒漠及濕地等多種生態(tài)功能的協(xié)調關系，發(fā)展集“山水林田湖草沙”功能為一體的灌區(qū)生態(tài)結構優(yōu)化布局理論。

(2)西北地區(qū)特殊的自然環(huán)境條件和相對落后的農業(yè)生產(chǎn)水平，導致水肥利用效率低、土壤鹽堿化、土地質量退化嚴重，急需發(fā)展農業(yè)物能轉運高效調控理論，創(chuàng)新灌排系統(tǒng)優(yōu)化設計技術和農田作物生境營造技術，為作物生長創(chuàng)造適宜的生長環(huán)境，實現(xiàn)農業(yè)資源高效利用。

(3)西北灌區(qū)缺乏有效的系統(tǒng)安全評估理論，直接影響灌區(qū)物能有效管理與調配，以及灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，因此急需發(fā)展西北內陸河流域水土資源安全、西北灌區(qū)生態(tài)環(huán)境安全、西北灌區(qū)農業(yè)生產(chǎn)安全和西北地區(qū)文化服務安全等方面的評價理論，創(chuàng)新灌區(qū)生態(tài)功能提升技術，實現(xiàn)灌區(qū)健康和可持續(xù)發(fā)展。

2 現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)建設目標與系統(tǒng)構成

2.1 西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)的內涵與特征

2.1.1定義和內涵

現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)是指按照生態(tài)學原理規(guī)劃建設，具有高標準的農田、完備的灌排系統(tǒng)、科學的水土資源配置、健康的生態(tài)環(huán)境、智能化的農業(yè)生產(chǎn)、精準的關鍵過程監(jiān)測、高效的農業(yè)資源利用、專業(yè)化的服務體系、優(yōu)美的人居環(huán)境，能規(guī)模化生產(chǎn)高附加值優(yōu)質農產(chǎn)品的灌區(qū)?，F(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)是傳統(tǒng)灌區(qū)的繼承和發(fā)展，通過利用先進的科技成果，合理配置水土資源與生態(tài)景觀結構，提升灌區(qū)的綜合效能，保障灌區(qū)服務功能可持續(xù)發(fā)揮，實現(xiàn)工程、經(jīng)濟、社會與自然間關系相協(xié)調，為現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展提供健康的生態(tài)系統(tǒng)、優(yōu)配的生產(chǎn)資料、先進的生產(chǎn)技術、協(xié)調的社會經(jīng)濟環(huán)境等保障條件。

2.1.2西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)的基本特征

為了充分發(fā)揮西北地區(qū)光熱和土地資源豐富的優(yōu)勢，有效解決農業(yè)高質量發(fā)展所面臨的特殊問題，西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)的建設應通過科學合理規(guī)劃農業(yè)生產(chǎn)結構，科學配置水土資源，提高資源生產(chǎn)能力，提升農業(yè)生產(chǎn)效率，降低農業(yè)生產(chǎn)成本，增加農(牧)民收入，促進農業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境持續(xù)協(xié)同發(fā)展。西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)不僅承擔生產(chǎn)優(yōu)質農產(chǎn)品任務，而且擔負著營造優(yōu)良生態(tài)環(huán)境、傳承優(yōu)秀文化、建設富裕美麗鄉(xiāng)村的重任。因此西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)應具有以下特征：優(yōu)質的土地資源、先進的節(jié)水灌溉、高效的控鹽排水、協(xié)調的生態(tài)環(huán)境、集約的物能利用、規(guī)模的生產(chǎn)經(jīng)營、智能的過程監(jiān)控、專業(yè)的科技服務、優(yōu)秀的文化傳承、持續(xù)的效能發(fā)揮。

2.2 西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)建設基本理論與技術框架

2.2.1基本框架

西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)建設的理論與技術體系構建是以建設功能協(xié)同、系統(tǒng)健康和服務持續(xù)的現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)為目標，以灌區(qū)的農業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)、物能輸配系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)為建設對象，拓展西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)農田物能調控、服務功能配置、系統(tǒng)安全評估等方面的三大理論，研發(fā)作物生境營造、灌排優(yōu)化設計、生態(tài)功能提升等方面三大技術，構建以“三大目標、三大系統(tǒng)、三大理論和三大技術”為要素的綜合現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)建設理論與技術保障體系(圖1) 。

圖1 現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)建設基本理論與技術框架Fig.1 Fundamental theoretical and technological basis for creation of modern ecological irrigation districts

2.2.2基于農業(yè)生產(chǎn)功能及水分來源的灌區(qū)類型劃分

由于西北地區(qū)地域遼闊，降雨與水系分布和自然地理景觀地域差異顯著，形成了各具特色的農業(yè)生產(chǎn)模式、種植結構、人居習性和文化傳承，灌區(qū)功能與定位及發(fā)展?jié)摿σ泊嬖陲@著差異，因此現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)應根據(jù)區(qū)域差異分類建設。由于西北地區(qū)降水分布差異大，作物生長所需水分來源主要為降水和灌溉水。為了便于構建適水發(fā)展灌區(qū)發(fā)展模式，依據(jù)西北灌區(qū)主要農作物和林果需水特征(300～900 mm)，總體平均值約為500 mm。西北旱區(qū)主要作物種植區(qū)的有效降雨量為10～290 mm[29]。作物生育期內降雨量或灌水量占作物需水量的比率，可視為其對農業(yè)生產(chǎn)的貢獻度。當降雨貢獻度不足時，則必須依靠灌溉來保障作物的生育期需水。因此本文主要根據(jù)西北旱區(qū)主要作物的需水量和有效降雨量特征，將西北旱區(qū)灌區(qū)劃分為4類：

(1)灌溉依賴型灌區(qū)：指地區(qū)多年生育期降雨小于50 mm的灌區(qū)，生育期降雨對農業(yè)生產(chǎn)貢獻度小于10%，農作物和生態(tài)用水主要依賴于人工灌溉實現(xiàn)，沒有灌溉就沒有農業(yè)的灌區(qū)(如新疆準噶爾盆地、塔里木盆地)。

(2)灌溉主導型灌區(qū)：指地處多年平均生育期降雨在50～150 mm的灌區(qū)，生育期降雨對農業(yè)生產(chǎn)貢獻度在10%～30%，農作物用水主要依賴于人工灌溉，而生態(tài)林草生長僅需少量灌溉的灌區(qū)(如甘肅河西走廊)。

(3)灌溉補充型灌區(qū)：指地處多年平均生育期降雨在150～250 mm的灌區(qū)，生育期降雨對農業(yè)生產(chǎn)貢獻度在30%～50%，農作物用水依賴于人工灌溉和天然降雨共同供水，而生態(tài)林草生長不需灌溉可維持正常生長的灌區(qū)(如寧蒙河套灌區(qū))。

(4)灌溉提質型灌區(qū)：指地處多年平均生育期降雨大于250 mm的灌區(qū)，生育期降雨對農業(yè)生產(chǎn)貢獻度大于50%，降雨可以滿足作物生命需水，但無法滿足目標產(chǎn)量所需水分，而生態(tài)林草生長不需灌溉可發(fā)揮有效功能的灌區(qū)(如黃土高原西北部地區(qū))。

3 西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)建設核心理論

為了建設功能協(xié)調、環(huán)境優(yōu)美的西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)，需要灌區(qū)服務功能優(yōu)化配置、農田物能調控、生態(tài)系統(tǒng)安全評估方面的理論支撐。

3.1 西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)服務功能優(yōu)化配置理論

灌區(qū)服務功能優(yōu)化配置理論的核心是協(xié)調農業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境建設間關系，需要明確灌區(qū)生態(tài)結構和功能定位，并提出水土資源優(yōu)化配置的科學方法。

3.1.1灌區(qū)生態(tài)結構和功能定位

3.1.1.1景觀生態(tài)系統(tǒng)

根據(jù)國家水土資源、生態(tài)環(huán)境和糧食安全等戰(zhàn)略需要，結合灌區(qū)中長期發(fā)展規(guī)劃、自然環(huán)境條件、資源優(yōu)勢、美麗鄉(xiāng)村建設規(guī)劃和灌區(qū)類型，借助廣義景觀生態(tài)學和社會經(jīng)濟學原理，明確灌區(qū)農業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)發(fā)展、人口增長趨勢，以及灌區(qū)風災、凍災、土地退化、環(huán)境污染、生物多樣性降低等生態(tài)風險類型和等級。以整體論和系統(tǒng)論為指導，解析山(防風、涵養(yǎng)水源)、水(蓄、輸、配水)、林(防風固土、涵養(yǎng)水源)、田(農業(yè)生產(chǎn))、湖(水生產(chǎn)品生產(chǎn)、水生態(tài)景觀)、草(牧業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護)、沙(沙漠植物、沙漠經(jīng)濟)等生態(tài)單元的效能[30]，以及景觀要素和組分間互作關系，確立灌區(qū)尺度“山水林田湖草沙”生態(tài)系統(tǒng)結構和功能定位(圖2)。如新疆、河西走廊及柴達木盆地平原區(qū)，以天然草甸與林灌植被、人工耕地和水域等構成的綠洲景觀占6.86%～25.3%，以戈壁、荒漠、裸土、礫石和沙漠化土地構成的荒漠景觀占33.1%～72.2%，構成了以荒漠為景觀基質、綠洲為景觀鑲嵌的荒漠-綠洲-河渠廊道景觀模式。

圖2 灌區(qū)景觀生態(tài)結構和功能定位Fig.2 Structure and function of ecological landscape in irrigation districts

3.1.1.2農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)

農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不僅提供了生物和非生物之間物質、能量、信息和價值轉化的載體，也為人類生活提供了承載空間，滿足人類生活的多種需求。生態(tài)空間、生產(chǎn)空間和生活空間構成了農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)“三位一體”的結構定位，生態(tài)功能、生產(chǎn)功能和生活功能的正常發(fā)揮是維系農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)運轉的基礎(圖3)。生產(chǎn)功能是以土地資源為載體產(chǎn)出各種產(chǎn)品和服務的功能，包括食物供給、原材料供給、生物質能源供給等，生產(chǎn)功能的集約高效是農業(yè)發(fā)展的根本動力；生活功能是為人類生產(chǎn)和發(fā)展提供的各種空間(如存儲空間、居住空間、移動空間等)和保障功能(科研、教育、休閑等)，生活功能的宜居適度是推動城鄉(xiāng)、區(qū)域、民族關系融合發(fā)展的紐帶；生態(tài)功能是維持人類生存的自然條件，包括氣候調節(jié)、涵養(yǎng)水源、水分和養(yǎng)分循環(huán)等，為生產(chǎn)和生活提供生態(tài)基礎，是社會生產(chǎn)活動順利開展的先決條件，并規(guī)定了生產(chǎn)空間、生活空間的發(fā)展方向。

圖3 農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)結構與功能定位Fig.3 Structure and function of agroecosystems

3.1.2現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)水土資源優(yōu)化配置

3.1.2.1土地資源優(yōu)化配置

按照灌區(qū)景觀生態(tài)格局和生態(tài)服務功能定位，科學規(guī)劃耕地、林地、草地、建設用地等土地資源，強化各功能區(qū)之間的協(xié)調性和互補性，使各土地資源類型的綜合生態(tài)效益最大。按照2%～10%農田防護林用地規(guī)模，科學布局和建設防護林體系，構建適用于西北旱區(qū)的農田防護林的林帶規(guī)模和造林密度，有效提高控制風災和凈化空氣的效能；在河、湖、大型渠道岸邊設置100～500 m寬的環(huán)境保護區(qū)(如植被過濾帶)，用于控制進入水體的污染物。對于受鹽堿威脅的灌區(qū)，在系統(tǒng)分析灌區(qū)鹽堿運移轉化宏觀特征基礎上，基于灌區(qū)入流或引水帶入的總鹽量與灌區(qū)排水排出的總鹽量差值，建立不同灌區(qū)類型的農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)鹽分運移與轉化定量分析方法，明確灌區(qū)鹽堿合理處置空間，保障土地資源可持續(xù)利用。系統(tǒng)研究不同類型灌區(qū)土地質量下降的主導因子與改良途徑，建立基于土壤質地、化學組成、孔隙結構、微生物群落、土壤供養(yǎng)能力為一體的土地質量評價方法。以規(guī)?；a(chǎn)、機械化作業(yè)、集約化經(jīng)營為導向，發(fā)展適宜的灌區(qū)高標準農田建設方法，建立土地資源養(yǎng)用結合機制，提升土地資源生產(chǎn)和生態(tài)效能。

3.1.2.2水資源優(yōu)化配置

水資源是西北旱區(qū)農業(yè)發(fā)展和生態(tài)建設的主控因子，灌溉農業(yè)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境建設均以水資源承載能力為前提，以高效輸配、節(jié)能降耗、節(jié)水增效和適度規(guī)模為基本原則，合理配置水資源，科學協(xié)調農業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境建設間關系，是灌區(qū)生態(tài)環(huán)境保護和農業(yè)高質量發(fā)展的基礎保障。在明確不同氣候條件下降水、冰雪融化及其河流來水特征基礎上，綜合分析流域骨干工程調蓄能力、灌排系統(tǒng)保障能力、節(jié)水模式的成本與效益、水土資源承載能力，科學確定水資源系統(tǒng)、經(jīng)濟社會系統(tǒng)及環(huán)境系統(tǒng)用水適宜度。在灌溉依賴型灌區(qū)、灌溉主導型灌區(qū)，構建河道內與河道外引水“三七調控”、經(jīng)濟與生態(tài)耗水“五五分賬”的臨界閾值調控模式[31]，促進生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟社會協(xié)調發(fā)展。在灌溉補充型和灌溉提質型灌區(qū)，充分發(fā)揮降水對生態(tài)生命需水的補充功能，提升農業(yè)用水比例。在工程、技術和管理3方面加強節(jié)水，助力水資源有效保護與高效利用。在淡水資源短缺地區(qū)，發(fā)展微咸水安全利用、苦咸水和污廢水處理與回用方法，建立適應不同類型灌區(qū)的農業(yè)生產(chǎn)-生態(tài)環(huán)境建設-水質與水量優(yōu)化配置-水鹽污調控綜合管理方法；建立集灌區(qū)生態(tài)功能為一體的水資源優(yōu)化配置模型，形成西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)水-土-生-環(huán)綜合管理理論。

3.2 西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)農田物能調控理論

西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)農田物能調控主要包括節(jié)水節(jié)能型灌排系統(tǒng)優(yōu)化設計理論和農田作物生境精細調控理論兩部分。為提升灌區(qū)水資源輸配效率，構建水鹽平衡的灌排模式，形成農田多要素作物生境調控方法提供理論支撐。

3.2.1西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)節(jié)水節(jié)能型灌排系統(tǒng)優(yōu)化設計理論

以最大限度實現(xiàn)灌區(qū)水源的水量、水質和水能功能為出發(fā)點，以提升水資源利用效率和灌溉水實時供給與調配能力為目標，借助農田水利學、流體力學、水環(huán)境化學、農業(yè)生態(tài)學、運籌學等相關理論，系統(tǒng)分析西北灌區(qū)自然條件、農業(yè)種植結構、水源狀況，形成高效輸配、節(jié)能降耗、節(jié)水增效、水鹽相容、生態(tài)安全、綠色發(fā)展的西北旱區(qū)農業(yè)高效節(jié)能型灌排系統(tǒng)優(yōu)化理論(圖4)。

圖4 灌排系統(tǒng)優(yōu)化理論Fig.4 Theory of irrigation and drainage system optimization

(1)山區(qū)水庫-管道輸水-自壓滴灌模式

平原水庫滲漏蒸發(fā)損失嚴重，水庫利用效率不足50%，同時造成周邊地下水位抬升，易導致土地次生鹽堿化。應采用山區(qū)水庫逐步代替平原水庫，打破現(xiàn)有灌溉系統(tǒng)格局，應對錯亂低效的灌溉輸水系統(tǒng)實施徹底改造。由于片面強調農業(yè)節(jié)水，忽略了輸配水系統(tǒng)改造和土壤鹽堿化防治，導致運行成本加大、土壤鹽分積累加重，進而影響了高效節(jié)水技術功效的發(fā)揮。山區(qū)性河流水庫具有高水位、自壓灌溉的天然優(yōu)勢，放棄天然水頭而重新加壓灌溉，耗能巨大。以新疆為代表的西北旱區(qū)具有發(fā)展自壓灌溉得天獨厚的優(yōu)勢，建設山區(qū)水庫-管道輸水-自壓滴灌的現(xiàn)代灌溉系統(tǒng)，既可大幅提升水資源輸配效率，又可降低工程運行成本。

(2)灌排分區(qū)調控模式

西北內陸河流進入平原區(qū)，通常形成4個顯著的水文地質單元，即沖洪積扇、扇緣溢出帶、綠洲平原、荒漠平原。針對4個單元的水文地質特點，建立水量調蓄區(qū)、調蓄開采區(qū)、調控開采區(qū)、禁止開采區(qū)。并基于水鹽平衡調控，建立分區(qū)灌排模式，即：垂直入滲排水、井灌井排、井灌井排與水平排水結合、水平排水與干排鹽結合、明排與暗排結合。地下水的排泄方式和水位調控是土壤水鹽調控的關鍵，須分區(qū)建立地下水開發(fā)和水鹽平衡灌排模式，合理調控管理地下水位，延緩土壤積鹽過程。

3.2.2農田作物生境精細調控理論

水土資源高效而可持續(xù)利用已經(jīng)提升水肥生產(chǎn)效率、作物產(chǎn)量、果實品質，是農田作物生境調控的目標，需結合現(xiàn)代栽培學、作物生理學和農田水肥高效利用相關理論，從調控土壤供養(yǎng)能力、根系吸收能力、莖稈傳導能力和作物生產(chǎn)能力4方面創(chuàng)新作物生境調控理論與技術。明晰水、肥、氣、熱、光、鹽、(微)生物、農藥、電子等在保障作物健康生長中貢獻度和脅迫效應，闡明各生境要素之間的相互作用機制，構建水、肥、氣、熱、鹽、農藥遷移轉化數(shù)學模型，以及考慮生境要素作用的作物生長和產(chǎn)量品質評估模型。確定基于生態(tài)環(huán)境安全的肥料、農藥、地面覆蓋物、化學改良劑合理使用量閾值，提出土壤根際微生物與作物品種的互生關系和農藥、殺蟲劑、除草劑、保水保肥劑的科學施用方法，明確作物根區(qū)微環(huán)境變化特征與作物生理生長間的定量關系。挖掘灌溉水生理和生產(chǎn)功能，開發(fā)基于土壤生產(chǎn)力、水肥利用效率及鹽堿地改良效果提升的(微)生物方法，并與水利改良、化學改良、生物改良和農藝措施有機融合，明確作物根區(qū)關鍵生境要素與外控因子耦合作用效能，確定農田地力提升和作物增產(chǎn)增效的主要指標體系，形成適應不同氣候條件、土壤特性、地下水狀況、作物類型、種植結構和生態(tài)環(huán)境建設的灌溉農田作物生境要素耦合精細調控理論。

3.3 灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)安全評估理論

現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)建設是一個綜合社會、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境等多領域的復雜工程，進行現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)的綜合評價，對灌區(qū)建設進行科學指導和評估，對協(xié)調灌區(qū)農業(yè)、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境之間相互關系具有重要意義。

3.3.1灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)安全評價內容

灌區(qū)作為一個生態(tài)系統(tǒng)，其服務功能表征了系統(tǒng)安全性，同時生態(tài)系統(tǒng)服務能力和保障水平?jīng)Q定著灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)安全水平。灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能主要包括農產(chǎn)品生產(chǎn)功能、防災控污功能、人居與文化傳承功能等。農產(chǎn)品生產(chǎn)功能主要指通過綠色植物為人類提供的糧食、蔬菜、水果、牧草等產(chǎn)品，這也是灌區(qū)主要功能；防災控污能力是調節(jié)氣候，減輕洪澇、旱災、風害、控制農業(yè)面源污染，降低溫室氣體(如生物固氮)，增加碳匯等功能；人居與文化傳承功能是指為居民提供舒適生活環(huán)境，以及開展科學活動、農事體驗、傳統(tǒng)教育、觀光娛樂等方面的自然景觀和場所。灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能比重和關注點與灌區(qū)所處地區(qū)自然條件、生活水平和社會經(jīng)濟發(fā)展程度有關。

3.3.2灌區(qū)系統(tǒng)安全評價方法

灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)安全評價主要是對其結構合理性、完整性、服務功能實現(xiàn)程度等進行定量評價。根據(jù)灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的特征及其服務功能，可選取社會經(jīng)濟、景觀格局、水土資源利用、濕地環(huán)境、大氣環(huán)境、生物活力、作物生長及產(chǎn)量品質等建立定量評價指標體系，進行評價與管控，實現(xiàn)灌區(qū)內資源-環(huán)境-經(jīng)濟-社會協(xié)調發(fā)展。通過系統(tǒng)分析灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水、鹽、碳、氮、生間動力聯(lián)系，并闡明其足跡變化特征，確立灌區(qū)水土資源的承載力。建立灌區(qū)“壓力-狀態(tài)-響應-效能”評價模型，發(fā)展灌區(qū) “山水林田湖草沙”為一體生態(tài)系統(tǒng)安全的綜合評價方法，以及綜合考慮水文動力過程和生態(tài)動力過程的生態(tài)水文模型。提出灌區(qū)生態(tài)安全的預警指標體系和生態(tài)安全管理方法，構建適合西北不同類型灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)安全評估理論。

4 西北生態(tài)灌區(qū)建設關鍵技術

針對西北生產(chǎn)與運行管理中存在的主要問題，現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)建設急需突破的關鍵技術可概括為：灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)控污能力與景觀價值提升技術、現(xiàn)代生態(tài)灌排系統(tǒng)管控關鍵技術、作物生境要素調控技術。

4.1 灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)控污能力與景觀價值提升技術

4.1.1灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)控污能力提升技術

農村生活污水、農田化肥農藥、養(yǎng)殖業(yè)廢料等在地表徑流和排水系統(tǒng)作用下進入水體和土壤中，將引發(fā)農業(yè)面源污染。農業(yè)面源污染防治是實現(xiàn)灌區(qū)健康發(fā)展的重要任務，需要從控源、治污和再利用入手，實現(xiàn)控污與資源化雙重效能，總體防控技術體系如圖5所示。

圖5 灌區(qū)污染防控技術體系Fig.5 Pollution prevention and control technology system for irrigation districts

4.1.1.1農田面源污染控制技術

對水蝕、風蝕攜帶的農田污染物所引發(fā)的面源污染，需從兩方面采取措施進行控制：控制污染物傳輸?shù)膭恿涂刂莆廴驹础Ｔ诠喔纫蕾囆秃凸喔戎鲗凸鄥^(qū)，侵蝕常以風蝕形式發(fā)生。在風蝕動力控制方面，可以通過構建科學的農田防風林帶系統(tǒng)和優(yōu)化作物種植結構來降低風蝕危害。在灌溉補充型和灌溉提質型灌區(qū)，農田面源污染常以水蝕為主。在水蝕動力控制方面，可采取平整土地、提高農田蓄水能力、增加田面糙率等方式降低徑流攜帶能力。在控制污染源方面，一方面通過確定合理施肥數(shù)量、深度及方式，采取控制性施肥和施藥，降低土壤養(yǎng)分和農藥向地表傳遞的可能性。另一方面，通過采取地面覆蓋、提高土壤抗蝕能力和固定養(yǎng)分能力等措施，發(fā)展免耕種植等保護性耕作措施，控制土壤污染物向地表傳輸數(shù)量和速率。

4.1.1.2農村生活污水處理與再利用技術

農村生活污水的大量排放是灌區(qū)水環(huán)境污染的重要來源，需要因地制宜地發(fā)展適合農村污水處理的技術。可根據(jù)灌區(qū)自然條件，研發(fā)太陽能和風能驅動的生物膜技術，以及人工濕地技術。由于微生物對污水的水質和水量變化有較強的適應性，生物膜內可形成較長的生物鏈，從而構成穩(wěn)定的污水處理系統(tǒng)，并通過太陽能和風能驅動，集污水預處理、生物處理、沉淀、消毒等為一體，實現(xiàn)光、風資源利用和污水處理有機結合。充分利用灌區(qū)水池、水塘、灘地等洼陷結構，構建適合當?shù)氐匦螚l件的表面流、潛流和垂直流人工濕地，實現(xiàn)人工濕地污水處理、污水再利用、改善景觀的功能。

4.1.1.3農村養(yǎng)殖污水處理技術

隨著社會對肉食品需求量增加，農村畜禽養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展對水環(huán)境保護帶來巨大沖擊，需要研發(fā)適宜不同類型灌區(qū)的農村畜禽養(yǎng)殖業(yè)污水處理技術。由于農村畜禽養(yǎng)殖業(yè)污水具有作物生長需要的養(yǎng)分元素，同時也包含潛在能源。因此可以還田利用，或通過相關物理、化學及生物技術進行有效處理后再利用。畜禽養(yǎng)殖廢水的資源化利用，主要包括沼氣、沼液、沼渣的綜合利用，處理水種植業(yè)回用和生物協(xié)同方式的資源化利用。根據(jù)當?shù)貙嶋H情況，發(fā)展種養(yǎng)結合、處理回用和多級循環(huán)經(jīng)濟模式，充分發(fā)揮農村養(yǎng)殖污水所具有的生產(chǎn)和生態(tài)功能，實現(xiàn)“養(yǎng)、治、用”相結合。

4.1.2灌區(qū)生態(tài)景觀價值提升技術

灌區(qū)生態(tài)景觀主要包括灌排渠系、農田、林草地、交通道路和居民點5方面的景觀單元，通過提升生態(tài)景觀價值，以增強灌區(qū)生態(tài)服務功能。西北旱區(qū)的景觀設計需要充分考慮西北地區(qū)特殊的氣候環(huán)境、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、地形地貌、歷史人文等方面的特色，對西北旱區(qū)農業(yè)資源、景觀資源、人文資源等進行合理配置，提升灌區(qū)的綜合效益。

4.1.2.1灌排渠系

灌排渠系是灌區(qū)農業(yè)灌溉系統(tǒng)的重要組成部分，在保證灌排系統(tǒng)完整性和輸配水功能的基礎上，將渠系與灌區(qū)內其它水系連接成水生態(tài)網(wǎng)絡，共同維系灌區(qū)水體的良性循環(huán)，提升輸水、配水、蓄水和凈水能力。在營造渠系水體景觀時，需針對西北地區(qū)易發(fā)生的季節(jié)性渠道凍脹問題，從材料耐久性、地形條件、管理養(yǎng)護方面考慮，研發(fā)抗凍、防滲、易檢測的渠道襯砌材料。通過河流內的水生植物與渠系邊緣空間的植被造景來保證灌區(qū)生態(tài)廊道的連續(xù)性，使渠道與河道水體景觀相協(xié)調。渠道兩岸設置緩沖帶，改善水質保護河水生態(tài)安全，為生物提供適宜棲息空間，增加空間異質性。

4.1.2.2灌區(qū)農田

根據(jù)景觀生態(tài)學原理，配置適宜西北旱區(qū)生長的植物組合，提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在農作物選擇上，應根據(jù)當?shù)刈匀粭l件與農作物習性種植相應物種，采用單種、復種、間種、套種等合理的農作制度，創(chuàng)造生態(tài)安全的農耕環(huán)境，提供優(yōu)質高產(chǎn)、無污染的農產(chǎn)品；景觀造景方面，以農業(yè)美學理論為指導，運用“點線面”結構中的比例、均衡、協(xié)調性特征，根據(jù)農作物的生長規(guī)律和季節(jié)性變化，合理規(guī)劃農業(yè)景觀元素。

4.1.2.3林草地

林草地既可涵養(yǎng)水源又美化環(huán)境。因地制宜的規(guī)劃灌區(qū)林地景觀，并采取防護林模式、混合林帶模式，或農、草、林立體模式等，建設灌區(qū)林帶系統(tǒng)和景觀生態(tài)廊道，以道路林帶、水系林帶、農田林網(wǎng)為網(wǎng)格，將農田板塊、林帶廊道、水體系統(tǒng)融合起來，打通灌區(qū)各個物質要素之間的交換、流通渠道，構建生態(tài)安全、景觀優(yōu)質的灌區(qū)農林草體系。特別根據(jù)西北地區(qū)林果優(yōu)勢，選擇本土易養(yǎng)護的林果品種和易機械化作業(yè)的林果立體栽培模式，以及集經(jīng)濟價值和景觀效果兼具的物種，配置形成經(jīng)濟型風景林帶。

4.1.2.4交通道路

道路作為灌區(qū)典型的人工廊道，也是區(qū)域物質、能量、信息流動交換的生態(tài)廊道。合理規(guī)劃灌區(qū)內連接外部公路的路線，方便交通的同時加快區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。機耕路與田間路屬于灌區(qū)必需的生產(chǎn)路，關系到灌區(qū)農業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的命脈。在道路建設中注重農田生態(tài)的穩(wěn)定性，采用本土物料鋪設，保護原始的土壤結構，在路緣景觀帶的植物種植上，要保證農作物有良好的光照條件及充足的土壤養(yǎng)分。景觀道路布局需增強視覺觀賞與空間體驗，遵循自然生態(tài)原則，將灌區(qū)農田景觀、水利景觀、聚落景觀有機融合，實現(xiàn)灌區(qū)景觀空間的整體連續(xù)性。

4.1.2.5居民點

農村居民點景觀結構和格局是長期的農業(yè)生產(chǎn)活動對自然景觀不斷改造和影響的結果，尤其是道路、房屋等人工構筑建設，使區(qū)域中的非自然廊道和斑塊增加，不同程度影響區(qū)域生態(tài)服務功能，需要補充林草地、水體、濕地等景觀，保持整體結構的穩(wěn)定和平衡。此外，要合理布局人工景觀和工業(yè)景觀，村鎮(zhèn)居住區(qū)與工礦業(yè)之間要留有一定的植被緩沖區(qū)，工業(yè)景觀內部要進行綠地系統(tǒng)建設。人口聚居區(qū)要配套建設給排水系統(tǒng)和垃圾污水收集處置設施，提高村落生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和污染調控能力。

4.2 現(xiàn)代生態(tài)灌排系統(tǒng)管控關鍵技術

4.2.1現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)渠系優(yōu)化配水技術

渠系配水是根據(jù)農業(yè)氣象條件和灌溉可利用水量變化合理確定灌區(qū)各級渠道引水量大小、持續(xù)時間和引水頻次，輸配水直接關系到灌溉服務質量。我國大型灌區(qū)骨干渠系水利用系數(shù)2015年才達到0.597，大量的水資源在渠系輸配水過程中因滲漏大量損失。因此，通過渠系優(yōu)化配水減少渠系滲漏損失，對現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)的水資源管理意義重大。渠系優(yōu)化配水是根據(jù)渠道控制區(qū)域內的種植結構、作物需水量和土壤質地的時空差異性，來合理調配各級渠道適宜引水量以實現(xiàn)滲漏損失最小。渠系優(yōu)化配水過程可概括為：①上級渠道的管理者發(fā)布整個灌溉區(qū)域的用水計劃。②灌溉子區(qū)用戶以上級計劃為基礎，制定各子區(qū)用水計劃。③最后再由上級管理者統(tǒng)一協(xié)調，確定滿足各區(qū)域需水要求的多目標計劃。優(yōu)化配水過程可概化為一個多級多水源的多目標決策問題。多級指灌溉渠系是從水源取水、輸送、分配到田間的各級渠道網(wǎng)絡，如總干渠、干渠、分干渠、支渠等骨干渠道和斗渠、農渠、毛渠等田間渠道，多水源包括河流、水庫等多種水源，目標包括滲漏損失最小、產(chǎn)量最大等。

4.2.2現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)智能灌溉技術

智能灌溉是對土壤墑情、作物生長、氣候條件等相關數(shù)據(jù)進行實時感知，作出灌溉決策，并進行針對性灌溉，達到充分利用灌溉水資源的目的。

4.2.2.1農田墑情感知

農田墑情信息是制定作物生長季灌溉計劃和開展防旱抗旱的重要基礎信息，墑情感知結果可為實現(xiàn)適時、適量的精準灌溉提供決策依據(jù)。隨著計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術的蓬勃發(fā)展，云計算面向服務的新型計算模式為解決農田土壤墑情監(jiān)測面臨的問題提供了新途徑。構建農田土壤墑情監(jiān)測云服務平臺，把土壤墑情監(jiān)測的采集、處理、分析等功能和數(shù)據(jù)集成到云服務平臺上，使農業(yè)從業(yè)者通過網(wǎng)絡云平臺便捷的訪問、調用、獲取所需要的信息和服務，從而降低土壤墑情監(jiān)測的建設和維護成本，提高土壤墑情應用系統(tǒng)的服務效率。

4.2.2.2灌溉決策

基于感知信息與灌溉模型進行灌溉決策，制定智能化的作物智能灌溉指導方案。農田灌溉決策主要建立在土壤水分運移規(guī)律的研究理論基礎上，包括土壤墑情預測、作物需水預測、灌水量預測等。決策指標一般都基于土壤-植物-大氣連續(xù)體，大致分為3種：根據(jù)農田土壤水分狀況確定灌溉時間和水量，包括作物適宜水分上下限、土壤條件、土壤水量平衡等；根據(jù)作物對水分虧缺的生理反應信息確定是否需要灌溉，包括作物冠層溫度、莖/葉水勢、莖流等；根據(jù)作物生長的小環(huán)境氣象因素確定灌溉的時間和作物的需水量，即通過作物的蒸騰蒸發(fā)量來進行灌溉決策。

4.2.3智能控制技術

灌溉智能控制是基于運籌學、人工智能、控制理論等基本理論，結合模糊控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡等方法，根據(jù)不同作物生長期需水情況，自動形成最優(yōu)灌溉控制方案。模糊控制理論具有較強的知識表達能力和推理能力，可解決灌溉過程中復雜的非線性問題，但實際應用中依賴于農業(yè)種植經(jīng)驗的輸入，需進一步結合智能算法對模糊規(guī)則進行動態(tài)尋優(yōu)。神經(jīng)網(wǎng)絡技術可以很好的與模糊控制理論結合，促進灌溉系統(tǒng)中模糊規(guī)則的形成、隸屬函數(shù)的選型和調整等工作，解決復雜農田環(huán)境下多目標控制問題。專家系統(tǒng)是農業(yè)技術與信息技術的深度融合，在綜合分析農業(yè)領域相關知識、經(jīng)驗、數(shù)據(jù)和模型的基礎上，得到灌溉最優(yōu)解決方案。因此，灌溉智能控制技術應是多種智能控制方法的融合，通過定性和定量相結合的方法，針對被控制對象和灌溉任務的復雜性、不確定性、多變性，實現(xiàn)復雜信息的處理、優(yōu)化和判斷，最終達到智能精準灌溉的目的[24,32]。

4.3 作物生境要素調控技術

提高西北旱區(qū)農業(yè)灌溉水利用效率及生產(chǎn)效率是緩減旱區(qū)水資源供需矛盾和實現(xiàn)生態(tài)安全的重要途徑，而西北旱區(qū)田間作物生長過程和灌區(qū)鹽分遷移與累積過程是直接影響農業(yè)水資源綜合效益的兩個關鍵過程。因此，改善田間作物生境和實現(xiàn)灌區(qū)土壤鹽分相對均衡是實現(xiàn)西北旱區(qū)農業(yè)水土資源可持續(xù)利用的重要任務。結合現(xiàn)代栽培學、作物生理學和農田水肥高效利用相關理論，將農田作物生境分為3個分環(huán)境，即農田小氣候環(huán)境、土壤環(huán)境和地下水環(huán)境，3個分環(huán)境間物能傳輸與轉化涉及氣-冠界面、土-氣界面、土-根界面、包氣帶與飽和帶界面。調控作物生長過程的技術發(fā)展主要圍繞提高水、肥、氣、熱、鹽、生、光、藥、電的功能和控制鹽分對作物生長威脅這一主題(圖6)。

圖6 作物生境要素與綜合調控原理圖Fig.6 Crop growth elements and comprehensive regulation

4.3.1農田小氣候環(huán)境調控技術

農田光能分布、空氣溫濕度、風速、二氧化碳濃度和土壤溫濕度特征構成了農田小氣候的環(huán)境要素。農田小氣候既具有固有的自然特征，又是一種人工小氣候，可通過現(xiàn)代農業(yè)技術措施在一定程度上調控農田小氣候，改變作物冠層溫度和光照利用程度，提高作物光合效率和控制水分無效蒸發(fā)。主要技術包括：①冠層遮光技術，如棉花在正常光照的1/5～1/2時生長最好，弱光條件下棉花的蕾鈴脫落、光合產(chǎn)物代謝都有所改善[33]。②作物間套作技術，可提高光能利用效率，增加作物的養(yǎng)分吸收能力，如豆科/禾本科間作體系中豆科作物生物固氮和禾本科作物對土壤氮素利用上的互補和促進作用，又如雙子葉和單子葉作物的搭配中單子葉作物可為雙子葉作物提供Fe、Zn等微量元素[34]。③生長調節(jié)劑，如紅棗果實表皮直接吸收的水分是引起裂果的主要原因，可通過噴灑人工合成生長素改變果實表面的氣孔開度、氣孔密度等特征，提高果實品質[35]。

4.3.2土壤環(huán)境調控技術

土壤溫度、濕度、微生物、養(yǎng)分、鹽分含量都對作物的生長有著顯著影響，提高土壤供養(yǎng)能力和作物吸養(yǎng)能力是土壤環(huán)境調節(jié)的目標。其關鍵技術有：①活化水灌溉技術，即通過磁化、去電子和增氧技術，改變水分子締合結構，降低水表面張力和接觸角，提高水溶解氧數(shù)量，增強水分生理生產(chǎn)功能，提高水肥利用效率，活化水灌溉增產(chǎn)效果達5%～15%，同時磁化水和去電子水可有效降低根區(qū)土壤鹽分含量和鹽分對作物的威脅[36]。②生物膜覆蓋技術，既可降解作為作物養(yǎng)分，又可改善土壤水、鹽、熱、養(yǎng)分分布，提升作物根系吸水吸肥能力[37]。③排水控鹽技術，水是鹽漬化形成的動力，要將土壤中鹽分“洗出”并保持脫鹽狀態(tài)，灌排比例應達到4∶1，“洗鹽用水”是干旱區(qū)農業(yè)用水的重要組成部分[38]。

4.3.3地下水環(huán)境調控技術

田間作物生長過程和灌區(qū)鹽分遷移與累積過程是直接影響農業(yè)水資源綜合效益的兩個關鍵過程。綜合考慮灌區(qū)鹽分遷移與累積特征，確定植被健康生長的合理生態(tài)地下水埋深、鹽漬臨界地下水埋深、生態(tài)警戒地下水埋深及最佳地下水埋深等閾值[39-40]。根據(jù)生態(tài)與經(jīng)濟效益最優(yōu)準則，確定區(qū)域內高效節(jié)水灌溉規(guī)模，發(fā)展生態(tài)安全的地下水開發(fā)利用技術。將節(jié)水灌溉、冬春灌技術與工程措施(明排、暗排、豎排等)及非工程措施(生物排水)相結合，將鹽分排放區(qū)域與排水再利用有機融合，構建多種措施結合的灌區(qū)垂直和橫向排水系統(tǒng)，有效控制灌區(qū)農田土壤鹽分累積，實現(xiàn)土地可持續(xù)利用[41-42]。同時，將灌區(qū)農業(yè)生產(chǎn)區(qū)與鹽分排放區(qū)相對分離，實施控制性排水和排污權管理，實現(xiàn)定點排放或達標排放，維持和控制農業(yè)生產(chǎn)區(qū)鹽分相對平衡，并利用農田排水改善旱區(qū)生態(tài)環(huán)境(圖7)。

圖7 地下水環(huán)境調控技術Fig.7 Groundwater environmental control technology

5 展望

現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)是對傳統(tǒng)灌區(qū)工程設施、管理水平和建設理念的升級改造，通過提高灌區(qū)水土資源優(yōu)化配置、提高灌溉水利用效率、改良鹽堿土、改善生態(tài)環(huán)境、提升灌區(qū)生態(tài)服務功能，為西北地區(qū)農業(yè)高質量發(fā)展提供硬件基礎。本文主要從西北灌區(qū)生態(tài)服務功能提升、灌排系統(tǒng)優(yōu)化和灌區(qū)作物生境營造3方面闡明了西北現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)建設的關鍵理論與技術。在西北灌區(qū)生態(tài)服務功能提升方面，需明確灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)結構和功能定位，統(tǒng)籌規(guī)劃西北灌區(qū)“山水林田湖草沙”系統(tǒng)，提出西北灌區(qū)水土資源優(yōu)化配置方法，構建灌區(qū)控污與景觀價值提升綜合技術模式，建立灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)安全評估指標體系與評價方法。在灌排系統(tǒng)優(yōu)化方面，需構建山區(qū)水庫-管道輸水-自壓滴灌的節(jié)能高效模式，建立地下水開發(fā)和水鹽平衡相協(xié)調的灌排調分區(qū)控模式，創(chuàng)新渠系優(yōu)化配水與智能灌溉技術。在灌區(qū)作物生境營造方面，需明確作物生境要素的功能與互作機制，發(fā)展基于農田小氣候、土壤環(huán)境和地下水環(huán)境精準調控的作物生境營造技術。