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农业高效用水及农艺节水技术

花匠小妙招
2024-10-05 18:26

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节水农业的中心问题是提高降水和灌水的利用效率，用水有效性无疑成为判断各种节水措施效果与潜力的标准。但用水有效性是一个相对概念，节水农业的标准也是比较型的，是与纵向和横向比较而言的，是可变的。随着科技的不断进步，节水措施的标准应该由有效用水向高效用水发展。高效用水农业就是高标准节水农业。就一个国家或一个地区而言，可以根据国情和地域情况制定一个节水农业的标准，如井灌区水的利用率为0.70，水的利用效率为1.2kg/m3以上，可称为节水农业；水的利用率为0.85以上，水的利用效率达1.8kg/m3以上，可称为高效用水农业。以色列水的利用率为0.90，粮食水的利用效率为2.32kg/m3；我国山东省桓台县水的利用率达0.93，粮食水的利用效率达1.9kg/m3，这都是高效用水农业的模式。

节水农业是一项农、水技术紧密结合，水、土、作物资源综合开发的系统工程，其内涵极其丰富，包括农学范畴的节水，灌溉范畴的节水和农业管理节水。本文讨论的重点是农艺节水技术部分，这是具体到农田、农作物布局及作物本身的节水问题，这方面的节水问题最多、难度最高、潜力也最大。灌溉用水约50%消耗在田间，如何做好田间节水，抑制土壤蒸发和作物奢侈蒸腾，提高作物水分利用效率，既是节水农业的重要方面，也是节水农业发展的潜力所在。

1 农艺节水措施

1.1 调整作物布局，选用节水高产型品种

根据降雨时空分布特征、地下水资源、水利工程现状，合理调整作物布局，增加需水与降水耦合性好的作物和耐旱、水分利用率高的作物品种，以充分利用当地水资源；调整作物熟制，使之与水分条件相适宜；调整播期，使作物生育期耗水与降水相耦合，提高作物对降水的有效利用，避免干旱的影响。如在黄淮豫东平原，春夏播作物需水和降水的耦合关系较好，生长期降雨量占年降雨量的60%以上，尤以棉花最高，达82%；其次是春播花生、红薯和高梁等。

因地制宜选用节水高产基因型，合理安排作物布局与品种搭配是作物节水高产高效的重要环节。不同作物和品种对环境的要求和适应力都有一系列的生理生态和形态差异。因此，只有环境与作物品种的生理生态和遗传特性相适应时，才能充分发挥品种的优良特性与产量潜力，合理利用资源，趋利避害，发挥资源增产优势。

节水高产型作物品种是指具有节水、抗逆、高产、高WUE的作物品种。不同光合途径(C4、C3、CAM)类型和不同种类作物，WUE存在很大差异。CAM植物WUE最高，C4植物(玉米等)的WUE较C3植物(小麦)高2～3倍。作物品种对水分亏缺的适应性和WUE的差异，是对作物品种选择和布局搭配的重要依据之一。冬小麦品种的主要筛选指标是：种子吸水力强、叶面积小、气孔对水分胁迫反应敏感，根系大入土深，株高80cm左右，分蘖力中等，成穗率高，生长发育冬前壮、中期稳、后期不早衰，籽粒灌浆速度快、强度大，穗大粒多，千粒重40～45g，抗寒、抗旱、抗病、抗干热风。玉米品种的主要筛选指标是：出苗快而齐，苗期生长健壮；中后期光合势强，株型紧凑；籽粒灌浆速度快；耐旱、抗病、抗倒伏；产量高而稳，籽粒品质好；生育期适合于当地种植制度。

1.2 深耕蓄水和覆盖技术

用蓄力耕翻土地，一般耕地深度只有10～15cm，耕层以下是坚实的犁底层，限制了土壤蓄水能力。采取机耕和蓄力套耕法，分期分层逐年加深耕层，或推广深松犁，深松深度可达40cm以上，打破犁底层，加深耕层疏松土壤厚度，增加土壤蓄水容量。深耕后底层土壤容重由1.5g/cm3降到1.35g/cm3，孔隙度由45%增加到54%。深耕后底层土壤根系下扎，增加对深层土壤水的利用量。深耕地根系深入到1.5m以下，而浅耕地根系分布在1m土层。作物根量深耕地比浅耕地增加30%以上。试验表明，采用“上翻下松”的深松耕作法，在一定深度内，作物增产幅度为20%～50%，土壤蓄水增加20%。

降雨和灌溉进入农田的水量，小部分补给地下水，大部分转化为土壤水。土壤水的棵间蒸发是农田节水可以调控利用的潜在水量。据观测，土壤表面蒸发量占农田总蒸发的1/4～1/2。农田覆盖是一项人工调控土壤——作物间水分条件的栽培技术，是降低农田水分无效蒸发，提高用水效率的有效农业措施之一。

农田地膜覆盖阻断了土壤水分的垂直蒸发和乱流，使水分横向迁移，增大了水分蒸发的阻力，有效地抑制土壤水分的无效蒸发，抑蒸力可达80%以上。覆膜的抑蒸保墒效应促进了土壤—作物—大气连续体系中水分有效循环，增加了耕层土壤贮水量，加大作物利用深层水分，改善作物吸收水分条件；水热条件及作物生长状况的改善同样有利于矿质养分的吸收利用。

在小麦或玉米行间覆盖秸杆也能减少地表蒸发和降雨径流，提高耕层供水量，取得明显增产效果。据测定，秸杆覆盖的抑蒸保墒效应可波及土体1m深处，减少耗水量895.5m3/hm2，节约灌溉用水2100m3/hm2。

1.3 增施有机肥和水肥耦合技术

增施有机肥料，可以增加土壤有机含量，有机质经微生物分解后形成腐殖质中的胡敏酸，它可把单粒分散的土壤胶结成团粒结构的土壤，使土壤容重变小，孔隙度增大，能使雨水和地表径流水渗入土层中。有团粒结构的土壤能把入渗土壤中的水变成毛管水保存起来，以减少蒸发。因此，增施有机肥既能提高土壤肥力，又可改善土壤结构，增大土壤涵蓄水分的能力，增强根系吸收水分的能力，达到以肥调水、提高水分生产率的效果。

中国农科院商丘试验区在“八五”期间对作物水肥耦合效应进行了试验研究。结果表明：冬小麦、玉米水肥耦合存在阈值反应。冬小麦水肥耦合的阈值是：N(90～240kg/hm2),P2O5(56.25～221.25kg/hm2)，灌溉定额1500～3750m3/hm2，夏玉米水肥耦合的阈值是：N(105～255kg/hm2)，P2O5(52.5～127.5kg/hm2)，灌溉定额1500～3000m3/hm2。低于阈值下限水平，N、P无明显增产效应，水分利用效率(WUE)低；高于阈值上限，水肥互作效应呈减小趋势；在阈值范围，水肥互作增产效应显著。

1.4 作物节水高产的化学调控技术

保水剂拌种包衣：保水剂是一种高效吸水性树脂，能迅速吸收相当于自身重量数百倍到千倍以上的水分。保水剂拌种包膜后，播入土中能很快吸收水分形成水分粘液保护膜，以这种有效水方式富集于种子周围，改善了种子萌发时的土壤水分微环境，扩大种子与土壤的接触面积，降低土壤水分移向种子的传导阻力，对种子萌发和成苗十分有利。

作物蒸腾的化学调控：植物吸收的水分中有90%以上是由植株表面蒸腾作用消耗的，通过光合作用直接用于生长发育的水分还不到1%；无论是理论上的推论还是在实践中的探索，人们形成的共识是蒸腾过程不一定要消耗那么多水分，即作物存在奢侈蒸腾。因而降低蒸腾耗水是节水、防旱、抗旱的重要环节。作物蒸腾的化学控制的目的是：保持供应作物的水分不过度耗竭；改善作物的水分状况，不致使作物受水分胁迫的危害；不影响光合作用的物质积累；提高产量和WUE。

1986年法国出版的《植物气孔蒸腾剂的研究和利用》一书，对国际上抗蒸腾剂30年的研究历史进行总结，指出大多数尚处于试验研究阶段，只有中国发明的黄腐酸(FA)是唯一的可大面积应用的抗蒸腾剂。我国河南生物所许旭旦等研制的“FA抗旱剂1号”的试验应用取得突破性成果后，从机理到应用技术均开展了广泛深入的研究，取得了在多种植物上均具有抑制蒸腾、节水抗旱、增产的显著效果。

促进根系的化学调控：使用生长调节剂也可以有效地促进根系生长和扩展。如用“黄腐酸(FA)”进行拌种或适期叶面喷施，能有效地促进根系生长和提高根系活力。“CCC(矮壮素)”用于小麦，也可明显增加根系总长和根干重，增强根系活力和吸收力。

2 节水灌溉制度

2.1 节水高产灌溉制度

2.1.1 节水高产的土壤水分调控指标

根据中国农科院商丘试验区“八五”期间研究结果，冬小麦苗期和成熟期土壤水分下限为田间持水量的55%～60%，其它生育阶段为田持65%～70%；土壤水分上限值，小麦、玉米在田持的70%～75%，棉花苗蕾期土壤水分下限以50%较好，花铃期土壤水分下限以60%为宜，吐絮期土壤水下限应控制在55%。这可作为节水高产土壤水分调控指标与范围。

2.1.2 主要作物需水规律及其节水灌溉模式

(1)冬小麦：全生育期需水量387.5mm，需水量最大时期是拔节至成熟期，占总需水量的75.1%。需水临界期在孕穗至灌浆期，占总需量的40%。而黄淮平原小麦生长期平均有效降雨量只有173mm，尚亏缺214.5mm。每公顷6000kg以上的高产区灌溉定额为1800m3、全生育期浇三次水，即冬灌、返青—拔节、抽穗期各浇一水。最佳经济灌溉定额为1200m3/hm2。

(2)棉花：棉花生长期需水量为379.6mm，一般年份有效降雨量能满足其正常生长的需求，但年际间降水量差异大，遇伏旱时也需要浇一次蕾期水或铃水。浇水量不宜过大，一般浇450～600m3/hm2，避免土壤水分过多而使蕾铃脱落，麦棉套种的棉花5月上旬的移栽期正值小麦灌浆期，棉花营养钵移栽结合浇水，一水两用，对小麦灌浆和棉苗成活都很有利。花铃期再浇一水，灌溉定额为900～1200m3/hm2。

(3)夏玉米：夏玉米生长期需水量365.9mm，同期年均有效降水量276.5mm，相当于需水量的75.6%，尚缺水89.5mm。6月上旬常因降雨来迟而延误播期，播种前后浇水是确保适时播种、苗全苗壮的关键。抽雄至灌浆期是夏玉米需水量最多时期，此期若遇干旱会造成“卡脖旱”，对产量有严重影响。因此一般年份夏玉米需要浇二水，即抽雄水和灌浆水，灌溉定额1200m3/hm2，干旱年需增加一次播期水，湿润年在灌浆期浇一水即可。

2.2 作物调亏灌溉

2.2.1 作物调亏灌溉的基本概念

作物调亏灌溉(Regulated Defit Irrigation,即RDI)是国际上70年代中期在传统的灌溉原理与方法的基础上，提出的一种新的灌溉方式，其基本概念不同于传统的丰水高产灌溉，也有别于非充分灌溉(NO-Full Irrigation)或限额灌溉(Limited Irrigation)。非充分灌溉放异单产最高，追求一个地区总体增产，即在水分限制的条件下，舍弃部分单产量，追求总产量；调亏灌溉是舍弃生物产量总量，追求经济产量(籽粒或果实)最高。它主要是根据作物的遗传和生态生理特性，在其生育期内的某些阶段(时期)人为地主动施加一定程度的水分胁迫(亏缺)，调节其光合产物向不同组织器官的分配，调控地上和地下生长动态，促进生殖生长，控制营养生长，从而提高经济产量，舍弃有机合成物总量，达到节水高效，高产优质和增加灌溉面积的目的。调亏灌溉方法的关键在于从作物的生理角度出发，根据其需水特性进行主动的调亏处理。因而可以说，调亏灌溉开辟了一条最佳调控水—土—植物—环境关系的有效途径，不失为一种更科学、更有效的新的灌水策略。这是目前国际上灌溉及其有关领域研究的一个热点，但国内尚属起步阶段，报告资料较少。

2.2.2 作物调亏灌溉的生态生理机制

调亏灌溉是通过土壤水的管理来控制植株根系的生长从而控制地上部分的营养生长及其植株水势，而叶水势可以调节气孔开度，气孔开度则对光合和植株水分利用有其重要作用，在这一系列的作用过程中，起决定作用的是根系。因为当对植株进行分根处理且部分土壤逐渐变干时，一半受旱根系吸水受到抑制，尽管叶水势、膨压和ABA(脱落酸)含量不变，但大部分气孔却明显关闭。因而，推测一定存在着一种物质，在植株受旱时，由根系产生并输送到叶片中以控制气孔开度，使光合和蒸腾等生理过程发生变化，影响其最终的收获产量。同时许多研究也表明，同一植株不同的组织和器官对水分亏缺的敏感性不同，细胞膨大(依靠膨压维持)对水分亏缺最敏感，而光合作用和有机物由叶片向果实的运输过程敏感性次之。因而在营养生长受抑制时，果实可以积累有机物以维持自身的膨大，使其在调亏期的生长不明显降低。在果实的快速膨大期，即调亏结束重新复水期，由于调亏期细胞的扩张因亏水而受抑制时积累的代谢产物，在水分供应量恢复后可用于细胞壁的合成及其它与果实生长相关的过程，起到补偿生长的效应，以致不会因适度威胁而引起产量的下降。如果胁迫程度过大或历时过长，细胞壁可能变得太坚固以致当供水增加时不再能恢复扩张，引起产量下降。这些机理使调亏灌溉的功效在分子水平上得到解释，为在调亏灌溉研究领域定性化和可操作化的深层次的研究提供了理论依据。

作者于1996～1998年在人工控制试验条件下，采用子母盆栽土培法，以夏玉米为材料进行了调亏灌溉试验研究。结果表明，玉米调亏灌溉是可行的，可以实现节水、高产和高效的目标。调亏灌溉减少了棵间蒸发，水分亏缺时段内显著抑制蒸腾速率，而光合速率下降不明显。复水后光合速率又具有超补偿效应，光合产物具有超补偿积累，且有利于向籽粒运转与分配。适时适度的水分亏缺，抑制营养生长，增大作物根冠比，提高了根系传导力，增加了根系吸水量，增强了植株抗旱性。

2.2.3 作物调亏灌溉指标与模式

调亏灌溉指标包括最优调节亏水度、调亏最佳生育阶段(时期)、最佳调亏程度和调亏历时等。试验研究确定了夏玉米节水高产调亏灌溉模式，其指标是：调亏时段为三叶一心—拔节，调亏度为田间持水量的45%～65%，历时21天，比对照增产11.54%～54.19%，节水6.71%～14.75%，WUE提高19.86%～80.85%；或拔节—抽穗阶段调亏，调亏度为田间持水量的60%～65%，历时21天，比对照增产17.42%，节水16.07%，WUE提高39.72%。

3 农、水结合技术

农水结合技术的基本概念是：农艺措施与节水灌溉技术有机结合，实现节约灌溉用水、减少土壤水分蒸发和抑制作物奢侈蒸腾，增加产量，进而提高作物水分利用效率的目标。农水结合技术中的农艺措施主要包括秸杆和地膜覆盖、耕作栽培、合理密植和化学调控等；节水灌溉技术主要包括间歇灌和膜上灌及喷、微灌。试验研究和生产实践证明，间歇灌是一种先进的节水地面灌溉技术，具有节水、灌水速度快、灌水均匀度高等优点，在灌水量375～525m3/hm2的范围内能完成一次灌水作业，是一般地面灌水技术所不能做到的。但每次灌水量少，缩短了灌水间隔时间，增加了灌水次数，也就相应增大了土壤水分蒸发量。这一缺点的存在，限制了其节水增产效应的充分发挥。针对这一问题，在间歇灌的技术系统中加上小麦和玉米秸秆覆盖措施，或中耕松土，可抑制灌后土壤水分蒸发，促进灌溉水入渗与贮存，延长灌水间隔时间，减少灌水次数，不仅灌水定额减少，灌溉量也减少，节水增产效应更加显著。又如膜上灌也是一种先进的节水地面灌溉技术，将其与麦棉套种地膜覆盖的种植方式相结合，既经济高效又简便易行，是一项麦棉双增产极为显著的措施。利用地膜防渗输水，通过放苗孔渗水灌溉棉花和从膜侧过水灌溉小麦，起一水二用之效。同时，膜上输水，棉花苗期可壮苗早发，中后期保温、保墒和灌水，一膜二用。小麦、玉米秸秆覆盖和麦棉套种地膜覆盖技术在黄淮海平原推广应用的面积越来越大，因此以间歇灌加秸杆覆盖和膜上灌加麦棉套种地膜覆盖为关键内容的农水结合技术的试验研究和推广应用，愈来愈有重大意义和广阔前景。喷灌、微灌是先进的灌水技术，对小麦生育前期灌水十分有利，但对小麦后期易引起倒伏，水量不足，灌浆不饱满，而应采取小麦前期喷灌，后期管灌相结合。

4 旱地农业加抗旱灌溉

4.1 旱地农业的内涵及意义

旱地农业即农作物生产受干旱威胁地区的非灌溉农业，也就是在半干旱和半湿润地区，没有灌溉条件的作物生产，也可以说是充分利用降雨的农业。灌溉要有水源和资金，我国北方随着工农业生产，水资源不足已逐渐突出，资金也有困难，在我国北方受旱地区全部发展灌溉是不可能的，因此我国防旱的战略措施应为把发展节水灌溉农业和重视旱地农业两者结合起来，走我国“节水型农业”的道路。

根据“七五”和“八五”旱地农业攻关研究结果，各旱地农业地区粮食情况增长显示，无论单产或总产5年平均都增长了40%以上，年增长率7%以上；它比全国计划从1993年4500亿 kg增长到本世纪末的5000亿kg，总增长率11%，年递增率2%的增长幅度高得多。若能大力推广旱地农业增产技术成果，按此增长速度，到本世纪末，北方旱地农业区可增产粮食206亿kg，粮食，占全国粮食增长的14%，其贡献是十分显著的。因此，重视旱地农业不是权宜之计，而是我国农业发展战略上的需要。

4.2 旱地农业高效用水技术体系

深松土壤，建立土壤水库：深松土壤能促进降雨入渗，起到蓄水保墒效果，改变土壤水分运移规律，改善作物根系生长环境，提高作物产量和水分利用效率。

水分空间聚集径流技术：在地形起伏的旱地，可构筑梯田，推行沟垄种植等技术控制农田径流，提高降水利用率。

调整种植结构，实现适水种植：必须考虑充分利用降水，华北地区春作物棉花、花生、红薯等降水利用率达60%以上，夏播玉米、大豆、棉花为50%～60%，而秋播小麦为38%。适当压缩低产麦、晚播麦和盐碱地麦，适当发展春棉花、春花生、夏大豆等作物。

选用抗逆高产品种，提高作物本身抗逆能力：用抗旱丰产良种代替农家种，其增产幅度在10%～20%。选用小麦品种的要求是矮杆、小叶、早熟，使小麦水分生产率达到1～1.5kg/m3。

增施有机肥提高土壤水分利用效率：试验表明，施厩肥和覆盖桔杆比单施化肥土壤总孔隙度增加1%～3%，毛管孔隙度增加1.5%～4%，非毛管孔隙减少，提高土壤持水和供水能力，以及抑制潜水蒸发，增加降雨入渗，提高土壤水分利用率。

4.3 抗旱灌溉技术

抗旱灌溉即没有灌溉设施(无渠、无井、无沟、无畦)地块遇旱进行的临时性灌溉。在旱地农业上，发展抗旱灌溉，投资少，实施快，节水增产有实效。

打吊管井提取浅层淡水：黄淮海平原一般在10m左右有一粘土顶板，下面是沙层，井深打透顶板，抽水和沙，井管下面成真空，产生负压，聚集周围的水，增加出水量可达10～15m3/h。抽出的水，以塑料软管(群众称小白龙)直接灌到作物。

在东北地区，从坐水种的车拉人担发展到半机械化，目前坐水种技术已由黑龙江省、吉林省向南逐渐推开。我国农村有小型拖拉机的农户较普遍，倡导行走式节水喷淋机灌溉对防旱抗旱将起到重要作用。

在西北地区，采取多种集雨、窖水和微灌型式，在旱地农业的基础上进行抗旱灌溉，只灌一水，增产50kg以上。如甘肃采取坡地铺地膜(333m2)，集雨约80m3，分蓄3个窖，提水微灌，粮食成倍增长。

5 结语

我国人多、地少、水缺，水资源、能源和财源不足，必须结合我国国情，发展节水农业，不能照搬国外经验，盲目追求先进。要在坚持不懈地抓好农田水利基本建设，改善农业生产条件的基础上，重视农艺节水措施，加强农、水结合，大力提高水的利用效率，同时充分利用降水，推广提高旱地农业增产技术，建设节水型的高产、优质、高效农业，将是解决我国16亿人吃饭问题的重要途径。