甘肅中部地區(qū)集雨補灌生態(tài)農業(yè)綜合效應分析

趙文舉，冀 宏，范嚴偉，王立榮

(蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅蘭州730050)

甘肅中部地區(qū)光照充足、溫度適中，水分是限制農業(yè)發(fā)展最根本的自然因素。雖然年降水量僅為330 mm，但由于地域遼闊，整個地區(qū)年降水總量達400億m3，比黃河蘭州斷面全年的徑流量還多，開發(fā)利用潛力巨大[1]。因此，大力發(fā)展集雨補灌生態(tài)農業(yè)不僅能有效利用降水資源，而且有助于減輕水土流失和干旱威脅，使農業(yè)生產由被動防旱轉變?yōu)橹鲃涌购?，增強了農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力[2-5]。將集雨補灌與農作物種植管理、節(jié)水措施布設相結合，可有效化解降水與作物需水在時間上的供需錯位矛盾，保障作物在整個生長時段都處在相對良好的供水環(huán)境中，提高在有限降水條件下的糧食生產保證率，促進農業(yè)經濟結構調整和優(yōu)化，實現(xiàn)恢復和改善自然生態(tài)與穩(wěn)定農業(yè)生產的有效統(tǒng)一。

1 研究區(qū)概況

甘肅中部地區(qū)包括定西地區(qū)、蘭州市的全部以及平涼、慶陽、天水、臨夏、武威等市(州)的部分，共計22個縣(市)，總面積73 480 km2，其中耕地面積約14 780 km2。研究區(qū)旱地農業(yè)生產力低下，糧食產量僅1 800 kg/hm2，年人均糧食占有量為284 kg，分別相當于全省平均水平的73%和77%;氣候干旱、降水稀少、蒸發(fā)強烈，年均降水量為200～500 mm，年均蒸發(fā)量為1 400～2 000 mm，全年降雨次數(shù)少且多暴雨，降水量300～500 mm降水的出現(xiàn)概率為69%，200～300 mm降水的出現(xiàn)概率為9%[1]，降水時空分布不均，3—5月作物播種期和幼苗生長期降水量只占到全年降水量的18%～26%，夏季降水量約占全年降水量的25%，秋季降水多于春季。

根據(jù)對甘肅省小麥、玉米需水和平均天然降水過程的調查，作物需水與降雨時間嚴重錯位長達半年以上，僅依靠土壤蓄水不足以對降雨進行調豐補欠，也不能保障農作物的正常生長。在我國北方地區(qū)，如果在一般作物生長期中關鍵需水期(包括播種期)灌水2～3次(總灌水量15～30 m3，僅為常規(guī)灌溉定額的1/10～1/8)，對于保證產量的效果就十分明顯。依據(jù)甘肅省相關試驗結果，在作物關鍵需水期灌水，作物產量增幅會達到20% ～80%，平均40%左右[6]?？梢姡诂F(xiàn)狀降水條件下，若能通過必要的工程設施和技術手段將作物非生長期的降水攔蓄貯存，用于生長期干旱缺水時的補充灌溉，將有利于農業(yè)穩(wěn)產增收。

2 集雨補灌生態(tài)農業(yè)

2.1 集雨補灌生態(tài)農業(yè)技術體系

集雨補灌生態(tài)農業(yè)是在水保農業(yè)和徑流農業(yè)技術的基礎上，通過人工措施收集雨水并加以發(fā)展利用，它能在時間和空間兩方面實現(xiàn)降雨徑流的富集疊加，能充分發(fā)揮環(huán)境資源與水肥光熱因子的協(xié)同增效作用，從而大幅度提高農業(yè)生產力，實現(xiàn)同步緩解干旱缺水與減少水土流失的目標。集雨補灌生態(tài)農業(yè)是由集雨工程、農藝工程和管理系統(tǒng)三部分組成，通過科學集成配套和綜合開發(fā)利用形成的農業(yè)高效用水模式，能夠實現(xiàn)水土資源利用、經濟產值增加、生態(tài)環(huán)境改善和農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的綜合效益。其中:集雨工程的功能是匯集、存儲雨水和灌溉，包括降水轉化為徑流的集流過程，徑流儲存成為人工供水水源的蓄水過程，水源水轉化為田間水的輸水過程，田間水轉化為土壤有效水的灌溉過程等;農藝工程的作用是把集雨工程得到的水資源用于生產優(yōu)質高產的農產品，包括土壤水轉化為作物所需水分的生理過程、作物水轉化為實物或價值的過程等;管理系統(tǒng)要求集雨補灌生態(tài)農業(yè)作為一個相對高投入高產出的產業(yè)，不能僅僅以生產豐富的農產品為目標，而應在保障生態(tài)健康的前提下，以發(fā)展高收益且具有市場競爭力的農產品為最終目標，從而推動農業(yè)生產結構和農村經濟結構調整，促進現(xiàn)代化高效農業(yè)的發(fā)展[5，7-8]。

2.2 集雨補灌利用模式

(1)庭院、道路集雨利用模式。利用庭院、公路路面、生產道路等硬化集流面集蓄雨水，將雨水蓄存到混凝土水窖等貯水容器中，以提供農戶生活和生產用水。根據(jù)集水面的大小修建相應容積的集水窖，主要利用方式有庭院(道路)集雨+引水渠+水窖+節(jié)水農業(yè)配套技術。

(2)降水田間就近富集疊加利用模式。該模式屬于農藝耕作技術模式，主要是在田間修建小弓型土壟，在壟埂上覆蓋塑膜產流，由小壟溝接納雨水并向土壤深層入滲，以增加土壤含水量、減少水土流失、提高降水利用率、促進作物生長[7]。

(3)小流域集雨綜合利用模式。小流域集雨綜合利用模式是將集雨利用技術與小流域生態(tài)環(huán)境綜合治理有機結合，合理規(guī)劃布置溝、渠、管、路網絡，收集坡面、道路、人工集流場的徑流，集蓄在水窖、塘壩等小型蓄水設施中。集蓄的雨水主要用于發(fā)展節(jié)水林業(yè)，提高造林成活率，或直接補灌周圍低處的農田，改善農業(yè)生產條件，或利用自然落差，臨時貯存在連環(huán)澇池、小水壩或水窖內，用于緩解干旱時的用水問題。

2.3 集雨補灌途徑

集雨補灌途徑主要包括以下3種:一是采用非充分灌溉的原理和方法，在作物關鍵需水期補充水分;二是采取節(jié)水高效的局部灌溉方法，補充的灌水只濕潤作物根系土壤，可有效降低棵間蒸發(fā)(該措施可使每次灌水量降到最低，僅相當于常規(guī)地面灌溉中灌水定額的1/10～1/5);三是采用既方便又節(jié)水的方法，如坐水種、人工點灌、膜上點灌、注水灌溉等[5]。

3 集雨補灌生態(tài)農業(yè)綜合效應分析

3.1 提高農業(yè)生產力，增加農民收入

實施集雨補灌生態(tài)農業(yè)，一方面可以大幅度提高糧食產量，增加農民收入;另一方面有利于促進土地利用結構優(yōu)化和改善農村生態(tài)環(huán)境。試驗結果顯示，甘肅定西地區(qū)集雨補灌生態(tài)農業(yè)實施后提高了糧食作物的水分生產率，由補灌前的0.6～0.9 kg/m3增加到補灌后的1.2～1.8 kg/m3，主要農作物補灌效果見表1，日光溫室瓜果種植效益見表2[9]。從表1春小麥、玉米、谷子、油葵、胡麻增產情況可知，通過集雨補灌給農作物灌溉關鍵水，雖灌水量較少，但農作物產量和增產率卻有顯著提高，并且提高了水分生產率和供水效率。從增產效益來看，幾種農作物的產量均有增加，尤其胡麻增產率最高達到120.6%，增產率較低的春小麥也在10%以上;從水分生產率來看，在灌水量一定的情況下春小麥和玉米的產量較高，說明集雨補灌適用于這兩類農作物的種植，可提高雨水資源的利用率和產量;從供水效率來看，玉米和胡麻的供水效率較高，說明這兩類農作物的生長對灌溉關鍵水比較敏感。由表2知，將集雨補灌與溫室種植結合可以顯著提高瓜果的水分利用效率、供水效率和每噸水的產值。從供水量、產量和水產值綜合分析知，首先西瓜的耗水量最小，但水產值最大，達到240元/t;其次是甜瓜，水產值為200元/t;最后是西紅柿，水產值較低，這說明在集雨補灌條件下的溫室中更適于種植西瓜，可明顯提高水產值和農業(yè)生產力。

表1 主要農作物集雨補灌效果對比

表2 果瓜溫室種植效益對比

還有研究表明，在旱地梨園采用地下滴灌每公頃供水1 125 m3，增產率可達到57.3% ～166.7%，平均每立方米補灌水產出鮮果5 kg，每公頃可實現(xiàn)純經濟收入7.5萬～12.0萬元[9];于法穩(wěn)等在甘肅榆中調查時發(fā)現(xiàn)，發(fā)展集雨補灌生態(tài)農業(yè)不僅能使糧食產量大幅度增加，而且能增加作物種植種類[10]。綜上，發(fā)展集雨補灌生態(tài)農業(yè)可緩解雨水資源缺乏與農作物生長需水之間供需錯位的矛盾，可大幅提高農業(yè)生產力，促進現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展。

3.2 改善生態(tài)環(huán)境，減少水旱災害

集雨補灌生態(tài)農業(yè)實施后能夠顯著改善作物和林木的生長環(huán)境，增加林草覆蓋率，起到攔截徑流、減輕土壤侵蝕、防止河道發(fā)生洪水或泥沙淤積的作用，從而實現(xiàn)涵養(yǎng)水源、調節(jié)氣候、改善環(huán)境的目標，促進生態(tài)環(huán)境趨向良性循環(huán)。把集雨補灌和小流域綜合治理相結合可有效減輕水土流失，如治理后定西地區(qū)每年可攔蓄泥沙4 373萬t，攔蓄徑流11 127萬m3，土壤侵蝕模數(shù)已由 6 820 t/(km2·a)減少到1 910 t/(km2·a)[7，11]。

3.3 改良土壤理化性質，提高土壤肥力

各種雨水利用措施下的土壤理化性質和有機質、氮、磷、鉀含量都有不同程度的改善和增加，不僅提高了土地生產力，而且減少了化肥施用量，保護了土壤和水環(huán)境。同時，植物措施能夠改善土壤團粒結構和物理性狀，增強土壤的抗蝕性和可滲透性。例如，定西水保所在高泉溝流域的試驗表明，與20°坡地相比，梯田有機質增加了62.25%，全磷增加了5.97%，速效氮增加了19.15%，速效磷增加了16.67%[12]。

3.4 發(fā)揮社會效益，改善農村人居環(huán)境

集雨工程建設不僅解決了農戶人畜飲水困難，而且為庭院蔬菜種植與家庭清潔衛(wèi)生提供了用水保證，改善了農村居住環(huán)境和文化衛(wèi)生條件。集雨補灌技術改善了農業(yè)基礎設施，提高了土地和勞動生產率，增強了旱作農業(yè)科技水平、綜合生產能力及抗旱減災能力，調整了土地利用結構和農村生產結構，推進了特色種植、畜牧養(yǎng)殖等優(yōu)勢產業(yè)發(fā)展，形成了較科學合理的農業(yè)產業(yè)結構，增加了就業(yè)機會，提高了人們生活水平，為改善生態(tài)環(huán)境、緩解人地矛盾、實現(xiàn)農業(yè)增效、農民增收和加快社會主義新農村建設奠定了基礎。此外，集雨工程的社會效益還包括減少用水糾紛，改善鄰里之間的關系，穩(wěn)定社會秩序，促進人與自然和諧等。

4 結語

甘肅中部地區(qū)氣候干旱，水資源時空分布不均，水分供需嚴重錯位，降水多以暴雨、陣雨的形式出現(xiàn)，汛期多發(fā)生超滲產流，使有限的水資源難以得到合理配置;土地資源多以坡地為主，植被稀少，水土流失和干旱嚴重，農業(yè)生產水平較低。因此，在甘肅中部地區(qū)大力發(fā)展集雨補灌生態(tài)農業(yè)不僅能有效地利用有限的降水資源，而且有助于減輕水土流失和干旱威脅，使農業(yè)由被動適應防旱轉變?yōu)橹鲃涌购?，增強農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力。集雨補灌生態(tài)農業(yè)是甘肅中部半干旱區(qū)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一種綜合模式和戰(zhàn)略性措施，是現(xiàn)代節(jié)水農業(yè)技術體系和水土保持生態(tài)建設技術體系的重要組成部分，也是兼顧經濟、生態(tài)和社會三大效益的農業(yè)可持續(xù)發(fā)展模式。

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