國(guó)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)

?

國(guó)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(guò)對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家農(nóng)業(yè)設(shè)施節(jié)水技術(shù)發(fā)展分析以及對(duì)國(guó)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(lái)農(nóng)業(yè)設(shè)施節(jié)水的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)對(duì)策。

農(nóng)業(yè)；設(shè)施節(jié)水；研究進(jìn)展

水資源一直是各個(gè)國(guó)家極其重視的戰(zhàn)略資源，特別是在一些缺水嚴(yán)重的國(guó)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(jì)活動(dòng)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(shí)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(jì)產(chǎn)出。農(nóng)業(yè)設(shè)施節(jié)水主要是通過(guò)節(jié)水灌溉設(shè)施的應(yīng)用與實(shí)施，來(lái)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(guó)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(guó)土面積約2.78萬(wàn)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(diǎn)。以色列全國(guó)降水量少且分布不均勻，全國(guó)一半以上的面積年降水不足180 mm，除每年11月至來(lái)年3月為雨季外，其余7個(gè)月都是連續(xù)干旱季節(jié)，而年際降水變化幅度也高達(dá)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(guó)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(guó)成立于1948年，建國(guó)后將水作為國(guó)家的生命線，十分重視對(duì)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(guò)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(guó)、縱橫交錯(cuò)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(jìn)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(guò)程中的滲漏和蒸發(fā)損失，使水的有效利用率達(dá)到了80%～90%，同時(shí)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(gè)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(xì)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(guò)80%的農(nóng)業(yè)土地使用滴灌方法進(jìn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制、自動(dòng)化操作。灌溉的水泵房里設(shè)有一組過(guò)濾器，過(guò)濾水中的雜質(zhì)，防止噴頭和滴管堵塞；再加設(shè)一個(gè)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(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)事先編定的程序和土壤墑情監(jiān)測(cè)反饋信息，自動(dòng)操縱水泵、閘閥進(jìn)行灌溉。過(guò)濾器內(nèi)的污物積累到一定程度后，自動(dòng)進(jìn)行沖洗。節(jié)水灌溉給農(nóng)作物提供適時(shí)適量的水、肥、營(yíng)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(guò)6 000 kg/hm2，西紅柿、茄子超過(guò)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(jìn)入了包括中國(guó)在內(nèi)的國(guó)際市場(chǎng)。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(gè)國(guó)家和地區(qū)，年產(chǎn)滴頭300多億只，年銷售額超過(guò)2億美元，占全球灌溉設(shè)備市場(chǎng)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(guó)美國(guó)農(nóng)業(yè)設(shè)施節(jié)水發(fā)達(dá)，主要體現(xiàn)在干旱缺水的中西部地區(qū)10個(gè)州都建立了完備的節(jié)水灌溉體系。全國(guó)共建設(shè)了水庫(kù)348座，泵站267座，渠道21.6萬(wàn)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(shí)，積極推廣應(yīng)用多種節(jié)水灌溉方式。目前美國(guó)80%以上的灌溉技術(shù)為噴灌技術(shù)，有固定式噴灌和移動(dòng)式噴灌，其中大多數(shù)為中軸式移動(dòng)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(dòng)力少、使用期長(zhǎng)。近年來(lái)隨著滴灌技術(shù)的不斷推廣，美國(guó)農(nóng)業(yè)滴灌面積逐年擴(kuò)大，其中最有效的為膜下滴灌。

此外，美國(guó)已經(jīng)廣泛應(yīng)用土壤水分監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)農(nóng)作物的土壤水分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)行按需灌溉。每天對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的不同土層土壤水分進(jìn)行定點(diǎn)定時(shí)測(cè)定和記錄(包括需求量和補(bǔ)給量)，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)對(duì)補(bǔ)給量進(jìn)行計(jì)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(guó)土面積760多萬(wàn)km2，人口1 800萬(wàn)。全國(guó)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(guó)沒(méi)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(wèn)題，澳大利亞政府在工農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)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(kuò)大灌溉面積24萬(wàn)hm2。另一方面，積極推廣應(yīng)用滴灌等先進(jìn)灌溉技術(shù)。近年來(lái)，由于灌溉水源緊張及長(zhǎng)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(guó)灌溉面積30.6萬(wàn)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(shì)[4-9]。

2 國(guó)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(diǎn)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?cè)餐寥罎B透性能。做法上又可分為物理機(jī)械法和化學(xué)法。前者是通過(guò)減少土壤空隙達(dá)到減少滲漏的目的；后者是摻入化學(xué)材料以增強(qiáng)渠床土壤的不透水性。②設(shè)置防滲層，即進(jìn)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(guó)外在20世紀(jì)40年代已開始應(yīng)用，中國(guó)從20世紀(jì)60年代以來(lái)發(fā)展很快，該法防滲效果好，造價(jià)較低，一般適用于流速小的渠道。20世紀(jì)70年代以來(lái)，采用了瀝青玻璃纖維等新型防滲新材料，同時(shí)在機(jī)械化施工等方面的研究和應(yīng)用也逐漸發(fā)展起來(lái)。

2.2 管道輸水通過(guò)鋪設(shè)管道來(lái)減少輸水過(guò)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(guò)壓力管道輸送到田間，再經(jīng)噴頭噴射到空中，形成細(xì)小水滴，均勻地灑落在農(nóng)田里。一般說(shuō)來(lái)，這種灌溉方式的明顯優(yōu)點(diǎn)是灌水均勻，少占耕地，節(jié)省人力，對(duì)地形的適應(yīng)性強(qiáng)；主要缺點(diǎn)是受風(fēng)影響大，設(shè)備投資高。經(jīng)過(guò)20多年的努力，現(xiàn)在我國(guó)已有噴灌面積80多萬(wàn)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(dòng)式管道噴灌、中心支軸式噴灌機(jī)、滾移式噴灌機(jī)、大型平移噴灌機(jī)、紋盤式噴灌機(jī)、中、小型噴灌機(jī)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(jià)格較高，僅被用于高附加值的經(jīng)濟(jì)作物中。近年來(lái)，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(chǎng)(以田間路面、坡面、場(chǎng)面為主)、下水溝、過(guò)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(guó)農(nóng)田這種集雨灌溉設(shè)施有幾百萬(wàn)個(gè)[10-12]。

3 未來(lái)農(nóng)業(yè)設(shè)施節(jié)水的發(fā)展趨勢(shì)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(shì)頭強(qiáng)勁。該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施可以實(shí)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(diǎn)，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(shí)、定量，浸潤(rùn)作物根系發(fā)育生長(zhǎng)區(qū)域，可滿足主要根系生長(zhǎng)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(guò)特制的控水頭，將低壓水轉(zhuǎn)化成極細(xì)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(shí)，作物不減產(chǎn)。痕量灌溉技術(shù)的核心在于控水頭(也稱無(wú)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(xì)管力對(duì)水的天然控制作用，在不耗費(fèi)任何額外能源的情況下，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、穩(wěn)定控制出水量。該項(xiàng)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(guò)電子電導(dǎo)率探針探測(cè)，獲取土壤中實(shí)時(shí)的水肥數(shù)據(jù)，按照植物的生長(zhǎng)需要及時(shí)地調(diào)整水肥配比，滿足植物的生長(zhǎng)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(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)的的應(yīng)用和推廣，對(duì)于實(shí)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池板提供能量，具有智能控制及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤溫濕度信息信息和澆灌用水的水質(zhì)信息，通過(guò)GPRS遠(yuǎn)傳到上位計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，若出現(xiàn)干旱季節(jié)土壤缺水、洪澇時(shí)導(dǎo)致地下水位過(guò)高的情況，系統(tǒng)可自動(dòng)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]。

[1] 錢正英.中國(guó)水利[M].北京：水利電力出版社，1996.

[2] 李杰，曹玉華.以色列節(jié)水農(nóng)業(yè)對(duì)我國(guó)的啟示[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2011(7)：274-275.

[3] 崔增國(guó).美國(guó)的節(jié)水農(nóng)業(yè)及啟示[J].水土保持學(xué)報(bào)，2006，26(3)：38-39.

[4] 馬學(xué)良，趙其恒，田賀紅，等.國(guó)內(nèi)外設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].節(jié)水灌溉，1999(2)：4-6.

[5] 錢蘊(yùn)壁，李英能，楊剛，等.節(jié)水農(nóng)業(yè)新技術(shù)研究[M].鄭州：黃河水利出版社，2002.

[6] 劉巽浩，牟正國(guó).中國(guó)耕作制度[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1993.

[7] 陳保蓮，王仁輝，程國(guó)香.乳化瀝青在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用[J].石油瀝青，2001，15(2)：44-47.

[8] 中國(guó)科學(xué)院地理研究所.土面增溫劑及其在農(nóng)林業(yè)上的應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1976.

[9] 牛文元，張仁華.土面增溫劑的機(jī)理與效應(yīng)[M].北京：科學(xué)出版社，1982.

[10] 王斌瑞，羅彩霞，王克勘.國(guó)內(nèi)外土壤蓄水保墑技術(shù)研究動(dòng)態(tài)[J].世界林業(yè)研究，1997(2)：37-43.

[11] 王久志.土壤結(jié)構(gòu)改良劑覆蓋改土作用的研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，1991(2)：48-55.

[12] 張堅(jiān)強(qiáng)，劉作新.化學(xué)制劑在節(jié)水農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用效果[J].灌溉排水，2001，20(3)：73-75.

[13] 楊青平，韓錦鋒.化學(xué)覆蓋技術(shù)應(yīng)用與研究進(jìn)展[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，37(2)：137-140.

[14] 楊培嶺，任樹梅.發(fā)展我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)的對(duì)策研究[J].節(jié)水灌溉，2001(2)：7-9.

[15] 李順平.新一代節(jié)水灌溉技術(shù)——痕量灌溉[J].試驗(yàn)研究，2012(7)：46-47.

[16] 趙小強(qiáng)，于燕飛，史文娟，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)節(jié)水自適應(yīng)灌溉系統(tǒng)[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，17(3)：95-97.

[17] 吳普特，牛文全.節(jié)水灌溉與自動(dòng)控制技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：12-46.

[18] 林志寧.灌溉及節(jié)水型農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究[J].甘肅水利水電技術(shù)，2002，38(1)：59-60.

[19] 王驥，沈玉立，周文靜.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能灌溉系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31(15)：94-97.

[20] 趙小強(qiáng).水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)智能環(huán)保系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程，2010，36(17)：93-94.

安徽省農(nóng)科院重點(diǎn)及新興學(xué)科培育項(xiàng)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(xiàng)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