農(nóng)業(yè)綠色高效節(jié)水研究現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢

陸紅娜，康紹忠，杜太生，佟 玲，丁日升，李思恩

（中國農(nóng)業(yè)大學中國農(nóng)業(yè)水問題研究中心，北京100083）

0 引言

水資源緊缺是一個世界性的問題，農(nóng)業(yè)是最主要的水資源消耗部門。農(nóng)業(yè)用水占全球總用水量的70%，在一些非洲和亞洲國家，農(nóng)業(yè)用水比例高達85%～90%，因此水資源高效利用的核心是農(nóng)業(yè)水資源高效利用。人口增長、資源短缺、生態(tài)環(huán)境惡化及社會經(jīng)濟迅速發(fā)展的新形勢給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水帶來新的要求和挑戰(zhàn)。農(nóng)業(yè)綠色高效節(jié)水是新時代保障國內(nèi)食物安全、農(nóng)產(chǎn)品有效供給和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。

1 中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的新形勢

未來20年是中國社會經(jīng)濟提質(zhì)增效、轉(zhuǎn)型升級的重要時期，迫切需要依靠科技創(chuàng)新培育發(fā)展新動力。堅持走產(chǎn)出高效、產(chǎn)品安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展道路，發(fā)展生態(tài)綠色高效安全的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)，確保糧食安全、主要農(nóng)產(chǎn)品的有效供給和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的永恒主題。2035年國內(nèi)人口數(shù)量將超過15億，人口增加給農(nóng)產(chǎn)品供給提出了更高的要求，屆時糧食需求量預(yù)計達7億t[1]，耕地面積逼近1.2億hm2“紅線”，在水資源極度短缺及農(nóng)業(yè)環(huán)境嚴重污染的背景下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨更大挑戰(zhàn)。

國內(nèi)水資源總量為2.81萬億m3，人均約2100 m3，僅占世界平均水平的28%。水資源時空分布不均，呈現(xiàn)年內(nèi)分配集中、年際變化大；南多北少、東多西少；水土資源不匹配等特點。水資源緊缺且時空分布不均，加之氣候變化（主要指氣候變暖），導致國內(nèi)極端氣候災(zāi)害頻發(fā)。國內(nèi)5種主要氣象災(zāi)害每年均有發(fā)生，平均每年發(fā)生干旱災(zāi)害7.5次、干熱風1.5次、洪澇災(zāi)害5.9次、臺風災(zāi)害7.0次、凍害2.9次[2]。每年氣象災(zāi)害造成農(nóng)作物受災(zāi)面積平均為5000萬hm2，其中干旱和洪澇受災(zāi)面積分列第一、二位，占總受災(zāi)面積的60%～70%[3]。氣候變化與極端氣候災(zāi)害頻發(fā)使農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)能力提升成為當務(wù)之急。

國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的比較效益逐年減小。2006—2013年，大米、小麥、玉米、大豆、棉花生產(chǎn)成本增加70%～90%，2014年主要農(nóng)產(chǎn)品的國內(nèi)價格開始明顯高于國外農(nóng)產(chǎn)品到岸完稅價格，農(nóng)產(chǎn)品價格出現(xiàn)倒掛。價格驅(qū)動型進口不斷增加，對國內(nèi)農(nóng)業(yè)造成的沖擊難以避免。法國、美國、以色列等發(fā)達國家的農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率是中國的近100倍。激烈的國際競爭對加快轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式提出了新的要求。推進農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)深度調(diào)整，提高農(nóng)產(chǎn)品和食品質(zhì)量水平，延伸農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，促進農(nóng)村一二三產(chǎn)業(yè)融合。專業(yè)大戶、家庭農(nóng)場、農(nóng)業(yè)合作社、龍頭企業(yè)等國內(nèi)新型經(jīng)營主體中，家庭農(nóng)場最終將成為國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的主要經(jīng)營主體。產(chǎn)業(yè)融合和新型經(jīng)營主體將催生新的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)革命。

2015年，國內(nèi)農(nóng)業(yè)科技進步貢獻率超過56%，標志著農(nóng)業(yè)發(fā)展已從過去主要依靠增加資源要素投入轉(zhuǎn)入主要依靠科技進步的新時期，但這與發(fā)達國家仍有很大差距。發(fā)達國家農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、組織化、合作化、規(guī)?；潭群芨撸瑢崿F(xiàn)了以機械化、良種化、化學化、電氣化、信息化等為主要內(nèi)容的全面農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)面臨全球化、市場化、互聯(lián)網(wǎng)化、綠色化的趨勢，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和技術(shù)的現(xiàn)代化以及農(nóng)業(yè)組織管理的現(xiàn)代化推動新的農(nóng)業(yè)科技革命，并引領(lǐng)農(nóng)業(yè)向資源替代、技術(shù)提升、領(lǐng)域拓展、節(jié)本提質(zhì)增效的綠色可持續(xù)農(nóng)業(yè)方向發(fā)展。產(chǎn)出高效、產(chǎn)品安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是當今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的重大趨勢。

氣候智慧農(nóng)業(yè)成為新的農(nóng)業(yè)發(fā)展理念和目標。近年來，“氣候智慧型農(nóng)業(yè)”(Climate Smart Agriculture)又開始成為新的農(nóng)業(yè)發(fā)展理念和目標。FAO于2010年提出后已經(jīng)受到國際社會普遍關(guān)注，世界銀行、歐盟委員會、美國和加拿大農(nóng)業(yè)部等都開始制訂相關(guān)政策和項目計劃。2015年美國牽頭成立國際氣候智慧型農(nóng)業(yè)聯(lián)盟。氣候智慧型農(nóng)業(yè)充分考慮了應(yīng)對糧食安全和氣候變化挑戰(zhàn)的經(jīng)濟、社會、環(huán)境等復雜性，通過發(fā)展技術(shù)，改善政策和投資環(huán)境，實現(xiàn)“三贏”，即保持農(nóng)業(yè)發(fā)展和生產(chǎn)能力、增強氣候變化適應(yīng)能力、實現(xiàn)固碳減排。

近年來，中央對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提出了新的目標和要求。中共中央十八大首次將生態(tài)文明建設(shè)提升為國家戰(zhàn)略，已經(jīng)形成了以生態(tài)文明建設(shè)為核心推動社會經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的大環(huán)境。“十三五”規(guī)劃綱要提出了創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的新發(fā)展理念。以2015年中央一號文件為主要標志，國內(nèi)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展開始啟動。農(nóng)業(yè)必須盡快從主要追求產(chǎn)量和依賴資源消耗的粗放經(jīng)營轉(zhuǎn)到數(shù)量和質(zhì)量效益并重、注重提高競爭力、注重農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新、注重可持續(xù)發(fā)展上來。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域陸續(xù)出臺關(guān)于農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、發(fā)展方式轉(zhuǎn)變與可持續(xù)發(fā)展、化肥農(nóng)藥零增長、農(nóng)業(yè)補貼調(diào)整等系列政策文件。中央全面深化改革領(lǐng)導小組第二十九次會議審議通過《建立以綠色生態(tài)為導向的農(nóng)業(yè)補貼制度改革方案》：“從制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要領(lǐng)域和關(guān)鍵環(huán)節(jié)入手，突出綠色生態(tài)導向，加快推動落實相關(guān)農(nóng)業(yè)補貼政策改革，……，把政策目標由數(shù)量增長為主轉(zhuǎn)到數(shù)量質(zhì)量生態(tài)并重上來?！薄度珖N植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃（2016—2020年）》提出：“構(gòu)建糧經(jīng)飼統(tǒng)籌、農(nóng)牧結(jié)合、種養(yǎng)加一體、一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展的格局，走產(chǎn)出高效、產(chǎn)品安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化道路?！?017年中央一號文件《中共中央、國務(wù)院關(guān)于深入推進農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，加快培育農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展新動能的若干意見》提到：“優(yōu)化產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，著力推進農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效；推行綠色生產(chǎn)方式，增強農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力。深入推進化肥農(nóng)藥零增長行動，開展有機肥替代化肥試點，促進農(nóng)業(yè)節(jié)本增效。大規(guī)模實施農(nóng)業(yè)節(jié)水工程。把農(nóng)業(yè)節(jié)水作為方向性、戰(zhàn)略性大事來抓?！绷暯娇倳浽谥泄仓醒胧糯蟮膱蟾嬷兄赋?，建設(shè)生態(tài)文明是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計，必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策，像對待生命一樣對待生態(tài)環(huán)境。

縱觀中國農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的新形勢，發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高效節(jié)水是保障國內(nèi)食物安全、水安全、生態(tài)安全及整個國家安全的重大戰(zhàn)略，是適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變、助力農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的迫切要求，是促進農(nóng)業(yè)節(jié)本提質(zhì)增效、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)綠色發(fā)展的關(guān)鍵所在。

2 國內(nèi)外農(nóng)業(yè)高效節(jié)水研究熱點與發(fā)展態(tài)勢

全球人口每年預(yù)計增加8000萬，每年增加的水資源需求量達640億m3。預(yù)計到2025年，世界上2/3的人口將面臨水資源短缺。高度依賴灌溉農(nóng)業(yè)的旱區(qū)（非洲、南亞和中國北方）將出現(xiàn)嚴重缺水。糧食需求與農(nóng)業(yè)可供水量的矛盾是世界性問題，2030年世界人口總量將達83億，糧食需求達30億t，按現(xiàn)有用水效率計算，農(nóng)業(yè)灌溉用水將增加36%（現(xiàn)有2810 km3），缺口達1012 km3，水資源短缺已成為全球食物安全的主要制約因素[4]。

Joshua Elliott等[5]在《PNAS》發(fā)文指出，未來全球變化背景下保障糧食安全將需要更多的灌溉用水。Mueller Nathaniel D等[6]在《Nature》發(fā)文指出，同等條件下通過水肥科學管理，作物產(chǎn)量可提高30%。變化環(huán)境下的農(nóng)業(yè)高效用水已成為國際相關(guān)研究領(lǐng)域的熱點，多個國家及國際組織啟動了該領(lǐng)域的重大研究計劃。美國建立了多部門聯(lián)合資助的食物-能源-水資源研究平臺，其中作物高效用水是重要的主題，美國國家自然基金委2016年為該計劃投入7500萬美元。美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局(United States Department of Agriculture-Agricultural Research Service)啟動了農(nóng)業(yè)水管理國家重大研發(fā)計劃，旨在研究提高農(nóng)業(yè)用水效率及發(fā)展新的灌溉技術(shù)，項目實施地點覆蓋18個州，該項目成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域17項重大研究計劃之一，主要任務(wù)是開展提升農(nóng)業(yè)用水效率、保障生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用基礎(chǔ)研究以及研發(fā)新一代農(nóng)業(yè)高效用水及管理技術(shù)。德國聯(lián)邦食品、農(nóng)業(yè)和消費者保護部(Federal Ministry of Food,Agriculture and Consumer Protection)牽頭啟動了農(nóng)業(yè)高效用水相關(guān)研究計劃，以提高農(nóng)產(chǎn)品和食品價值鏈的水資源利用效率，實現(xiàn)可持續(xù)管理。國際農(nóng)業(yè)研究咨詢聯(lián)盟(Consultative Group on InternationalAgricultural Research)的“挑戰(zhàn)計劃”(Challenge Programs)在世界七大典型流域?qū)嵤?，包括提高農(nóng)作物水利用效率、流域上游水的多種利用、水生態(tài)系統(tǒng)、流域水綜合管理、全球和國家的糧食-水系統(tǒng)等研究內(nèi)容，重點關(guān)注農(nóng)業(yè)資源利用與環(huán)境影響方面的科學問題。

縱觀上述國際研究計劃，近期農(nóng)業(yè)高效用水國內(nèi)外研究熱點在于作物高效用水機理及耗水對變化環(huán)境響應(yīng)、農(nóng)業(yè)用水精量控制與調(diào)配、農(nóng)業(yè)灌溉用水的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)等方面。

2.1 作物高效用水機理及耗水對變化環(huán)境的響應(yīng)

作物高效用水是農(nóng)業(yè)高效用水的核心與基礎(chǔ)。國內(nèi)外對作物高效用水的研究在其生理生態(tài)學機制、量化描述及調(diào)控技術(shù)方面取得了重要進展[7-8]。

基于作物生命需水過程的節(jié)水理論成為國內(nèi)外研究的熱點，主要包括基于氣孔調(diào)節(jié)和滲透調(diào)節(jié)的生命需水對干旱脅迫響應(yīng)。研究表明，在干旱脅迫下作物根系能夠產(chǎn)生植物激素ABA，以調(diào)節(jié)氣孔開度，在保證植株體內(nèi)水分情況下盡可能降低作物葉片的奢侈蒸騰。滲透調(diào)節(jié)即作物通過增加細胞溶質(zhì)濃度、降低滲透勢、維持膨壓及細胞張力等，增強作物的抗旱能力。此外，作物復水后的補償生長也是作物高效用水理論的熱點。作物對干旱逆境引起的損失具有一定的彌補作用，在生理生態(tài)功能上得到一定程度的恢復或加強，表現(xiàn)出補償作用，這是作物抵御干旱逆境的一種調(diào)節(jié)機制[9]。

作物用水過程的量化表征是實現(xiàn)作物高效用水調(diào)控的重要基礎(chǔ)[10]。以植物生理為基礎(chǔ)，逐漸加深了對葉片尺度光合-氣孔-蒸騰耦合機理的認識，研究發(fā)現(xiàn)太陽輻射是葉片內(nèi)部物理過程的驅(qū)動力，影響氣孔調(diào)控水分的程度，并揭示了其過程與環(huán)境因子的關(guān)系，從而發(fā)展出氣孔-光合-蒸騰的作物生理學模型[11]；土壤—植物—大氣連續(xù)體(SPAC)中水分是最活躍的因素，而蒸發(fā)蒸騰量是SPAC水分運動中最重要的環(huán)節(jié)。采用同位素示蹤技術(shù)發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)蒸騰是陸地表面最大的水分通量，占總水分的80%～90%[12]。在深入探討SPAC水分傳輸與轉(zhuǎn)化過程的基礎(chǔ)上，對于葉氣界面，形成了以水汽擴散理論與能量平衡為基礎(chǔ)的耗水計算方法；對于根土界面，建立了逆境脅迫條件下作物根系吸水模型；對于作物尺度，作物生長模型已成為研究作物水分關(guān)系的重要工具。

氣候變化對作物耗水及生產(chǎn)的影響已成為國際研究的熱點。研究發(fā)現(xiàn)全球變化使得土壤水分減少，導致陸地蒸散發(fā)有減小的趨勢[13]。目前，可采用自由空氣濃縮技術(shù)(Free-air Concentration Enrichment Technology)研究氣候變化（T、CO2濃度升高）對作物耗水和產(chǎn)量的影響[14]。

2.2 農(nóng)業(yè)用水精量調(diào)配與控制

在農(nóng)田灌水方面，目前多以水量平衡為核心，實現(xiàn)精細灌溉，減少滲漏損失。各類微灌技術(shù)已在全球得到廣泛應(yīng)用。近年來，利用植物生理特性改進植物水分利用策略的研究引起了國內(nèi)外的關(guān)注，包括限水灌溉、非充分灌溉、調(diào)虧灌溉、分根區(qū)交替灌溉等由傳統(tǒng)的豐水高產(chǎn)型灌溉轉(zhuǎn)向節(jié)水優(yōu)產(chǎn)型灌溉，對提高水的利用效率起到了積極作用。特別是近期發(fā)展的分根區(qū)交替灌溉成為一種干旱區(qū)全新的節(jié)水灌溉技術(shù)，目前該方面的研究已從技術(shù)層面轉(zhuǎn)向?qū)C理的揭示[15]。最近幾年，以作物最優(yōu)生態(tài)為目標的生境過程協(xié)同調(diào)控技術(shù)研究成為國際上作物高效用水技術(shù)的新熱點，通過充分提高根區(qū)水土肥氣熱對作物生長的協(xié)同效應(yīng)，形成實用的綜合調(diào)控技術(shù)[16]。

在區(qū)域配水方面，高新技術(shù)在農(nóng)業(yè)高效用水現(xiàn)代化管理中的應(yīng)用日益廣泛。在灌區(qū)用水管理中，各種預(yù)測技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)和灌溉用水計算機管理系統(tǒng)已在全球大面積應(yīng)用，灌區(qū)的灌溉用水實現(xiàn)了由靜態(tài)用水向動態(tài)用水的轉(zhuǎn)變，為提高灌區(qū)水資源利用率提供了技術(shù)保障?？蓪崿F(xiàn)灌溉優(yōu)化輸配水的全過程控制技術(shù)得到了發(fā)展[17]。揭示灌區(qū)輸配水（大時滯網(wǎng)絡(luò)）系統(tǒng)的動力響應(yīng)機理，建立動力響應(yīng)模擬模型，利用水聯(lián)網(wǎng)云計算方法，探索模擬優(yōu)化機制與過程控制方法，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水精準調(diào)配的科學保障。

以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)、云計算、空間信息技術(shù)和智能裝備等新一代信息技術(shù)為支撐和引領(lǐng)的智慧灌溉技術(shù)成為國際灌溉技術(shù)發(fā)展前沿。根據(jù)作物產(chǎn)量與品質(zhì)和土壤性質(zhì)以及管理措施的空間變化規(guī)律，采用先進技術(shù)監(jiān)測土壤墑情及養(yǎng)分，實現(xiàn)作物時空變量灌溉施肥，提高作物灌溉施肥精準程度，已成為現(xiàn)代精準灌溉的發(fā)展趨勢。在融合土壤水肥信息實時監(jiān)測信息及基于光譜分析技術(shù)與機器視覺技術(shù)的作物生長信息基礎(chǔ)上，實現(xiàn)變量灌溉施肥的自動化、智能化[18]。低能量精確灌溉(LEPA)受到廣泛關(guān)注，太陽能等清潔能源在灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用受到重視。

2.3 農(nóng)業(yè)灌溉用水的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

灌溉對農(nóng)業(yè)局部氣候的影響機制及互饋作用已成為國際研究的熱點，有研究表明長期灌溉使得局部氣候變冷，從而導致潛在蒸散發(fā)減少，引起農(nóng)業(yè)灌溉需水及生態(tài)環(huán)境發(fā)生改變[19]。農(nóng)業(yè)節(jié)水導致的農(nóng)田水循環(huán)改變對農(nóng)區(qū)地表生態(tài)環(huán)境有明顯的影響。已有研究表明，渠道襯砌使得渠床四周土壤水分減少，植物多樣性降低。在灌區(qū)及區(qū)域尺度，農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉引起了區(qū)域水循環(huán)的改變，導致地下水位下降。長期農(nóng)業(yè)節(jié)水引發(fā)土壤次生鹽漬化等問題。采用多尺度水循環(huán)耦合模型研究作物用水對區(qū)域生態(tài)的影響，探討灌溉的可持續(xù)性已成為國際熱點問題[20]。水碳氮過程決定區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的分布，氣候變化及灌溉條件下區(qū)域水碳氮耦合過程的定量化描述及農(nóng)業(yè)水生產(chǎn)力的估算是目前國際研究的方向[21]。

2.4 農(nóng)業(yè)高效節(jié)水研究的發(fā)展趨勢

由單純地考慮作物水分產(chǎn)量關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榭紤]水分與產(chǎn)量、品質(zhì)的耦合作用，由作物水分-產(chǎn)量關(guān)系研究深入到作物水分-產(chǎn)量-品質(zhì)關(guān)系研究，由研究水量對產(chǎn)量的影響到更重視水對品質(zhì)的影響；在水源上，從僅考慮資源型缺水到同時重視水質(zhì)性缺水；在研究過程中考慮農(nóng)業(yè)環(huán)境、生態(tài)、景觀平衡，注重生態(tài)灌區(qū)建設(shè)、農(nóng)村水環(huán)境與生態(tài)保護。

農(nóng)業(yè)水循環(huán)及其伴生的多尺度水熱碳氮鹽及生態(tài)環(huán)境過程影響農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，相關(guān)過程已從定性研究逐漸向定量研究方向發(fā)展，已從單一的農(nóng)田水循環(huán)逐漸擴展到渠系、灌區(qū)及流域尺度。以流域尺度水轉(zhuǎn)化與消耗規(guī)律為基礎(chǔ)，應(yīng)用分布式水循環(huán)模型與植物水生產(chǎn)模擬模型，進行流域尺度面向生態(tài)的水資源科學配置與調(diào)控，進行基于水循環(huán)和生態(tài)需水的流域尺度農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水潛力評價及節(jié)水措施科學布局，建立節(jié)水、高效和對環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)與生態(tài)高效用水模式并示范推廣，在此基礎(chǔ)上，進行區(qū)域節(jié)水的水土環(huán)境效應(yīng)評價，為深入進行流域尺度水資源轉(zhuǎn)化過程與節(jié)水調(diào)控研究提供依據(jù)。

從農(nóng)業(yè)用水單一環(huán)節(jié)的研究，轉(zhuǎn)向為充分考慮輸配水與水轉(zhuǎn)化過程、水分消耗過程、光合產(chǎn)物與經(jīng)濟產(chǎn)量形成過程等農(nóng)業(yè)用水多環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性耦合研究。由僅關(guān)注農(nóng)業(yè)水效率形成的單過程、單要素驅(qū)動作用研究，逐漸轉(zhuǎn)向綜合考慮作物光合、農(nóng)田耗水、田間灌水等多過程耦合和水、土、肥、氣、熱等多要素協(xié)同作用研究，實現(xiàn)多過程及多要素對農(nóng)田水效率的協(xié)同提升是重要研究方向。

由靜態(tài)農(nóng)業(yè)用水供需平衡分析，轉(zhuǎn)向動態(tài)農(nóng)業(yè)水循環(huán)與生態(tài)格局演變物理關(guān)系分析，實現(xiàn)考慮生態(tài)健康的水資源動態(tài)調(diào)配。

加強農(nóng)業(yè)節(jié)水對生態(tài)環(huán)境和生產(chǎn)的影響研究，結(jié)合國內(nèi)低碳經(jīng)濟發(fā)展方式，考慮清潔能源的利用，對陳舊落后的井灌設(shè)備進行技術(shù)改造等，以適應(yīng)節(jié)能減排的發(fā)展導向。

3 中國農(nóng)業(yè)高效節(jié)水發(fā)展存在的問題

灌溉用水效率低、高效節(jié)水灌溉發(fā)展緩慢和管理手段落后是國內(nèi)農(nóng)業(yè)高效節(jié)水亟需解決的重點問題。2015年底，國內(nèi)灌溉面積達7207萬hm2，其中農(nóng)田有效灌溉面積6587萬hm2，包括高效節(jié)水的噴微灌面積900萬hm2，噴微灌面積居世界第二位。2010—2015年噴微灌面積每年新增100萬hm2，增速居世界第一位，但噴微灌面積僅占灌溉總面積的13.6%，加之高效節(jié)水灌溉技術(shù)與農(nóng)藝技術(shù)不配套、灌溉用水缺乏科學調(diào)配與精量控制、區(qū)域灌溉水配置沒有與作物需水相匹配等問題，導致國內(nèi)的灌溉用水效率低、高效節(jié)水技術(shù)發(fā)展緩慢等。全國范圍內(nèi)灌溉水有效利用系數(shù)為0.536，與先進國家普遍達到的0.7～0.8還有差距，國內(nèi)灌溉水利用率仍存在一定的上升空間。

新時期，農(nóng)業(yè)綠色高效節(jié)水發(fā)展還面臨農(nóng)業(yè)節(jié)水補償機制未形成，土地分散經(jīng)營模式限制高效節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用，重節(jié)水工程建設(shè)、輕工程管理，缺乏經(jīng)濟、可靠、耐用、適應(yīng)性廣的先進實用技術(shù)，節(jié)水科技推廣與技術(shù)服務(wù)體系不完善，農(nóng)業(yè)節(jié)水試驗與監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)滯后，缺乏變化環(huán)境下節(jié)水的基礎(chǔ)性研究工作等瓶頸。

4 推進中國農(nóng)業(yè)綠色高效節(jié)水發(fā)展的建議

針對上述問題和瓶頸，國內(nèi)農(nóng)業(yè)高效節(jié)水應(yīng)做到“四個轉(zhuǎn)變”、“四個完善”和“一個加強”，即由單一節(jié)水灌溉技術(shù)向與農(nóng)藝技術(shù)相結(jié)合轉(zhuǎn)變，由單一高效節(jié)水向節(jié)水節(jié)肥節(jié)藥一體化轉(zhuǎn)變，由單一節(jié)水高產(chǎn)向節(jié)水提質(zhì)高效轉(zhuǎn)變，由重視節(jié)水面積數(shù)量向重視工程質(zhì)量和效益轉(zhuǎn)變；完善節(jié)水科技推廣與技術(shù)服務(wù)體系，完善農(nóng)業(yè)節(jié)水試驗與用水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，完善農(nóng)業(yè)節(jié)水補償機制，完善節(jié)水產(chǎn)品市場準入機制；加強變化環(huán)境下農(nóng)業(yè)高效節(jié)水的科學研究工作。

4.1 中國農(nóng)業(yè)綠色高效節(jié)水發(fā)展應(yīng)實現(xiàn)“四個轉(zhuǎn)變”

4.1.1 由單一節(jié)水灌溉技術(shù)向與農(nóng)藝技術(shù)相結(jié)合轉(zhuǎn)變節(jié)水高效農(nóng)業(yè)的核心是通過集成多種措施最大限度減少輸水、配水、灌水及作物耗水過程中的水損失，充分提高灌溉水利用率和水生產(chǎn)率，獲得最佳經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益。僅僅只有工程的完善，而沒有農(nóng)藝技術(shù)的集成和科學的管理，輸送到農(nóng)田的水分效益無法發(fā)揮。農(nóng)藝節(jié)水是一種低成本的長效節(jié)水措施，發(fā)展高效節(jié)水灌溉，一定要與農(nóng)藝技術(shù)結(jié)合好，農(nóng)藝方面也要主動適應(yīng)發(fā)展高效節(jié)水帶來的新需求。

2012—2014 年，筆者在甘肅石羊河實驗站進行了不同種植密度下制種玉米產(chǎn)量和水分利用效率研究，結(jié)果表明，制種玉米在每公頃達到12.75萬株時，總產(chǎn)量和水分利用效率最高（表1～2）。在種植密度有很大提升的情況下，如何科學控制植株的高度、群體結(jié)構(gòu)、葉片形狀等，使光和水肥的利用效率最大化，是農(nóng)藝方面值得研究的課題。

4.1.2 由單一高效節(jié)水向節(jié)水節(jié)肥節(jié)藥一體化轉(zhuǎn)變 水肥藥一體化是利用管道灌溉系統(tǒng)，把肥料和農(nóng)藥按照作物需要量溶解在灌溉水中，由灌溉管道帶到田間每一株作物上，適時、適量地滿足農(nóng)作物對水分、養(yǎng)分和農(nóng)藥的需要，實現(xiàn)水肥藥同步管理和高效利用的節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)。優(yōu)點在于節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)藥，省工、省力、省心，增產(chǎn)、增收、增效。水肥藥一體化可實現(xiàn)渠道輸水向管道輸水變化、澆地向給作物供水變化、土壤施肥向作物施肥變化、農(nóng)田打藥向作物用藥變化、分開施用向水肥藥耦合變化、單一技術(shù)向綜合管理變化、傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)變化，它是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重大技術(shù)，更是“資源節(jié)約、環(huán)境友好”的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的“一號技術(shù)”。

表1 制種玉米種植密度試驗處理

表2 不同種植密度下制種玉米產(chǎn)量和水分利用效率

筆者在甘肅河西走廊民勤縣進行了玉米水肥一體化試驗研究，根據(jù)實測數(shù)據(jù)和農(nóng)戶調(diào)研資料，結(jié)合中國農(nóng)業(yè)大學石羊河實驗站內(nèi)的試驗結(jié)果，甘河西走廊黃羊河農(nóng)場實際生產(chǎn)中還有很大的節(jié)水節(jié)肥潛力。根據(jù)研究結(jié)論所得的推薦灌水施肥用量，相比實際用量，可節(jié)水1935 m3/hm2、節(jié)肥109.5 kg/hm2（折純量），水分利用效率可提高76%（表3）。

4.1.3 由單一節(jié)水高產(chǎn)向節(jié)水提質(zhì)高效轉(zhuǎn)變 由以土壤水平衡為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)充分灌溉，轉(zhuǎn)向綜合考慮作物生理補償、冗余控制、根冠通迅、控水調(diào)質(zhì)的基于作物生命需水信息和SPAC定量調(diào)控的節(jié)水調(diào)質(zhì)高效灌溉理論研究。依據(jù)作物水分-產(chǎn)量-品質(zhì)-效益耦合關(guān)系與節(jié)水優(yōu)質(zhì)高效多目標決策方法，設(shè)計與控制作物需水過程，達到節(jié)水、優(yōu)質(zhì)、高效的綜合目標。建立考慮有限水優(yōu)化分配、時空虧缺調(diào)控灌溉和多要素協(xié)同控水調(diào)質(zhì)的作物節(jié)水調(diào)質(zhì)高效灌溉技術(shù)與決策支持系統(tǒng)，形成不同區(qū)域與不同作物的節(jié)水調(diào)質(zhì)高效灌溉技術(shù)應(yīng)用模式。

通過對不同水分條件與灌溉模式下作物外觀品質(zhì)、風味品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)、貯運品質(zhì)和加工品質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測，分析不同品質(zhì)參數(shù)對不同生育階段水分的響應(yīng)關(guān)系，建立不同作物的單一品質(zhì)參數(shù)對水分的響應(yīng)函數(shù)；應(yīng)用主成分分析、層次分析等方法從所有品質(zhì)參數(shù)中針對不同作物特點優(yōu)選出水分敏感型品質(zhì)指標；通過市場調(diào)查、專家打分，并應(yīng)用模糊數(shù)學方法確定不同水分敏感型品質(zhì)參數(shù)的權(quán)重，提出不同作物的綜合品質(zhì)評價指標；建立作物水分-產(chǎn)量-品質(zhì)耦合模型。

陳金亮[22]通過分析日光溫室番茄產(chǎn)量、各單項品質(zhì)指標和綜合品質(zhì)指數(shù)與番茄全生育期耗水量以及各生育階段相對水分虧缺的相關(guān)關(guān)系，建立了溫室番茄水分-產(chǎn)量-品質(zhì)經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，得到了番茄產(chǎn)量和品質(zhì)與水分的定量關(guān)系。根據(jù)番茄果實糖分代謝特點，基于SUGAR模型建模思想建立模擬番茄果實生長過程中糖分代謝變化的糖分機理模型（TOM-SUGAR模型），可模擬不同果實負載量條件下番茄果實生長過程糖分累積變化。將番茄果實生長模型與糖分模型相結(jié)合，構(gòu)建了番茄果實生長和糖分耦合模型，實現(xiàn)了不同水分供應(yīng)下番茄果實生長及糖分變化耦合模擬，耦合模型能夠較好地模擬充分灌溉和水分虧缺條件下番茄果實干重和鮮重增長過程，以及果實可溶性糖和淀粉含量的變化。并基于水分-產(chǎn)量-品質(zhì)經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建了綜合考慮產(chǎn)量和品質(zhì)的優(yōu)化灌溉決策方法，獲得了溫室番茄節(jié)水調(diào)質(zhì)優(yōu)化灌溉制度。

表3 黃羊河農(nóng)場玉米滴灌水肥實際用量與推薦用量比較

4.1.4 由重視節(jié)水面積數(shù)量向重視工程質(zhì)量和效益轉(zhuǎn)變“十二五”期間，國家加快農(nóng)村水利建設(shè)步伐，到2015年底，國內(nèi)建成大中型灌區(qū)7700余處、小型農(nóng)田水利工程2200余萬處，節(jié)水灌溉工程面積達3107萬hm2，其中高效節(jié)水灌溉面積1793萬hm2，但一些大中型灌區(qū)建設(shè)或改造標準不高，農(nóng)田水利“最后一公里”問題依然突出[23]。目前有91%的灌區(qū)采用地面灌水技術(shù)，在一些自流灌區(qū)，大水漫灌現(xiàn)象仍然常見。農(nóng)業(yè)用水方式粗放，水資源不足與灌溉用水浪費并存。

當前，應(yīng)繼續(xù)加強灌區(qū)現(xiàn)代化改造力度，加大農(nóng)田水利工程建設(shè)投入力度，由僅重視節(jié)水面積數(shù)量向重視工程質(zhì)量和效益轉(zhuǎn)變。避免盲目建設(shè)導致使用效率不高、管理不完善、現(xiàn)代化水平低、重復投入等問題。農(nóng)業(yè)節(jié)水工程的發(fā)展要因地制宜、科學論證、合理規(guī)劃、統(tǒng)籌安排，嚴格把控工程建設(shè)標準，爭取做到新建一片、達標一片，改造一片、成功一片的效果。加強現(xiàn)代化管理與培訓，實現(xiàn)向工程質(zhì)量和管理要效益的新局面。

4.2 中國農(nóng)業(yè)綠色高效節(jié)水發(fā)展應(yīng)搞好“四個完善”

4.2.1 完善節(jié)水科技推廣與技術(shù)服務(wù)體系 推廣節(jié)水科技，是改善生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的重要途徑，但有關(guān)部門和農(nóng)民對節(jié)水技術(shù)仍不夠重視，在農(nóng)村推廣普及節(jié)水科技尤為重要。政府部門應(yīng)持續(xù)加強節(jié)水宣傳教育和組織實施節(jié)水工程建設(shè)，完善投入機制，加大節(jié)水投入力度，建立高效農(nóng)業(yè)節(jié)水核心示范區(qū)，并大面積推廣，實現(xiàn)以點帶面的效果，調(diào)動廣大農(nóng)民的積極性。加大培訓力度，全面提高農(nóng)民對農(nóng)業(yè)節(jié)水重要性的認識和應(yīng)用節(jié)水技術(shù)的水平。健全農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)服務(wù)體系，通過制定規(guī)范化、標準化的應(yīng)用技術(shù)規(guī)程，為農(nóng)民提供“套餐式”服務(wù)，消除農(nóng)民使用節(jié)水技術(shù)或工程的后顧之憂，促進節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用。

4.2.2 完善農(nóng)業(yè)節(jié)水試驗與用水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò) 農(nóng)業(yè)節(jié)水試驗是制定節(jié)水灌溉制度、技術(shù)體系和應(yīng)用模式的根本途徑，應(yīng)加大國家財政投入，合理布局，加強設(shè)備條件建設(shè)、人才隊伍建設(shè)以及技術(shù)標準建設(shè)，提高農(nóng)業(yè)節(jié)水與水資源可持續(xù)利用研究領(lǐng)域的理論創(chuàng)新能力。

農(nóng)業(yè)用水準確計量是推動節(jié)水技術(shù)應(yīng)用、評價節(jié)水技術(shù)效果和實施農(nóng)業(yè)節(jié)水補償?shù)幕A(chǔ)，但目前95%以上的地表水灌區(qū)沒有安裝田間用水計量設(shè)備。例如河北省共有機井90萬眼左右，分布廣且分散，成井年限長短不一，大部分機井缺乏計量裝置，而且部分水表計量傳輸不穩(wěn)定容易造成跳閘，影響了節(jié)水限采等工作地有效實施。建議建立區(qū)域聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)用水監(jiān)控系統(tǒng)，加強農(nóng)業(yè)用水的定量控制和有效監(jiān)測。

4.2.3 完善農(nóng)業(yè)節(jié)水補償機制 農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)應(yīng)用主體是農(nóng)民，但由于灌溉水價低，大田作物節(jié)水僅減少少量水費成本，經(jīng)濟效益有限。例如河北目前地表灌區(qū)到斗口的灌溉水價為0.15元/m3，每公頃節(jié)水1500 m3僅減少225元水費成本，而農(nóng)民采用滴灌節(jié)水技術(shù)每公頃需投入15000元以上，但在實際生產(chǎn)中又沒有體現(xiàn)出多節(jié)水多補償，所以農(nóng)民缺乏自覺節(jié)水的內(nèi)在動力。目前迫切需要從政治制度、運行機制入手，通過創(chuàng)新管理體制，應(yīng)用政策手段，建立農(nóng)業(yè)節(jié)水長效經(jīng)濟補償和激勵機制，調(diào)動農(nóng)民自覺節(jié)水的內(nèi)在動力，促進農(nóng)業(yè)節(jié)水發(fā)展。

4.2.4 完善節(jié)水產(chǎn)品市場準入機制 在節(jié)水工程建設(shè)中，灌溉設(shè)備材料質(zhì)量良莠不齊，會誘發(fā)工程良性運行困難，導致可持續(xù)性差，節(jié)水效果大打折扣。建立與完善農(nóng)業(yè)節(jié)水設(shè)備與產(chǎn)品市場準入制度，嚴格把關(guān)節(jié)水產(chǎn)品認證，杜絕性能不穩(wěn)和耐久性差的節(jié)水產(chǎn)品流入市場。同時提高節(jié)水工程建設(shè)標準，嚴把施工質(zhì)量，從而保證節(jié)水灌溉工程能夠長期、有效運行。

4.3 加強變化環(huán)境下農(nóng)業(yè)高效節(jié)水的科學研究工作

全球氣候變化可能加劇中國水危機的風險，如何應(yīng)對水危機、水災(zāi)害，保障水生態(tài)安全和糧食安全，推進中國社會綠色發(fā)展，必須加強變化環(huán)境下農(nóng)業(yè)高效節(jié)水的科學研究工作。

探索不同典型區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化與水平衡因素之間的定量關(guān)系，節(jié)水灌溉對區(qū)域水循環(huán)的影響及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)；建立區(qū)域尺度水平衡關(guān)系改變的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)定量評估指標體系和方法，評估因不同區(qū)域節(jié)水灌溉發(fā)展對區(qū)域水循環(huán)的影響及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)；建立農(nóng)業(yè)水資源承載力的計算方法和區(qū)域優(yōu)化配置的動態(tài)目標分解聚合模型及多維調(diào)控決策方法，提出系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)與生態(tài)用水配置理論，建立有利于節(jié)水、高效和對環(huán)境友好的區(qū)域高效用水調(diào)控模式。

5 未來農(nóng)業(yè)綠色高效節(jié)水的關(guān)鍵科學問題

農(nóng)業(yè)綠色高效用水要充分發(fā)揮作物潛力、田間潛力和區(qū)域潛力，以根本提升農(nóng)業(yè)用水效率。首先，從作物本身出發(fā)，挖掘作物抗旱基因，培育抗旱節(jié)水型和高水分利用效率型新品種，利用作物本身生理調(diào)節(jié)功能降低耗水，提高產(chǎn)量和作物水分生產(chǎn)力，挖掘作物本身的節(jié)水潛力；其次，在田間用水環(huán)節(jié)，改進灌溉技術(shù)，實施農(nóng)田水肥一體化，降低田間灌水量，改進灌溉均勻度，提高灌溉水效率，挖掘田間節(jié)水潛力；再次，在區(qū)域灌溉系統(tǒng)方面，通過合理配水，減少系統(tǒng)無效蒸發(fā)或滲漏損失，提高系統(tǒng)效能，挖掘區(qū)域灌溉輸配水系統(tǒng)節(jié)水潛力。在此基礎(chǔ)上，考慮多尺度水循環(huán)過程對生態(tài)的響應(yīng)與適應(yīng)，揭示變化環(huán)境下農(nóng)業(yè)高效用水及其生態(tài)響應(yīng)機制，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色高效節(jié)水發(fā)展，應(yīng)關(guān)注以下關(guān)鍵科學問題。

5.1 作物生命需水及對變化環(huán)境的響應(yīng)

研究作物葉片、單柱、群體尺度生命需水信息的科學探測方法及定量表征，識別作物不同尺度生命健康需水狀態(tài)，解析生命健康條件下控制奢侈蒸騰的水分生理及生化關(guān)鍵過程；量化區(qū)域作物需水信息對變化環(huán)境的響應(yīng)，實現(xiàn)變化環(huán)境下多尺度作物生命需水信息表征。

5.2 作物精量高效用水的多過程協(xié)同調(diào)控

基于作物理想耗水理論和實際耗水過程，利用作物生長狀態(tài)方程，獲得農(nóng)田作物需水過程曲線及實時多階段動態(tài)調(diào)整方案?；谌~片氣孔行為及SPAC系統(tǒng)水分傳輸，研究作物生長過程、作物耗水過程、土壤水過程的耦合機制，明晰作物水分利用各過程的協(xié)同提升機理，建立作物生長及產(chǎn)量與SPAC系統(tǒng)水分傳輸?shù)鸟詈夏Ｐ?，實現(xiàn)作物生命健康需水過程多要素協(xié)同調(diào)控。進行作物-農(nóng)田-渠系-水源全過程用水效率協(xié)同調(diào)控研究，實現(xiàn)作物精量高效灌溉及農(nóng)業(yè)水效率提升的多過程耦合與多要素協(xié)同作用。

5.3 作物生產(chǎn)-水資源-生態(tài)系統(tǒng)的互饋機制

明晰灌區(qū)水循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)能量循環(huán)的耦合作用，揭示變化環(huán)境下灌區(qū)多尺度水循環(huán)演變機理；解析生態(tài)系統(tǒng)對水資源的響應(yīng)及適應(yīng)機制，提出面向作物生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境的水資源多維臨界調(diào)控理論與方法，認識作物生產(chǎn)-水資源-生態(tài)系統(tǒng)作用機理與適應(yīng)機制，建立作物生產(chǎn)-水資源-生態(tài)系統(tǒng)的互饋機制。

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