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中国农业节水灌溉技术研究与进展分析

  摘要:中国是世界上人均水资源占有量最贫乏的13个国家之一,水是农业的命脉,水资源的严重不足,使我国农业发展面临非常大的挑战。发展节水灌溉技术是我国未来农业发展的一项重大战略决策,也是坚持绿色发展理念的必然选择。为了解我国农业节水灌溉技术现状和研究进展,本文通过综合分析国内外节水灌溉技术现状,梳理我国目前主要的节水灌溉工程技术,总结我国在农业节水灌溉技术现阶段面临的主要问题和未来发展趋势。

  关键词:农业节水;灌溉技术;现状

中国农业节水灌溉技术研究与进展分析

  我国是农业大国,但水资源时空分布不均严重制约了我国农业的发展。节水灌溉技术在提高农业灌溉用水效率、促进生态绿色发展和增产增收等方面发挥着重要作用。据国家水利部《2019年中国水资源公报》公布数据显示[1],当年全国水资源总量为29041.0亿m3,全国用水总量为6021.2亿m3,占当年水资源总量的20.7%,其中,农业用水量3682.3亿m3,占用水总量的61.2%,耕地实际灌溉亩均用水量368m3,农田灌溉水有效利用系数0.559。灌溉是第一耗水大户,我国农田灌溉水利用系数远低于发达国家的0.7~0.8,由此可见,我国节水灌溉技术水平还远远满足不了当前国家农业的发展需求,所以发展节水灌溉技术是缓解水资源短缺、提高农业经济效益的国家重要战略举措。

1  国内外节水灌溉技术现状

1.1  国外现状

  世界发达国家节水灌溉技术均呈现高技术、高投入和管理现代化的特点,美国、日本、荷兰等国家对节水灌溉技术研究起步较早,农业现代化和精细化水平较高,灌溉控制体系已经相当成熟。

  其中最具代表性的国家为以色列,创造了由“沙漠之国”打造成农业强国的“沙漠奇迹”,科学管理、充分整合水资源,以色列先进的咸水淡化技术和废水循环利用技术,实现55%的国内用水来自海水淡化,废水处理率高达75%,位居世界第一;大力研发高新、精准、智能灌溉设备,以色列生产的80%灌溉设备用以出口,农业科技贡献率在90%以上,其水肥一体化技术能将灌溉水利用率提高到95%以上、肥料利用率提高到80%以上,微灌面积占总灌溉面积的80%以上,全国基本上实现灌溉管理节约化、精准化和智能化的以色列现代农业。

  美国是世界上农业生产现代化程度最高的国家,据FAO(联合国粮食及农业组织)统计,美国的喷灌面积占总灌溉面积的48%(2010年),微喷面积占全美微灌面积的52.8%。近年来,美国的微灌面积发展很快,到2010年已发展到1.53×106hm2,其中滴灌面积占微灌面积的45.86%,利用衬砌渠道灌溉面积占地面灌溉的46.3%,利用管道输水灌、闸管灌、波涌灌的灌溉面积占地面灌溉面积的37.33%[2]。

  随着灌溉渠系日趋管道化、现代信息技术不断发展,美国、以色列、加拿大和日本等国率先采用计算机、物联网、航测、卫星遥感控制等技术不同程度实现了农业节水灌溉管理自动化、精准化、智能化。

1.2  国内现状

  21世纪以来,连续11个“中央一号文件”和中央水利工作会议,都把节水灌溉作为重大战略,我国节水灌溉产业进入高速发展快车道。根据《第三次全国农业普查》结果显示[3],截至2016年末,我国节水灌溉的基本现状是,耕地总面积为134921khm2,其中灌溉耕地面积61890khm2,占耕地面积的45.9%,其中节水灌溉面积34319khm2,占灌溉耕地面积的55.4%,有喷灌、滴灌、渗灌设施的耕地面积10018khm2,占灌溉耕地面积的16.2%。2019年全年我国新增耕地灌溉面积27万hm2,新增高效节水灌溉面积146万hm2,全国农田灌溉水有效利用系数为0.559。如今我国节水灌溉技术发展水平与世界发达国家相比依然存在较大差距,高效农业节水灌溉技术依然存在巨大发展空间和潜力。

  袁其涛通过对比国外喷头装备、喷灌机、可再生能源节水灌溉技术及微灌技术,提出我国节水灌溉装备应加大丘陵山区节水灌溉综合配套技术研究,智能化精确喷灌机组研究,低成本高效喷、微灌和水肥药协同精准控制技术与装备研究,清洁能源节水灌溉装备与技术研究[4]。金宏智综合分析国外节水灌溉工程技术与设备及其应用,认为我国应该在节水灌溉设备选型和技术推广方面需结合当地条件选择因地制宜的农业灌溉模式[2]。高雪梅分析国内外节水灌溉现状和发展趋势,目前我国节水灌溉存在的主要问题:1)节水管理体制和政策不够完善,水价偏低;2)节水灌溉技术水平偏低;3)资金投入不足,节水灌溉设备不够完善;4)盲目引进,国家、各级政府对节水灌溉支持力度不够[5]。

2  农业节水灌溉技术

2.1  渠道防渗技术

  渠道防渗是减少渠道输水水量渗漏损失的工程技术措施。在渠道防渗工程中,主要防渗技术有[6]:

  1)砌石防渗技术,砌筑卵石、块石、料石和石板等石料作为护面层,具有抗冲、抗冻、抗磨和耐久性好,施工简便的特点,适用于石料来源充足、有抗冲、抗冻、耐磨要求的渠道工程,但防渗效果不易保证。

  2)混凝土防渗技术,浇筑或砌筑混凝土作为护面层,具有防渗效果、抗冲击性和耐久性好,适用范围广的优势,是目前最为常见的一种渠道防渗措施,通过现浇、预制和喷射的施工方式进行施工。

  3)沥青混凝土防渗技术,铺筑或砌筑沥青混凝土作为护面层,该技术防渗效果好,适应地基变形能力强,造价与混凝土防渗技术相近,在有冻害地区优势明显,但需保证沥青料来源。

  4)膜料防渗技术,铺设土工膜、塑料薄膜,油毡、膨润土防水毯等以减少渠道水量渗漏损失的措施,其优势在于防渗效果好,重量轻,运输量小。当采用土料保护层时,造价较低,但占地多,允许流速小;当采用刚性保护层时,造价较高,适用于中小型渠道衬砌。

  渠道防渗技术的应用,可有效提高输水利用率,提高渠道稳定性,增强水流流速和输水能力,利于调控地下水位,可有效防止土壤次生盐碱化和沼泽化,降低施工、管理和维护成本。工程实践证明,该技术可减少渗漏损失达70%~90%,减少管理养护费用70%,可使渠系灌溉水利用系数提高到0.6~0.85。近年来,我国在渠道防渗技术的研究中,不断强化防渗材料性能且趋于复合型材料,渠道结构型式不断丰富,施工方式向机械化、半机械化发展。

2.2  低压管道输水技术

  低压管道输水技术是指用管道代替传统明渠的一种输水工程措施,它通过一定的压力(一般只有0.002MPa~0.005MPa,最大压力一般不超过0.2MPa)将灌溉水由分水设施输送到田间进行灌溉,管道一般都采用地埋式,属于地面灌溉方式。主要由首部取水枢纽、各级输配水压力管道系统和田间出水口三大部分构成。

  低压管道输水技术的主要特点:1)节约用水,由于低压管道输水一般采用地埋式,因此基本可以消除水在输送过程中的渗漏和蒸发,灌溉水的利用系数可提高到0.95~0.97,比混凝土板衬砌渠道、砌石渠道、土渠分别多节水约7%、15%、30%;2)适时适量灌溉,输水迅速,缩短了轮灌周期,有利于增产增收;3)成本低,效益高,灌溉水的利用率提高,抽水量减少,相比于渠道灌溉可减少能耗约30%,还可适应各种地形,扩大灌溉面积;4)占用耕地少,便于机械耕作,输水管道埋于地下,可减少2%~3%的渠道占地;5)设备简单,操作方便,对于不同水源、作物、土壤及流量的适应性强,便于推广。

2.3  喷灌技术

  喷灌是利用专门的设备(水源工程、水泵机组、管道系统、喷头等)将压力水喷射到空中分散成细小水滴,并均匀地洒落到田间的灌溉方法。喷灌按灌水方式可分为固定式、半固定式和移动式喷灌三种类型,在我国用得较多的有固定管道式喷灌、半移动式管道喷灌、滚移式喷灌、圆形式喷灌、平移式喷灌、绞盘式喷灌等[7]。喷灌几乎适用于灌溉所有的旱作物,如蔬菜、果树等,而且平原和山丘区均适用;并且可用于喷洒肥料、农药、预防霜冻和热风,而且不产生地表径流和深层渗漏[8]。喷灌技术的主要特点:

  1)优点:①节水效果显著,喷灌水量可控,灌溉均匀,一般情况下均匀度可达0.8~0.9,灌溉水有效利用系数可达0.8以上,比地面灌溉节水30%~50%以上,在透水性强的砂质土可省水高于70%;②适用范围广,适用于各种地形和作物;③能适时适量均匀灌溉,可避免过量灌溉导致土壤次生盐碱化,还可防止地表径流和深层渗漏,不易产生水土流失和土壤板结;④省工,可减少渠系建设和维护管理以及土地平整工作;⑤提高土地利用率,减少了地面的沟渠建设,能增加15%~20%播种面积;⑥增产,粮食作物增产10%~20%,经济作物增产20%~30%,蔬菜增产1~2倍,果树增产15%~20%。

  2)缺点:①受风力影响大,3~4级风时,喷灌均匀系数达到65%~75%,水滴飘移和蒸发损失增大到10%以上,因此在风大的地方不适宜采用喷灌;②深层土壤湿润不理想,喷灌一般能湿润土壤深度为20cm~30cm,但对深层湿润就比较困难;③不适合小型农户,喷灌设备一次性投资大,技术含量高,管理难度大[9]。

2.4  微灌

  微灌系统主要由水源、首部枢纽、输配水管网、尾部设备等构成,通过管道末端的灌水器和连接的微灌系统将水和作物生长所需的养分均匀、精确地输送到作物根部附近的土壤。微灌仅用少量的水去湿润作物根区小面积的土壤,因而也被称为局部灌溉技术[9]。微灌是一种最为节水的精细灌溉技术,灌溉水有效利用系数高达0.9以上,其灌水自动化程度高、田间管理工作量少,而且对于农田污染、沙漠化治理、水土保持等方面发挥巨大作用[10]。微灌包括微灌微喷灌、滴灌和渗灌等。合理规划微灌系统以及提高灌水器的质量和优化设计是今后发挥微灌技术优势、提升灌溉质量的关键问题。

2.5  滴灌

  滴灌是微灌中的一种,滴水灌溉的简称,分为地表滴灌和地下滴灌。安装在毛管上的滴头或管网和滴灌带等灌水器将具有一定压力的水一滴一滴地、均匀而又缓慢地滴入作物根部附近土壤中,水分在毛细管作用和重力作用下扩散到整个根层供作物吸收利用的一种灌水方式[11]。滴灌技术诞生于以色列,目前美国的滴灌面积约占总灌溉面积的4.2%,以色列则高达60%。滴灌技术比喷灌更节水,节水量可达30%~50%,而且能有效防止土壤盐碱化和土壤板结,减少病虫害,提高肥效,增产增收,节能省工,挺高土地利用率,但也存在滴口易堵塞,灌水均匀度控制难度大,作物需水期容易供水不足,操作运行和管理难度大等缺点。韩启彪、冯绍元等认为未来中国滴灌技术的发展需要在理论技术上加强管网优化、多水源滴灌系统、低能耗滴灌等方面研究,针对大流量过滤器、新型灌水器、精准施灌设备、智能化硬件和软件、滴灌铺设回收装置等滴灌新产品的研发需进一步强化,同时需加强和完善滴灌基层服务队伍建设[12]。

2.6

  渗灌

  渗灌是地下微灌的一种形式,在低压条件下,埋于作物根系活动层的微孔渗灌管将灌溉水呈发汗状渗出,凭借土壤毛细管作用给作物根系供水的一种先进的灌水方式,加大管网水压力可变渗灌为涌泉灌。渗灌是目前灌溉水利用效率最高的一种节水灌溉技术,国内有低压渗灌和重力渗灌两种方式。渗灌具有节水节能、减轻病虫害、抑制杂草、增产增收、改善土壤结构等优点,也存在易堵塞、灌水均匀度不易控制、作物需水期易供水不足、渗灌管埋深与耕作存在矛盾等不足之处。美国、法国、日本等发达国家的渗灌技术已进入推广应用阶段[13],李典认为渗灌技术研究最主要问题依旧是渗灌管堵塞问题,渗灌管堵塞不仅直接影响灌水均匀度,而且最终决定灌溉系统使用年限[14]。

3

  结语

  农业节水灌溉技术是我国乡村振兴中农业发展的一项重要工程举措,我国农业灌溉需更合理、多样化规划水源开发利用,自主研发更多高新化、自动化、精准化、智能化高性能灌溉设备,不断完善农业节水灌溉管理体制和政策。未来我国智慧农业发展需要更多高标准的节水灌溉装备作为支撑,加强节水灌溉技术研究势在必行,积极推动我国节水灌溉事业持续发展,取得更好的节水效果、经济效益、社会效益和生态效益。

  参考文献:

  [1]中华人民共和国水利部.2019年中国水资源公报[R/OL].[2020-08-03].http://www.mwr.gov.cn/sj/tjgb/szygb/202008/t20200803_1430726.html.

  [2]金宏智,严海军,钱一超.国外节水灌溉工程技术发展分析[J].农业机械学报,2010,41(S1):59-63.

  [3]国家统计局.第三次全国农业普查[Z/OL].[2016-12-31].http://www.stats.gov.cn/tjsj/pcsj/nypc/nypc3/dqgnypchzsj.pdf.

  [4]袁寿其,李红,王新坤.中国节水灌溉装备发展现状、问题、趋势与建议[J].排灌机械工程学报,2015,33(1):78-92.

  [5]高雪梅.中国农业节水灌溉现状、发展趋势及存在问题[J].天津农业科学,2012,18(1):54-56.

  [6]中华人民共和国国家标准.渠道防渗工程技术规范:GB/T50600—2010[S].中华人民共和国水利部,2010.

作者:廖佐毅 ,张庐陵 ,廖章一 单位:江西农业大学工学院