我國(guó)水資源總量為28100億m3,人均水資源量約2200 m3,僅為世界平均值的1/4。預(yù)計(jì)到21世紀(jì)30年代,我國(guó)人口達(dá)到16億高峰時(shí),在降水總量不減少的情況下,人均水資源量將下降到1760 m3,逼近國(guó)際公認(rèn)的1700 m3的嚴(yán)重缺水警戒線。我國(guó)水資源的突出特點(diǎn)是時(shí)空分布不均,水土資源不匹配,水資源分布狀況與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的布局和發(fā)展之間嚴(yán)重錯(cuò)位。其中地處長(zhǎng)江、淮河沿線以北地區(qū)的土地面積約占全國(guó)總面積的65%,耕地占全國(guó)總面積的51%,人口占全國(guó)總數(shù)的40%,我國(guó)多數(shù)的重要能源及化工基地均分布在該地區(qū),但水資源量卻只占全國(guó)總量的20%,許多區(qū)域的人均水資源已大大低于1700 m3的缺水警戒線,缺水問(wèn)題相當(dāng)嚴(yán)重。
水資源緊缺已成為嚴(yán)重制約我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。農(nóng)業(yè)是我國(guó)的用水大戶,用水總量4000億m3,占全國(guó)總用水量的70%,其中農(nóng)田灌溉用水量3600-3800億m3,占農(nóng)業(yè)用水量的90%-95%。農(nóng)業(yè)用水中的浪費(fèi)現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重,首先是農(nóng)田灌溉水的利用率低,平均僅為45%左右;其次是農(nóng)田對(duì)自然降水的利用率低,僅達(dá)到56%;最后是農(nóng)業(yè)用水的效率不高,其中農(nóng)田灌溉水的利用效率僅有1.0 kg/m3左右,旱地農(nóng)田水分的利用效率為0.60-0.75 kg/m3。根據(jù)權(quán)威部門的預(yù)測(cè)結(jié)果,在不增加現(xiàn)有農(nóng)田灌溉用水量的情況下,2030年全國(guó)缺水高達(dá)1300-2600億m3,其中農(nóng)業(yè)缺水500-700億m3。若將農(nóng)田灌溉水的利用率由目前的45%提高到發(fā)達(dá)國(guó)家的水平70%,則可節(jié)水900-950億m3,如同時(shí)提高水的利用效率,農(nóng)業(yè)節(jié)水后不僅可滿足7億t左右的食物生產(chǎn)用水,還能節(jié)約出400-500億m3的水量用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的其他重要行業(yè),這無(wú)疑會(huì)對(duì)未來(lái)的國(guó)家經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和社會(huì)安全穩(wěn)定作出重大貢獻(xiàn)。
農(nóng)業(yè)節(jié)水不僅是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展所要求的,也是我國(guó)農(nóng)業(yè)資源,尤其是水資源短缺、水土資源配置失衡等嚴(yán)峻形勢(shì)所決定的。農(nóng)業(yè)節(jié)水對(duì)保障國(guó)家水安全、糧食安全和生態(tài)安全,推動(dòng)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,具有重要的戰(zhàn)略地位和作用。我國(guó)農(nóng)業(yè)缺水的問(wèn)題在很大程度上要依靠節(jié)水予以解決,加強(qiáng)對(duì)我國(guó)節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)的研究,以科技創(chuàng)新促進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展,建立與完善適合我國(guó)國(guó)情的現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)體系,將成為促進(jìn)我國(guó)節(jié)水農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略舉措之一
1 現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)研究進(jìn)展
隨著全球性水資源供需矛盾的日益加劇,世界各國(guó),特別是發(fā)達(dá)國(guó)家都把發(fā)展節(jié)水高效農(nóng)業(yè)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。發(fā)達(dá)國(guó)家在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中,把提高灌溉(降)水的利用率、單方水的利用效率、水資源再生利用率作為研究重點(diǎn)和主要目標(biāo)。在研究節(jié)水農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)上,將生物、信息、計(jì)算機(jī)、高分子材料等高新技術(shù)與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)相結(jié)合,提升節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)的高科技含量,建立適合國(guó)情的節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)體系,加快由傳統(tǒng)的粗放農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的進(jìn)程。
世界各國(guó)采用的節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)通常可歸納為工程節(jié)水技術(shù)、農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)、生物(生理)節(jié)水技術(shù)和水管理節(jié)水技術(shù)等四類。節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用可大致分布在四個(gè)基本環(huán)節(jié)中:
一是減少灌溉渠系(管道)輸水過(guò)程中的水量蒸發(fā)與滲漏損失,提高農(nóng)田灌溉水的利用率;
二是減少田間灌溉過(guò)程中的水分深層滲漏和地表流失,在改善灌水質(zhì)量的同時(shí)減少單位灌溉面積的用水量;
三是減少農(nóng)田土壤的水分蒸發(fā)損失,有效地利用天然降水和灌溉水資源;
四是提高作物水分生產(chǎn)效率,減少作物的水分奢侈性蒸騰消耗,獲得較高的作物產(chǎn)量和用水效益。節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家始終把提高上述環(huán)節(jié)中的灌溉(降)水利用率和作物水分生產(chǎn)效率作為重點(diǎn),在建立了以高標(biāo)準(zhǔn)的襯砌渠道和壓力管道輸水為主的完善的灌溉輸水工程系統(tǒng)和采用了以噴(微)灌技術(shù)和改進(jìn)的地面灌技術(shù)為主的先進(jìn)的田間灌水技術(shù)后,節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)的研究重點(diǎn)正從工程節(jié)水向農(nóng)藝節(jié)水、生物(生理)節(jié)水、水管理節(jié)水等方向傾斜,尤其重視農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)技術(shù)的密切結(jié)合。
1.1 農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)
利用耕作覆蓋措施和化學(xué)制劑調(diào)控農(nóng)田水分狀況、蓄水保墑是提高農(nóng)田水利用率和作物水分生產(chǎn)效率的有效途徑。國(guó)內(nèi)外已提出許多行之有效的技術(shù)和方法,如保護(hù)性耕作技術(shù)、田間覆蓋技術(shù)、節(jié)水生化制劑(保水劑、吸水劑、種衣劑)和旱地專用肥等技術(shù)和產(chǎn)品正得到廣泛的應(yīng)用。如美國(guó)中西部大平原由傳統(tǒng)耕作到少耕或免耕,由表層松土覆蓋到作物殘茬秸稈覆蓋,由機(jī)械耕作除草到化學(xué)制劑除草,都顯著提高了農(nóng)田的保土、保肥、保水的效果和農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。法國(guó)、美國(guó)、日本、英國(guó)等開(kāi)發(fā)出抗旱節(jié)水制劑(保水劑、吸水劑)的系列產(chǎn)品,在經(jīng)濟(jì)作物上廣泛使用,取得了良好的節(jié)水增產(chǎn)效果。法國(guó)、美國(guó)等將聚丙烯酰胺(PAM)噴施在土壤表面,起到了抑制農(nóng)田水分蒸發(fā)、防止水土流失、改善土壤結(jié)構(gòu)的明顯效果。美國(guó)利用沙漠植物和淀粉類物質(zhì)成功地合成了生物類的高吸水物質(zhì),取得了顯著的保水效果。
節(jié)水農(nóng)作制度主要是研究適宜當(dāng)?shù)刈匀粭l件的節(jié)水高效型作物種植結(jié)構(gòu),提出相應(yīng)的節(jié)水高效間作套種與輪作種植模式。例如,在澳大利亞采用的糧草輪作制度中,實(shí)施豆科牧草與作物輪作會(huì)避免土壤有機(jī)質(zhì)下降,保持土壤基礎(chǔ)肥力,提高土壤蓄水保墑能力。
在抗旱節(jié)水作物品種的選育方面,發(fā)達(dá)國(guó)家已選育出一系列的抗旱、節(jié)水、優(yōu)質(zhì)的作物品種。如澳大利亞和以色列的小麥品種、以色列和美國(guó)的棉花品種、加拿大的牧草品種、以色列和西班牙的水果品種等。這些品種不僅具備節(jié)水抗旱性能,還具有穩(wěn)定的產(chǎn)量性狀和優(yōu)良的品質(zhì)特性。特別是近年來(lái),在植物抗旱基因的挖掘和分離、水分高效利用相關(guān)的基因定位以及分子輔助標(biāo)記技術(shù)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)、基因聚合技術(shù)等在抗旱節(jié)水作物品種的選育上取得了一些極富開(kāi)發(fā)潛力的成果。
近年來(lái),水肥耦合高效利用技術(shù)的研究已將提高水分養(yǎng)分耦合利用效率的灌水方式、灌溉制度、根區(qū)濕潤(rùn)方式和范圍等與水分養(yǎng)分的有效性、根系的吸收功能調(diào)節(jié)等有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。通過(guò)改變灌水方式、灌溉制度和作物根區(qū)的濕潤(rùn)方式達(dá)到有效調(diào)節(jié)根區(qū)水分養(yǎng)分的有效性和根系微生態(tài)系統(tǒng)的目的,從而最大限度地提高水分養(yǎng)分耦合的利用效率。美國(guó)、以色列等國(guó)家將作物水分養(yǎng)分的需求規(guī)律和農(nóng)田水分養(yǎng)分的實(shí)時(shí)狀況相結(jié)合,利用自控的滴灌系統(tǒng)向作物同步精確供給水分和養(yǎng)分,既提高了水分和養(yǎng)分的利用率,最大限度地降低了水分養(yǎng)分的流失和污染的危險(xiǎn),也優(yōu)化了水肥耦合關(guān)系,從而提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。
1.2 生物(生理)節(jié)水技術(shù)
將作物水分生理調(diào)控機(jī)制與作物高效用水技術(shù)緊密結(jié)合開(kāi)發(fā)出諸如調(diào)虧灌溉(RDI)、分根區(qū)交替灌溉(ARDI)和部分根干燥(PRD)等作物生理節(jié)水技術(shù),可明顯地提高作物和果樹(shù)的水分利用效率。與傳統(tǒng)灌水方法追求田間作物根系活動(dòng)層的充分和均勻濕潤(rùn)的想法不同,ARDI和PRD技術(shù)強(qiáng)調(diào)在土壤垂直剖面或水平面的某個(gè)區(qū)域保持土壤干燥,僅讓一部分土壤區(qū)域灌水濕潤(rùn),交替控制部分根系區(qū)域干燥、部分根系區(qū)域濕潤(rùn),以利于使不同區(qū)域的根系交替經(jīng)受一定程度的水分脅迫鍛煉,刺激根系的吸收補(bǔ)償功能,使根源信號(hào)ABA向上傳輸至葉片,調(diào)節(jié)氣孔保持在適宜的開(kāi)度,達(dá)到不犧牲作物光合物質(zhì)積累而又大量減少其奢侈的蒸騰耗水的目的,與此同時(shí),還可減少作物棵間的土壤濕潤(rùn)面積,降低棵間蒸發(fā)損失和因水分從濕潤(rùn)區(qū)向干燥區(qū)側(cè)向運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的深層滲漏損失。RDI是基于作物生理生化過(guò)程受遺傳特性或生長(zhǎng)激素的影響,在作物生長(zhǎng)發(fā)育的某些階段主動(dòng)施加一定的水分脅迫(即人為地讓作物經(jīng)受適度的缺水鍛煉)來(lái)影響其光合產(chǎn)物向不同組織器官的分配,進(jìn)而提高其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量而舍棄營(yíng)養(yǎng)器官的生長(zhǎng)量及有機(jī)合成物的總量。因營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)減少還可提高作物的種植密度,提高總產(chǎn)量,減少棉花、果樹(shù)等作物的剪枝工作量,改善產(chǎn)品品質(zhì)。國(guó)際上有關(guān)調(diào)虧灌溉的研究主要是針對(duì)果樹(shù)和西紅柿等蔬菜作物,對(duì)大田作物的研究較少。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)展了對(duì)作物需水量計(jì)算方法的大量研究,但這些研究大多以單點(diǎn)的和單一作物的耗水估算為主,在此基礎(chǔ)上采用插值法和面積加權(quán)平均法確定的區(qū)域作物耗水量的精度會(huì)受到氣象等因素的空間變異性的影響。目前的重點(diǎn)是將單點(diǎn)的單一作物耗水估算模型的研究擴(kuò)展到區(qū)域尺度多種作物組合下的耗水估算方法與模型研究上,根據(jù)作物及其不同生育期的需水估算,使有限的水最優(yōu)分配到作物的不同生育期內(nèi),為研究適合不同地區(qū)的非充分灌溉制度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和支撐。隨著遙感技術(shù)的應(yīng)用使得采用能量平衡法估算區(qū)域作物耗水量成為可能,通過(guò)遙感獲得的作物冠層溫度來(lái)估算區(qū)域耗水量分布的研究變得十分活躍,并在一些發(fā)達(dá)國(guó)家得到了一定的應(yīng)用。
1.3 水管理節(jié)水技術(shù)
為實(shí)現(xiàn)灌溉用水管理手段的現(xiàn)代化與自動(dòng)化,滿足對(duì)灌溉系統(tǒng)管理的靈活、準(zhǔn)確和快捷的要求,發(fā)達(dá)國(guó)家的灌溉水管理技術(shù)正趨朝著信息化、自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。在減少灌溉輸水調(diào)蓄工程的數(shù)量、降低工程造價(jià)費(fèi)用的同時(shí),既滿足用戶的需求,又有效地減少棄水,提高灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行性能與效率。
建立灌區(qū)用水決策支持系統(tǒng)來(lái)模擬作物產(chǎn)量和作物需水過(guò)程,預(yù)測(cè)農(nóng)田土壤鹽份及水分脅迫對(duì)產(chǎn)量的影響,基于Internet技術(shù)和RS、GIS、GPS等技術(shù)完成信息的采集交換與傳輸,根據(jù)實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)模型,為用戶提供不同類型灌區(qū)的動(dòng)態(tài)配水計(jì)劃,達(dá)到優(yōu)化配置灌溉用水的目標(biāo)。為適應(yīng)灌區(qū)用水靈活多變的特點(diǎn),做到適時(shí)、適量地供水,需對(duì)灌溉輸配水系統(tǒng)的運(yùn)行模式和相應(yīng)的自控技術(shù)開(kāi)展研究。目前,國(guó)外多采用基于下游控制模式的自控運(yùn)行方式,利用中央自動(dòng)監(jiān)控(即遙測(cè)、遙訊、遙調(diào))系統(tǒng)對(duì)大型供水渠道進(jìn)行自動(dòng)化管理,開(kāi)展灌區(qū)輸配水系統(tǒng)的自控技術(shù)研究。在明渠自控系統(tǒng)運(yùn)行軟件方面,著重開(kāi)展對(duì)供水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度計(jì)劃的研究,采用明渠非恒定流計(jì)算機(jī)模擬方法結(jié)合閘門運(yùn)行規(guī)律編制系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)控制軟件。
美國(guó)、澳大利亞等國(guó)已大量使用熱脈沖技術(shù)測(cè)定作物莖桿的液流和蒸騰,用于監(jiān)測(cè)作物水分狀態(tài),并提出土壤墑情監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)的理論和方法,將空間信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)用于監(jiān)測(cè)土壤墑情。根據(jù)土壤和作物水分狀態(tài)開(kāi)展的實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)的研究進(jìn)展也很快,一些國(guó)家已提出幾種具有代表性的節(jié)水灌溉預(yù)報(bào)模型。在此基礎(chǔ)開(kāi)展的適合不同地區(qū)的非充分灌溉模式的研究是干旱缺水條件下灌溉用水管理的基礎(chǔ),隨著水資源短缺的不斷加劇,其研究在國(guó)內(nèi)外得到普遍重視。
多采用系統(tǒng)分析理論和隨機(jī)優(yōu)化技術(shù),開(kāi)展灌區(qū)多種水源聯(lián)合利用的研究,以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持的智能化配水決策支持系統(tǒng)為基礎(chǔ),建立起多水源優(yōu)化配置的專家系統(tǒng),提出不同水源組合條件下的優(yōu)化灌溉與管理模式,合理利用和配置灌區(qū)的地表水、地下水和土壤水,對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和管理。在最大限度地滿足作物對(duì)水分需求的同時(shí),改善灌區(qū)的農(nóng)田生態(tài)環(huán)境條件。
1.4 工程節(jié)水技術(shù)
隨著現(xiàn)代化規(guī)模經(jīng)營(yíng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展,由傳統(tǒng)的地面灌溉技術(shù)向現(xiàn)代地面灌溉技術(shù)的轉(zhuǎn)變是大勢(shì)所趨。在采用高精度的土地平整技術(shù)基礎(chǔ)上,采用水平畦田灌和波涌灌等先進(jìn)的地面灌溉方法無(wú)疑是實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變的重要標(biāo)志之一。精細(xì)地面灌溉方法的應(yīng)用可明顯改進(jìn)地面畦(溝)灌溉系統(tǒng)的性能,具有節(jié)水、增產(chǎn)的顯著效益。激光控制土地精細(xì)平整技術(shù)是目前世界上最先進(jìn)的土地平整技術(shù),國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用結(jié)果表明,高精度的土地平整可使灌溉均勻度達(dá)到80%以上,田間灌水效率達(dá)到70%-80%,是改進(jìn)地面灌溉質(zhì)量的有效措施。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,在采用地面灌溉實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)的基礎(chǔ)上,利用數(shù)學(xué)模型對(duì)地面灌溉全過(guò)程進(jìn)行分析已成為研究地面灌溉性能的重要手段。應(yīng)用地面灌溉控制參數(shù)反求法可有效地克服田間土壤性能的空間變異性,獲得最佳的灌水控制參數(shù),有效地提高地面灌溉技術(shù)的評(píng)價(jià)精度和制定地面灌溉實(shí)施方案的準(zhǔn)確性。
除地面灌溉技術(shù)外,發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視對(duì)噴、微灌技術(shù)的研究和應(yīng)用。微灌技術(shù)是所有田間灌水技術(shù)中能夠做到對(duì)作物進(jìn)行精量灌溉的高效方法之一。美國(guó)、以色列、澳大利亞等國(guó)家特別重視微灌系統(tǒng)的配套性、可靠性和先進(jìn)性的研究,將計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、自控技術(shù)、先進(jìn)的制造成模工藝技術(shù)相結(jié)合開(kāi)發(fā)高水力性能的微灌系列新產(chǎn)品、微灌系統(tǒng)施肥裝置和過(guò)濾器。噴頭是影響噴灌技術(shù)灌水質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備,世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家一直致力于噴頭的改進(jìn)及研究開(kāi)發(fā),其發(fā)展趨勢(shì)是向多功能、節(jié)能、低壓等綜合方向發(fā)展。如美國(guó)先后開(kāi)發(fā)出不同搖臂形式、不同仰角及適用于不同目的的多功能噴頭,具有防風(fēng)、多功能利用、低壓工作的顯著特點(diǎn)。
為減少來(lái)自農(nóng)田輸水系統(tǒng)的水量損失,許多國(guó)家已實(shí)現(xiàn)灌溉輸水系統(tǒng)的管網(wǎng)化和施工手段上的機(jī)械化。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外將高分子材料應(yīng)用在渠道防滲方面,開(kāi)發(fā)出高性能、低成本的新型土壤固化劑和固化土復(fù)合材料,研究具有防滲、抗凍脹性能的復(fù)合襯砌工程結(jié)構(gòu)形式。如已在德國(guó)、美國(guó)應(yīng)用的新型土工復(fù)合材料GCLS就具有防滲性能好、抗穿刺能力強(qiáng)的明顯特點(diǎn)。此外,管道輸水技術(shù)因成本低、節(jié)水明顯、管理方便等特點(diǎn),已作為許多國(guó)家開(kāi)展灌區(qū)節(jié)水改造的必要措施,開(kāi)展渠道和管網(wǎng)相結(jié)合的高效輸水技術(shù)研究和大口徑復(fù)合管材的研制是渠灌區(qū)發(fā)展輸水灌溉中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
2 現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)研究發(fā)展趨勢(shì)
現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)是在傳統(tǒng)的節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)中融入了生物、計(jì)算機(jī)模擬、電子信息、高分子材料等一系列高新技術(shù),具有多學(xué)科相互交叉、各種單項(xiàng)技術(shù)互相滲透的明顯特征。現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)涉及的既不是簡(jiǎn)單的工程節(jié)水和水管理節(jié)水問(wèn)題,也不是簡(jiǎn)單的農(nóng)藝節(jié)水和生物節(jié)水問(wèn)題。從支撐現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)理論而言,需將水利工程學(xué)、土壤學(xué)、作物學(xué)、生物學(xué)、遺傳學(xué)、材料學(xué)、數(shù)學(xué)和化學(xué)等學(xué)科有機(jī)地結(jié)合在一起,以降水(灌溉)-土壤水-作物水-光合作用-干物質(zhì)量-經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的轉(zhuǎn)化循環(huán)過(guò)程作為研究主線,從水分調(diào)控、水肥耦合、作物生理與遺傳改良等方面出發(fā),探索提高各個(gè)環(huán)節(jié)中水的轉(zhuǎn)化效率與生產(chǎn)效率的機(jī)理。另一方面,現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)又需要生物、水利、農(nóng)藝、材料、信息、計(jì)算機(jī)、化工等多方面的技術(shù)支持,來(lái)建立適合國(guó)情的技術(shù)體系。
隨著20世紀(jì)中葉以來(lái)科學(xué)技術(shù)出現(xiàn)的重大突破,節(jié)水農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中大量借助于土壤水動(dòng)力學(xué)、植物生理學(xué)的理論和現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法及計(jì)算模擬手段,試圖從整體上來(lái)考慮水-土-作物-大氣間的互動(dòng)作用與關(guān)系,定量描述土壤-植物-大氣連續(xù)體中水分和養(yǎng)分運(yùn)移的轉(zhuǎn)化過(guò)程,據(jù)此制定科學(xué)的水、肥調(diào)控方案,這使得對(duì)節(jié)水農(nóng)業(yè)的研究已由以往單純的統(tǒng)計(jì)或?qū)嶒?yàn)性質(zhì)變?yōu)橐婚T有著較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摶A(chǔ)與定量方法的科學(xué)。計(jì)算機(jī)技術(shù)、電于信息技術(shù)、紅外遙感技術(shù)以及其它技術(shù)的應(yīng)用,使得在土壤水分動(dòng)態(tài)、土壤水鹽動(dòng)態(tài)、水沙動(dòng)態(tài)、水污染狀況、作物水分狀況等方面的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、采集和處理手段得到長(zhǎng)足發(fā)展,促進(jìn)了農(nóng)業(yè)用水管理水平的提高,而高分子復(fù)合材料和納米材料的研制創(chuàng)新正在促使渠道防滲、管道灌溉、覆膜灌溉、坡面集雨等方面孕育著技術(shù)上的重大突破。
在提高農(nóng)業(yè)用水的利用率和水的生產(chǎn)效率的節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)研究中,不僅涉及到與土壤-植物-大氣系統(tǒng)中的界面過(guò)程,水分傳輸和系統(tǒng)反饋的機(jī)制,水分調(diào)控的途徑以及大氣水、地表水、地下水、土壤水轉(zhuǎn)化關(guān)系等相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的前沿技術(shù),還與利用現(xiàn)代高新技術(shù)對(duì)水資源、土壤水分和作物水分進(jìn)行監(jiān)測(cè)調(diào)控,根據(jù)作物需水規(guī)律進(jìn)行精量灌溉等關(guān)鍵技術(shù)有關(guān)。為此,必須以具有學(xué)科交叉性的重大前沿性技術(shù)研究為基礎(chǔ),研發(fā)與農(nóng)業(yè)節(jié)水相關(guān)的重要關(guān)鍵技術(shù),探索建立適合國(guó)情的現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)體系。
3 我國(guó)現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)研究重點(diǎn)與內(nèi)容
3.1 現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)前沿技術(shù)
圍繞作物生理需水與用水、精量控制灌溉等領(lǐng)域,對(duì)現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)前沿技術(shù)開(kāi)展原創(chuàng)性研究。通過(guò)對(duì)水-土-植物關(guān)系、干旱條件下植物根信號(hào)傳輸和氣孔反應(yīng)的機(jī)制、干旱脅迫鍛煉對(duì)植物超補(bǔ)償功能的刺激等問(wèn)題的研究,帶來(lái)農(nóng)業(yè)節(jié)水原理與技術(shù)的創(chuàng)新,促進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)新思路的問(wèn)世和源頭高技術(shù)的產(chǎn)生,為我國(guó)現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供基礎(chǔ)理論和技術(shù)儲(chǔ)備。
作物高效用水與生理調(diào)控技術(shù):
。1)研究主要作物節(jié)水條件下產(chǎn)量形成及可視化的生產(chǎn)模型,獲得維持農(nóng)作物較高水分生產(chǎn)效率的生理和生態(tài)學(xué)過(guò)程參數(shù),提出農(nóng)作物根系微生態(tài)系統(tǒng)水分吸收功能調(diào)控模型和水分利用整體超補(bǔ)償功能環(huán)境反應(yīng)模型;
。2)研究不同生態(tài)區(qū)域內(nèi)主要農(nóng)作物(小麥、玉米、棉花、水稻)非充分灌溉條件下的需水量季節(jié)分布和計(jì)算模式和不同節(jié)水灌溉技術(shù)條件下的作物需水和耗水模型,提出作物水分生產(chǎn)函數(shù)與有限水量條件下的非充分灌溉制度,得到不同節(jié)水灌溉方式下實(shí)施非充分灌溉制度的技術(shù);
。3)研究主要農(nóng)作物(小麥、玉米、棉花、水稻、果樹(shù))調(diào)虧灌溉的指標(biāo)體系(最佳凋虧階段和調(diào)虧程度),提出不同養(yǎng)分水平或施肥條件下調(diào)虧灌溉的模式及相應(yīng)的指標(biāo),獲得作物調(diào)虧灌溉的田間實(shí)施技術(shù);
。4)研究主要農(nóng)作物(小麥、玉米、棉花、水稻) 控制性分根交替灌溉的指標(biāo)體系,提出不同養(yǎng)分水平或施肥條件下控制性分根交替灌溉的模式及相應(yīng)參數(shù),獲得不同土壤、作物下控制性分根交替灌溉的灌水技術(shù)要素最優(yōu)組合設(shè)計(jì)方法及的田間實(shí)施技術(shù);
作物需水信息采集與精量控制灌溉技術(shù):
(1)研究作物對(duì)水分虧缺信息的感受、傳遞與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的過(guò)程,建立作物水分信號(hào)診斷指標(biāo)體系,獲得利用作物莖桿變形測(cè)量診斷作物缺水狀況的新技術(shù)與新產(chǎn)品;
。2)研究作物水分區(qū)域分布監(jiān)測(cè)技術(shù)和作物蒸騰過(guò)程快速監(jiān)測(cè)技術(shù),提出區(qū)域土壤水分空間變異性與最佳動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)方式和區(qū)域土壤墑情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù),獲得土壤水分動(dòng)態(tài)快速測(cè)定與預(yù)報(bào)技術(shù)及新產(chǎn)品;
。3)以土壤墑情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、作物水分動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息與作物生長(zhǎng)信息的結(jié)合為基礎(chǔ),研究運(yùn)用模糊人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立具有監(jiān)測(cè)、傳輸、診斷、決策功能的作物精量控制灌溉系統(tǒng),研制開(kāi)發(fā)智能化的灌溉信息采集裝置和智能化的灌溉預(yù)報(bào)與決策支持軟件。
農(nóng)田水肥調(diào)控利用與節(jié)水高效作物栽培技術(shù):
。1)以小麥、玉米、棉花等主要作物為對(duì)象,研究不同區(qū)域、種植制度、地力基礎(chǔ)和水資源狀況下主要作物農(nóng)田養(yǎng)分供應(yīng)與利用模式,提出不同水分條件下獲得最高水分利用效率的水分與養(yǎng)分最佳參數(shù)組合;
。2)研究不同灌溉方式下作物根區(qū)水分養(yǎng)分遷移、轉(zhuǎn)化和吸收的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,提出相應(yīng)的作物根際水肥耦合循環(huán)與調(diào)控模型,獲得以提高水肥耦合利用效率為目標(biāo)的田間節(jié)水灌溉技術(shù)參數(shù)的最優(yōu)組合;
。3)以小麥、玉米、棉花等主要作物為對(duì)象,研究農(nóng)田高效用水的作物群體時(shí)空分布特征,影響農(nóng)田整體抗旱特性和水分利用效率的群體因素和調(diào)控技術(shù);構(gòu)建主要農(nóng)作物高效用水群體優(yōu)化結(jié)構(gòu)的綜合栽培技術(shù)體系。
3.2 現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)
以田間節(jié)水灌溉、灌溉用水管理、農(nóng)藝與化控節(jié)水等為重點(diǎn),適當(dāng)考慮干旱缺水地區(qū)特殊水源的開(kāi)發(fā)與高效利用,研究現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù),創(chuàng)制一批新型的農(nóng)業(yè)節(jié)水新產(chǎn)品與新材料,促進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)水平的提升,為我國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水提供適合國(guó)情的實(shí)用性應(yīng)用技術(shù)。
田間節(jié)水灌溉技術(shù):
。1)研制抗堵、耐用、價(jià)廉的微灌灌水器,開(kāi)發(fā)新型微灌過(guò)濾器、注肥器及系統(tǒng)控制設(shè)備;
。2)研究節(jié)能異形噴嘴噴頭、可調(diào)仰角及可調(diào)霧化程度的噴頭、噴灑區(qū)域?yàn)榫匦蔚膰婎^,開(kāi)發(fā)適宜于園林噴灌的升降式噴灌裝置,改進(jìn)扇形轉(zhuǎn)動(dòng)的搖臂式噴頭,研制新型移動(dòng)式輕小型噴灌機(jī)組和智能控制低壓變量自走式噴灑機(jī)組;
。3)研究土地精平標(biāo)準(zhǔn)與激光控制平地技術(shù),開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)激光控制平地鏟運(yùn)設(shè)備和相應(yīng)的液壓升降控制系統(tǒng),提出與激光控制平地技術(shù)實(shí)施相配套的田間灌排工程系統(tǒng)模式,研究地面灌溉技術(shù)控制參數(shù),開(kāi)發(fā)田間波涌灌溉控制設(shè)備、田間多孔閘管灌溉系統(tǒng)和田間灌溉自動(dòng)控制設(shè)備;
。4)研發(fā)適合家庭規(guī)模的可調(diào)式小型免耕坐水播種技水與設(shè)備,創(chuàng)制集灌水、播種、施肥于一體的新型多功能行走式局部施灌機(jī)。
灌溉系統(tǒng)輸配水監(jiān)控與調(diào)配技術(shù):
。1)研發(fā)水分損失小、價(jià)廉、精度高、抗干擾性強(qiáng)的渠系量水設(shè)備,研制具有量水和控制雙重功能的取水口量水設(shè)施、新型管道量水儀表、適合高含沙渠道采用的量水裝置等,開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的灌區(qū)自動(dòng)化量水二次儀表及設(shè)備、井灌區(qū)計(jì)量與控制用水裝置等;
。2)開(kāi)發(fā)基于局域網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)絡(luò)與RS和GPS技術(shù)相結(jié)合的灌區(qū)動(dòng)態(tài)管理信息采集、傳輸和分析技術(shù),研究灌溉系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)識(shí)別技術(shù)和動(dòng)態(tài)配水系統(tǒng)下非恒定流模擬仿真技術(shù)和水量與流量的實(shí)時(shí)調(diào)控技術(shù);
。3)研究灌區(qū)中央控制系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)和水力自動(dòng)控制技術(shù),開(kāi)發(fā)灌溉配水系統(tǒng)的閘門控制模式及基于模糊控制方法的靈活方便的控制器。
農(nóng)藝節(jié)水技術(shù):
。1)以小麥、玉米等大田作物及林草為重點(diǎn),應(yīng)用分子標(biāo)記輔助選擇、轉(zhuǎn)基因、基因聚合技術(shù)結(jié)合常規(guī)育種的方法,創(chuàng)制抗旱節(jié)水型、水分高效利用型的優(yōu)異育種新材料,選育抗旱節(jié)水與高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)相結(jié)合型的新品種(組合);
。2)研究主要生態(tài)區(qū)域節(jié)水高效型的作物種植結(jié)構(gòu)和適合區(qū)域特點(diǎn)的節(jié)水高效間作套種與輪作等種植模式,提出主要種植制度周期內(nèi)農(nóng)田水分高效利用技術(shù)控制要素和集成化參數(shù),得到節(jié)水型農(nóng)作制度優(yōu)化技術(shù)及其量化指標(biāo);
。3)以旱地土壤水庫(kù)增容為核心,研究等高種植集雨蓄水保墑技術(shù)和田間集雨栽培技術(shù)、少耕免耕保水保肥技術(shù)、地力培肥有機(jī)旱作技術(shù)、降低田間蒸發(fā)的覆蓋保墑技術(shù)等雨水就地高效利用技術(shù),提出旱地農(nóng)田節(jié)水抗旱能力的糧草輪作技術(shù)、糧經(jīng)飼作物立體種植高效用水技術(shù)等。
新型農(nóng)業(yè)節(jié)水材料與產(chǎn)品:
。1)研究利用納米技術(shù)改進(jìn)防滲材料的性能,研制新型土壤固化劑、新型復(fù)合土工膜料和填縫材料,鹽漬土和膨脹土等特殊土類渠道的專用防滲材料,開(kāi)發(fā)新型保溫復(fù)合材料和環(huán)保型混凝土補(bǔ)強(qiáng)新材料,創(chuàng)制用于管道輸水的高分子復(fù)合材料大口徑管材和管件;
(2)研發(fā)適合旱區(qū)應(yīng)用的新型低成本、高效率的坡面集雨固化土材料、綠色環(huán)保型集雨面噴涂材料、生物集雨材料和田間集雨材料等;
(3)篩選具有控制蒸騰功能的外源物質(zhì),研究植物蒸騰抑制劑,研制具有抗旱節(jié)水、防病殺蟲(chóng)、高效環(huán)保等多種功能的種衣劑,開(kāi)發(fā)以生物材料(藻類、纖維、沙漠植物等)或化學(xué)材料為基質(zhì)的新型保水劑,創(chuàng)制低成本的高效多功能水土保持劑與土壤結(jié)構(gòu)改良劑;
(4)研發(fā)由天然材料和改性天然材料(重點(diǎn)是植物纖維和淀粉類)制成的可被微生物完全分解為對(duì)環(huán)境無(wú)害物質(zhì)的新型覆蓋材料,開(kāi)發(fā)具有增溫、保墑、增產(chǎn)、無(wú)殘留的多功能液體覆蓋材料,改性和創(chuàng)制新型液膜等。
水源開(kāi)發(fā)與高效利用技術(shù):
。1)建立區(qū)域雨水資源高效利用技術(shù)體系和最優(yōu)開(kāi)發(fā)模式及智能決策系統(tǒng)軟件,研發(fā)適合旱區(qū)應(yīng)用的新型、高效工程和生物雨水集蓄形式,提出新型集雨設(shè)施結(jié)構(gòu)形式和現(xiàn)場(chǎng)成型技術(shù),獲得雨水集蓄與高效利用工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件;
。2)研究低成本、節(jié)能型的微咸水開(kāi)發(fā)利用技術(shù),建立微咸水灌溉下的控制指標(biāo)體系和作物灌溉制度,提出微咸水灌溉下土壤水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律與調(diào)控技術(shù),得到咸水與淡水混灌和輪灌的應(yīng)用模式;
(3)研究再生水灌溉對(duì)土壤、地下水及作物品質(zhì)的影響,提出再生水作物安全高效利用指標(biāo)量化體系,開(kāi)發(fā)利用再生水灌溉的不同灌水方式、再生水與潔凈水混灌或輪灌的應(yīng)用技術(shù)以及不同再生水灌溉方式下的作物灌溉制度。
4 現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)研究帶來(lái)的貢獻(xiàn)
在現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)前沿技術(shù)萬(wàn)面,將提出作物高效用水生理調(diào)控指標(biāo)體系、作物非充分灌溉下的需水指標(biāo)體系和灌溉制度、作物調(diào)虧灌溉的指標(biāo)體系,建立作物水分信號(hào)采集與缺水敏感指標(biāo)測(cè)定和作物精量控制灌溉方法、動(dòng)態(tài)配水系統(tǒng)下的非恒定流模擬仿真技術(shù)和水量實(shí)時(shí)調(diào)控方法等。研究?jī)?nèi)容無(wú)論是在應(yīng)用基礎(chǔ)理論上還是在技術(shù)上均具有源頭創(chuàng)新性,會(huì)加速我國(guó)現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的建立。
在現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)方面,主要表現(xiàn)在對(duì)新技術(shù)的研發(fā)和對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的升級(jí)換代上。一方面,對(duì)噴微灌系統(tǒng)智能化自功控制、噴微灌條件下水肥高效利用調(diào)控、激光控制平地下的精細(xì)地面灌溉、渠道和管網(wǎng)相結(jié)合的灌溉系統(tǒng)高效輸水、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持下的灌溉系統(tǒng)動(dòng)態(tài)配水等新技術(shù)的研發(fā),將大幅度提高灌區(qū)輸配水系統(tǒng)的工作性能和田間節(jié)水灌溉的技術(shù)水平,另一方面,對(duì)灌區(qū)輸配水系統(tǒng)自動(dòng)化控制、灌區(qū)多水源優(yōu)化調(diào)配與決策支持系統(tǒng)、渠道防滲與抗凍脹、雨水集蓄高效利用、劣質(zhì)水灌溉利用、農(nóng)藝與化控節(jié)水等現(xiàn)有技術(shù)的改善與提高,將會(huì)顯著提高農(nóng)業(yè)用水開(kāi)源節(jié)流、土壤水庫(kù)充蓄增容、灌區(qū)用水與輸配水等方面的效率,有力地促進(jìn)對(duì)農(nóng)業(yè)水資源的高效合理利用。
現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)研究成果的綜合應(yīng)用,預(yù)計(jì)可使灌溉水的利用率提高到70%-80%,水分生產(chǎn)效率提高到2.0 kg/m3,作物產(chǎn)量提高15%-30%;旱作的水分生產(chǎn)效率提高0.3kg/m3,作物產(chǎn)量提高20%-25%,年直接經(jīng)濟(jì)效益和綜合社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分別達(dá)到150億元和300億元。與此同時(shí),可為全國(guó)大型灌區(qū)節(jié)水技術(shù)改造和300個(gè)節(jié)水重點(diǎn)縣的建設(shè),實(shí)現(xiàn)全國(guó)節(jié)水灌溉面積“十五”末達(dá)到2533萬(wàn)hm2、全國(guó)灌溉水利用率由現(xiàn)狀的45%提高到50%、節(jié)水近200億m3的目標(biāo),提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐與保障條件。