节水农业技术与农业生产的发展

节水农业技术是指通过工程、农业、生物、化学、管理等措施的综合运用，旨在提高水资源利用效率，增强农业生产抗御自然旱灾能力的一项技术体系。

对农作物进行灌溉，不仅包括取水、输水、配水、田间灌水等环节，也包括取水之前的各种规划、研究与决策以及田间灌水后作物水分生理过程。在整个灌溉的过程中都存在着不同程度的水量损耗，因此，可以在各环节中通过各种节水技术，以充分挖掘其中的节水潜力。如在拟定取水计划中，要在充分利用降水的前提下，将各种可用于农业生产的水资源合理地加以利用，使取水量减少；在输水过程中，可通过渠道防渗，管道输水等措施，使输水损失降低；在配水过程中，可采用轮灌等措施，使同时工作的渠道最短，流量适当，以减少渗漏、蒸发损失；在灌水过程中，采用各种先进的灌水技术，减少灌水过程中的渗水和漏水损失，并使灌溉水量充分地转化为土壤水；在作物吸收、利用土壤水的过程中，采取工程、农业、生物、化学措施，减少棵间蒸发量；在不引起减产的前提下，也可适当减少植株蒸腾量。上述相应的节水农业技术体系主要包括输水系统节水技术、田间灌溉节水技术、田间农艺节水技术、化学节水技术、管理节水技术等，其中重点是节水灌溉技术。

（一）输水系统节水技术

1.渠道防渗技术

渠道防渗技术是一项减少渠道输水渗漏损失，提高渠系水利用系数的工程技术措施，是灌溉各环节中节水效益最大的一环。

（1）渠道防渗的重要性和作用。渠道防渗是缓解水资源危机和建立节水型农业的一项重要措施。根据联合国粮农组织调查，无防渗措施的灌溉渠道，其输水损失占总引水量的30%～50%，有的竟高达60%。做好渠道防渗工程后，一般可以减少渗漏损失3/4以上，使渠系水利用系数达到0.7～0.8。目前我国80%以上的渠道没有进行防渗处理，渠系水利用系数平均不到0.5，每年由渠道损失的水量就达1734.6亿m3，为我国农业总用水量的45%，占到全国全年总用水量的30%，由此可见，渠道防渗可以显著提高渠系水利用系数。除此之外，渠道防渗还有利于控制灌区的地下水水位，防止土壤次生盐碱化；防止渠道冲刷、淤积、坍塌等，保证输水安全；提高渠道输水能力，减少输水时间，同时能缩小渠道断面，减少渠道占地；节约工程投资，降低渠道管理的维修费用。

（2）渠道防渗的主要形式。渠道防渗的材料有刚性材料（包括混凝土、沥青混凝土、砖石等）、膜料（包括塑料薄膜、沥青膜等），以及土料（包括灰土、水泥土等），这些材料各有其特点和适应条件。具体如下：

1）灰土渠道防渗。灰土渠道防渗是指用生石灰和土混合成灰土（又称二合土）作渠道防渗护面以防止渗漏的措施。一般可以减少渗漏损失量的60%～90%，每天每平方米的渗漏量为0.07～0.17m3。灰土大多用于无冻害地区和流速较低的渠道防渗工程。

2）水泥土渠道防渗。水泥土渠道防渗是指用土、砂砾料、风化料等掺入少量水泥混合而成的水泥土作渠道防渗护面，以防止渗漏的措施。一般可以减少渠道渗漏损失量的80%～90%，每天每平方米的渗漏量为0.06～0.17m3。水泥土大多用于气温较高地区的中、小型渠道以及暗渠、暗管工程。

3）砖石渠道防渗。砖石渠道防渗是指用石料（块石、料石）或砖等材料作渠道防渗护面，以防止渗漏的措施。可以减少渠道渗漏损失量的40%～60%（干砌石）及80%～90%（浆砌石）；砌砖渠道防渗的缺点是防冻害及防渗能力较低，已很少用于渠道防渗工程。

4）混凝土渠道防渗。混凝土渠道防渗是指用混凝土作渠道防渗护面，以防止渗漏的措施。混凝土渠道防渗有素混凝土防渗及钢筋混凝土防渗两种。混凝土渠道防渗有以下优点：①防渗效果好，一般能减少渗漏水量的90%～95%，每天每平方米的渗漏量为0.04～0.14m3（现浇法施工），0.06～0.17m3（预制铺砌法施工）；②耐久，在正常情况下，可使用50年以上；③表面光滑，糙率小（一般为0.014～0.017），可以提高渠道的允许流速，缩小渠道断面和连接建筑物尺寸，节约土方，减少占地面积和节约投资；④强度高，耐冲流速大（2.5～5.0m/s），能防止渠道水流冲刷、动物破坏和植物穿透，能保证渠道安全和快速输水；⑤适用范围广，只要砂石料料源丰富，任何地质条件的渠道均可采用，在中国不少大、中型渠道上都采用这种防渗方法，其主要缺点是造价较高，混凝土的极限拉伸值较低，不宜单独用于严重冻害地区。

5）塑料薄膜渠道防渗。塑料薄膜渠道防渗是指用塑料薄膜作渠道防渗护面以防止渗漏的措施。塑料薄膜是20世纪50年代经过试验、实践而迅速发展起来的一种新型渠道防渗材料。一般可以减少渗漏损失量的90%～95%，每天每平方米的渗漏量为0.04～0.08m3。

6）沥青混凝土渠道防渗。沥青混凝土渠道防渗是指用沥青混凝土作渠道防渗护面，以防止渗漏的措施。一般可以减少渗漏损失量的90%～95%，每天每平方米的渗漏量为0.04～0.14m3。

7）复合土工膜渠道防渗。复合土工膜渠道防渗是指用复合土工膜作渠道护面，以防止渗漏的措施。用于渠道防渗工程的复合土工膜，有塑料薄膜与无纺布组合的复合土工膜（产品有一布一膜与二布一膜等），塑料薄膜、无纺布与沥青油膏组合的复合土工膜（产品有沥青柔毡）和玻璃纤维布与沥青玛碲脂组合的复合土工膜（产品有沥青玻璃纤维布油毡）等三种。复合土工膜渠道防渗的优点，除与塑料薄膜渠道防渗类似，具有防渗效果好、适用范围大、耐热、耐冻、重量较轻、施工技术简单等优点外，与塑料薄膜防渗相比，复合土工膜防植物穿透能力强、强度较高。

2.管道输水灌溉技术

管道输水灌溉技术是以管道代替明渠输水，将灌溉水直接送到田间灌溉作物，以减少水在输送过程中渗漏和蒸发损失的一种工程技术措施。

管道输水灌溉系统—般由取水工程、输配水管网和田间灌水三部分组成。

（二）田间灌溉节水技术

田间灌溉节水技术是指灌溉水流进入农田后，通过采用良好的灌溉方法，最大限度地提高灌溉水利用效率的灌水技术。一般包括改进地面灌水技术，喷灌、微灌等新灌水技术，以及抗旱补灌技术等。

1.改进地面灌水技术

传统的地面灌水技术有畦灌、沟灌、格田淹灌和漫灌四种形式，是世界上最古老的也是目前应用最广泛的灌水技术。据统计，全世界地面灌水占总灌溉面积的90%左右；我国98%灌溉面积也是采用地面灌水。但是由于传统地面灌水技术存在灌溉水量损失大，需要劳力多，生产效率低，灌水质量差等问题，因此，改进地面灌水技术已引起人们重视。

地面改进灌水技术，包括小畦“三改”灌水技术、长畦分段畦灌、涌流沟灌、膜上沟灌等。

（1）小畦“三改”灌水技术。小畦“三改”灌溉节水技术是把长畦改短畦、宽畦改窄畦、大畦改小畦的“三改”灌水方法，其关键是使灌溉水在田间分布均匀，节约灌溉时间，减少灌溉水的流失，进而促进作物田间生长健壮，增产节水。小畦“三改”灌水的田间布置如图8-1所示。

图8-1　小畦灌示意图

（2）长畦分段畦灌。长畦分段畦灌是把一条长畦分为若干个设有横行畦埂的小畦，用地面纵向输水沟将灌溉水送入畦内，自上而下或自下而上进行灌水的方法。采用长畦分段灌溉兼有长畦灌（田间工程量小）和小畦灌（灌水质量高）的优点。长畦分段畦灌技术示意如图8-2所示。

（3）涌流沟灌。涌流沟灌是一种间歇性地按一定周期向灌水沟（畦）放水以湿润土壤的灌水方法，又称为间歇沟灌或波涌灌溉，是一种改进的沟灌技术。与常规沟灌相比，水流推进速度提高了两倍左右，可解决长畦（沟）灌水难的问题；灌水均匀度可达80%以上，还可防止肥料流失，使其保存在作物根部。

图8-2　长畦分段畦灌技术示意图

涌流沟灌的基本技术是：用大流量把灌溉水输送到灌水沟内，待流到一定距离后，暂停供水，过一定时间后，再大流量供水，如此间歇反复地向灌水沟供水。因此，灌水沟内的水流不是连续的，而是周期性地断续向前推进。

（4）膜上沟灌。膜上沟灌是在沟畦中铺膜，使灌溉水在膜上流动，通过作物苗孔或专门灌水孔入渗到作物根部的土壤中。与传统的沟畦灌相比，不仅提高了灌水均匀度和灌溉效率，还可保持土壤结构，表层土壤疏松不板结，可以充分发挥地膜热效应，增温效果明显而且稳定，同时土壤水分分布均匀，还可改善土壤的水热分布状况。

2.喷灌节水技术

喷灌是将灌溉水通过由喷灌设备组成的喷灌系统（或喷灌机具），形成具有一定压力的水，由喷头喷射到空中，形成水滴状态，洒落在土壤表面，为作物生长提供必要的水分。

（1）喷灌的特点。喷灌有许多突出优点，主要有以下五个方面：

1）喷灌可提高农作物产量。喷灌时灌溉水以水滴的形式，像降雨一样湿润土壤，不破坏土壤结构，为作物生长创造良好的水分状况；由于灌溉水通过各种喷灌设备输送、分配到田间，都是在有控制的状态下工作的，可以根据供水条件和作物需水规律进行精确供水。此外，喷灌还能够调节田间小气候，在干热风季节用喷灌增加空气湿度，降低气温，可以收到良好效果；在早春可以用喷灌防霜。实践表明，喷灌比地面灌可提高产量15%～25%。

2）喷灌可节约用水量。因为喷灌系统不存在输水损失，能够很好地控制喷灌强度和灌水量，灌水均匀，水的利用率高。喷灌的灌水均匀度一般可达到80%～85%，水的有效利用率为80%以上，用水量比地面灌溉节省30%～50%。

3）喷灌具有很强的适应性。喷灌可用于各种类型的土壤和作物，受地形条件的限制小。例如：在砂土地或地形坡度达到5%等地面灌溉有困难的地方都可采用喷灌。在地下水位高的地区，地面灌溉使土壤层过湿，易引起土壤盐碱化，用喷灌来调节上层土壤的水分状况，可避免盐碱化的发生。由于喷灌对地形要求低，可以节省大量农田地面平整的工程量。

4）喷灌可节省劳动力。由于喷灌系统的机械化程度高，可以大大降低灌水劳动强度，节省大量的劳动力。例如，各种喷灌机组可以提高工效20～30倍。

5）喷灌可提高耕地利用率。采用喷灌可以大大减少田间内部沟渠、田埂的占地，增加了实际播种面积，可提高耕地利用率7%～15%。

喷灌的主要缺点有以下几个方面：

1）受风的影响大。喷灌时刮风，会吹走大量水滴，增加水量损失。

2）蒸发损失大。由于水喷洒到空中，比地面灌时的蒸发量大。尤其在干旱季节，空气相对湿度较低，蒸发更大，水滴降落在地面之前可以蒸发掉10%。因此，可以在夜间风力小时进行喷灌，减少蒸发损失。

3）可能出现土壤底层湿润不足的问题。在喷灌强度过大，土壤入渗能力低的情况，会出现土壤表层很湿润而底层湿润不足的问题。

（2）喷灌系统的组成。喷灌系统通常由水源工程、首部装置、输配水管道系统和喷头等部分组成，如图8-3所示。

图8-3　喷灌系统组成示意图

1）水源工程。包括河流、湖泊、水库、池塘和井泉等都可作为喷灌的水源，但都必须修建相应的水源工程，如泵站及附属设施、水量调蓄池和沉淀池等。

2）水泵及配套动力机。水泵将灌溉水从水源点吸提、增压、输送到管道系统。喷灌系统常用的水泵有离心泵、自吸式离心泵、长轴井泵、深井潜水泵等。在有电力供应的地方常用电动机作为水泵的动力机；在用电困难的地方可用柴油机、手扶拖拉机或拖拉机等作为动力机与水泵配套。动力机功率的大小根据水泵的配套要求而定。

3）管道系统。管道系统的作用是将压力水输送并分配到田间。通常管道系统有干管和支管两级，在支管上装有用于安装喷头的竖管。在管道系统上装有各种连接和控制的附属配件，包括弯头、三通、接头、闸阀等。为了在灌水的同时施肥，在干管或支管上端还装有肥料注入装置。

4）喷头。喷头是喷灌系统的专用部件，喷头安装在竖管上，或直接安装于支管上。喷头的作用是将压力水通过喷嘴，喷射到空中，在空气的阻力作用下，形成水滴或水雾状，洒落在土壤表面，又称喷洒器。

喷头按使用的工作压力可分为高压、中压和低压三种，也可根据喷洒特征及结构型式分为固定式喷头和旋转式喷头两大类。

5）田间工程。移动喷灌机组在田间作业，需要在田间修建引水渠和调节池及相应的建筑物，将灌溉水从水源引到田间，以满足喷灌的需要。

（3）喷灌系统的分类。喷灌系统的形式很多，各具特点，分类的方法也不同。按喷灌系统获得压力的方式可分为机压喷灌系统和自压喷灌系统。按系统构成的特点分类，又可分为管道式喷灌系统和机组式喷灌系统。

3.微灌节水技术

微灌技术是新兴的节水灌溉技术，其主要特点是以低压小流量出流将灌溉水供应到作物根区土壤，可以实现局部灌溉。以断续滴出的形式供水时称为滴灌；以喷洒的方式出流时称为微喷灌。此外，还有涌泉灌、小管出流等方式。但在实践中形成完整理论并广泛使用的主要是滴灌和微喷灌技术，本书所指的微灌技术即是指这两种技术。(www.xing528.com)

（1）滴灌。在滴灌系统中，灌溉水通过干管、支管和毛管及时均匀地送至安装在毛管上的滴头，再缓缓地滴到土壤表面或土层中，并扩散到作物根区土壤以满足作物的需要。

20世纪70年代以来许多国家开始重视滴灌，认识到滴灌不仅是一种缺水地区有效利用资源的灌水方式，而且是一种现代化的农业技术措施，发展普及很快。

滴灌的优点有以下方面：

1）提高作物产量。传统的灌溉方式如沟灌、畦灌、漫灌等，灌水间隔时间长，一次灌水量大；在灌水间隔期内，土壤含水量变化很大，作物生长受影响。采用滴灌，这种变幅很小，土壤水分可保持在最佳水平，便于作物吸收水分和养分、减少作物体内能量消耗。由于土壤水是以毛细管水形式存在的，因而能保持土壤有良好的通气状态，从而使作物产量得到提高。

2）最大限度地利用水。灌溉水只施用于最有效的根区周围，减少或杜绝了灌溉水渗漏到根系以下的损失。同样由于只有部分地表湿润，从而大幅度减少了地面蒸发；滴头的灌水率小于土壤入渗速度，因而避免了径流损失，同时作物行间土壤保持干燥，可以充分积蓄天然降雨，提高降雨的田间利用率；没有水分的漂移损失和输送及喷洒中的蒸发损失。

3）减小盐碱对作物的损害。与传统的灌溉方式不同，滴灌可以采用微咸水灌溉，且对作物产量影响很小。

4）提高肥效。滴灌结合施肥非常方便，因而很容易做到少施、勤施，既有利于提高作物产量，又有利于减少化肥用量。滴灌系统施肥的特点是养分可以根据作物消耗直接施到作物根系附近，使土壤养分保持在最佳平衡状态。这种准确、及时地施肥只有滴灌才能做到。同时，均匀的肥料分布可以最大限度地避免肥料被淋洗到根系以下。所以，得到同样的产量，滴灌所需的肥料比其他灌溉方法大大减少。

5）有利于实现自动化控制。自动化控制可以大大节省劳力，同时，可更有效地控制灌溉。通过滴灌系统施用水、肥料、除草剂、杀虫剂以及其他药品可以降低操作管理费用。

6）节能。滴灌系统采用低压运行可以大大降低泵站的能耗，同时，由于流量小工作压力低，可能采用小直径低压力档次的管材。另一个经济因素是杂草只生长在湿润的区域，可减少除草剂的费用。

7）对地形适应能力强。在坡度为50%～60%的陡坡地上，也可以采用滴灌系统进行灌溉。在很大压差变化范围内能可靠地进行工作的补偿式滴头，特别适用于山丘坡地条件。

8）可开发边际土地资源。沙漠、戈璧、盐碱土壤、荒山荒丘等均可以利用滴灌技术进行种植业开发。

滴灌虽然有许多优点，但也有一定的局限性。主要有以下方面：

1）滴头堵塞。滴头堵塞主要是由悬浮物（沙和淤泥）、溶解盐（主要是碳酸盐）、铁锈、其他氧化物和有机物引起。解决滴头堵塞最有效的方法是采用预防措施（如过滤），加强中间管理（如水的化学处理、滴灌管冲洗和田间检查），以及采用抗堵性能好的滴头等。

2）盐分积累。在干旱地区采用含盐水灌溉时，盐分趋于在湿润区域周边积累。这些盐分易于被淋洗到作物根系区域，当种子在高浓度盐分区域发芽时，会带来不良后果。

3）可能影响作物的根系的发育。土壤含水量持续较高情况会引起一些根系方面的病害，或者在滴头周围（直径大约为20～30cm）土壤内空气不足。另外，局部灌溉会限制根系发展，导致根系密度增加，这既是缺点，也是优点。

4）投资相对较高。一次性投资较高，与自流灌溉相比运行费用也高，影响了在大田中的应用。

（2）微喷灌。微喷灌是以低压小流量喷洒出流的方式将灌溉水供应到作物根区土壤的一种先进灌溉方式。微喷灌技术则是与微喷灌这一灌溉方式有关的设备、系统设计、系统配套及运行管理等综合技术的统称。

我国应用微喷灌已有十余年的历史，主要的应用对象是果树、菜田、花卉和草坪灌溉。

微喷灌与滴灌、喷灌有一些近似之处，但也存在着明显的区别，它具有独自的特点。

微喷灌的优点有以下方面：

1）节约用水。灌溉水的利用效率高。微喷灌的节水主要体现在减少含水土壤面积、控制灌水深度，减少蒸发和渗漏损失。在果园中，湿润面积仅占作物生长总覆盖面积的40%～75%。其次，通过选择微喷头的最适宜降水特性，使土壤湿润体内水的利用率得到进一步的提高。

2）系统组合性能强，使用方便。主要体现在通过调整喷嘴和分水器，形成多种喷洒直径和降雨强度的组合，从而适应了果树从幼树生长为成树的不同需要；某些情况下微喷灌系统还可以很容易地转化成滴灌系统；微喷头可随时调整其工作位置，如树上、行间或株间等。

3）节省能源。微喷头的设计工作压力一般在15～20m水头之间，又是局部供水，与喷灌相比大大减少了系统的供水量和扬程，节省能源的作用十分明显。

4）控制杂草生长。当喷洒水直径不超过树荫覆盖时尤为明显，暴露在阳光下的地面得不到水分供应，杂草相应减少。

5）受风的影响小于喷灌系统。因微喷头工作位置低，喷洒仰角小，在多风季节仍可以作业。

6）降低系统投资。因为采用了低压小流量的供水方式，对系统供水能力的要求降低了，从而使各级管道的口径减小，并降低了管材的压力等级，减少了系统的动力功率，使系统的总投资大大下降。

7）可控制叶面潮湿。对于使用污水和咸水灌溉时，可防止损害作物叶子。相反当需要湿润叶面或改善田间小气候时，可将微喷头移至树冠上，还可用以防止霜冻灾害。

8）有助于开发利用盐碱土壤。对盐碱土壤上的作物，可利用微喷灌在作物根系区创造一个低盐浓度的区域，保证作物的正常生长。

9）对田间作业的干扰小。因管道和微喷头便于移动，不影响田间农机作业。

10）适应于山丘坡地灌溉。因为微喷灌输水管道化，灌水喷洒化，适用于多种地形，特别适应我国的客观情况。

11）可用于施肥、喷洒除草剂等。

12）节约劳力，容易实现自动化。

微喷灌的局限性有以下方面：

1）对灌溉水要求进行一定的处理。微喷头的喷嘴直径，可小于1mm，为不造成堵塞，需将灌溉水过滤。

2）田间若杂草过多、过高，会影响树下微喷头的喷洒质量。

3）因微喷灌设备多用塑料制作，管理不善时，容易被农机、动物损坏和人为损坏；对管理的要求较高。

4）相对于地面灌溉而言，投资较高。

5）不适宜于大田作物。

（3）微灌系统的组成。微灌系统由水源、首部枢纽、输配水管网和灌水器以及流量、压力控制部件和量测仪表等组成，如图8-4所示。具体如下：

1）水源。江河、渠道、湖泊、水库、井、泉等均可作为微灌水源，但其水质需符合微灌要求。

2）首部枢纽。首部枢纽包括水泵、动力机、肥料和化学药品注入设备、过滤设备、控制阀、进排气阀、压力及流量量测仪表等。其作用是从水源取水增压并将其处理成符合微灌要求的水流送到系统中去。

3）输配水管网。输配水管网的作用是将首部枢纽处理过的水按照要求输送分配到每个灌水单元和灌水器，输配水管网包括干管、支管和毛管三级管道。

4）灌水器。灌水器是微灌设备中最关键的部件，是直接向作物施水的设备，其作用是消减压力，将水流变为水滴或细流或喷洒状施入土壤，包括微喷头、滴头、滴灌带等。灌水器大多数是用塑料注塑成型的。

图8-4　微灌系统组成示意图

1—水源；2—水泵；3—流量计；4—压力表；5—化肥罐；6—阀门；7—冲洗阀；8—过滤器；9—干管；10—流量调节器；11—支管；12—滴头；13—分水毛管；14—毛管；15—果树；16—微喷头；17—条播作物；18—水阻管；19—滴灌管

（4）微灌系统的分类。由于组成微灌系统的灌水器不同，其相应的微灌系统也分为滴灌系统、微喷灌系统、小管出流灌系统以及渗灌系统四类。根据配水管道在灌水季节中是否移动，每一类微灌系统可分为固定式、半固定式和移动式。

固定式微灌系统的各个组成部分在整个灌水季节都是固定不动的，干管、支管一般埋在地下，根据条件，毛管有的埋在地下，有的放在地表或悬挂在离地面几十厘米高的支架上。固定式微灌系统常用于经济价值较高的经济作物。

半固定式微灌系统的首部枢纽及干、支管是固定的，毛管连同其上的灌水器是可以移动的。根据设计要求，一条毛管可在多个位置工作。移动式微灌系统各组成部分都可移动，在灌溉周期内按计划移动安装在灌区内不同的位置灌溉。半固定式和移动式微灌系统提高了微灌设备的利用率，降低了单位面积微灌的投资，常用于大田作物。但操作管理比较麻烦，适合在干旱缺水、经济条件较差的地区使用。

（三）田间农艺节水技术

为了充分利用灌到作物根系活动层内的水分所采取的各种耕作栽培技术，称为田间农艺节水技术。其核心是减少无效蒸发，防止地下渗漏，改善作物生理生态条件，提高作物产量和水分利用效率。田间农艺节水技术包括地面覆盖、耕作保墒、合理施肥、以肥调水等。

（四）化学节水技术

在农业抗旱节水中，化学制剂的作用已越来越引起国内外专家的重视，被认为是一种很有前景的新型节水增产技术，统称之为化学节水技术。目前在农林生产应用中较多的化学制剂有保水剂、抗蒸腾剂、土壤改良剂等，这些化学制剂多属高分子有机物质，其作用基本原理是利用它们对水分的调控机能，增强作物抗旱能力，减少土壤蒸发，抑制叶面蒸腾，达到节水增产，提高水分利用效率。

（五）管理节水技术

管理节水是指根据作物水分生理特性及需水规律进行控制或调配水源，以最大限度地满足作物对水分的需求，实现区域效益最佳的水分调控管理技术。包括农田土壤墒情监测预报、节水灌溉制度制定、灌区量水与输配水调控及水资源政策管理等方面。