国内外农业节水研究的趋势及热点问题分析

随着全球性水资源供需矛盾的日益加剧,世界各国,特别是发达国家都把发展节水高效农业作为农业可持续发展的重要措施。发达国家在生产实践中,始终把提高灌溉(降)水的利用率、作物水分生产效率、水资源的再生利用率和单方水的农业生产效益作为研究重点和主要目标,在研究农业节水基础理论和农业节水应用技术的基础上,将高新技术、新材料和新设备与传统农业节水技术相结合,加大了农业节水技术和产品中的高科技含量,加快了传统粗放农业向现代节水高效农业的转变。

在世界范围内,农业节水因不同国家的经济发展水平和缺水的程度不同而存在不同的发展模式。以埃及、巴基斯坦、斯里兰卡、印度等为代表的经济欠发达国家,由于受其经济条件和技术水平的限制,农业节水主要采用以渠道防渗技术和地面灌水技术为主,配合相应的农业措施以及天然降水资源利用技术的模式。而以以色列、美国、日本、澳大利亚等为代表的经济发达国家,农业节水主要采用以高标准的固化渠道和管道输水技术、现代喷、微灌技术与改进后的地面灌水技术为主,并与天然降水资源利用技术,生物节水技术、农业节水技术与用水系统的现代化管理技术相结合的模式。

发达国家的农业节水大致经历了如下几个发展阶段,首先,在科学规划的基础上,强化农田水利基础设施建设,采用管道与高标准的固化渠道将农业用水输送到田间,以最大限度地减少输水过程的水量损失,提高输水效率;其次,在田间大面积推广应用现代喷灌技术、微灌技术和改进后的地面灌溉技术以及农业栽培、耕作等农艺节水技术,同时,充分利用天然降水资源,尽量减少农田水分损失,提高作物的水分利用效率;最后,通过利用现代生物技术与农艺措施,选育和推广种植水分利用效率高的作物品种,调节和利用作物本身的生理功能和遗传特性,最大限度地提高作物水分生产效率。通过深入研究作物水分生理需求与田间水分转化机制,以作物水分信息采集为依据实施精确控制灌溉,并通过灌溉系统的科学管理来提高系统的运行效率,实现农业节水。也就是说,在建立了完善的输水系统和采用了先进的灌水技术后,农业节水发展的重点已经由输水过程节水和田间灌水过程节水转移到生物节水、作物精量控制用水以及节水系统的科学管理,并重视农业节水与生态环境保护的密切结合,这代表了现代农业节水技术的发展趋势与方向。

农业用水浪费主要发生在渠系输水、田间灌水、土壤储水保水和作物用水等环节。要提高农业水的利用率和生产效率,不仅涉及到提高作物水分利用效率的生理与分子基础,而且与作物高效用水的需水指标、灌溉水—土壤水—作物水—光合作用—干物质量—经济产量的转化效率、农田生态系统中水分传输和调控机理及区域大气水、地表水、地下水、土壤水的转化过程有密切的关系,同时还涉及到利用现代高技术对农业水资源、土壤水分和作物水分进行监测监控,采集作物对缺水反应的信息并根据作物需水规律进行精量控制用水等一系列与农业节水相关的应用基础理论。

目前,国际上现代节水高效农业的应用基础研究、关键技术研究和产品研发领域的发展态势是:

(1)农业节水研究开始由实验统计向具有较严谨理论体系和定量方法的科学转变,农田生态系统中水分迁移模拟与区域作物需水的定量计算模型得到较快的发展。国内外学者对微域的土壤-植物-大气系统(SPAC)水分运移进行了大量研究,但如何应用微观尺度的SPAC 水分传输理论解决流域尺度水转化过程的描述仍然需要作大量的研究工作,这涉及到如何考虑土壤与植被的空间变异性以及水文地质条件的影响,把点上(微观尺度上)得到的模型扩展到面上、区域上应用的问题。为了解决这一问题,有关农田表面的空间变异性、尺度转换、各部分介质的非线性相互作用等将是未来研究的难点。

由于节水技术水平的提高和作物水分利用效率的改善,迫切需要研究农业结构调整、作物布局改变和非充分灌溉条件下的作物需水规律及其区域分布;而且过去有关作物需水量的研究以单点和单一作物的计算模型较多,对于区域多种作物组合的需水量计算还缺少科学的方法。有关作物需水量的计算方法目前应用最多的是Penman-Monteith方法,但此方法主要适用于单点的单一作物需水量计算,对于区域多种作物组合的需水量计算首先要根据不同代表点的气象观测资料计算代表点的需水量,然后用插值法绘制区域需水量的分布图,再根据代表点控制的面积用加权平均法确定区域需水量,但这种方法很难克服气象因素和作物需水的空间变异所产生的较大计算误差,没有考虑多种作物组合中作物与作物间的交互作用。20世纪60年代后期遥感技术的应用为用能量平衡法计算区域作物需水量提供了可能,20世纪80年代以后,利用遥感作物冠层温度估算区域需水量分布的研究变得十分活跃,并在一些发达国家得到了大量的应用。但目前在应用上还存在一些技术问题,如计算冠层表面热通量的SVAT 模型参数的空间分辨率问题,陆地卫星热映像(TM)波谱参数和SVAT 模型参数的定量对应关系等。另外,由于作物高效用水理论的突破和节水调控新途径的开拓,需要考虑利用作物本身的生理功能挖掘其节水的潜力,减少作物本身奢侈的蒸腾量,传统的按能量平衡理论估算作物需水的方法和在充分湿润条件下获得的作物系数均遇到了严峻的挑战,迫切需要建立作物高效用水和非均匀湿润条件下的需水量计算方法及相应的作物系数值,以满足农业节水发展之需要。

(2)水分胁迫对作物的后效性影响及其提高水分生产效率的机理已成为当前研究的热点,作物高效用水生理调控与非充分灌溉理论研究不断深入,利用作物生理特性改进水分利用效率(WUE)的研究将会更加引人关注。

近年来,国内外提出了许多新的概念和方法,如限水灌溉(limited irrigation)、非充分灌溉(no-full irrigation)与调亏灌溉(regulated deficit irrigation)等,对由传统的丰水高产型灌溉转向节水优产型灌溉,提高水的利用效率起到了积极作用。20世纪70年代以来,大量研究结果表明,植物各个生理过程对水分亏缺的反应各不相同,而且水分胁迫可以改变光合产物的分配。同时一些研究还表明,水分胁迫并非完全是负效应,特定发育阶段、有限的水分胁迫对提高产量和品质是有益的。植物在水分胁迫解除后,会表现出一定的补偿生长功能。在某些情况下,水分亏缺不仅不降低作物的产量,反而能增加产量、提高WUE。调亏灌溉就是基于上述认识,在作物生长发育的某些阶段主动施加一定的水分胁迫,即人为地让作物经受适度的缺水锻炼,从而影响光合产物向不同组织器官的分配,以调节作物的生长进程,改善产品品质,达到在不影响作物产量的条件下提高WUE 的目的。但是,这些方法仅考虑在时间上的调亏或水量的优化分配,没有考虑作物根系功能和根区土壤湿润方式变化对提高作物WUE的作用。大量研究发现根区土壤充分湿润的作物通常其叶气孔开度较大,以至于其单位水分消耗所产生的CO2 同化物较低。作物叶片的光合作用与蒸腾作用对气孔的反应不同,在一般条件下,光合速率随气孔开度增大而增加,但当气孔开度达到某一值时,光合增加不明显,即达到饱和状态,而蒸腾耗水则随气孔开度增大而线性增加。因此,在充分供水、气孔充分张开的条件下,即使出现气孔开度一定程度上的缩窄,其光合速率不下降或下降较小,但可减小大量奢侈的蒸腾耗水,达到以不牺牲光合产物积累而大量节水的目的。控制性作物根系分区交替灌溉节水新技术,强调交替控制部分区域根系干燥、部分区域根系湿润,以利于交替使不同区域的根系经受一定程度的水分胁迫锻炼,刺激根系吸收补偿功能,诱导作物部分根系处于水分胁迫时的木质部汁液ABA 浓度的升高,以调节气孔保持最适宜开度,达到以不牺牲作物光合产物积累而提高作物WUE 的目的。同时,还可减少棵间蒸发损失和深层渗漏。该项技术具有良好的开发前景和节水效果,但这种供水方式对作物WUE的影响和节水的机理以及最优供水模式等问题还有待进一步研究。另一方面,在存在土壤次生盐碱化威胁的地区,是否会导致土壤盐分积累,也需要进行更深入的试验研究和分析。

国内外虽然对非充分灌溉条件下的作物水分生产模型进行了大量的研究,并相继提出了加法模型、乘法模型及加乘混合模型等,但它们大多是缺乏物理意义的统计回归分析模型,且水分敏感系数或指数在不同地区和同一地区不同水文年间的变化较大,因此需要通过对非充分灌溉条件下作物产量与水分关系的研究,建立参数变化比较稳定且具有较强物理意义的水分生产模型,还需要考虑不同土壤肥力和盐分水平对作物缺水敏感指数的调节作用,以实现水肥盐联合调控的目的;同时,需要由研究单点的作物水分生产函数,转向研究区域范围内的作物水分生产函数及其分布特征;从传统地研究小麦、玉米、棉花等大田作物,转向研究经济作物;而且对于不同作物和不同地区适用的非充分灌溉模式亦需进一步的深入研究。

(3)作物WUE基因工程改良的研究正在世界范围内引起广泛重视,作物抗旱节水相关性状的基因定位、分子标记、基因克隆和转基因研究十分活跃,通过基因工程改良培育高WUE型和抗旱节水型作物新品种将成为农业节水中一个新的亮点。

目前抗旱节水遗传改良研究的重点和方向是:随着生物多样性的日渐减少,进行作物抗旱节水种质资源的搜集和保存及开发利用研究,建立抗旱节水基因库,对抗旱节水及相关性状进行分子标记及基因克隆研究,利用常规杂交育种和转基因技术,培育抗旱节水新的优良品种。到目前为止国内外已在烟草、拟南芥、苜蓿、番茄、玉米、大麦、大豆、小麦、水稻等植物上开展了抗旱节水机理及分子生物学研究,并进行了抗旱节水相关性状的基因定位,分子标记,基因克隆和转基因研究。从理论上来讲,能对WUE及其相关基因进行分子标记和定位,就能对这些基因进行克隆,凡是能克隆出调控光合速率、蒸腾速率和WUE有关的基因,一定会通过转基因方法进行转节水(高WUE)基因植物的培育和改良,但到目前还未见有直接转WUE基因的报道。由于作物抗旱性是由多基因控制的,与丰产性不易结合,而高WUE特性能将丰产性和抗旱性结合为一体,其育种潜力更大,应用杂交育种和转基因工程培育抗旱节水高产品种是一条新的途径。

(4)农业节水新技术与产品研发速度较快,一批低成本、高效率的新型农业节水设备与制剂正在走向市场和大面积应用,产品日趋标准化、系统化,高效环保型节水材料与制剂是未来研发的亮点,高精度激光固化树脂快速成型技术应用将进一步提高节水灌溉设备的开发水平。

地面灌溉技术研究方面,在土壤入渗过程中气阻影响研究的基础上,水平畦灌的研究不断深入,传统的畦灌、沟灌也由过去单纯研究灌水技术要素对灌水均匀性和水分深层渗漏的影响,转向综合研究灌水技术要素对土壤水肥运移和对水肥淋失的影响;同时,开发了膜上灌等新型灌水技术,并得到较大面积推广。水平畦灌是田面非常平整条件下的畦灌,要求供水流量大、土地平整精度高,用传统技术难以满足其精度要求,必须在进行大地测量后,采用激光平地技术。该技术在美国等发达国家被称为是地面灌溉最重要的进展之一。波涌灌溉利用了致密层在发展中不断减小田面糙率与土壤入渗特性这一客观规律,逐次为以后各周期的灌溉水流创造了一个加速水流推进与提高减渗效果的新接口。浑水波涌灌溉则是利用含沙量较高的水进行波涌灌溉,能够起到更加明显的效果。

在喷、微灌技术研究方面,国外一直非常重视喷灌水肥需求规律及水肥耦合高效利用方面的研究,施肥灌溉应用十分普遍。在微灌水肥高效利用方面,以色列、美国、荷兰等国家对不同作物的施肥灌溉制度和微灌施肥灌溉专用液体肥料进行了20～30年的研究,取得了丰富的成果,已经研制出了针对多种经济作物水肥高效利用的专家管理系统。我国从20世纪70年代起,就针对微灌开始了研究和试验示范工作,开展了微灌条件下的土壤水分与溶质运移规律、日光温室和大田经济作物的灌溉制度、水肥耦合模式、滴灌施肥技术等研究工作。在喷微灌设备方面,对注肥设备的研制取得了可喜的进展,但对滴灌施肥灌溉条件下养分的运移以及施肥灌溉系统运行参数几乎没有涉及。施肥灌溉自动控制环节薄弱,施肥灌溉软件方面研究严重滞后是造成这一局面的主要原因。国外现有滴灌施肥灌溉自动控制软件也只能在给定施肥量的情况下控制肥液浓度与施肥历时,而未能将作物施肥灌溉制度、土壤特性、氮素运移模式相结合,形成决策、管理一体化的软件。国外由于长期的技术积累,一些著名公司不断有新产品推出。以色列的NETAFIM 公司,PLASTRO 公司等,开发出了系列化的内镶式、管上式灌水器件,根据所提供的资料,新开发的产品抗堵性能提高,而使用寿命得以延长。国内一些企业也有新产品推出,但因缺乏技术支撑,产品性能尚不如国外,而且开发费用高,周期长。在节水灌溉产品快速开发平台技术中,提出的高精度快速成型专用设备是快速成型领域研究的热点,但是目前没有见到开发成功的报道。特别是微涂层的实现,由于受到材料性能的限制,依靠自然流平无法达到很小的层厚,并且受到表面浸润性能的影响,必须采取相应措施才能实现,目前正从材料、涂层方法方面力争有所突破。(www.xing528.com)

国外正在开发节能型的低压重力式滴灌技术和防堵塞的脉冲灌等技术。地下灌溉由于能显著减少作物无效蒸发(土壤表面蒸发)而特别省水的优点,发展也十分迅速。目前国外利用废旧橡胶、塑料发泡剂等研制成功了新型发汗渗灌管,并在果树、花卉等作物中开始应用,现正在开展其合理管道间距、埋深及其优化灌水模式、防生物堵塞技术等方面的研究。

工程节水技术方面,高精度激光固化树脂快速成型技术得到进一步发展,在微小光斑聚焦以及精密扫描系统、微涂层实现方法方面取得了突破,微小光斑(11μm)的聚焦和精密扫描系统的扫描精度在液面达到±0.005μm;解决了迷宫流道特征参数的提取与CAD 建模问题。

根据中国国情,已研发出秸秆粉碎还田免耕施肥小麦播种机、注水量和注水频率可调的坐水种点灌机、抗旱用行走式轻型喷灌设备、专用直流潜水电泵、大射程旋转式微喷头、长流道新型薄壁微灌带、带离心清洗装置的自动反冲过滤器、带稳压机构的连续精量水动式施肥泵、低压压力调节器、节能异形喷嘴、可调雾化程度及射程的多功能喷头、新型短流道喷头、轻小型喷灌机组、新型中远射程喷头、国产激光控制精细平地铲运设备等节水灌溉设备和系统,其中国产激光控制精细平地铲运设备、专用直流潜水电泵等设备形成定型生产或示范应用。

在节水制剂与材料研发方面,国内学者初步解决了秸秆纤维的溶胀和交联技术,使研发的产品耐盐性超过现有市场产品和文献报道。保水剂的非离子高分子聚合物接枝工艺,使产品的吸水率达到40倍,吨成本低于1000元,大豆种子包衣每亩低于2元。研发了生物集雨营养调理剂、纳米混凝土改性剂、多功能生物型种衣剂、新型保水剂、新型防水保温材料、新型填缝止水材料、新型液膜材料、新型高效重金属离子净化剂等节水制剂和材料,其中已有多功能生物型种衣剂、新型高效重金属离子净化剂等产品形成定型生产或示范应用。

一批节水产品初步表现出较强的市场前景和进一步开发的前景。如生物集雨材料及其相应建造工艺,蜂窝管渗流集蓄新产品,秸秆粉碎还田免耕施肥小麦播种机,长流道新型薄壁微灌带,带离心清洗装置的自动反冲过滤器,带稳压机构的连续精量水动式施肥泵,多功能生物型种衣剂,作物根区局部控水灌溉装置,新型液膜覆盖材料,国产激光控制精细平地铲运设备,控制性分根交替灌溉孔口灌水器和交替阀等将会取得较大突破。

(5)灌区水转化与农业水资源持续高效利用研究得到了广泛重视,农业水资源系统承载力模型、分布式灌区水转化模型、农业与生态用水的科学配置及节水高效和对环境友好的农业用水模式等研究将会更加活跃。

农业与生态用水的科学配置中有关生态需水的计算方法主要从物理的水量平衡、水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等方面考虑,而且主要是针对现有生态系统或生态水文条件,没有考虑生态系统和水文过程的相互反馈作用以及不同遗传特性物种的水分生产力关系,还缺乏系统的建立在严谨的生理学、生态学和物理学理论及定量的数学方法基础之上的生态需水量计算方法。此外,如何确定分布式灌区水转化模型的有效结构、如何对农业水资源利用在分布式模型中进行有效表达、如何在野外对模型参数进行原位测定和对分布式模型的栅格参数率定,确定区域农业水资源多维调控的决策方法将是该领域研究的重点和难点。

(6)非常规水将是农业用水中“开源”的主要对象,非常规水资源化及其高效安全利用技术研究十分活跃。

在节水的同时,开发利用非传统水资源,是解决缺水的重要途径,其中污水资源和咸水、微咸水资源以及天然雨水资源的开发利用极为重要。开发利用非常规水资源已成为众多国家和地区解决用水危机的新途径而受到普遍重视。在国外,无论是水资源十分紧缺的国家(如以色列),还是水资源相对丰富的国家(如美国)早已开展了污水资源化的开发利用工作。从地域范围看,污水灌溉的实践则遍及世界上大多数地区。在经济发达的美国,目前全国50个州中有45个州开展了污水回用于农业的工作,全国城市污水再生回用总量约为94亿m3/a,其中60%用于灌溉;气候干旱的以色列,目前全国建有200多个污水回用工程,其污水利用率已达70%,其中约2/3用于灌溉,灌溉用污水水量占总灌溉水量的1/5;突尼斯2000年再生水的灌溉用水量达到1.25亿m3;约旦大多数城市处理后的污水主要回用于农业,灌溉面积近10700hm2;印度自80年代以来,每年用于农田灌溉的污水占城市污水量的50%以上;墨西哥城90%的城市污水回用于农田灌溉,灌溉面积达90000hm2。此外,世界上其他一些国家如阿根廷、巴西、智利、希腊等国,在污水回用于农业方面也有丰富的实践。在污染物在土壤和地下水系统中的运移规律和长期的环境效应方面,近20～30年来,在文献中可以见到的国外研制的土壤中氮素转化和运移模型已有10种以上,但缺乏以大气-土壤-植物-地下水系统为统一体的水盐运移规律的研究以及适宜于当地水土条件的咸水灌溉成套技术体系(地上、地下工程,灌溉技术)和运行管理模式。至于区域性咸水利用和改造的研究方面——包括合理的咸水开采水平、开采条件下浅层咸水资源的评价方法、地面水(淡水)与地下水(咸水)联合运用与调度模式、长期利用咸水灌溉后的环境影响、安全控制指标体系、风险分析及其监控测报系统等尚待形成完整的技术体系。

污水灌溉及其对环境的影响已成为许多国家水资源高效利用与管理、农业与生态环境等领域日益关注的重要课题。目前,需要进一步研究污水灌溉条件下作物需水量和耗水量的计算模型以及对污水灌溉响应的产量模型;污水灌溉对植株、土壤及地下水环境的影响,如污水灌溉对土壤水分物理参数的影响、污灌条件下饱和—非饱和土壤中有害物质(重金属、硝态氮和盐)的时空分布特点、盐分和污染物(重金属及硝态氮)在土壤中的运移、转化、吸附与积聚等动态过程、重金属在植株中的富聚规律;污水灌溉条件下,灌溉水中盐分含量与盐分组成对作物吸收养分的影响及考虑盐分影响条件下作物吸收养分的数学描述;作物污水最优灌溉模式与应用技术的研究,即以最大限度地减少水和有害物质从根系层淋失和有毒物质(重金属)在作物中累积为目标,根据作物蒸腾强度和土面蒸发强度调控污灌量,并根据农作物对污水灌溉响应的产量模型和不同灌溉技术,确定相应的最优污水灌溉模式(包括灌水量、灌水时间和灌水次数)。

在雨水集蓄利用方面,国际上已从过去经验的总结,向现代技术的应用和工业化技术产品生产方面转变(比如德国的塑料窖体生产等);雨水利用也不仅仅只是为了解决生活用水和农业用水,而逐步开始对雨水资源化和水资源的保护与高效利用进行探索。与集蓄雨水高效利用相配套的免耕技术及机械化机具在一定程度上解决了半干旱地区的播种出苗和灌溉问题,但在一些关键技术上尚未突破。目前,雨水集蓄利用的方式、材料和技术发展落后,雨水利用新技术和新方法的研究十分薄弱,已难以适应集雨工程迅速发展的需求。

(7)高新技术在农业节水现代化管理中的应用日益广泛,3S技术的应用将全面提升农业节水管理的现代化水平,数字渠道、数字灌区的发展将大大促进精准灌溉和农业水资源精准调度的实践。

3S技术的应用产生了数字渠道、数字灌区等概念。在灌区用水管理中,综合各种预测技术、优化技术的灌溉用水计算机管理系统已开始在我国灌区大面积应用,使灌区的灌溉用水实现了由静态用水向动态用水的转变,为提高灌区水资源的利用率提供了技术保障。为实现渠系优化配水的要求,应用计算机技术的渠道水量、流量实时调控的研究也在国内外逐步兴起。灌区用水管理系统方面,已逐步转向将数据库、模型库、知识库和地理信息系统有机结合的灌区节水灌溉综合决策支持系统。特别是近年来发达国家已开展了利用GPS和G1S、RS和计算机控制系统进行精细准确调整灌水施肥的精准灌溉技术研究,为最大限度地优化各项农业投入,充分挖掘田间水肥差异性所隐含的增产潜力创造了条件。