国外农业节水发展现状与我国差距分析

世界各国利用的农业节水措施可概括为工程节水、农艺节水、生物节水和管理节水等四大类。这些节水措施的应用可大致分布在4个基本环节中:①减少渠系(管道)输水过程中的水量蒸发和渗漏损失,提高灌溉水的输水效率。②减少田间灌溉过程中水分的深层渗漏和地表流失,提高灌溉水的利用率,减少单位灌溉面积的用水量。③蓄水保墒,减少农田土壤的水分蒸发损失,最大限度地利用天然降水和灌溉水资源。④提高作物水分利用效率,减少作物的水分奢侈性蒸腾消耗,获得较高的作物产量和用水效益。

农业节水发达的国家在生产实践中,始终把提高上述四个环节中的灌溉(降)水利用率和作物水分利用效率作为重点,在水源开发利用技术、田间节水灌溉技术、农艺节水技术、用水管理技术和农业节水技术集成与产业化等方面取得了领先优势。我国在农业节水方面的主要差距主要表现在以下几个方面。

(1)抗旱节水作物品种选育与节水农作制度。在抗旱节水农作物品种选育方面,发达国家充分利用其在该技术领域的领先优势和雄厚的资金,先后选育出一系列抗旱、节水、优质的农作物品种。如澳大利亚和以色列等国家的小麦品种、以色列和美国的棉花品种、加拿大的牧草品种、以色列和西班牙的水果品种、巴西的陆稻品种等。这些品种不仅具有节水抗旱的突出特点,又具备稳定的产量性状和优良的品质特性,在农业生产中发挥出重要的节水增效作用。特别是近年来,植物抗旱基因的挖掘和分离、水分高效利用相关的基因定位、分子辅助标记技术、转基因技术、基因聚合技术等生物技术在抗旱节水作物品种选育等方面的应用已取得一批极富研究和开发潜力的成果,对改善作物本身的水分利用效率,提高农田水利用率产生重要的作用,是未来农业节水研究和发展的一个重要方向。

在节水农作制度关键技术研究方面,国外已在利用耕作保墒措施调控农田水分状况、提高农田水利用率和作物水分利用效率等方面,提出许多行之有效的技术和方法。其中保护性耕作技术、田间覆盖技术、节水生化制剂和旱地专用肥等技术和产品正得到广泛应用。如美国中西部大平原正在由多耕向少耕或免耕、由表层松土覆盖向残茬秸秆覆盖、由机械耕作除草向化学除草等方向发展,显著提高了农田的保土、保肥及保水效果和农业产量。当耕作次数由7～10次减少到1次或不耕时,休闲地的蓄水量可由102mm 增加到183mm,蓄水量从占降水量的19%提高到40%,小麦单产从70kg/亩提高到180kg/亩。目前,美国中西部大平原已有约40%耕地采用该项技术,还在继续扩大应用的比例。

农田水肥耦合高效利用技术是在微观和宏观两个层次上展开的。在微观层次上,主要研究根际微生态系统中水分养分的有效性、根系吸收水分养分的功能及其与环境因素的关系等;在宏观层次上,主要研究不同肥料用量和不同阶段施肥对产量的影响、水肥耦合高效利用效率的调节等。但现有的研究多以根区均匀湿润的灌溉条件或旱地农业为对象,难以满足指导农业生产中科学管理水分和养分的要求。近年来,对水肥高效利用技术的研究已更多地将提高水分养分耦合利用效率的灌水方式、灌溉制度、根区湿润方式和范围等与水分养分的有效性、根系的吸收功能调节等有机的结合起来,通过改变灌水方式、灌溉制度和作物根区湿润方式来有效地调节根区水分养分的有效性和根系微生态系统的功能,达到节水节肥、最大限度地提高水分养分耦合利用效率的目的。对水分养分耦合效应的研究,不仅要了解不同灌溉方式下土壤水分养分最优耦合与作物高效利用的基础理论,还要针对不同灌水方式,提供具有可操作性的相关指标。要从不同条件下的耦合效应、影响因子、关键时期等方面考虑,并从水分养分的耦合迁移、作物根系吸收利用的物理过程和生理代谢过程、作物吸收的补偿效应、养分对作物缺水的敏感性、作物水分—养分—产量综合生产函数的机制和定量关系等方面进行探讨,才能揭示问题的本质。

(2)作物高效用水调控技术与用水模式。在作物高效用水调控技术方面,国内外相继开展了根际微生态系统调节技术、氮磷生物活化技术、作物叶面气孔调节技术等方面的研究,取得了许多重要进展。对作物需水的估算开展了大量研究,但都以单点的和单一作物的耗水估算为主。此类估算方法可归纳为经验公式法、水量平衡法、水汽扩散法、能量平衡法和综合法等。其中综合法是国际上应用最广泛的方法。目前应用最多的是联合国粮农组织推荐的Penman-Monteith方法,该法主要适用于单点的和单一作物耗水量的计算。对区域多种作物组合下的耗水量估算,首先是根据不同代表点的气象观测资料计算代表点的耗水量,然后采用插值法绘制区域耗水量的分布图,再根据代表点控制的面积用加权平均法确定区域耗水量,这种方法很难克服气象因素和作物耗水的空间变异所产生的较大计算误差,此外没有考虑多种作物组合中作物之间的交互作用。20世纪80年代以来,随着遥感技术的应用使得采用能量平衡法来计算区域作物耗水量成为可能。近年来,通过遥感测量作物冠层温度来估算区域耗水量分布的研究变得十分活跃,在一些发达国家得到一定程度的应用,如利用卫星遥感、水文模型和田间实测的作物耗水量数据发现它们之间有较好的一致性。该领域的进一步发展趋势是将单点的和单一作物的耗水估算模型研究扩展到区域尺度上多种作物组合下的耗水估算方法与模型研究。根据作物不同生育期的需水估算,使有限的水量被最优地分配到作物各生育期内,进而研究和开发适合不同地区的非充分灌溉模式。非充分灌溉制度的确定是干旱缺水条件下节水管理的基础,随着水资源短缺的不断加剧,其研究在国内外得到普遍重视。

在作物高效用水调控技术研究方面的另一个重要趋势是将作物水分生理调控机制与作物高效用水技术的研究紧密结合。在了解作物高效用水机制的基础上,开发诸如调亏灌溉(RDI)、分根区交替灌溉(ARDI)和部分根区干燥(PRD)等新的作物高效用水技术,以便明显地提高作物和果树的水分利用效率。这些技术受到国内外的广泛关注,已在澳大利亚、以色列、葡萄牙、土耳其、摩洛哥等国及我国部分地区进行研究和推广应用。与传统灌水方法追求田间作物根系活动层的充分供水和均匀湿润有所不同,ARDI和PRD 技术强调在土壤垂直剖面或水平面的某个区域内保持土壤干燥,交替控制部分根系区域干燥、部分根系区域湿润,使不同区域的根系交替经受一定程度的水分胁迫锻炼,刺激根系吸收补偿功能以及根源信号ABA 向上传输至叶片,进而调节气孔保持最适宜的开度,达到不牺牲作物光合产物积累而又减少其奢侈的蒸腾耗水的目的。同时还可减少作物棵间的土壤湿润面积,降低棵间蒸发损失和深层渗漏损失。控制性作物根系分区交替灌溉在田间可通过水平和垂直方向交替给局部根区供水来实现,主要适用于果树和宽行作物及蔬菜。调亏灌溉(RDI)是基于作物的生理生化过程受遗传特性或生长激素的影响,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),从而影响其光合产物向不同组织器官的分配,达到提高其经济产量而舍弃营养器官的生长量及有机合成物的总量,同时因营养生长减少还可提高作物的种植密度,提高总产量,减少棉花、果树等作物的剪枝工作量,改善产品品质。国际上有关调亏灌溉的研究主要是针对果树和西红柿等果蔬作物,对大田作物的研究较少。这些技术与传统的灌溉方式相比,可大量减少灌溉水量,降低蒸腾,但作物产量却没有降低。

在作物水分信息采集与精量控制用水技术方面,国外已大量使用红外枪技术,并采用热脉冲技术测定作物茎秆的液流和蒸腾,用于指导精量灌溉。20世纪70年代后期以来,美国、澳大利亚等国先后提出一些土壤和作物水分监测与预报的理论和方法,并在田间试验应用。近年来在作物水分与土壤墒情监测预报方面,美国和以色列等国大量利用空间信息技术和计算机模拟技术,取得较大进展,并已进入生产应用阶段。随着作物和土壤水分监测和预报技术的发展,灌溉预报研究进展也很快,美国、英国、澳大利亚等已提出几种具有代表性的节水灌溉预报程序,并进行了多年实践。

作物高效用水是一个涉及多学科、多种技术措施的复杂系统。由于水资源供需矛盾日益尖锐,作物用水已逐渐从传统的“丰水高产型”灌溉转向“节水优产型”的非充分灌溉。对作物需水量的估算也由以往充分供水下的最大作物需水量估算转向基于水分胁迫条件下的最佳耗水量估算。相应的灌溉基本理论研究正呼唤着以非充分灌溉理论为基础的节水灌溉新理论的创新。作物高效用水研究已由单纯的水量时间分配转向根区空间调节的研究,通过建立适当的“湿润边界”、“控制边界”与“湿润方式”,达到节水增产的目的。此外,在作物高效用水方面,正在研究和利用信息技术、红外技术、电测技术来监测土壤墒情、作物旱情、农田气象资料,据此开展作物需水预报的研究,根据优化原理确定最佳水量分配是作物高效用水的发展趋势。

(3)田间节水灌溉与渠(管)系高效输配水技术。在田间节水灌溉技术方面,美国、以色列、澳大利亚等农业节水技术发达的国家已大面积采用水平畦田灌、波涌灌等先进的精细地面灌溉方法,其中激光控制平地技术与大流量供水技术的结合,使得传统的地面畦(沟)灌性能得到明显改进,田间灌溉水的利用率最大可达到90%左右,具有技术适用范围广、节水增产效益显著的特点。

激光控制平地技术是目前世界上最先进的土地平整技术。它利用旋转的激光束形成平整土地的控制基准面,代替常规机械平地作业中操作人员的目测判断,自动、敏捷地控制平地铲运机具刀口的升降,挖高填低,完成土地的精细平整工作。该项技术自20世纪80年代开始已在美国大面积推广应用,随后在其他国家也得到广泛应用。国内外的应用结果表明,激光控制平地技术可实现高精度的农田土地平整,使灌溉均匀度达到80%以上,田间灌水效率达到70%～80%,是改进地面灌溉的有效技术措施之一。

地面灌溉与其他压力灌溉方法相比,其水流在田间扩散过程复杂,受土壤入渗特性、田间地面微地形条件、过水断面形状、作物种植密度等因素的影响较大。因此,世界各国都把改进地面灌溉技术的重点放在加强对地面灌溉全过程的控制上,以便提高地面灌溉的灌水质量。随着计算机技术的发展,利用数学模型对地面灌溉全过程进行分析已成为研究地面灌溉的重要手段。其中地面灌溉控制参数的反求方法把地面灌溉的野外田间评价与室内计算分析相结合,假定控制参数的合理范围,利用数学模型对地面灌溉全过程进行模拟,得到的结果与野外田间实测结果进行拟合分析,根据最佳拟合确定地面灌溉控制参数。该法可有效克服田间土壤的空间变异性,提高人们对地面灌溉水流在田间扩散过程的认识,为评价与改进地面灌溉技术的效果、确定合理高效的地面灌溉实施方案提供有效的方法。在此基础上,对地面灌溉实时反馈控制技术的研究和设备开发已成为当前研究的方向,但目前相关的研究工作在国外也仅处于起步阶段,实现地面灌溉实时反馈控制功能的专用设备开发较少,已有的成果比较单一,尚没有形成成熟的、系列化的技术体系和设备,真正在田间进行实际应用的更少。

除地面灌溉外,发达国家还十分重视对喷、微灌技术的研究和应用。从1981～2000年的19年间,世界微灌面积增加了633%。微灌面积超过10万hm2 的国家有美国、西班牙、印度、澳大利亚、南非、以色列、法国、墨西哥、埃及和日本。微灌面积占灌溉面积比例超过5%的国家有以色列(69.7%)、约旦(54.7%)、塞浦路斯(45.45%)、南非(16.92%)、西班牙(16.8%)、澳大利亚(12.9%)、法国(8.69%)等国。美国微灌面积已达1050000hm2,占世界总微灌面积的27.9%,占美国总灌溉面积的比例已从1991年的2.83%提高到2000年的4.91%。发展中国家的微灌发展速度也非常惊人,如印度的微灌面积从1991～2000年增加了372%,已达260000hm2,占世界总微灌面积的8%,排序上升到第四位;南非从1986～2000年的14年间微灌面积也增加了114%。

世界喷灌面积已达4亿多亩,美国和前苏联的喷灌面积虽然只占其灌溉总面积的45%左右,但却分别占世界喷灌总面积的1/3以上。罗马尼亚、德国、捷克、斯洛伐克等国的喷灌总面积虽不算很大,但占其灌溉总面积的比例都接近100%。从喷灌的作物来看,主要用于蔬菜、果树、葡萄、经济作物、牧草、玉米和小麦等。当前,国外喷灌的发展表现出以下趋势:①不断提高机械化与自动化的水平,喷灌面积持续增长,表现在机械化程度高的喷灌机使用面积日益扩大和计算机技术在喷灌系统的应用;②日益广泛地应用新技术(如激光、遥感等),重视提高喷灌的质量;③喷、微灌设备向低压、节能型方向发展;④喷、微灌技术间相互借鉴、同步发展;⑤积极开展多目标利用,有效地降低单一用途的造价;⑥改进设备,提高性能,开发和研制新型喷头;⑦产品日趋标准化与系统化。(www.xing528.com)

在渠道管网高效输配水技术研究方面,20世纪70年代以来,为适应大规模的灌溉节水工程建设,美国、以色列等已逐步实现输水系统的管网化、智能化和施工手段的机械化。在大型渠道防渗(包括开挖渠床、铺设塑料薄膜到填土或浇筑混凝土保护层)工程的施工和输配水管理方面广泛采用机械化和自动化。近年来,为实现用水管理手段的现代化与自动化,满足对灌溉系统管理的灵活、准确、快捷的要求,发达国家非常重视空间信息技术、计算机技术、网络技术等高新技术的应用,大多采用自动控制运行方式,特别是对大型渠道的输配水工程多采用中央自动监控(遥测、遥讯、遥调)方式。在大大减少调蓄工程的数量、降低工程造价的同时,既满足用户需求,又有效减少弃水,提高灌溉系统的运行性能与效率。

(4)水源开发与高效利用技术。在水源开发利用技术研究方面,发达国家都十分重视对地表水和地下水联合应用的研究,并已开发出了许多实用的技术。我国也已开展了这方面的研究工作,但在研究深度和应用技术方面还需要进一步开展工作。特别是在发展节水灌溉的形势下如何合理的设计节水灌溉工程和选择恰当的灌溉技术,使得地表水和地下水得到合理高效利用。在半湿润地区降雨补给、渠系和灌溉水的入渗补给具有相当数量可以利用,甚至在干旱、半干旱地区的地表水灌溉为主的地区也有一部分地下水可以利用,利用地下水可使地下水含水层作为地下水库,调蓄雨季和灌溉渗漏补给的水量,供枯水季节灌溉之用,合理开发地下水还可以控制地下水位,起到防止土壤盐碱化的作用。

随着水资源日趋短缺和农林业发展对水资源需求的大幅度增长,雨水集蓄利用越来越受到世界各国的重视。以色列在雨水利用方面:一是集雨用于种草植树,恢复退化的植被;二是通过水库积蓄的方式,向输水网络供水,并用部分水调节沿海地区的地下水位,防止海水入侵;三是田间蓄积后就地利用,在播种时通过机械作业建立集雨集蓄坑或径流面。印度在集雨方面也采用三种形式:一是利用蓄水池收集田间降雨,在降水量高的年份把总量的16%～26%收集起来,作为补灌水源;二是利用田间集水形式,收集周围平地或集水区的径流,用于灌溉;三是发展微型集水区,实现雨水的就地拦截利用。

将劣质水(主要是城镇生活污水和微咸水)资源化后用于农(林)业灌溉,已成为减轻环境污染、开源节流、缓解水资源供需矛盾的一种有效方法。利用微咸水对作物实施灌溉的方法在世界上一些国家也已取得较好的结果。在作物对盐分的非敏感期内,利用微咸水灌溉,而在作物对盐分的敏感期间,则采用淡水灌溉。

(5)农业节水关键设备与重大产品研发及产业化。在农业节水关键设备与重大产品研发及产业化方面,国外发达国家特别注重喷微灌设备与新产品、高效输配水设备与新产品、节水保水机具和节水制剂与新材料的研制与产业化开发,并注意抢占国际市场。

在喷微灌设备与产品开发方面,20世纪70年代以来,随着其他基础工业的发展,喷微灌设备和产品的研发已取得长足进步。美国、以色列、澳大利亚等国家特别重视喷微灌系统的配套性、可靠性和先进性,注重新设备和产品的研制及产业化,特别重视设备和产品的标准化、系列化和通用化,不断推出新的产品或品种,并不断改进老产品的性能。喷、微灌系统的所有附件几乎均能根据需要进行制作,产品加工精良、性能可靠、使用方便。如以色列的微灌产品(微喷头、滴头、微灌带、过滤器、施肥器等)不仅具有较好的材质和制造工艺,在防堵性能、出水均匀度等方面均属一流水平,且规格品种齐全,仅微灌塑料器材品种就达近160个,规格有2000多种,产品的制造工艺和规模化水平达到较高程度,技术集成度亦具备相当程度,且服务保障体系完善,产品畅销全世界。智能型的自动控制系统在喷微灌系统的应用,使得水、肥能够适时精量地同步施入到作物根区,提高水分和养分的利用率,减少了环境污染,优化了水肥耦合关系。

“九五”期间,我国研制改进了一批微灌器材,多项产品获得国家专利,使我国的微灌器材总体水平上了一个台阶。如旋转式微喷头的使用寿命超过1500h,流量偏差系数小于5%,达到国际标准规定的A 类产品的指标。但就总体来说,我国微灌器材的品种、性能、质量都远远落后于国外的同类产品。我国已加入WTO,微灌器材生产将受到国外的强烈冲击,但由于原材料的来源更加广泛,也会促进我国微灌器材的生产。

在高效输配水设备与新产品研发方面,国内外普遍将高分子材料应用在渠道防渗中,尤其是在高分子膜料的应用上已取得不少实用的研究成果。如宽幅高分子膜料的规模化生产、齐全的规格品种都能满足目前市场的需求,但薄膜易被刺破和在冻胀地区易受冻融破坏的问题还没有很好地解决。因此,各国都正在不断研究开发技术可靠、经济合理的高分子合成新材料,如德国和美国开始研究应用一种新型复合土工合成防渗材料GCLS。该材料利用膨润土遇水膨胀防渗的性能,利用土工织物承载和护面结构,具有防渗性能好、抗刺穿性能强的特点。目前,我国利用的渠道防渗防冻材料多以保温、整体刚性的防渗防冻胀措施为主,适应性较差、易损坏且成本较高。近年来,正在应用高分子材料研制结构简单、经济合理的刚柔混合结构或纯柔性结构的防渗防冻胀措施。其中刚柔结构具有适应冻融变形、胀而不裂和防渗、减轻冻胀的特性,可同时有效地解决渠道渗漏和冻胀的问题。

国外研究开发的适用于农田管道输水的高分子管材主要有硬聚氯乙烯管(最大口径可达800mm)、聚乙烯管(最大口径可达3000mm)和玻璃钢复合管(最大口径可达3000mm)。管材、管件生产有统一的标准,相应的管网规划设计、配套建筑物结构型式、施工安装和运行管理都有成熟的经验。国内在“八五”期间,有关单位研制出直径为300～600mm 的PVC、PE塑料管材,并进行试点应用。但这种管材的生产工艺仍为挤出方式,无法生产更大的口径。采用其他方式生产的大口径管材(如卷绕管)目前主要用于城市排污水方面,还不能满足管灌输水要求,且生产工艺和设备有待改进。同时,管材、配套建筑物、施工管理等方面与发达国家还有较大的差距,难以形成整体技术。

在节水抗旱生化制剂的开发利用方面,法国、美国、日本、英国等国家在高吸水树脂(也称为保水剂、吸水剂)方面开发了一系列产品,并在经济作物上广泛使用。法国和美国等将聚丙烯酰胺(PAM)施用在土壤表面,用以抑制农田土壤蒸发,改善土壤结构,防止水土流失。近年来,由于以石油化工和橡胶工业材料为原料制造的保水剂在西欧的应用受到限制,PAM 的应用范围和规模正在不断扩大。最近美国利用沙漠植物和淀粉类物质成功地合成了生物类的高吸水物质,并形成批量产品,在生产中应用取得了显著的效果。

(6)农业节水技术体系集成模式。世界各国,特别是发达国家都非常重视高新技术和新材料与传统农业节水技术的结合,大力提高节水技术产品中的高科技含量,使农业节水技术日益走向精准化和可控化,并形成集成化、专业化的技术体系和发育较为完善的节水技术和产品市场机制,使得原有的技术粗放型农业逐步转变为现代的技术集约型农业。

随着节水灌溉研究的不断深入,节水灌溉工程措施与农艺节水措施相结合的重要性愈来愈被人们广为接受,农艺节水措施与灌溉工程措施的结合,往往可达到事半功倍的效果。以色列在田间灌溉全部采用喷、微灌技术的同时,结合调整作物种植结构,实施水肥同步供给,形成了节水、高效、高产的农业节水技术体系。美国、俄罗斯等国家在发展农田节水灌溉技术的同时,还利用耕作措施和覆盖保墒措施调控农田水分状况,充分发挥水、光、热等自然资源在生产中的作用,形成了综合性的农业节水发展模式。

我国不同地区的气候特点、作物布局、水源条件、农村经营体制和经济发展水平间的差异较大,使得农业节水技术研究与产品研发、农业节水技术体系集成模式的建立较为复杂。如一些经济发达地区,特别是东南沿海地区与都市城郊地区现代设施农业发展较快,对农业节水技术的需求与发达国家相类似;而一些经济相对落后的地区,特别是西部地区对技术的需求又与经济欠发达国家相类似。因此,应根据不同地区的具体条件和经济发展水平,探索适合各地区特点的农业节水发展模式。