潘玉忠，梁 敏
(龙江县农业技术推广中心，黑龙江 龙江 161100)
水资源已经成为制约农业生产和国民经济发展的瓶颈，农业灌溉用水与工业、生活、环境用水竞争日趋紧张[1]。目前，我国农业灌溉主要包括喷灌、沟灌、垄灌及滴灌。其中沟灌和垄灌用水粗放无度，在当代农业生产中已经逐渐摒弃，目前应用最为广泛的节水灌溉措施主要为渠道防渗、喷灌、微喷灌和滴灌[2]。本文通过对目前不同农业节水灌溉方式、农业节水灌溉技术对土壤环境及作物生长的作用机理进行系统地分析，并提出未来应进一步发展多元化农业节水灌溉技术及田间智能灌溉技术，以期为进一步提高农业用水效率、优化农业灌溉技术，为农业可持续发展提供理论依据。
1.1 渠道防渗技术
我国西北干旱及半干旱地区水分蒸发严重、土壤盐渍化及地下水位过深是当地农业生产的主要限制条件[3]。我国在20世纪50年代从日本引进渠道防渗技术，主要工作原理如图1所示。由于造价低、防渗效果良好在我国得到了广泛应用。主要应用在地势及地下水位较高的农业生产地区，目前在西北地区，如新疆、内蒙古、青海及甘肃等地区进行广泛应用。渠道防渗技术与井渠技术相互结合，可以在控制地下水位的同时解决季节性缺水问题，根据不同作物及不同地区，按照灌区对地下水位及作物需水量的控制要求，制定相应计划控制灌水量和灌水时间，还可以防止土壤盐碱化。
图1 渠道防渗技术田间工作原理
1.2 喷灌技术
喷灌技术是我国农业生产中应用最早的一种农业灌溉技术，主要包括喷灌头、固定管道、田间移动轴及中心支架等部分，是通过在田间安装管道，将灌溉水通过压力管道输送至田间，经过田间管道喷头喷射到作物上空，以水雾及水滴的形式洒落在作物表面。在我国辐射面积较广，主要是由于喷灌系统的应用不受作物种类、地形地貌的限制，工程造价较低，田间安装较为简单，可以应用在水果、蔬菜及大田作物的灌溉，在田间占据面积较小，应用范围较为广泛。但是喷灌技术较为明显的缺点是水资源浪费严重，在作物灌溉时，会出现喷灌不均匀、田间蒸发浪费较为严重等问题，因此，随着我国大力推广节水灌溉技术的发展，开始发展其他节水灌溉技术逐渐替代喷灌技术。
1.3 滴灌技术
滴灌主要是依靠滴灌管道将灌溉用水通过滴灌管上的孔口或滴头精准输送到作物根部土壤进行精准灌溉，因水资源利用率高，在干旱和半干旱地区得到广泛应用。滴灌主要分为地表滴灌和地下滴灌，其中，地下滴灌技术是目前被公认为农业生产效率最高的一种滴灌技术，可以将液体肥料与灌溉水混合后直接输送到作物根部，更加精准地为作物根系提供水分及养分，最大程度减少水分径流与化肥污染。由于地表保持干燥，还可以保持土壤表层干燥，减少了杂草种子的发芽和生长。
后期逐步发展为水肥一体化技术，将水分与养分精准输送到作物根部，通过滴灌管可以使水分和养分均匀、定时和精准地输送至作物根系。可以根据作物不同生育时期的需水需肥规律定时灌溉。目前，水肥一体化技术在干旱及半干旱地区开始广泛应用，应用水肥一体化技术可以避免在干旱地区水分及化学肥料在表层的挥发慢等问题，避免由于降雨冲刷等造成肥料流失，对环境造成污染，提高水肥利用效率。相关研究均表明，水肥一体化技术可以节省水肥60%～85%左右。
1.4 增氧灌溉技术
进行滴灌时，土壤中持续的饱和湿润区导致水分代替空气存在于土壤中，进而限制了土壤孔隙中氧气的可利用性和移动性，无法满足作物根系呼吸所需要的O2含量，土壤缺氧会造成作物气孔关闭、叶水势降低，影响作物正常的生理功能，成为农作物高产的主要限制条件，因此后期逐步发展出来一种增氧灌溉技术。增氧灌溉技术是由澳大利亚昆士兰中心大学David Midmore和库克大学的苏宁虎教授提出的一种新型农业灌溉技术，是在地下滴灌的基础上，通过向作物根部土壤增加空气，或增加灌溉水中氧气的方式，满足作物根部土壤氧环境的需求，在提高灌水效率的同时可以有效缓解作物根部的缺氧症状，改善作物根系土壤微环境和土壤酶活性，维持作物根系正常的新陈代谢和呼吸功能，提高作物的产量与品质。但是加气灌溉是近几年来开始的一种新型灌溉技术，尚未形成完善的技术体系，虽然在田间相关应用结果均表明，增氧灌溉技术可以提高作物农艺性状、产量及品质，但是目前主要出于实验室阶段，尚未在全国范围内进行大面积推广应用。
2.1 节水、节肥、省工
滴灌技术属于大田布局管道进行局部灌溉的一种灌溉方式，可以使水分及化学肥料的浪费降到最低，减轻环境污染，仅需要阀门控制整个田间的灌溉与施肥，可以显著降低农户劳动强度，降低生产成本。水肥一体化技术相对于喷灌及微灌技术，不需要进入田间，只需要通过开闭相对应的阀门就可以为田间作物定时、定点的提供水分与养分，在节省劳动力的同时，精准地将水分和养分输送至作物根部，极大地提高化学肥料的利用效率。采用滴灌技术还可以减轻田间病虫害与杂草的发生，滴灌技术将水分直接输送至作物根区，地表保持干旱，减少了杂草的发生，农田环境湿度降低，相对应的可以降低土传病害的发生。
农业给水灌溉系统的主要投资包括灌溉首部、水泵、管道、阀门等，总计投资成本约为1 000～3 500 元·(667 m2)-1，使用期限约在6年左右，每年可以节省灌溉水、化学肥料及人工合计约为850 元·(667 m2)-1，作物还可以增产20%～35%左右，在减轻农户劳动力的同时提高农户收入[4]。
2.2 改善土壤环境，提高作物产量与品质
传统灌溉方式，如喷灌和沟灌，灌溉水在压力作用下进行作物灌溉，会对土壤进行冲刷，造成土壤水蚀，会对土壤结构造成破坏，土壤通气性降低。而滴灌技术属于局部微量灌溉，使作物灌溉水均匀缓慢的入渗至作物根部，可以维持较好的土壤理化结构，为作物生长提供一个适宜的土壤环境。滴灌将作物所需的水分及养分均匀、准确地输送至作物根部土壤，提高作物根系对水肥的利用效率，改善作物生长形状与品质，达到作物提质增产的目的、由于滴灌系统可以降低灌溉水、化学肥料及农药的施用，减少农业生产投入成本，因此可以提高社会效益、生态效益和经济效益。
3.1 管道堵塞，造成盐分积累
由于土壤中的杂质多、有机物质、泥沙及过滤系统不完善等会造成田间滴灌管道堵塞，严重时会影响整个滴灌系统的顺利运行，而进行田间滴灌管的更换十分耗费人力物力。在西北盐渍地区使用滴灌系统，灌溉水中盐分含量较高，盐分随着灌溉水会积累在管道边缘随着水分冲刷进入作物根部，对作物根系造成盐分迫害，因此在西北盐渍地区进行灌溉时应注意对灌溉水中的盐分进行及时清理。
3.2 水肥一体化系统不完善
水肥一体化技术是一项综合技术，在大田农业、设施农业及温室农业中均得到了广泛应用，但是目前推广应用中仍然存在一些问题。首先应建立一套完善的水肥一体化应用技术体系与应用措施，针对不同的应用区域、土壤质地、作物类型、种植方式及水源特点等，设计水肥一体化系统中滴灌管埋设深度、管灌区域、灌溉部分的安装方式，技术体系关于阀门安装、水肥容量、水泵及施肥泵的选型等进行说明[5]。其次应加快液态肥的研究，目前大多数地区仍然是施用水分融化固态肥料后进行输送，这种方式极易引起管道堵塞，对后期田间应用造成不利影响。最后就是在水肥一体化技术实际应用时，应对操作方式进行说明，防止由于技术操作不当造成整体系统的运行故障。
农业节水增产技术对农业生产发挥着十分重要的作用，因此要密切跟踪学科前沿进展，把握发展趋势，找准主攻方向，明确研究重点，突破制约瓶颈，不断取得更大成效。
4.1 多元化节水增产技术的发展
多元化节水增产技术是将化肥、植物生长调节剂及杀虫剂等农用化学品随着灌溉水输送至作物根部土壤，实现农业投入的效益最大化，节省能源、成本和时间，减少化肥及杀虫剂等农用化学品的使用，并最大程度地降低浪费和污染。农业节水增产技术的多元化将大幅度提高地下滴灌系统的生产效率。
4.2 作物动态需水模型的建立
影响土壤水分含量的主要因素有大气因素(包括大气温湿度、降雨量、大气压力、光照强度及风速等)，土壤性质及农业管理措施等。由于外界环境的不断变化，导致土壤水分含量处于动态变化。不同作物在不同时期的需水量不同。因此，对于不同作物及作物不同生育周期需水量处于动态变化，作物在整个生育周期中都需要平衡地供应水分，未来应对作物整个生育周期动态需水量开展研究，实现精准供水，提高农业生产效率，实现精准灌溉，避免水资源过多造成浪费或者水分供应不及时造成作物缺水。
4.3 智能化田间灌溉系统的研究
当前，我国已经建立了比较完善的农业监测系统，实现对农田资源信息的动态监测，建设农业大数据中心，建立农业数据采集、共享、分析和使用，在信息获取、参数反演、模型构建和精度检验等方面研发了一系列信息技术。全面分析农业生产的历史数据和实时监控数据，提高对作物种植面积、生产进度、农产品质量、天气情况、气候条件、灾害程度和土壤环境的关联监测能力，支撑农业生产智能化及农业环境精准监测，从源头上提高农业生产效率。随着田间智能灌溉技术的不断发展，生产及规模化的逐渐扩大，其控制过程也向自动化和智能化转变，构建实时监测、分析预警和指挥调度于一体的土壤灌溉智能决策系统的研究，基于不同土壤环境及不同作物品种生长时期的动态需水模型，对作物不同时期的需水量进行精准补偿，满足作物生长过程中的水分需求。
推进农业节水增产技术在农业生产中的应用与发展，是一项系统工程。阐述了农业节水增产技术对农业发展的促进作用，包括在改善土壤环境、农业资源高效利用、作物产量及品质等方面发挥的重要作用。从全面统筹推进考虑，还需要从以下两个方面实现突破。
1)通过结合多种农业耕作技术改善现有滴灌系统的管理，将田间灌溉技术与其他农用化学品精确配合使用，提高肥料和化学药品利用效率，减少传统施肥、植保等农业措施存在的潜在污染，提高农业生产力，促进农业可持续发展。
2)建立作物生长过程中动态需水模型，分析土壤水分在作物不同时期的衰减规律，为田间作物灌溉智能化调控系统的建立提供理论基础。建立田间灌溉智能化调控系统与智能决策系统，实现对田间水分、养分自动补偿机制，降低农业灌溉系统运行成本，推动我国农业节水灌溉技术的智能化发展。
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