农业灌溉模式与节水技术应用

张继伟

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

水资源短缺、水资源利用效率低是限制社会发展、工业进步及农业可持续发展的主要条件，水资源在社会发展中起着决定性作用。另一方面，我国人口众多，水资源稀缺，人均水资源占有量不足世界平均水平的四分之一[1-2]。据2021年水资源报告统计，我国水资源总量约为29 040亿m3，其中，仅农业灌溉用水量就高达302亿m3，但是农田水资源利用效率仅为52.95%,而发达国家的农业水资源利用效率高达80.20%以上[3-4]。

水资源短缺、水资源利用效率低、我国水资源时空分布不均等都成为限制我国农业可持续发展的主要因素[5]，因此，大力发展农业节水灌溉技术是保证农业稳步发展及国家粮食安全的重要保证条件之一。

1 农业高效节水灌溉技术应用现状

1.1 渠道防渗节水灌溉技术

目前，在农业地区的灌溉渠道主要以砂砾石层或者土质的渠床，在进行农田灌溉时会出现严重的灌溉水渗漏等问题，减少水分利用效率，因此，渠道防渗节水灌溉技术应运而生，主要包括混凝土防渗技术(图1)[6]、土料防渗技术，改善了灌溉渠道的渗漏问题，提升了农田灌溉效率，有利于实现农业的可持续发展。

图1 混凝土渠道防渗结构示意图

1.2 滴灌技术

滴灌主要分为地表滴灌技术及地下滴灌技术两种发展模式，是目前农业生产中最节水的灌溉技术。由于滴灌技术需要投入相应的管道及设备，最初只应用在经济作物的生产中，随着后续技术的逐渐完善，经济效益的逐渐显现，开始广泛应用于大田作物，是目前应用最为广泛的节水灌溉技术。滴灌技术可以实现精准灌溉，灌溉水只湿润作物生长部分，可以减少灌溉水的投入，减少水分的无效蒸发，还可以防止杂草生长，且不易产生地表径流。

1.3 水肥一体化技术

水肥一体化技术是在滴灌技术上发展起来的一种新型农业灌溉方式，通过在水中加入肥料，可以提供足够的水分和养分，实现水肥精准灌溉，提高肥料利用效率，减少化肥、农药由于地表径流造成的农田环境污染，由于滴灌能够及时适量供水、供肥，因此，水肥一体化技术可以在提高农作物产量的同时，提高和改善农产品的品质。

1.4 水肥气一体化节水灌溉技术

地下滴灌技术是目前应用最为广泛的田间节水灌溉技术，可以显著提高水分、养分利用效率，实现精准灌溉与施肥，但是，灌溉水分入渗会驱替土壤孔隙中的空气，导致土壤出现周期性的滞水，造成土壤通气性下降，土壤氧气含量降低，作物有氧呼吸受到影响，根系呼吸速率降低，因此对土壤中的水分和养分吸收利用效率下降，如果根系长期处于厌氧环境或得不到足够的氧气，根系对水分和营养物质的吸收下降，也会改变植物的激素水平和酶活性，阻碍光合作用，限制营养器官的功能，植物地上部分则表现为叶片萎缩，作物鲜重和干重显著下降，最终导致作物产量和品质的下降，成为农作物高产的主要限制条件。水肥气一体化技术是在地下滴灌的基础上，利用空气泵或者罗茨风机等通风装置向作物根部土壤增加空气，或者采用文丘里装置将空气以微气泡的形式掺入灌溉水中，提高灌溉水中氧含量，提高土壤中植株根系的呼吸速率，进而影响到了植株根系对水分与肥料的吸收效率，所以可以有效促进农作物植株的生长，农作物达到丰产增收，农产品质量有所提升[7]。

1.5 再生水灌溉

再生水灌溉是指将城乡污水处理后可再次利用的水，用于农田灌溉，但是随着研究的逐渐深入，相关研究均表明，再生水中广泛存在着抗生素抗性基因，再生水灌溉后是否会对土壤环境及作物生长产生影响是目前广泛开展的研究项目之一。中国农科院农田灌溉研究所非常规水资源利用团队，基于宏观基因调控技术，开展再生水长期灌溉土壤后，对土壤环境及作物生长的影响，研究结果表明，不同灌溉处理方式(地下水灌溉、再生水灌溉、地下水再生水交替灌溉)对土壤抗生素抗性基因组成无显著影响。但是关于再生水灌溉后作物生长，及人体吸收后对人体是否有影响的论证仍有待进一步验证与分析。再生水灌溉是目前节水灌溉中最具潜力的灌溉方式之一[8]。

2 节水灌溉模式下不同作物需水规律的研究

研究不同作物及不同生育时期的需水规律，对于提高水分利用效率，在保证作物高产的前提下兼顾节水灌溉模式的发展。作物需水量是指作物在适宜的土壤水肥环境中，获得高产时的作物蒸腾、棵间蒸发量及构成作物体内水分总量之和。棵间蒸发量及构成作物体内水分总量之和与作物蒸腾量相比较小，不足1%，因此忽略不计，在农业生产中，主要以作物蒸腾量来计算作物需水量，是制定合理节水灌溉模式的主要理论依据，对作物灌溉管理决策具有重要意义，也是当前节水灌溉技术的发展热点。

2.1 影响作物蒸腾量的主要因素

作物蒸腾量的主要影响因素包括气象条件，如日照、降雨量、湿度及风速等，土壤质地，作物种类及生长发育阶段等。

2.1.1 气候因素对作物蒸腾量的影响

太阳辐射是作物蒸腾作用的主要能量来源之一，太阳辐射越高，作物蒸腾速率加快，在一定时间内蒸腾量越高，但是，当太阳辐射过强时，作物出于自我保护状态，气孔关闭，从而减少自身的水分散失，保护自身生长所需水分。

大气湿度主要通过影响叶面和大气之间的水汽压差进而影响作物的蒸腾量，大气湿度越高，作物蒸腾速率就会逐渐减弱，蒸腾量减少，大气湿度较小，随之降低。

风速对作物蒸腾量的影响主要是通过影响叶面水汽扩散速率，进而影响蒸腾量的变化，风速越高，可以促进作物蒸腾作用，在一定范围内，蒸腾量的增减变化与风速的1/2～1次方成正比，当风速增大到一定限速，叶面气孔开合度减小，进而减少作物蒸腾量的变化。

2.1.2 土壤含水率对作物蒸腾量的影响

土壤含水率是影响作物蒸腾量的主要土壤环境因素之一，当土壤水分亏缺时，土壤中的毛细管传导度降低，作物根系活力降低，对水分的吸收减弱，植株体内含水率降低，叶片气孔关闭，从而导致作物叶片蒸腾速率降低，作物蒸腾量在一定范围内随着土壤含水率的增加而增大，但是当土壤含水量过大时，土壤中大部分孔隙被水份占据，导致土壤通气性降低，根系有氧呼吸减弱，根系无法进行正常的新陈代谢活动，进而引起根系蒸腾减弱。

2.1.3 作物生物学特性对蒸腾量的影响

不同种类作物蒸腾量有显著的差异性，耐旱性较强的地方作物叶片表面积不发达，叶面积较小，气孔细小，保水能力较强，蒸腾失水量较小。同一种作物在不同阶段的蒸腾量也有很大的差异，作物生长前期，植株较小，蒸腾量较低，随着作物的逐渐生长及发育，蒸腾量逐渐达到最大后随着作物的成熟与衰老又逐渐减小。

2.2 节水灌溉模式下作物蒸腾量的计算方法

针对目前常见的节水灌溉模式下，水稻的需水规律进行分析研究。

水稻蒸腾量主要是通过水稻根系层土壤深度内水量平衡进行计算，如式(1)所示

ETci=Ii+Pi-Si-△Wi-Di

(1)

式中ETci—第i阶段作物蒸发蒸腾量，mm；

Ii—第i阶段灌水量，mm；

Pi—第i阶段有效降水量，mm；

Si—第i阶段蒸渗仪内的渗漏量，mm；

△Wi—第i阶段根系层土壤控制深度内土壤储水量变化量，mm；

Di—第i阶段的排水量，mm。

目前，不同地区节水灌溉模式下水稻蒸腾量的计算与灌溉模式基本形成完善的体系，表1为黑龙江地区不同节水灌溉模式下水稻蒸发量的变化。

表1 不同节水灌溉模式下黑龙江水稻蒸腾量的变化

3 节水灌溉技术发展趋势与研究重点

3.1 存在的限制

关于节水灌溉技术下对土壤环境及作物生长影响越来越清晰，然而在一些相关研究中表明还存在一定弊端和不足，导致节水灌溉技术下对土壤与作物之间的调控机理的认知受到一定的限制，具体归纳为以下几点。

1)节水灌溉技术在减少水分投入的前提下可以保证作物的稳产，甚至高产，对作物水分、养分吸收利用的影响、作物同化产物在作物体内输移分配及其对作物生长产生的影响等基础理论尚存在一定缺口。节水灌溉技术从土壤环境到作物产量及品质之间的作用路径尚不明确。

2)不同作物或相同作物不同生育期时作物对不同节水灌溉参数的响应规律尚不清楚，节水灌溉智能化控制系统尚未形成体系，这些都成为节水灌溉技术应用和灌溉智能化系统设计及其推广的重要因素。

3.2 研究重点

需要进一步探究作物不同生育时期对节水灌溉技术的响应特征，明晰节水灌溉模式下保证作物高产稳产的作用路径和主要推动力，以不同作物生育期为单位确定最佳的节水灌溉技术参数。从全面统筹推进考虑，未来的研究还应针对以下几个方面实现突破。

1)节水灌溉模式中，尤其是水肥一体化技术下土壤水、肥、药多相流在土壤中的输送规律，对养分循环转化及土壤养分供应的影响，作物根系空间构型对土壤水分、养分吸收利用的影响，作物同化产物的建成机制上存在一定的缺口。因此，可以通过进一步精准调控水肥而向可持续灌溉和精准灌溉的方向发展。

2)开展节水灌溉模式对植株表观形态、产量、品质等向激素调节、过氧化物及抗氧化酶系变化、基因调控、细胞信号转导等方向转化，进一步明确节水灌溉技术下改善作物品质，提高作物产量的生理生化机制。

4 结论

水资源短缺、水资源利用效率低、水资源时空分布不均等都成为限制我国农业可持续发展的主要因素，因此，开展节水灌溉技术的研究对于稳定我国农业可持续发展具有重要意义。本研究系统阐述了目前应用最为广泛的节水灌溉技术发展模式，如渠道防渗节水灌溉技术、滴灌技术、水肥一体化技术及再生水灌溉技术等，并系统分析了节水灌溉技术下作物需水规律的理论依据及发展模式，并针对目前节水灌溉模式发展现状中存在的问题给予相应的发展建议，研究结果为推动我国农业可持续发展，保证我国粮食安全提供参考。