节水高效农业技术

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1发展聚水农业的意义

缺水是干旱半干旱地区农业发展的首要限制因子。我国该类地区至今尚有4100万hm多的耕地因水资源短缺而无法灌溉,占该地区农业耕地面积的60%。如我国西北黄土地区,多年平均径流量人均541m3,单位面积耕地水量65m3/hm,分别为我国平均量的%和10%左右,仅为世界平均量的4.%和8.8%,80%以上农田作物生产依赖年50mm～550mm的天然雨水。此外,由于水资源贫乏,加之山丘起伏,发展大型水利工程前景不大,因此,大力研究开发利用雨水资源是解决该地区农业缺水的主要途径,也是区域农业持续发展的战略性问题。干旱半干旱地区雨水资源潜力巨大,蓄雨用水是解决干旱缺水,提高作物生产潜力,发展旱区高效农业的重大举措。西北黄土地区,多年平均降水量443mm,由于降水时间分布不均,降水期常常与作物需水期发生错位,降水利用率极低,约为降水量的30%～40%,降水生产效率仅为每公顷每毫米3kg～6kg,尚有60%～70%的降水以地表径流和无效蒸发的方式而损失。实践和试验结果表明,采用有限补充灌溉,合理的供水和栽培管理,雨水利用率可显著提高,作物产量由目前的100kg/hm～1500kg/hm提高1倍～倍是可能的。另一方面,西北黄土地区人口密度小,人均土地面积较为充裕,加之土地多为坡地(大于7°的坡地占土地面积55%),这不仅有利营建雨水汇集场,而且为配套的自流灌溉提供了有利条件。雨水就近拦蓄存贮,无须高扬程提引,经济实用。配套以先进的灌溉方法和管理措施,投资小,见效快,易于推广。在这类地区,一方面,水资源奇缺,但另一方面,经常遭受汛期暴雨径流的冲刷,致使水土流失严重,土壤肥力下降,生态环境恶化。因此,充分有效地利用当地雨水资源,无疑是解决干旱半干旱地区农业缺水问题,改变区域生态环境,发展多种经营,增加粮食生产,农民脱贫致富的一条有效途径。水是农业的命脉,旱区缺水严重阻碍了农业生产的发展,同时也极大限制了工业及其它各个行业的发展,随着全球水资源危机的出现,雨水无疑是一个很好的水资源。在适当的集蓄条件下,它能向人类提供廉价、纯净的水资源。此外,集蓄雨水径流能有效地制止水土流失。我国北方干旱半干旱缺水地区占我国总面积的三分之一,人畜饮用及工农业生产急需解决缺水问题,同时,水土流失问题也迫切需要解决。而集蓄雨水径流为此问题的解决另辟蹊径,因此,雨水集蓄利用在我国很有潜力,推广应用前景极为广阔。

雨水农业利用的主要形式

.1雨水自然利用

在旱地农业区,天然降水是农作物生长所需水分的主要来源,作物产量与降水量的大小有直接关系。但天然降水的数量和季节与作物生长的需要常常不协调,而严重影响作物产量。传统的旱地农业耕作技术就是尽量保蓄和充分利用有限的降水资源,提高水分利用率。我国北方旱地农业中采用的主要措施包括蓄水和保水技术,其中蓄水技术主要有:深翻耕、深松耕、水平等高耕作、水平梯田、等高沟垄耕种法、蓄水聚肥改土耕作法、坡地聚流入渗孔等;保水技术主要有:耙耱保墒、镇压保墒及提墒、中耕保墒、覆盖保墒(秸秆覆盖、地膜覆盖、砂田等)。但在我国干旱半干旱地区由于降水的波动使粮食产量低而不稳,在雨水自然利用的条件下,赵松岭认为“极限产量可能是1mm降水产0.5kg粮食,这还要借助良好的抗旱作物品种,努力去培肥地力,适量的化肥投放,精心的经营管理才有可能实现。至于1mm水产1.0kg甚至1.5kg粮食的水平*,一定在丰水年条件下才能实现,丰水年在半干旱地区是个小概率事件”。

.雨水叠加利用

这是一类在农田就地富集叠加利用的集水技术。小区集水种植是世界上最常见而且是成效显著的一种集水技术。集水种植的核心是“雨量增值”,它是指将非耕地上的径流引到耕地中,这样给耕地的水要比直接接受的雨水多,因而雨量增值。在年降水量不足100mm的地区,可以在植物周围建立微型集水区,从较大面积上收集雨水,供少量植物生长发育之需。在我国通常是采用小区集水造林。集水小区的形状通常根据地形特点、降雨强度和风向等选择,常见的有单坡式、双坡式、漏斗式、扇形与V形、棱形等。集水小区的面积与降水量的大小、一年中降水的分布、土壤、所种植的植物及保水技术等诸多因素有关。集流梯田是一种雨水叠加技术,即在水平田的上部按比例留出一定面积的坡耕地(或荒地等)作为集水源地,使降雨后坡地产生的径流汇集到下部水平田内,以补充水平田内作物需水量的不足,实现水平田作物的稳定高产。据河北张家口地区水利水保局试验资料,1988年谷子全生育期集流水平田(733.3m)内降水量为43m3,坡地产流量为133.m3,除在各生育阶段满足了谷子需水要求外,还略有余(46.m3)。在黄土丘陵区,广泛采用的集流梯田称为隔坡梯田,隔坡梯田的水平面除蓄积自身部分的雨水外,还能拦蓄上方坡地来的水和泥沙,拦泥、蓄水、促肥作用显著。

.3雨水聚集利用

在干旱半干旱地区要把降水资源变成可以用于灌溉的水资源,就需要通过一系列的工程措施,把天然降水富集并存储起来,使自然降水变成时空可调的现实水资源。雨水聚集技术包括导引、收集和储存雨水三个方面。富集雨水一定要有集水面,集水面的集水效率与集水面的处理、集水面的坡度、降雨量、降雨强度、降雨历时等因素有关。集水面的处理方法主要有:混凝土面、水泥土夯实、原土夯实、塑料薄膜覆砂、三七灰土夯实、化学材料(粗石蜡、沥青)处理等多种。其中的混凝土板处理,集水效率较高(60%～80%),而且使用年限长,是一种比较好的集水面处理法。在这里还需要指出的是在柏油公路的沿线可以利用公路集水,因为许多地方公路边的坡地就是耕地,利用公路面集水,在路边修筑水窖存储,可以灌溉路边坡地的农田和果树。农村的屋面和道路也是很好的集水面,通过在村边修建蓄水池,可以蓄存雨水,用于周围农田的灌溉,但村庄的径流含有的泥沙比较多,需要经过处理。从集水区收集的地表径流,可用渠、沟或其它输水系统汇集到蓄水池(或小水库)中,蓄水池的大小应根据灌溉农田的需水量、降雨量、集水面条件、施工的难易、工程的造价、农民的承受能力等综合确定。蓄水设施的结构形式有许多种,主要有:旱井或缸扣缸式水窖、泥壁混凝土球盖窖、窑窖、混凝土薄壳窖。集水的保护一方面是减少直接蒸发,减少蒸发的措施是封闭蓄水池。另一方面减少渗漏量。黄土高原及丘陵沟壑区,由于地表水资源数量有限,利用集蓄雨水发展有限水的补充灌溉,在发展庭院经济和稳产的基本农田方面取得了许多成功的经验。这是旱区农业进一步发展与提高的方向。

3降雨聚集利用中存在的主要问题

雨水集蓄利用技术在世界上许多地区为不同目的、以不同形式和规模而一直被广泛地应用着。Boers等人从农业生产的角度将其定义为:“为在干旱和半干旱地区发展农业而导引、收集、蓄存和保护地表径流的一种方法”。随着干旱加剧、水资源短缺,人们已开始高度重视雨水资源的开发及高效利用,特别是在干旱半干旱地区尤为突出。近年来,世界各国掀起了雨水利用热潮,并成立了国际雨水利用协会。本世纪50年代初,国外注重雨水的汇集措施,特别是地表处理材料和提高汇集效率方面的研究。90年代初,又开始研究合理的雨水汇集、贮存和净化技术,以及适宜于农田灌溉的成套措施。我国对雨水汇集利用源远流长,目前除利用庭院集水供人畜饮水和抗旱保苗外,许多地区采用的沟道筑坝建库、修建池塘、水窖等措施,在雨水的实际应用中起到了一定作用。80年代以来,陕西、甘肃、宁夏、内蒙和山西等地相继开展了人工汇集雨水利用的研究,取得了一批有意义的成果。从总的情况看,降雨聚集利用中存在的主要问题有:

3.1在雨水径流集聚技术方面,人们对雨水的导引、收集和蓄存进行了较多的研究。但是,现有的集水面处理材料及方法措施还不甚令人满意,或者造价太高,如混凝土集水面等,或者集水效率较低,如原土夯实等,采用的一些化学处理方法也有缺陷,需进一步研究改进。蓄水问题仍需进一步试验研究,现有几种蓄水设施的合理性、蓄水设施的合理结构形式和规格、集水材料的防渗抗冻问题,雨水的净化技术等也需要进一步研究。

3.2降雨聚集利用技术方面,由于因降雨存贮设施蓄水量小,不可能完全与传统的地面灌溉系统配套,使它的发展受到很大的限制。如何利用当地的聚集降雨资源发展灌溉,是提高农业产量,增加农民收入所迫切需要解决的问题。滴灌是诸多灌水方法中水的利用率最高的先进灌溉技术之一,比传统的地面灌溉一般节水50%～70%。近年来随着滴灌技术和降雨聚集技术的发展,滴灌与集水设施相结合得到了很大发展。在山区丘陵区兴修水窑、水窖蓄水的滴灌工程,还可利用地形落差实施自压滴灌。一个蓄水00m3的水窖可以为1/3hm麦田或/3hm果园保浇次～3次关键水。但在我国要大面积推广应用这一技术还有许多关键技术问题有待解决。主要包括:水净化技术环节薄弱,水处理技术单调,适用于利用窖水灌溉的灌水器和过滤装置也需要改进。这些问题都有待进一步研究解决。

3.3降水聚集的高效性方面,在降水量50mm以上的地区,可充分利用雨水资源,发展种植业及林果业。研究表明,通常在作物最关键缺水期灌一次“救命水”可显著地提高作物产量,取得很好的经济效益。虽然不修建蓄水池直接将水输送到作物根区比较经济,但由于作物根区土壤贮水能力有限,加之降水分配与作物生长难以协调。因此,修筑蓄水设施对作物实施补充灌溉是必要的。据甘肃省白银市研究结果,100m集流场可解决66.7m～133.3m塑料温室作物用水,早期点浇砂田籽瓜次～3次,每次135m3/hm,每公顷可增产瓜籽577.5kg;在关键需水期点浇旱地玉米次～3次,产量可达6000kg/hm以上。但是目前对降雨聚集雨水如何有效地利用于灌溉,特别是对旱地作物关键需水期究竟灌多少水最经济有效以及有限补偿供水效应的研究还不够,还有待于对降雨聚集利用系统进行合理的组装配套,以提高降水的生产效率。

4降雨聚集利用系统需要研究解决的关键技术

降雨聚集利用系统需要从整体上研究降雨集聚、贮存和净化技术,利用有限集聚雨水的节水灌溉技术以及降雨聚集的高效利用技术,使过去各个方面的孤立研究成果变成为一个有机整体,达到提高有限水资源的利用率的目的。

4.1研究降雨聚集方式及贮存净化技术研究不同地貌条件下的雨水汇集效率和适宜的集水方式,雨水的适宜贮存方式和蓄水容量,研究提高集流效率的地面处理技术,研究适用于不同地形与农业类型区的雨水贮存设施结构与施工技术;研究雨水存贮设施的防渗与抗冻技术,包括材料选择与施工处理技术;研究雨水净化处理技术。

4.2研究适用于雨水聚集利用的节水灌溉技术主要研究适用于降雨聚集条件下的节水灌溉技术、作物灌关键水技术(包括灌水方法、灌水时间及灌水量)、节水灌溉设备(包括灌水器和过滤装置等),选择、改造与完善适用于利用汇集雨水灌溉的田间移动灌溉设备等。

4.3研究降雨聚集利用的农业增产技术研究与作物灌关键水技术相配套的种植方式及农业综合技术(包括覆盖、免耕等)措施。

4.4研究雨水集聚利用的综合技术研究不同雨型、雨量及不同集水区条件下,以及不同径流利用方式下贮水设施的最佳规划设计指标体系以及适合于微型集水区径流集蓄与利用系统中节水灌溉的关键技术及农业增产技术。提高降雨聚集利用系统的经济效益和水的有效利用率。通过对半干旱地区雨水汇集、存贮与净化、雨水高效利用三个环节及其配套技术进行系统研究,形成系列配套技术,提高降雨聚集系统的整体效益。

5结论

干旱半干旱地区雨水资源潜力巨大,大力开发利用雨水资源是解决该地区农业缺水的主要途径,这也是区域农业持续发展的战略性问题。通过对雨水高效利用的几种途径的分析,主要包括:雨水就地入渗、雨水的叠加利用和雨水的聚集利用技术,表明其中的雨水聚集利用是干旱半干旱地区农业生产中雨水利用的最主要形式,这是旱区农业进一步发展与提高的方向。在雨水利用系统的各个环节中,包括雨水径流集聚技术、降雨聚集利用技术和高效利用等方面都还存在一些问题。提出了降雨聚集利用系统需要研究解决的一些关键技术,在降雨聚集利用系统中需要从整体上研究降雨集聚、贮存和净化技术,利用有限集聚雨水的节水灌溉技术以及降雨聚集的高效利用技术,使过去各个方面的孤立研究成果变成为一个有机整体,达到提高有限水资源的利用率的目的。