雨水利用与水土保持的农业发展

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1雨水是中国黄土高原地区农业生产的主要水源

目前,一般认为地球上水资源包括三方面:地表水、地下水和天然雨水。中国西北黄土高原地区地表水和地下水贫缺,雨水资源是其农业生产的主要水源。区域土地面积62.60万km2,多年平均径流量人均541m3,每公顷平均水量2625m3,分别为全国平均量的22%和10%,仅为世界平均量的4.2%和8.8%。区域年用水量300亿m3,其中85%为农业用水,但农业有效灌溉面积仅386.7万hm2,集中分布于黄河及其支流沿岸的冲积平原和阶地,80%以上的广大中部丘陵山地和残塬区,地表水和地下水极为贫缺,地形起伏多变,发展大型水利工程的前景不大,农业生产水源主要依赖于200～600mm的天然降雨。据资料,黄土高原地区多年平均降雨量443mm,全区折算雨水总量为2757亿m3,相当于每年地表水和地下水用量的9.2倍。

2雨水资源的特征与干旱和水土流失

黄土高原地区降雨总量看起来不小,在实际中,由于降雨的时空分布不均,“易失多变”,干旱和水土流失严重。区域降雨利用率只有40%左右,作物水分利用效率仅3.0～4.5kg/hm2•mm,大部分旱耕地粮食单产在1050kg/hm2左右,遇旱减产明显。黄土高原地区降雨在时空分布上的特征为:(1)降水地理分布不均。从西北向东南呈扇形带状递增,依次呈现为半干旱偏旱区(年降雨250～350mm),半干旱区(350～450mm)和半湿润易旱区(450～600mm)。(2)降雨变率大,季节分配不均,干旱频繁。区域年际降水变率为15%～40%,多雨年为平均降雨年的1.4～1.7倍,是少水年的2～6倍。在季节分配上,春季雨量一般占降雨总量的12%～25%,夏季占40%～60%,秋季占20%～35%,冬季占1%～3%。春季多为夏收作物生长旺盛期,也是一年一熟区秋作物成苗期,春旱在区域的频率最大,对农业生产影响也最严重。据1985年资料,1949～1985年黄土高原地区每年旱灾面积733万hm2,最大成灾面积233.33万hm2。1994年陕西省春夏连旱,减产粮食27亿kg,为历史罕见。(3)降雨集中强度大,水土流失严重。降水强度有小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨之分。黄土高原夏季多大雨和暴雨,暴雨期降雨强度大,水分入渗土壤慢而产生地表径流,加之区域坡地面积大,地面覆盖度低,水力侵蚀不可避免。据资料,黄土高原6月至8月暴雨频率83.8%～95%,不同地点平均暴雨次数1.3～6.1次。暴雨是造成水土流失的主要原因,全地区水土流失面积43万km2,严重区28万km2,分别占区域总土地面积的69%和45%。年土壤侵蚀量4000～10000t/km2,坡耕地随水力年损失土层0.2～2cm,严重地区在2～3cm,“三跑田”比比皆是。

3雨水集流农业——水土保持和农业持续发展的紧密结合

3.1雨水集流农业的原理与可行性

降雨是西北黄土高原地区农业生产的主要水源,又是发生土壤侵蚀的主要动力。对此,采取基本农田建设,强化就地入渗,配合耕作保墒和施肥栽培等综合措施,使降水通过“土壤水库”就地调配,提高作物对降水的利用效率,这便是传统的旱作农业(DrylandFarming),这在区域农业生产中具有非常重要的地位,但这些措施还是难以摆脱干旱缺水威胁的被动局面。采取人工收集与高效利用降雨,即雨水集流农业(RainwaterCollectingAgriculture)是一条强化人工控制调节雨水,提高降雨利用率和利用效率的一种积极主动做法。其基本原理是通过把一定面积的降雨,通过集流场聚集到贮水设施内,再采取渗和防蒸发措施防止贮水丢失,在作物缺水季内补充限量灌溉,满足作物需要,以达到抗旱增产目的。其过程主要包括集流收集——雨水贮存——高效利用三个环节。黄土高原土区发展雨水集流农业,可发挥区域优势,减轻水土流失和干旱威胁,使农业持续发展和水土保持得以统一。

其可行性可概括如下:(1)人均土地面积大。中部丘陵和残塬区农业人均土地1hm2,宁南山区人均1.4hm2,建立雨水集流场有余地;(2)坡地面积大,具有天然收集雨水的条件。全地区55%的土地为大于7°的坡地,地表经用石蜡、钠盐等化学物质封闭土壤孔隙处理,或者用塑料、沥清或混凝土抹盖,可有效防止雨水侵蚀。另一方面,在坡地中上部修建水窑或水池,可对下部农田产生自压,不须提引,即可灌溉下部农田;(3)降雨较地表水和地下水分布广泛,处处可收集利用,受地形和地貌限制因素小。(4)雨水集流不须附加动力,节能省力。集流雨水,可利用雨水冲力和地心引力使水分汇集,不需附加动力,适宜丘陵山区和能源缺乏区;(5)投资小,见效快,户户可引,适宜范围大。修建水窑每眼500元左右(50m3)外,灌溉土地0.2hm2,每公顷可增产750～1500kg。(6)雨水补充灌溉增产节水效益明显。据我们1991～1992年在固原试验,春小麦拔节期补灌60mm限量水,单产达3795～3960kg/hm2,较对照增产42%～48.8%。相当于1m3水增产粮食1.5kg左右。

3.2雨水汇集农业的发展、效益与前景

雨水集流农业是一项古老而潜力巨大的农业措施。雨水集流农业最初有人称之为径流农业(RunoffAgriculture),也有人称之为微集水农业(MicrowaterCollelctingAgriculture)。国外以色列、印度、美国、澳大利亚等国也有报道和实践。美国有人通过对耕地周围地表用钠盐处理,防止径流侵蚀,并修建蓄水池,使500hm2的汇流区供50hm2耕地用水,产量增加1～2倍;在美国西南部降水量300mm地区,集流场造价为0.05美元/m3。以色列在南部200mm降水干旱区,修建微径流场发展造林,颇具特色。澳大利亚在起伏不平的坡地上,修集流槽和软埝,地坡比1∶3.5,间距90mm,以拦蓄地表径流,拦蓄不了的雨水再流入草皮排水道。印度在3%～6%的天然坡地下方,径流汇合处或拦水土埂出口处建一个2000m3水池,作为补充灌溉水源,其次是在降水很少地区,把耕地分为种植区和非种植区两条带相间排列,在坡地上条带按等高线排列。采取这种集水法,丰水年种植区可获117～328mm直接降水,还可由集水区获得23～100mm径流水。雨水集流在中国黄土高原地区历史悠久。区域内现有的小型水库、引洪漫地、水窑和塘池都属此列。据考证,春秋战国时期已有引洪漫地和塘坝,明代出现水窑。

据1985年统计,黄土高原地区现有水窑150.83万眼,总容量5866.5m2,大多每窑40m3,集中与分布在两条线:一是山西右玉——陕西定边——宁夏同心——甘肃定西——兰州一线为干旱苦水地区;二是山西宁乡——陕西洛川——甘肃西峰—平凉一线,地下水较深的黄土残塬阶地区。现有涝池19.84万座,总容量8341.5万m3,主要分布在黄土阶地和残塬区。水窑、涝池塘坝在黄土高原大多用于人畜饮水、防洪护沟,部分地区用于补充灌溉。宁夏固原地区至1986年底有水窑7万多眼,配有少量水井、塘坝,解决了1.21万人、33万头大牲畜和16.19万只羊的饮用水;陕西干旱区1972～1987年以修窑为主,结合打井、开渠,解决了554.48万人、83.18万头大牲畜饮水,年节约用水劳动力66.54万人,折合经济效益2亿元。陕西省米脂县对岔村在沟中用塘坝蓄水,1968年灌地4.13hm2,每公顷产量6600kg,为坡地产量的12倍。目前,随着持续干旱威胁与山区经济市场需要,黄土高原地区雨水集流农业区发展到了一个新的阶段。

甘肃和宁夏已形成大规模的窑窖热潮,有人因此称之为“窑窑农业”(CellorWaterHarvestAgrculture)。除解决人畜饮水外,在农业上开始逐步用于灌溉。为了把雨水集流农业发展为大规模的区域行为,还有许多问题需要研究。如在集流场和贮水设施的规划、设计与施工技术上,防渗挖渠材料应用上有待进一步研究;在高效节水用水技术上,如区域降雨与作物需水规律的耦合,作物关键期和适宜的补水量,小型灌水机具的研制及相应的农技措施等。