同时,本世纪中叶以来科学技术又出现了新的重大突破。 农业灌溉用水管理中,大量的借助于土壤水动力学、植物生理学的理论和现代数学方法和计算手段等,试图从整体上和相 互作用上考虑水— 土— 作物— 大气之间的相互关系,定量描述土壤— 植物— 大气连续体中水分、养分运移转化过程,制定科学的水肥调控方案,使农业灌溉水管理的研究由单纯 的实验性质变为一门有较严谨的理论基础和定量方法的科学; 计算机技术、电子信息技术、红外遥感技术以及其它技术的应用,使土壤水分动态、水盐动态、水沙动态、水污染状况、作物水分状况、农田微气象数据等方面的监测、采集、处理技术得到发展,并促进农业用水管理水平的提高,进行科学的水管理; 材料技术的创新也将会使渠道防渗、管道灌溉、覆膜灌溉、坡面集雨技术产生突破。农业节水由过去丰水高产型灌溉向节水优产型的非充 分灌溉,以及充分考虑作物生理特性的主动施加有益亏水度的调亏灌溉,畦灌向喷微灌、 单一灌向肥药联用以及多种现代覆盖材料等方面发展和组成现代节水系统工程。 随着这些技术的创新和大面积的推广应用,必将使农业高效节水技术产生新的突破,这必然会作 为农业科技革命的重要内容,对解决我国农业可持续发展的水危机和促进我国农业的再 次飞跃做出重大贡献。

21世纪我国农业发展的主要制约因素是水土资源不足及其分布不均,全国水资源总量 2. 8万亿 m3 ,但人均水资源占有量仅 2 200 m3 ,不足世界人均水平的 1 /4,居世界 109

位。耕地每公顷平均占有水量 28 050 m3 ,也仅为世界平均水平的 4 / 5。而且我国水资源的地区分布很不均衡, 81% 的水资源集中分布在长江流域及以南地区; 长江以北地区人口和耕地分别占我国的 45. 3% 和 64. 1% , 而水资源量却仅占全国 19% , 人均占有量为 517

m3 ,相当于全国人均量的 1 /5和世界人均量的 1 /20,水资源与生产发展不相适应的程度更为突出。 80年代以来,全球气候变暖趋势明显,我国北方干旱加剧,进入 90年代以来, 每年受旱面积扩大到 2 667万 hm2 ,比 50年代增加 1. 5倍以上。据统计,我国每年因干旱缺水约少产粮食 1 000亿 kg 左右。 缺水还导致过量引用地表水和超采地下水,致使旱季常发生河流干涸断流,地下水位大幅度下降,导致了我国西北内陆河流下游湖泊干涸,沙 漠化、盐碱化不断发展,黄河下游高频率、长历时、长河段断流,华北地区的大幅度地下水降落漏斗等严重的生态环境问题,威胁到了人类生存的环境和农业的可持续发展。

21世纪我国农业所面临的巨大压力和矛盾,必然要逐步转移到农业供水上来。 解决

上述危机的根本出路,是大力发展规模化农业高效节水,逐步提高大范围农业水利用率和 田间单方净耗水量的农产品产出率,即通过采用新的思路、新技术、通过现代化技术的集成,以最少的水量投入获得最大的生产效率。

我国的农田灌溉面积已近 5 000万 hm2 ,居世界首位,占全国耕地面积的 1 /2左右。

目前许多单项节水技术均已达到了比较成熟的推广应用阶段,并取得了实际应用效果,全 国累计节水灌溉面积已达 1 333. 3万 hm2 ,其中低压管道输水灌溉面积 98万 hm2 ,喷灌面积 103万 hm2 ,其它主要为输水渠道防渗灌溉控制面积。正是我国农业灌溉面积和灌溉科学的第一次突破导致了我国农业生产的第一次飞跃。 占全国耕地面积近 1 / 2的灌溉地生产了占我国总产 2 /3以上的农产品。 但农业节水技术的发展速度仍远远不能适应人口增长和社会经济发展的需求,目前农业用水的有效利用率还很低,渠灌区只有 30% ～ 40% , 井灌区也只有 60% 左右。 而一些发达国家可达到 80% 以上。 另一方面,我国灌溉水利用

效率也很低,每立方米水生产粮食不足 1 kg,而以色列已达到 2. 32 kg ,一些发达国家大

体都在 2 kg 以上。这种现状预示着对节水农业技术的需求是很大的。另据许多田间小区

试验结果表明,采用综合的农业节水技术的组装集成,可使灌溉水的生产效率达到 2. 0 kg /m3～ 2. 5 kg /m3 以上的水平,如果解决好大田推广应用的问题,必将对大面积提高我国农业节水水平起重大推动作用。 因此,我国农业节水技术也正孕育着一场革命,这必将对我国的农业生产产生突破性的作用。

2 21世纪可能产生突破的几项农业高效节水关键技术

农业高效节水关键技术是指中近期内对农业高效节水有重要作用、同时具有一定科 学水平又能大面积辐射推广的节水技术措施,根据近阶段的投入条件和重要性以及我国 国民经济发展状况,未来 15年～ 20年农业节水中将会产生突破的关键技术问题主要有:

2. 1 作物控制性分根交替灌溉新技术

近年来,提出了限水灌溉( Limited Ir rig atio n)、非充分灌溉( No n— Full Irrigation)等等,这些方法的提出及实施,对由传统的丰水高产型灌溉转向于节水优产型灌溉,提高水的生产效率起到了积极的作用[ 2]。但是 ,这些方法仍然是仅考虑在时间上的调亏或水量的优化分配,没有考虑植物根系的功能和根区土壤的湿润方式对提高水的生产效率的作用。 控制性分根交替灌溉( Controlled Roots- Divided Alternativ e Irrig atio n, CRAI)的概念与传统概念不同 ,传统的灌水方法追求田间作物根系层的充分和均匀湿润,而 CRAI则强调从根系生长空间上,改变其土壤湿润方式,人为控制或保持根区土壤在某个区域干燥,交替使作物根系始终有一部分生长在干燥或较干燥的土壤区域中,限制该部分根系吸水,让其产生水分胁迫信号传递至叶气孔,形成最优气孔开度,而使另一部分生长在湿润区的根系正常吸水,减少作物奢侈的蒸腾耗水,还可减少棵间全部湿润时的无效蒸发和总的灌溉用水量,亦可通过对不同区域根系进行交替干旱锻炼和其存在的补偿生长功能而剌激根系的生长,提高根系对水分和养分的利用率,最终达到以不牺牲作物的光合产物积累而大量节省水量目的的一种新型灌溉节水技术[3 ]。这种新型节水技术自提出以来 ,经在人工气候室内进行的分根交替供水试验表明,在光合产物基本不减少的前提下,比全面积均匀供水方式节水 34. 0% ～ 36. 85% [4 ]。 由此设计的玉米控制性分根交替隔沟灌溉技术经在甘

肃民勤沙漠绿洲试验,在保持高产的水平下,比常规地面节水技术节水 33. 3% ,效果显著,而且不增加投入,易推广,已引起当地党政部门的高度重视。这将具有广阔的推广应用 前景,目前还需进一步研究该种方法的最佳田间灌水技术方案,开发适于控制性分根交替 灌溉的新型灌水器和与这种灌水技术相配套的作物栽培技术体系。 通过该技术的研究与开发,可节水 30% 以上,农田水分利用效率提高 40% ～ 50% 。

2. 2 干旱缺水条件下作物调亏灌溉技术

调亏灌溉的基本思想是作物的某些生理生化通道受到遗传特性或生长激素的影响, 在其生长发育的某些时期施加一定的水分胁迫(有目的地使其有一定程度的缺水) ,即可影响光合产物向不同组织器官分配的倾斜,从而提高所需收获的产量而舍弃营养器官的 生长量和有机合成物质的总量。此种方法不同于传统的丰水高产灌溉 ,也有别于非充分灌溉,非充分灌溉是灌溉水源有限条件下把有限的水最优分配至作物各阶段,使有限水的经

济效益最大,某些阶段的缺水受旱是被动型的,而调亏灌溉则是从作物生理角度出发,在一定时期主动施加一定程度的有益的亏水度,使作物经历有益的亏水锻炼后,达到节水增产,改善农产品品质,又可控制地上部的旺长,实现矮化密植、减少剪枝等工作量的目的。 该方法不仅适用于果树等经济作物,而且经我们试验,也适用于大田作物。 在渭北旱原进行的玉米调亏灌溉结果表明,苗期进行中度亏水处理、拔节期辅以轻度亏水,既有利于提 高作物水分利用效率,又有利于提高产量,是较为适宜的调亏灌溉方案[5 ]。

目前,还需进一步研究不同农作物的最佳调亏阶段、调亏程度 (水分亏缺的下限与历时) ,不同养分水平或施肥条件下的调亏灌溉指标、调亏灌溉综合技术体系的开发等。通过这些研究及其成果的推广应用,将会使灌溉水的生产效率达到 1. 5 kg /m3～ 2. 0 kg /m3 以上的水平,并将填补大田作物调亏灌溉领域的空白,不但可以为灌区的规划设计和科学用 水提供基础的数据,还可用于指导灌区用水管理实践。

2. 3.喷微灌技术和田间地面灌水新技术

重点是提高喷、微灌设备的配套水平、运行可靠性和使用寿命。其具体的内容有: ①低成本、低能耗、可靠性高的喷灌设备; ②新型微喷灌水器和配套设备; ③滴灌水净化技术研究及其设备的改进; ④抗堵塞的滴灌灌水器; ⑤喷、微灌系统的自动和半自动化技术及其运行管理技术; ⑥设施农业中灌水、施肥和调节小气候的综合节水技术体系; ⑦改进现有的渗灌(地下滴灌)技术及涌泉灌等的配套技术。 地面节水灌溉技术的关键在于推出一些提高灌水均匀度、田间水利用系数和灌溉效率的田间地面节水灌溉的设计技术和措施以 及有利于推广应用的硬件技术。 具体的内容有: ①间歇灌水技术的应用及相应控制设备, 包括间歇灌间歇阀等设备,间歇灌溉设计方法及管理; ②膜上灌水技术; ③激光平地技术应用及水平畦灌灌水技术的推广; ④适于不同地区特点和不同土壤、作物条件的新型地面节水灌溉技术。

2. 4 农业综合节水技术

将会把节水灌溉措施与农业措施有机融合在一起,形成综合的节水技术体系。其具体 的内容有: ①不同节水技术所适宜的化肥耦合技术,包括节水地面灌溉条件下水肥耦合技术,喷灌条件下水肥管理技术,滴灌条件下适宜的施肥灌模式; ②提高农田水分利用效率的耕作栽培技术,包括与各种耕作措施相适应的农田用水技术,带状种植的高效用水技 术; ③覆盖保墒及节水灌溉配套技术; ④节水、高产、高效的综合农业配套技术; ⑤化控节水技术; ⑥干旱丘陵地区抗旱保苗的移动式简易节水农机具及其节水配套技术。通过这些突破,可提出适于我国西北地区主要农作物、不同节水灌溉技术条件应用的综合农业节水 技术措施,研究成果应用后,可使灌溉水的生产效率在现在的基础上提高 10% ～ 15% ,化肥的有效利用率提高 10% ～ 15% 。

2. 5 灌区节水管理与精准灌溉技术

包括土壤墒情、作物旱情和水源水情实时监测与预报技术,特别是大区域土壤墒情的 时空变化关系及其预报和短、中、长时间尺度的土壤墒情预报原理和方法;渠系水量流量 调控技术及灌区动态配水技术; 实现灌区水量优化调度所需的量水技术及各种新型、简便、价廉、准确、适应性广的量水设备、智能化量水仪表等。

精准灌溉 ( Precisio n Irrig atio n)是精准农业( Precision Ag riculture)的一个组成部分。

精准农业代表着 90年代农业生产的最高水平。西方国家“精准农业”的主要内容是运用全球卫星定位系统( GPS)和地理信息系统( GIS)、遥感技术( RS)和计算机控制系统,按照田间每一操作单元的具体条件,精细准确地调整各项土壤和作物管理措施,最大限度地优化 使用各项农业投入,以获取最高产量和最大经济效益,同时保护农业生态环境,保护土地 等农业自然资源。 因此,在水资源十分紧缺的条件下,未来“精准灌溉”管理系统在我国的发展和应用应当是有前景的,会成为我国 21世纪农田灌溉学科的发展热点和新的农业科技革命的重要内容,以及提高农业用水效率和单位面积产量的关键。目前“精准灌溉”在我国的应用似乎还是件十分遥远的事情,但农业水利工作者应积极推动这方面的工作,为 21世纪“精准灌溉”管理系统在我国的应用作好技术准备。除了硬件如全球卫星定位系统外,必须积极开展关键的基础研究,如: 地理信息系统的构建,包括具体地块的土壤水肥状况,过去 10年或更早的灌溉历史及其与产量的对应关系,土地的地貌地形条件、地下水资源等资料。 可以预见,精准灌溉的潜力是巨大的,其对科技投入的需要也是巨大的。

2. 6 雨水集蓄与高效利用技术

雨水集蓄与高效利用的技术关键点在于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。 其具体的内容有: ①雨水汇集方式及配套技术,包括雨水汇集工程设计、集流场地的规划设计、集流场地表处理技术及集流工程系统的管理与维护 技术;②雨水存贮与净化技术,包括雨水存贮设施设计与施工技术、雨水存贮设施防渗防 冻技术和存贮雨水保鲜净化技术等; ③蓄存雨水的高效利用技术,包括选择、改造和完善适宜于利用集蓄雨水灌溉的小型配套农机具,存贮雨水合理调蓄技术和提高雨水利用效 率的综合技术。 通过这些研究,将会为西北半干旱地区和南方丘陵坡地雨水汇集、贮存与净化及高效利用提供系统配套技术,形成具有中国特色的雨水利用技术体系,同时可使作 物增产 30% ,集流效率达到 70% 以上,雨水生产效率达到 1. 5 kg /m3 以上。

2. 7 区域水资源持续高效利用技术

针对我国西北地区干旱缺水、水土流失严重和生态系统脆弱的问题,其关键应放在强 化降水入渗与减少径流侵蚀,利用高含沙浑水和部分苦咸水及污水,合理利用地下水,以 达到水资源持续高效利用的目的。 其内容主要有: 地下水资源的持续高效利用技术,利用地下水的机井测改和机井修复的关键技术,新型井型及井管材料和造井技术; 高含沙浑水淤灌技术; 污水净化和高效利用技术; 微咸水的分馏与利用技术; 黄土高原强化降水入渗与减少径流侵蚀以及调蓄土壤水库的技术; 以充分利用天然降水、维护农业生态系统中水分良性循环和有利于农业持续发展为目标的区域多种水资源联合调配技术等。

3 农业高效节水技术的突破将对我国农业发展的贡献

根据各地区不同的自然地理特征,水源条件,确定相应的农业高效节水技术措施,以 提高灌溉水的利用率、单方灌溉水的产粮数和单位降水量的生产力为中心,就节水机理、 节水关键配套技术、成套节水技术的组装集成等方面进行突破,强调各种节水技术的综 合,寻求多种农业节水技术(包括渠系和田间工程的配套与完善,土地平整与标准田块建 设,田间灌水技术改进、节水灌溉制度、田间保水技术、水肥耦合技术、农作物种植结构调整、节水抗旱品种选育、雨水利用、节水耕作及栽培技术等)的最优配置,形成一套综合的

节水高效农业技术体系,将会使灌溉水有效利用系数提高到 0. 60以上,单方灌溉水的产粮数提高 0. 5 kg～ 1. 0 kg左右,通过减少灌溉水的渗漏损失使化肥在当季的利用率在现

有基础上提高 10% ～ 15% ; 使我国集流补灌区和旱作区天然降水的生产效率达到 0. 8

3 3 3

kg /m ～ 1. 0 kg /m ,使利用集聚雨水补充灌溉的水生产效率达到 2. 5 kg /m 以上,使旱

区利用集蓄雨水发展果树和设施农业节水灌溉的生产效益达到 15万元 /hm2～ 30 万元 /hm2。通过雨水集流及节水扩灌和提高单产 ,为解决我国人口高峰期粮食问题和促进西北旱区农村的脱贫致富做出扎扎实实的贡献。

我国目前农业灌溉用水量约 4 000亿 m3 ,占总用水量的 80% 。在经济允许的条件下,

把灌溉水利用系数由目前的 0. 4提出到 0. 6是完全可能的,这样可节省农业用水量 800

亿 m3。按毛灌溉定额 7 500 m3 /hm2 计算,则通过节水可扩大灌溉面积 1 070万 hm2 ,增产粮食潜力较大,特别是内蒙古“第二河套”、西北内陆河流域、陕西“两北三区”等通过节水 扩灌,使原来的荒地沙漠变成吨粮田产区。 平均每公顷按 7 500 kg 计算,估算能增加 400 亿 kg 粮食。 同时,亦可通过节水来满足“ 生态用水”的需求,促进旱区生态环境向良性转化。

另外,在黄土高原地区,西北内陆浅山区降水 250 mm～ 500 m m 的地带,以及南方丘陵旱坡地发展雨水集蓄和节水高效农业,对解决我国未来粮食问题也将产生重要的影响。 根据测算,到下世纪前 10年,全国可在目前单纯的雨养农业基础之上,发展 200万 hm2～ 250万 hm2 的雨水集蓄和补充灌溉条件下的节水高效农业,粮食单产可由目前在黄土高原的 1 500 kg /hm2～ 3 000 kg /hm2 ,增加到 3 750 kg /hm2～ 5 250 kg /hm2 ,则还可增加粮食 45亿 kg～ 56亿 kg [6 ]。 另外在黄土高原地区通过雨水集蓄发展节水灌溉,种植果树和发展环境控制农业,还将会促进当地农村的脱贫致富,改善生态环境,促进农业持续发展。

综上所述,农业高效节水的突破必将对我国农业发展做出重大的贡献。 国家有关部门,应进一步加强对农业节水与水资源持续高效利用研究的投入,以农业高效节水技术的 创新和突破,迎接新的农业科技革命和我国农业的再次飞跃。

4 我国未来节水农业发展应采取的对策

为了迎接新的农业科技革命,实现我国节水农业的高速度、高标准、高效益发展,必须 坚持正确的发展方向,采用良好的对策。 主要应考虑:

4. 1 “水— 土— 植— 气”四位一体,最优协调其关系,获得节水增产高效和最大农业水利用率与生产效率。

4. 2 蓄水、增水、保水、高效用水“四水合治” ,地面水、地下水、土壤水、大气降水同时考

虑,由采用单一节水技术转变为高度集成的农业节水综合技术体系,发挥各种节水技术整 体效益。

4. 3 根据各地特点,因地制宜确定不同类型区节水农业的发展模式,搞好规划设计,提高

标准,发挥规模效益。

4. 4 建立有利于发挥节水管理者和用水受益者双方积极性的节水管理体制,完善有关节约用水的法规 ,实施依法用水和管水。

4. 5 坚持节水农业发展与区域水资源持续利用以及农业持续发展统一协调考虑,节水农

业的发展必须做到资源利用由低效向高效,粮食由低产到高产,生态环境由恶性循环到良 性循环,农村经济由贫困向富裕的转化。特别是节水农业的发展一定要促进农村经济的发 展和农民的富裕,如通过发展节水型的集流补充灌溉农业,发展高产值的庭院经济或环境 控制(日光温室)农业,提高投入产出比,促进贫困山区的农民脱贫致富。 这样才能给节水农业的持续发展带来新的活力。

4. 6 以科技为先导,抓好农业节水的产业化开发。

4. 7 制定激励发展节水农业的投入政策,建立一种用利于节水农业发展的投入机制。

参 考 文 献

1 石元春. 迎接农业的新技术革命 . 中国科学报 , 1997年 5月 2日 ,第 1版

2 康绍忠 ,蔡焕杰主编 . 农业水管理学. 北京: 中国农业出版社 , 1996: 496

3 康绍忠 , 张建华 , 梁宗锁. 控制性分根交替灌溉— — 一种新的农田节水调控思路 . 干旱地区农业研究 , 1997( 1): 1～ 6

4 梁宗锁 ,康绍忠 , 胡炜等. 控制性分根交替灌溉的节水效益. 农业工程学报 , 1997( 4): 24～ 29

5 陈亚新 ,康绍忠 . 非充分灌溉原理. 北京: 中国水利水电出版社 , 1995: 18～ 19

6 康绍忠 ,李永杰 . 21世纪我国节水农业发展趋势及其对策 . 农业工程学报 , 1997( 4): 32～ 36

New Agricultural Sci-Technological Revolution and Development of Chinese Water-Saving Agriculture in 21st Century

Kang Shaozhong

( Institute of Agricultural Soil -Water Engineering , North westren Agricultrual University )

Abstract The main restrict fa to r to o ur agrucultrual sustainable dev elo pm ent in 21st century i s soil-w ater reso urce inadequency and unbalanced dispersio n. The crisis of w ater supply for ag riculture is much severer tha n ev er in the 21st century. The found- m enta l solutio n to this pro blem i s to dev elo p a la rg e scale, improve ag ri cultura l produc- tivi ty per - net w ater co nsum ptio n in field g radually In 21st century , w e can ex pect re- ma rkable pro g ress in these techniques as fo llow s: ( 1) Contro lled Ro ot -Div ided Alterna- tiv e Irriga tion, ( 2) Regulated Deficit Iii gation, ( 3) new methods o f w ater-savi ng i rrigation techniques, ( 4) integ rated w ater-savi ng methods, ( 5) w ater manag ement in i rrig atio n sys- tem and precisio n i rrig atio n, ( 6) ha rv esting and utilizatio n o f precipitation, ( 7) sustain- able, high-efficient utili za tio n of regio nal w ater resources. These break-t ho ug h, un- doubtly , w ill becom e a n im por tant part of ag ricultural sci - technical rev olution and cno t ribute our ag ricultural dev elopment in 21st century.

Key Words Ag ri cultural sci -t ech ni cal rev olutio n, wa ter-savi ng metho ds, w ater use efficiency , ag ricultural sustainable dev elopm ent