加强农业节水 提高用水效率
摘 要：我国农业用水面临着资源型缺水、用水结构性缺水和水质性缺水的困境，提高用水效率将是未来农业节水的重中之重。文中分析了我国水资源利用现状以及存在的问题，提出从农业用水各个环节开展内涵节水、发展可持续节水型农业的观点。以人与自然和谐相处的新理念，审视和展望了节水社会建设中农业节水前瞻性理论研究与技术创新的相关内容。
关键词：农业节水 节水型社会 水资源
我国是一个水资源十分短缺的国家，人均水资源量仅占世界平均水平的四分之一。社会经济用水安全保障已经成为制约我国社会经济发展的重要因素，是我国当前社会经济发展面临的一个迫切问题。一些国际组织已经将中国的水资源供需和粮食安全自给联系起来，认为中国的水资源短缺将超越洪涝灾害而成为中国政府最大和最难解决的水问题，甚至会引发全球粮食市场的变动和其他国际问题。
1、我国水资源利用现状及存在问题
1.1用水现状
新中国成立来，用水增长迅速，各项用水指标发生了很大变化。全国用水总量从1949年的1031亿m3到2004年的5548亿m3，其中生活用水占11.7%，工业用水占22.2%，农业用水占64.6%，生态用水占1.5%。1949～1980年为用水高速增长期，人均年用水量从187m3增长到450m3；其后用水需求继续增长，但受资源制约供水难以同步增加，人均年用水量在450m3上下徘徊；20世纪末期，人均用水量开始出现下降趋势，但是经济发展的需求导致下降幅度不大，2004年人均用水量427m3。全国按目前的正常需要和不超采地下水，缺水总量约为300～400亿m3，一般年份农田受旱面积600～2000万hm2。从总体上说，因缺水造成的经济损失超过洪涝灾害。因此，建设节水型社会意义重大。
1.2用水结构
随着我国经济建设的发展，节水灌溉技术的应用，农业用水比重一直呈递减趋势，由1949年的97.1%逐步下降到2004年的64.6%。考虑到近期我国供水量不会有过大增长，这一比例还将维持一定时间，我国农业用水将基本控制在4000亿m3左右，预计到2030年可供水量达到6640亿m3时，农业用水比重可降低到60%。
可以看出，我国农业发展是在节水和内部挖潜的基础上稳定发展的。随着农业产业结构的大调整和高科技高附加值产品的提高，农业用水可望在稳定现状的前提下，保持农业产值的稳定提高。但农业依然是我国的第一用水大户。必须依靠节水灌溉措施来实现灌溉发展。
1.3存在的主要问题
目前，水资源供需矛盾突出、水资源紧缺与用水浪费并存、用水效率低是我国水资源利用的主要问题。
1.3.1水资源供需矛盾突出
2004年全国总用水量5548亿m3，占我国水资源总量的23%，占世界总用水量的12%，是用水最多的国家之一。作为经济高速发展中的人口大国，面临的水资源压力更为紧迫。目前，我国正常年份需水量约为6000亿m3，而各类水利设施年供水能力约5600亿m3，污染加剧使可用水量减少，水危机严重制约我国经济社会的发展。由于人口持续增长和经济高速发展，工农业和人民生活用水将持续增加，使目前存在的水资源供求矛盾更趋激化。其主要表现为：供求总量更加不平衡，需水量增长速度超过可供水量的增长速度，供水状况趋于恶化；北方地区和沿海工业发达地区等地域性水资源供求矛盾日趋恶化，将严重制约社会经济的发展；巨大的人口压力对发展耕地灌溉事业提出更加紧迫的要求，而工业城市将是增加用水量的主要部门。用水量骤增，将对农业灌溉用水构成严重的威胁，部门用水矛盾更加尖锐。据预测，到21世纪30年代，在全国需水量实现零增长之前，全国需水总量将可能达到7000亿m3，比目前需水量要增加2000亿m3左右，每年平均需增加可供水量近100亿m3，这需要投入庞大的资金，要解决一系列复杂的社会环境问题，可见任务之艰巨。
1.3.2水资源紧缺与用水浪费并存
尽管我们国家水资源如此紧张，但用水浪费现象更是普遍存在，大大加剧了水资源供需矛盾。据统计，目前农业灌溉缺水300亿m3左右，工业、城市缺水约58亿m3。600余座设市城市中有300多座缺水，较严重缺水的有110多座，年损失产值1600亿元，并不同程度地影响城镇居民生活。可是，目前各用水部门普遍存在浪费现象，水资源未能得到有效合理地利用，用水效益不高。我国的用水总量和美国相当，但GDP仅为美国的1/8。农民仍然习惯于大水漫灌，全国农业灌溉水的利用系数平均约为0.43，而先进国家为0.7甚至0.8。我国正处在工业化初期阶段，大量工业生产设备陈旧，生产工艺落后。工业结构中新兴技术产业比重低，加上管理水平低，因此绝大多数地区工业单位产品耗水率高于先进国家数倍甚至十余倍。而水的重复利用率也低得多，据统计大批城市工业水重复利用率为30%～40%，实际可能更低，而发达国家为75%～85%。
1.3.3用水效率较低，节水潜力很大
目前我国的用水效率还很低，单方水的GDP产出明显低于发达国家，单位产品耗水量比国际先进水平高几倍甚至几十倍。如生产1t钢耗水60～100m3，先进国家仅需要3～4m3；生产1t油耗水2～30m3，先进国家仅为0.2～1.2m3；生产1t纸耗水400～600m3，先进国家为50～200m3。随着经济实力的增长，通过经济结构的调整，用水效率的提高，节水尚有较大潜力。节约用水和科学用水，应成为水资源管理的首要任务。对农业和城市工业用水的研究分析说明：通过全面建设节水高效农业，可以大大提高农业的用水效率；通过推行工业的清洁生产，使工业用水量降低，这不仅可以节约水资源，而且可使城市废水量相应减少，大大削减污染负荷。目前全世界灌溉面积中，喷微灌面积已占总灌溉面积的1/10，我国节水灌溉技术推广力度较大，但所占比例仍然较低，是世界上现代灌溉技术应用程度最低的国家之一，喷微灌面积仅为80万hm2，占有效灌溉面积的1.5%。我国作物水分生产率平均为0.8kg/m3粮食，只相当于发达国家的40%。不少学者研究指出，如果能积极采取有效节水措施，我国农业用水的节水潜力十分巨大。
2、农业节水面临的形势和任务
我国农业是国民经济的基础，农业的发展直接关系到人民生活、物价稳定、经济发展和社会安定。要实现到2030年我国人口达到16亿高峰期粮食自给的战略目标，粮食生产是人们普遍关注的严峻问题。20世纪50年代以来，随着世界人口急剧增加和人类开发能力大幅度提高，农业生产由于应用了良种、化肥、农药和灌溉等方面的新技术成果，有了突飞猛进的发展。水资源和土地资源等农业资源得到了极大的开发利用，但这种掠夺式资源开发方式，带来了资源与环境等方面的负面效应，使得农业进一步发展面临着新的难题。旱地农业和灌溉农业的节水工作面临着十分艰难的形势。
2.1人口增加，人均耕地进一步减少
按照我国1978年至1994年耕地平均年减少28.67万hm2计算，至2030年人口高峰期人均耕地将降至0.053hm2，接近国际粮农组织（FAO）规定的临界值。若按日本或美国的工业化道路实现我国未来的工业化，人口高峰期人均耕地将降到0.04hm2或0.025hm2。耕地资源严重短缺，将成为我国农业可持续发展的最大障碍之一。
由于耕地资源不足，新垦荒地难度加大，增加农作物产量的重点将转向提高单位面积产量。因此，大力发展节水农业将成为粮食生产的有效途径之一。
2.2资源型缺水、用水结构性缺水及水质性缺水，制约了农业可持续发展
我国水资源总量为2.8万亿m3，仅占世界水资源总量的5%。每平方公里平均占有量约25万m3，人均水资源占有量不足世界人均占有量的1/4。资源性缺水严重。若水资源总量能保持基本稳定，人口高峰期人均资源占有量还将减少25%～30%，水资源供需矛盾将更加突出。
我国农业还面临着结构性缺水，灌溉用水量占全国总用水量的比例逐年下降。随着社会经济的迅速发展，工业用水和城镇供水的比例还将增加，农业用水将进一步被挤占，优质和较优质的水资源将转向非农业供水，灌溉用水更为紧缺。
全国年排放污水总量近600亿m3，其中80%未经处理直接排入水域。在700多条重要的河流中，有近50%的河段、90%以上的城市沿河水域遭到污染，使70%的地面水源遭受不同程度的污染，其中30%～40%的水源已不符合灌溉水质标准。每年全国农田污染事故造成的损失超过1亿元，粮食减产100万t以上。如不采取有效措施，地面水和地下水的水质还将下降，农业用水还面临着水质性缺水。
灌溉水量的减少和水质恶化，加剧了农业用水供需矛盾，干旱缺水造成的农业损失日益加大。据统计，目前农业灌溉缺水300亿m3左右，每年因干旱缺水受灾面积平均达0.27亿hm2，成灾面积0.13亿hm2，减产粮食1000亿kg，且有逐年增长的趋势。因此，在水源性、结构性及水质性缺水较严重的形势下，必须发展节水农业，才能促进农业的可持续发展。
2.3水资源开发程度较高，利用率偏低
联合国及其他有关国际组织出版的《全面评估世界淡水资源》一书中给出了用水紧张程度的划分标准：用水量和可用水量之比小于10%时，为低度紧张；10%～20%时，为用水中度紧张，说明水可用量正成为一个限制因素，需要通过努力和加大投资来增加供应和减少需求；20%～40%时，为中高度紧张，需要解决人类用水的争抢问题，对于发展中国家，需要大量投资来提高用水效率，而且水资源管理所需开支在国民生产总值中所占份额要加大；超过40%时，为用水高度紧张，表明出现严重水荒，日益依赖咸水淡化，超采地下水，原有的用水格局和取用水量不可持续下去，水荒成为经济增长的限制因素。
若用全国水资源总量2.8万亿m3代替可用水量（考虑水资源开发能力限制和水质污染，实际可用水量要小于水资源总量），2004年全国用水总量为5548亿m3，用水量占可用水量的比值为19.8%，属用水中度紧张类型。同时，我国的水资源分布极不均匀，按流域划分，长江流域及其以南各流域水资源开发利用率为12%，属用水中度紧张型；黄、淮、海、松辽等北方流域水资源开发利用率高达46%，其中黄、淮流域超过50%，海河流域达80%以上，属用水高度紧张型，出现严重水荒。若考虑可用水量受水资源开发条件和能力限制还要小以及水质性缺水等因素在内，21世纪将面临着用水争抢问题。水危机已成为国际国内广为关注的焦点。采取一切有效的节水措施，开源节流，实现水资源的高效利用实属迫切，农业水资源的高效利用尤显重要。因此，在实行雨水资源利用、水源工程建设、水质保护等开源措施的同时，应用新的节水灌溉技术，减少不同环节上的耗水，提高农业水资源的利用效率，将是今后节水农业追求的根本目标。
3、农业节水技术措施
农业节水的内涵包括了水资源的合理开发利用与配置、输配水系统的节水、田间灌溉过程的节水、作物生长水分转化过程的节水、用水管理的节水以及农艺节水增产技术措施等方面。
从用水角度看，灌溉就是通过给农田补充水分来满足作物需求，创造作物生长的良好环境条件，以获得较高的产量。从水源到形成作物产量要经过以下四个环节：①通过渠道或管道将水从水源输送到田间，对应的技术称为输配水工程技术；②将引至田间的灌溉水，尽可能均匀地分配到指定的面积上转化为土壤水，对应的技术称为灌水技术（如喷灌、微灌、地面灌等技术）；③作物吸收利用土壤水，以维持它的生理活动；④通过作物复杂的生理过程，形成经济产量。可见，后两个环节中常采用灌溉模式来提高灌溉水及降水的生产效率。通过调蓄土壤水分状况，创造作物根系土壤中水、肥、气、热的适宜环境，获得节水高产优质的效果。因此，凡能增加天然降水的有效利用（包括径流调蓄与利用、集雨技术等）、减少输水损失、提高水的利用率和水分生产率的措施、技术和方法均属农业节水范畴。前两个环节的节水潜力比较大，是当前节水的主要途径之一。后两个环节中节水新技术新成果的应用，对提高水的生产率作用显著，是节水条件下增产的主攻方向。因此，农业节水技术是由水源、工程、农业、管理等环节的技术措施组成的一个综合技术体系。
3.1充分利用天然降水技术措施
提高天然降水的有效利用量，减少灌水次数和灌水定额，是最省投资的节水措施。对于有一定降水量的缺水地区，意义尤为重大。
通过平整土地，修水平梯田，机械深松和耕翻，秸杆还田覆盖保墒，筑畦埂和使用保水剂等农业技术措施，增加土壤入渗能力和保水能力。降雨量在200～500mm的山丘区，可通过人工集流场汇集雨水，存放在调蓄池或水窖中，作为点播浇灌（如坐水种）的水源，有条件的可配上简移式喷灌，进行作物关键生长期灌溉，变雨养农业为集雨农业。井渠（河）结合，天然降水、地表水和地下水联合运用，雨季回补地下水，既增加了水源调蓄能力和抗旱水源，又减轻了洪涝威胁。旱季利用地下水灌溉，可弥补地表水之不足。在不影响防洪排涝的情况下，经合理规划及调节，在河道或排水沟适当位置修堤建闸，梯级拦蓄雨季洪水，既能直接作为灌溉水源，又可增加对地下水入渗补给，改变因超采形成地下水位急剧下降的状况。在半干旱、半湿润及湿润地区，采用科学的节水灌溉制度，可人为地利用田间（土壤）水分进行调蓄，扩大作物对降水的利用，直接减少灌溉补水，其节水效果面广量大。
3.2输配水工程节水技术措施
渠道防渗技术能最有效地减少渠道渗漏损失，提高农业用水利用率，更有效地利用水资源。浆砌块石衬砌防渗较土渠减少渗漏损失50%～60%；混凝土衬砌防渗较土渠减少渗漏损失60%～70%；塑料薄膜防渗较土渠减少渗漏损失70%～80%。低压管道输水技术是我国北方井灌区发展较快的一种节水技术。管道水利用系数平均在0.95以上，与土渠灌相比，平均亩次毛灌水量减少30～40m3，减少渠道占地10%，减少提水能耗30%～40%。低压管道输水地面灌溉系统以其节水（30%）、节地（7%～13%）、造价低廉、快速输水和便于管理等优点，迅速地应用于灌区。
3.3田间节水技术
田间灌水技术常分为全面灌溉和局部灌溉。全面灌溉是指全面湿润整个农田根系活动层的土壤，包括地面灌溉（如畦灌、沟灌、淹灌和漫灌）及喷灌。局部灌溉只湿润作物周围的土壤，行间或棵间的土壤仍保持干燥，又称微量灌溉，如滴灌、微喷灌、涌灌（涌泉灌），膜上灌及渗灌等。主要有以下几种：
（1）节水型地面灌溉
地面灌溉在我国占主导地位，占灌溉面积的98%，节水潜力很大。节水型地面灌溉技术包括小畦灌、波涌灌（波涌沟灌比一般沟灌节水50%以上，灌水效率由50%～60%提高到70%～80%）、细流沟灌、膜上灌（与常规沟灌相比，节水40%～60%，增产5%～50%）、水平畦田灌等。
（2）喷灌技术
喷灌技术是当前世界上最先进的节水灌溉技术。近几年来，在我国发展较快，现有喷灌面积130多万hm2，占总灌溉面积的2.5%。与地面灌相比，可节水30%～50%。喷灌具有灌水均匀（可达80%～90%）、水的利用率高（达到60%～80%）、省水（20%～30%）、作物产量高、适应性强等优点。
（3）微灌技术
微灌技术是较喷灌更为省水的灌水技术。近年来在我国发展也很快，灌溉面积达到13.3万hm2，占总灌溉面积的0.25%。微灌是利用低压管道系统和灌水器，将水和作物所需的养分直接送到作物附近的土壤中。由于是局部灌溉，湿润土壤面积小，蒸发损失少，故比喷灌更节水。比地面灌节水45%～75%。按灌水时水流出流方式的不同，微灌可分为滴灌、微喷灌及涌泉灌。
3.4作物节水灌溉模式
在掌握作物耗水特性、生长发育、干物质形成和水分供应之间关系的基础上，通过适宜的灌溉模式与农业技术措施相结合，实现高产（优质）节水之目的，这是从作物本身去挖掘节水潜力，以内涵为主、提高水分生产率的重要环节。
（1）水稻节水灌溉模式
我国先后研究出一批水稻节水灌溉模式，其共同点为：在保证水稻正常生长发育的条件下，通过稻田土壤水分或水层深层上、下限灌水指标的适宜组合，以适时适量的灌溉供水调节土壤中水、气、热、养分协调状况，调动水稻自身的调节机能和适应能力，促进和控制水稻根系和植株生长，减少无效水分消耗，获得高产条件下的节水。代表性成果有控制灌溉（河海大学、山东）、浅湿调控灌溉（江苏）、薄露灌溉（浙江）、薄浅湿晒灌溉（广西）、叶龄模式灌溉（扬州大学、江苏）以及非充分灌溉（武汉水利电力大学）等。这些模式的节水幅度为10%～50%，增产幅度在10%左右，有些模式能使稻米品质改善。
（2）旱作物节水灌溉模式
目前国内外正在研究和应用的旱作物节水灌溉模式有非充分灌溉、调亏灌溉、控制性分根交替灌溉等。
4.以人与自然和谐共处新理念，审视未来农业节水创新研究思路
在近20年的农业节水领域，取得了一批先进、实用的科研成果，被较为广泛地示范应用，产生了显著的社会经济效益。与此同时，也出现或将要出现至今未被重视的生态与环境问题。例如，在较大区域（灌区）或大尺度（行政区域、全流域）推广应用渠系防渗等工程节水和田间节水技术，改变了地面水与地下水的自然转换规律，引起区域内和周边地区非灌溉范围的生态植被生长失衡、萎缩、甚至死亡；水田湿地功能减退；动植物生长环境改变而影响多样性。因此，必须对未来农业节水的理论研究作出新思考。
（1）高度重视植物高效用水机理及其需水时空变异规律与耦合尺度效应，开展农业节水理论创新研究
开展节水灌溉条件下作物需水时空变异规律规律及其尺度效应模拟、精准灌溉条件下作物高效用水生理调控指标及其群体生长补偿效应、节水灌溉条件下SPAC系统水分运移与调控指标、节水灌溉条件下水、肥、环境――作物产量模拟及其空间变异，预测节水灌溉和植被生产力提高对水土环境的中长期影响等方面的基础理论研究。研究设施农业精量灌溉技术及最佳控制模式，研究不同灌溉技术要素组合对作物根区水分养分利用效率的影响。通过前沿性理论创新研究，为现代农业可持续发展提供技术储备。
（2）高度重视节水灌溉对生态环境的影响机理及其互动效应，促进节水农业的可持续发展
开展劣质水灌溉的污染物迁移转化规律及其稻田生态效应、区域尺度节水条件下生态环境动态响应模拟、节水灌溉条件下稻田生态环境因子的变化规律及其对大气环境的影响、水稻水肥耦合效应与生态环保型运筹、农业节水对生态系统需水、湿地演化与保护及其水生态系统修复的影响等节水与生态环境之间的关系研究。
（3）高度重视节水技术模式与管理的创新研究，充分挖掘工程和管理节水潜力
开展生态环保型节水高效灌溉技术模式、数字化灌区灌溉系统水量水质实时监控与水管理闭环自动控制系统、灌区尺度墒情测报与实时灌溉决策支持系统、节水农业补偿机制及其经济、社会、环境响应模型等方面的研究。
总之，应自觉地将人与自然和谐共处的新理念应用于未来节水农业创新研究之中，以期取得前瞻性的科研成果，促进我国农业的可持续发展。