我国节水农业发展中的科技问题_山仑

1 关于科学制定农业水资源规划

水是基础性的自然资源和重要的经济资源。2002年 10月 1日起施行的新的《中华人民共和国水法》是一部以水资源可持续利用、保障社会经济可持续发展为目标的重要法规。“ 新水法”中将水资源规划提到一个非常重要的位置,国家将制定全国水资源战略规划,规定流域范围内的区域规划应当服从流域规划,专业规划应当服从综合规划[1 ]。 因此, “新水法”实质上是一部水资源的管理法,针对性强, 十分符合我国的实际情况。

农业是第一用水大户,农业用水占到我国总水

量的约 70% ,因此在水资源综合规划的框架下制定农业水资源规划就显得尤为迫切。 推行节水农业被认为是解决我国、特别是北方地区水资源日趋紧缺的首要途径,但在以往的工作中,更多地注重农业节 水技术本身,而对流域、区域内农业水资源平衡、承载能力及其与农业总体布局和发展关系等方面的宏 观问题研究不够,而这些既是发展节水农业的一个重要方面,也是推行农业节水技术的基础。科学制定农业水资源规划正可以满足我国水资源管理现状的 这种需求,但为此必须深入探讨一些有关的新问题。首先,应明确我国农业水资源的发展趋势。由于

下列原因,我国农业水资源的绝对量和相对量必然 都呈减少趋势: ( 1)经济发展、人口增加、城市化速度加快; ( 2)温室效应造成全球性气候变暖,高山积雪将减少,蒸发量增加,使一些地区干旱加剧; ( 3)为保障农业及整个经济的可持续发展,生态用水数量将

显著加大; ( 4)“ 新水法” 21条规定: 开发利用水资源应当首先满足城乡居民生活用水,并兼顾农业、工业、生态环境用水等需要。 因此,即将制定的农业水资源规划,从某种意义上讲就是一个如何有效节约农业用水的规划。一些专家认为 ,为适应水资源日趋紧缺的现实,当务之急是更新观念,农业用水的原则必须从“以需定供”转变为“以供定需”或“ 以供控需” [ 2]。 问题不仅在于转变观念,同时必须在准确掌握农业可用水资源数量及变化动态的基础上,研究确定适应这一转变、符合“以供控需”原则的农业生产布局及农业用水的优化配置,这是制定农业水资源规划所需解决的主要问题。

其次,要明确农业水资源的范畴。水资源包括地

表水和地下水,这是公认的传统概念,但应用这一概 念指农业用水显然是不全面的。 地球上一切淡水资源主要来源于天然降水,而天然降水除了形成河川 径流和补给地下水外,还有一半左右是作为土壤水 存在的,尽管三者之间有转化的部分,但亦不应忽视 土壤水的独立存在[3, 4 ]。田间植物所需求的水分都是从土壤中吸取的。在旱地农业生产中 ,土壤水是惟一的水源,在灌溉农业中,虽然部分水源来自地表水和 地下水(通过水库或水井 ) ,但土壤水仍是对其供水的基础。另外 ,在制定水资源规划时还必须强调雨水资源总量的意义和作用。 一般情况下降水总量超过了水资源量数倍,如黄土高原地区多年平均降水总 量约 3 000亿 m3 ,地表水径流约 600亿 m3。 应尽量将降水就地集蓄利用,发展集雨补灌农业,同时采取 措施使汛期供水资源化,化害为利。在评价某一地区

① 收稿日期: 2003-02-20

基金项目: 国家重点基础研究发展规划项目 ( G1999011708); 土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室基金资助

作者简介: 山 仑 ( 1933- ) , 男, 山东龙口市人 ,研究员 ,中国工程院院士 ,长期从事作物抗旱生理及旱地农业研究。

农业水资源状况时,应全面看待各种水源,如黄淮海 地区人均、单位面积水资源量远低于新疆,但就对农业的供水而言,应看到黄淮海的大部分地区是适于 从事旱作农业的半湿润区,而新疆则是无灌溉就无 农业的干旱地区; 黄河上、中、下游的用水同样存在着这种关系。在进行水资源规划时应注意这些特点 , 不然易产生片面性。

在规划未来农业用水时还必须充分重视生活污水、工业废水及其它劣质水资源在农业灌溉中的再利用。 一些发达国家在这方面已积累了不少成功经验。如以色列 ,在农业节水问题上首先抓的是建设管道输水工程,第二步是结合农业结构调整推行滴灌技术,当前则十分重视劣质水的农业利用。据有关资料[5, 6 ] ,以色列利用处理污水和微咸水进行灌溉的面积已占全部灌溉面积的 30% , 计划到 2010年达到50% ,而用于灌溉的淡水量将从 11亿 m3 下降到 5 亿 m3。我国在这方面起步晚,尚未引起足够重视,建议在农业水资源规划中将劣质水的利用作为解决我国未来农业用水紧张的一项重大措施来对待,切实加强研究,逐步推行。

2 关于建立非充分灌溉制度

灌溉技术与灌溉制度是发展节水灌溉中的两个 密切相关、同等重要的问题,但对后者的重视程度不够。 近年来,建立非充分灌溉制度的呼声很高,但对此仍存在有不同意见,一是必要性的问题,二是可行 性的问题。 应当说,经过长期研究积累,非充分灌溉的理论依据已大体清楚,其主要论点可归结为: 一些与植物产量有关的生物学过程不是在充分供水条件 下表现最优。水分亏缺不总是降低产量 ,许多作物和果木在一定生育阶段适度干旱对节水和增产都有利[7 ] ,其机理可以解释为: 干旱缺水对植物的影响有一个从“伤害”到“ 适应”的过程,不超过适应范围的缺水,往往在复水后可产生生长、生理和产量形成上的补偿效应; 另外,植物水分利用效率的高值往往是在中等供水条件下,而不是在充足供水条件下获得 的。 采取相应措施使节水和增产的目标同时实现是可以做到的,这一认识已在大量试验中不断得到证 实。因而 ,建立与推行非充分灌溉制度的关键是要解决在大田生产条件下的可行性问题。

首先要确定新的需水量数值。 长期以来以需水量为基础建立的灌溉制度 (包括灌溉定额、灌水定额、灌水次数与时间 )是以充分灌溉理论为根据的, 需水量的计算值是在充分满足水分需求条件下获得的,而非充分灌溉由于突破了传统灌溉的思路,因而

必须寻求新的数值,即: 不同作物在不同生育阶段的“适宜需水量下限”和达到一定产量水平的最低需水量。 为此,不但要有新的研究思路和方法,而且要进行大量的系统观测,以取得有关参数,如基本保持某 种产量水平的供水量范围,细微划分植物需水的敏 感期与非敏感期等,并据此形成适于非充分灌溉的 需水量模型。这显然需要进行专门研究 ,并有一个积累过程。正在逐步扩大应用的喷灌、微灌及一些局部灌溉技术都带有非充分灌溉的性质。 这些技术本身具有显著的直接节水作用,同时也需要建立相应的 灌水制度,以发挥更大的节水潜力,这方面的研究工 作有待深入进行。

建立非充分灌溉制度最终要走精确的按需灌溉 之路。 90年代以来,农业空间信息技术在宏观方面(土地资源调查,农作物估产,自然灾害监测、评估等)取得广泛应用的同时,已开始向微观—— 精确农业( presisio n ag riculture)方面应用、发展。可将精确灌溉视为精确农业的一部分,它是以作物实际需水 为依据,以信息技术为手段对农田进行“非充分”供水的,在这里,与其说建立一种灌溉制度不如说是确 定一种农田对缺水的应变系统。 实行精确灌溉首先依据于对作物需水规律的具体认识,如上所述,已证 明适度水分亏缺可使作物产生一定的补偿效应并以 此作为非充分灌溉的依据。 虽然补偿效应或有益作用的产生可根据测试结果有一个大体判断,但在复 杂的田间条件下,某种水分条件属适度亏缺还是严 重亏缺,对作物“ 有益”还是“有害”是处在迅速变动之中的,如果掌握不好、不及时,“ 有益”将很快转变为“有害”。 前苏联历史上曾经发生过按小面积试验结果减少对春小麦灌溉次数而遭受大范围减产的例子[8 ] ,当时所依据的原则也许没有错,但片面运用了“干旱锻炼”的作用,加上其它条件不完备,而造成失败。 因此, 当前实施精确灌溉必须具备以下条件: ( 1)掌握可靠、详细的作物需水规律资料; ( 2)运用先进的信息化技术,主要是遥感技术和计算机自动监 控技术; ( 3)提供使两者相衔接的技术参数,特别是作物水分亏缺程度指标,并将这些指标转化为遥感 标识和模型; ( 4)应用先进的灌水方法。 以上条件必须通过多学科协作才能实现,建议从现在起着手进 行这方面的研究与开发,以期为推行更高层次上的 科学用水和合理灌溉打好基础。

3 不同区域节水农业特点与发展趋向

3. 1 干旱地区农田灌溉问题

我国干旱地区主要集中分布在西北地区,在年

降水量低于 250 m m 的干旱区,没有灌溉就没有农业。 该地区的农业用水有许多特点,譬如,由于自然降水量低,大气干燥,农田灌溉定额一般较高; 为了维持生态系统平衡与可持续发展,除保证生产用水外,还必须为防护林网建设及绿洲— 荒漠过渡带提供足量的生态用水; 灌溉方法的选择在这里也显得更为重要,如大范围发展喷灌的可行性,滴灌方法的改进等。 以新疆为例,全疆面积 167万 km2 ,年均降水量 145 mm ,据中国科学院生物学部 1999年考察结果,全疆年引水量达 460亿 m3 ,占地表水的 55% , 开发程度已不低, 近期可能开采利用的有 170亿m3。 考察组认为,根据这一情况除少数河流可适度引水外,其他地区不宜再扩大生产用水,而应考虑保证生态用水,其出路在于搞好农业节水。 目前,全疆平均毛灌溉定额 12 000 m3 /hm2 ( 7 500～ 22 500 m3 /hm2 ) ,渠道利用系数 0. 45,灌溉水生产效率处于低水平,但有的高产地已达到 1. 5 kg /m3 ,经过努力

近期可望大面积达到 1 kg /m3 ,如能实现可增加 20 hm 灌溉水的能力,把这部分节约下来的水用在哪里? 很值得探讨。 除提高渠系利用系数等普遍性问题外,新疆干旱地区的节水潜力,生产用水与生态用水的相互关系及分配比例,适宜灌溉定额确定以及如何因地制宜地选用灌溉方法等问题仍需通过进一步研究与实践加以明确解决。

3. 2 半湿润地区灌溉农业与旱地农业的关系

半湿润地区是我国重要的农产品供应基地,分布范围广,现仅就平均降水量处于 650 mm 左右的地区如何发展节水农业问题作一讨论。 以山东省为例[9, 10 ] ,该省多年平均降水量为 676 mm ( 550～ 850 m m ) ,多年平均水资源量为 305. 8亿 m , 人均占有量为 344 m3 ,每公顷占有量 4605 m3。 这说明,年均降水量较适当而水资源量十分紧缺是该省水环境的一个重要特点。山东耕地面积约有 667万 hm2 ,有效灌溉面积达 487万 hm2 ,农业用水量占到总用水量的 73. 6% ,均达到较高值,这是另一个重要特点。山东节水灌溉事业发展较快,现实施节水灌溉的面积已近 267万 hm2 ,灌溉水利用系数由 0. 45提高到

0. 55,灌溉水生产效率由不足 1 kg /m3 提高到 1. 2 kg /m3。另外 ,山东工业经济也较发达,城市化程度在加快,工业和城市用水量将逐年增加,目前已有一些农用水库开始向城市和工业供水。根据这些情况 , 下一步农业节水战略怎么搞值得认真研究。 我们的看法是: 该省年降水量 650 mm 左右地区应确立节水灌溉农业和旱作节水农业并重的思路,即在坚持抓好节水灌溉各项技术措施的同时,还必须从区域

发展策略上认真研究水旱地的关系问题,如: 哪些地区要实行充分灌溉? 哪些地区应实行有限灌溉? 哪些地区可以不灌溉,甚而逐步将部分水浇地改为旱 作农田? 总体上讲,灌溉面积不宜再扩大,而应从充分利用当地降水资源上下功夫。 通过节水灌溉节约下来的水,相当一部分也将作为非农业用水,因为城 市与工业用水数量和比例的不断增加在一定时期内 将是不可避免的。在一些农业发达国家 ,降水量达到650 mm 左右的地区一般灌溉面积所占比例不大,

往往以旱作为主; 在我国, 这类地区一季获得 7. 5 t /hm2的高产也是可能的,山东省内就有不少这样的例子。 当然,在严重干旱年份也有大幅度减产的风险,应实行以丰补欠,算总帐。当前 ,一些地方在提倡“ 超高产”、“吨粮田” ,局部有条件的地方可以这样做,但对于大部分地区来说,更应强调把均衡增产和水土资源的可持续利用放在首要位置。

3. 3 半干旱地区旱作农业的节水增产潜力

以黄土高原为中心的我国半干旱地区约占国土 面积的 1 / 5,耕地多于 2 000万 hm2 ,灌溉面积不足20% ,丘陵山区则低于 10% 。 由于严重的土壤侵蚀和频繁的干旱同时发生,所以该地区成为我国生态 环境最为脆弱的区域,进一步扩大灌溉面积的能力 有限。 半干旱地区的年降水总量仍处在可正常进行农田生产的范围之内,但由于降水的不稳定性和多 变性,目前这一地区旱地平均产量约 1 500 kg /hm2 , 降水利用率及产量均处于低水平,无论从产量还是 从水分利用效率看,近、中期都还有 1倍的潜力有待挖掘。 从近期看,有两项技术是带有全局性的: 一项是覆盖技术,另一项是雨水集流技术。就覆盖技术而言,当前大面积推行的是地膜覆盖技术,节水增温效 果虽好,但多年使用导致土壤基础肥力下降问题需 要解决; 另外,为避免长期使用造成的污染,能否研制成功全生物降解塑料地膜并加以推行是一个技术 关键。秸秆覆盖本应成为覆盖技术的主体 ,但推行缓慢,需要解决的主要问题是如何将这一技术与整个 耕作制度的改进结合起来进行,即必须将该技术纳 入到半干旱区保护性耕作技术体系之中,同时解决 耕作机械、病虫防治、杂草清除、品种改良等诸多问 题。 结合国情建立北方保护耕作技术体系问题已引起有关方面重视,这虽属常规技术,但至关重要,建 议纳入国家科技计划,组织多学科人员联合攻关。关于集雨补灌技术,目前在黄土高原已成功应用于发 展庭园经济,但在雨水资源评估、规划原则、设计参数、施工管理、效益评价、资金投入等方面还存在许 多问题,有待进一步解决。 另外,目前以修水窖作为

集雨主要形式的做法虽具有许多优点,但不应仅限 于此,包括修筑隔坡梯田,通过耕作技术使降雨集中 于种植行以及利用小沟道建设微型水库或蓄水池等 集雨方式亦应加以充分利用。只有如此 ,该项技术才有可能在部分大田生产中得到应用。

4 关于水稻的节水灌溉

我国稻田面积约占全国粮食作物总面积的28% ,而灌溉用水量却占到总灌溉量的 62. 5% ,特别是缺水的北方地区,稻田用水占去了农田灌溉总用水量的 34. 3% ,显然是不合理的[9 ]。 水稻虽属湿生类植物,具有耐湿不耐旱的特点,但水稻的需水量并非特别高,据有关资料① ,水稻的蒸腾蒸发量为500～ 900 mm ,与棉花相当,高于玉米而低于苜蓿。水稻耗水主要包括腾发量和土壤渗漏量两大部分, 传统灌溉方式是几乎全生育期保持水层的淹水灌溉,是以充分灌溉理论为基础的。稻田保持水层一直被认为是生态需水的需要,有利有弊,如利于保证供水、稳定田间温度、清除杂草等,但显然增大了棵间蒸发量和渗漏量,而且对根系功能有某些不利; 同时大量渗漏使农田肥料损失,造成水环境污染,因此, 针对我国、特别是北方地区水资源日趋紧张状况,在水稻灌区实行控制性节水灌溉是十分必要的。

水稻灌区实行节水灌溉近年来已有较多研究与实践,证明节水效果显著,且有一定增产作用。 如广西自治区早在 20世纪 80年代就取得了水稻“ 薄、浅、湿、晒”灌溉方式方面的科技成果,近年来又做了系统的工作,现节水控灌面积已达 90万 hm2 ,每公顷均节水约 95 m3 ,每公顷增产约 375 kg ,并由此扩大灌溉面积 20万 hm2 左右。 一些研究者将我国目前正在研究与推行的水稻节水灌溉归纳为 4种模式[11 ] ,即: “浅、湿、晒”、“ 间歇淹水”、“半旱栽培”和“蓄雨型节水灌溉”。根据 15个省(自治区)的试验与调查结果,与传统的长期淹灌模式相比,浅湿晒、间歇淹水与半旱栽培模式的灌溉用水量分别降低了8% ～ 19% , 18% ～ 25% 和 30% ～ 50% 。我国有稻田面积 2 487万 hm2 ,估计目前实行控制灌溉面积 553 万 hm2 ,根据有关规划,到 2010年水稻节水灌溉面积将达到 1 600万 hm2 ,这是一个很大的计划,除需各个方面作出努力外,从科学技术角度上也有一系列问题需要解决。首先 ,要进一步阐明水稻需水规律和节水机理,水稻不同于旱作作物,有其本身的需水特点,如生理需水与生态需水的关系,淹水水层的利弊,“ 淹、浅、湿、干”的数量化指标,以及干— 湿交替效应等都需要加以阐明。另外 ,不同地区水稻灌溉模

式选择,节水高产新品种培育,节水条件下栽培技术 改革,水稻种植区生态环境变化等也都需要做认真 研究。近年来一些地方正在试验的“全旱栽培” (无水层灌溉)亦应引起重视,据试验结果[ 12] ,水稻旱作节省灌溉水 40% ～ 50% ,产量比水作有不同程度降低,用工量比水作多,认为是缺水区可考虑应用的一 种模式。 全世界旱稻种植面积占稻作总面积的14% ,而在我国只占 1% ,旱稻产量显著低于水稻, 但有许多其他优点,将旱稻研究和发展列入节水灌 溉计划之中是必要的。最后 ,在水资源进一步紧缺的情况下,在实行农业结构调整中我国北方地区水稻 面积如何适当压缩也应作为粮食发展战略中的一个 问题进行研究与论证。

5 关于培育高水分利用效率的品种

农业节水是一项系统工程,可通过工程、农艺、化学、生物等不同技术途径去实现。 其中,生物节水技术—— 提高作物自身的水分利用效率 ( W U E)也是不可忽视的一个方面。 W U E是一个可遗传性状, 高 W U E是植物适应干旱环境,同时利于形成高生产力的重要机制。 在作物种间, W U E的差异可达 2

～ 5倍,已有品种间差异较小,也可达到 1倍左右。可利用 W UE的种间差异通过农业结构调整形成节水型作物布局,这是比较现实的做法。 培育新的高W UE品种无疑是一个重要研究方向,随着农业节水事业的发展将显得愈来愈重要,但目前尚在探索之中。迄今为止 ,尽管生产上应用的各类作物不同品种 W U E有高低之分,但作为定向培育高 W U E品种完整技术路线尚未形成。 国家科技部正在组织实施的“现代节水农业技术体系及新产品研究的开发” 重大专项课题中,列入抗旱节水植物新品种筛选与利用的研究内容,但也是从确定鉴定指标,挖掘节水种质资源以及筛选已有品种等方面入手进行,尚未进入定向培育阶段,这与 W U E是一个复杂的综合性状有关。近年来 ,一些研究者开始应用遗传工程手段创造高 W U E类型基因的尝试,并且已有将与W UE有关基因在染色体上定位的报道,但尚未见到直接克隆 W UE基因的报道。

我们研究组研究结果证明[13 ] ,在染色体倍性 2n

→ 4n→ 6n的进化过程中,小麦单叶和整株水平上的W UE都呈递增趋势,而现代小麦品种 W U E变化表现为: 水地品种> 水旱地兼用品种> 旱地品种,说

① 联合国粮食与农业组织. 作物需水量 [ M ] , 罗马: FAO.

1981.

明定向培育高 W UE品种有其遗传基础并符合进化方向,是可能实现的。另外,许多研究发现, W U E与产量经常保持正相关,但也出现负相关,在实验和实 践中 W UE高值一般出现在轻度— 中度水分亏缺条件下,而产量高值往往出现在充足供水的栽培环境, 如何使两者达到有效统一,是今后栽培管理和遗传 改良的一项重要研究任务。 在这方面有两个研究方向可供选择: 一是在不降低产量的情况下大幅度减少蒸腾量; 二是在不增加相应蒸腾量的情况下有效增加产量。近年来一些研究者认为 ,在干旱条件下通过降低蒸腾量选择高 W U E类型可能仅获得低产节水型,因而主张从第二个方向上加强研究,并拓宽培 育高 W U E品种的技术途径。据此提出建议: 在重视通过基因工程途径培育高 W U E类型研究的同时, 近期内应把注意力放在高 W U E资源挖掘和常规生理育种上,如培育幼苗早发以增大蒸腾 /蒸发 ,以及生育后期物质运转能力强以增大经济系数的新类型 来提高对自然降水的利用效率。一些研究结果 ,客观上有力地支持了这一论点,如矮秆品种的培育成功, 不仅获得了高产,而且在蒸腾量无明显变化的情况 下显著提高了 W U E。

参 考 文 献:

[ 1 ] 中华人民共和国水法 [ Z]. 北京: 中国水利水电出版社 , 2002. [ 2 ] 朱元生. 水资源开发与管理的时代性 [ J] . 科技导报 , 2002,

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[ 3 ] 山 仑 , 黄占斌 ,张岁岐. 节水农业 [ M ] . 北京: 清华大学出版社 ,暨南大学出版社 , 2000.

[ 4 ] 杨文治. 黄土高原土壤水资源与植树造林 [ J] .自然资源学报 , 2001, 16( 5): 433- 438.

[ 5 ] 山 仑 . 借鉴以色列经验发展我国节水农业 [ J ]. 水土保持研究 , 1999, 5( 1): 117- 120.

[ 6] 周建斌 ,陈竹君. 以色列农业在水肥利用方面取得的成就和做法 [ J] . 干旱地区农业研究 , 2002, 20( 2): 135- 138.

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[ 9 ] 水利部农村水利司 , 中国灌溉排水发展中心 . 农业节水探索[ M ] . 北京: 中国水利水电出版社 , 2001.

[ 10 ] 《灌溉排水》编辑部 .农业高效用水与可持续发展研讨会论文集 [ J] .灌溉排水 , 1999, (增刊 ) .

[ 11 ] 茆 智 .水稻节水灌溉及其对环境的影响 [ J ]. 中国工程科学 , 2002, 4( 7): 8- 16.

[ 12 ] 梁 森 ,韩 莉 ,李慧娴 ,等. 水稻旱作栽培方式及调亏灌溉指标试验研究 [ J ]. 干旱地区农业研究, 2002, 20( 2): 13- 19.

[ 13] 张岁岐 ,山 仑 ,邓西平. 小麦进化中水分利用效率的变化及其与根系生长的关系 [ J ]. 科学通报 , 2002, 47 ( 7): 1327 -

1331.

Issues of science and technology on water saving agricultural development in China

S HAN Lun

( Institute of Soil and Water Conservation, CA S and North west Sci-Tech University of Agriculture and Forestry , Yangling , Shaanxi 712100, China )

Abstract: In this paper som e sci -tech i ssues of develo pi ng w ater saving ag riculture, which need to be solved, w ere pointed out. The ex isting situation and dev elopment pro spect in relatio n to categ ory and ra- ti onal distribution of ag ri cultural w ater resources, esta blishm ent o f unsufficient i rrigation system , dev elop- m enta l tendency of wa ter saving ag riculture in different regio ns, wa ter sav ing po tential fo r rice as w ell as breeding new v arieties with high wa ter use efficiency w ere discussed.

Key word: w ater saving ag riculture; wa ter resources pla nning; irriga tion system; va rieties