中国农业用水存在的问题及节水对策_张明生

中国农业用水存在的问题及节水对策

张明生 , 王 丰, 张国平

(浙江大学农业与生物技术学院 , 杭州 310029)

摘 要: 水资源紧缺及社会工业化和城市化的发展导致中国农业水资源严重不足 ,与此同时 ,农业用水中的水浪费现象还普遍存在 , 因此 ,节水农业是解决中国缺水问题的唯一途径。 该文分析了中国当前农业用水存在的主要问题 , 从农艺节水、抗旱品种选育以及农业用水管理创新等方面论述了目前国内外节水农业上的研究进展 , 并由此提出了中国进一步发展节水农业的战略性措施。

关键词: 农业水资源; 农业用水 ; 节水农业; 农艺 ; 抗旱品种选育

中图分类号: S273 文献标识码: A 文章编号: 1002-6819( 2005) ZK-0001-06

0 引 言

短缺与浪费并存是中国农业用水紧张的重要特性。一方面,农业供水因水资源紧缺而难以增加,与此同时, 工业和城市的发展也将进一步削减明显不足的农业灌溉用水,从而使得农业缺水问题日益突出; 另一方面,农业用水浪费严重,这启示出农业节水的巨大潜力。 发展以节水和提高水分利用率为中心的节水型农业,将是解决农业缺水问题的关键[1, 2 ]。近年来 ,中国年供水量大约为 5500亿 t,而农业用水量约占总量的 70% ,其中农田灌溉用水占农业用水的 90% 左右[ 3]。 可见,农田灌溉用量及其占总量的比例均达最高。预计到 2030年,中国人口总数将达到 16亿,粮食需求也将由 5000亿kg 提高到6500亿kg 以上。假定2030年灌溉用水量比 21世纪初期灌溉用水量(约 3600亿 t )略有增长即达到 4000亿 t ,以目前的水分利用系数和水分生产率来计算,将无法生产出届时所需的 6500亿 kg 粮食。 由此可见,发展节水农业是一项重要的战略任务,同时也是根本解决中国农业缺水问题的唯一选择。

1 中国农业用水存在的主要问题

1. 1 水利工程设施不足且老化严重,水分利用系数低

节水灌溉技术首先着力于减少输水过程中的水分 损失。 目前,全国灌区渠道总长度超过 300万 km ,其中80% 为土渠,水渠设施严重不足。 现有灌溉设施大多建于 20世纪 50～ 60年代,且建设标准低,经过近 40年运行,工程普遍老化,加之农田经营分配到户,使得大部分 灌溉设施失修严重,从而导致从水库向田间输水的过程 中水量损失惊人,全国平均达到 57% ,即水分利用系数仅为 43% [3, 4 ] ,远低于欧洲等发达国家的 70% ～ 80% 。据

统计,全国渠道输水损失量占灌溉用水总损失量的 80% 以上。因此 ,要抓紧规划新的水利工程建设,修复提高原有工程的运转效率。

收稿日期: 2004-06-04

作者简介: 张明生 ( 1958- ) ,男 ,副研究员 ,主要从事农业节水研究。杭州 浙江大学农业与生物技术学院 , 310029。 Emai l: zs t m@ mail. h z. z j. cn

1. 2 灌溉方式落后,水分生产率低

中国灌溉定额普遍偏高,实际达到平均每 667 m2 (亩)灌水 450～ 500 m3 ,超出实际需水量的 1倍左右,有的地方甚至超出 2倍以上。 据调查,中国节水灌溉面积还不到有效灌溉面积的一半,喷灌和微灌等节水灌溉方式仅占灌溉总面积的 2. 6% 左右,与发达国家相比差距甚远[ 5]。

在作物生产上,长期以来水分管理仅以产量为目标,而忽视了水分的经济回报效益。直至目前 ,农田作物水分管理中,“大水漫灌”现象仍较普遍,使得中国农作物水分生产率平均只有 1 kg /m3 左右,而世界发达国家平均为 2 kg /m3 [5, 6 ]。

1. 3 管理体制机制落后,水费价格偏低

灌区管理是一个系统工程,水从渠道进入灌区,通过各级渠道的输送和分配,最后按时、按量分送到各田地。 市场经济条件下,需要建立一套可以将用水户和灌区管理单位直接联系起来的一种利益共享、风险共担的新型用水协作关系。而当前多数灌区仍然沿袭原有的灌 区管理办法,从而导致灌区维护不及时、各级管理者的积极性不高、农民用水不规范和节水意识不强等问题的普遍存在,致使灌区的再生产难以为继。 导致上述现象的原因与当前农业灌溉水价偏低有关,由于计量困难和计量设施的限制,农田灌溉水费大部分还以面积计费, 农民节水与节费不联系,进而使得价格的杠杆作用难以得到实质性发挥,阻碍了节水灌溉的推广。

从中国几十年的发展历史来看,农业水资源向非农转移趋势十分明显。 而这种农业水资源的转移,在一定程度上“侵犯”了农业水权,使农业不得不靠投资节水农业来实现其增长,而由此也带来了利益补偿机制等一系列问题。 节水农业很大程度上是公益性事业,投资的主体不能是农民,城市与工业必须向农业进行补偿,否则不仅不能根本性解决节水工程薄弱的问题,还将进一步增加农民负担,突出“ 三农“问题。

此外,以全国人均占有量这样一个笼统的概念来说明节水的必要性,不仅缺乏充分的说服力,而且还掩盖了干旱地区严重缺水的突出矛盾。 实际评价中,我们应以水资源人均占有量、降水特点、干旱指数、产业结构、

人口与经济布局、水污染等多种因素,综合分析不同地区缺水成因及对经济社会的影响,作为节水工作决策的 依据[7 ]。

2 节水农业的主要技术及其研究进展

1. 1 农艺节水

2. 1. 1 减少泡田时间和水分渗漏

水稻生产是最大的农业用水大户,减少水稻生产用 水在节水农业中具有决定性的地位。 在亚洲,水稻栽培以移栽稻为主 ,即先育秧,然后移栽到大田。水稻本田插秧前整地时,需要灌水泡田。 理论上其需水量在 150～ 200 mm ,但是,往往由于准备时间较长,实际用水量远远超过这一数量。 据报道,当准备时间为 24～ 48天时, 水分需求量高达 650～ 900 m m[8 ]。包括中国在内的亚洲稻区,农民在育秧过程中,总是延长大田的浸泡时间,其 结果使得水分投入大大增加。 因此,最大限度地减少土地准备时间是水稻节水栽培的重要环节[ 9]。

水稻生长期间的水分损失主要包括土壤表面蒸发、植株蒸腾、大田径向渗漏和横向渗漏(通过田塍)。其中 , 只有植株蒸腾与水稻生长、发育及产量形成直接相关, 才是真正的水分“ 利用”。 据研究,水分横向和径向渗漏之和( SP)要占总用水量的 50% ～ 80% [10 ]。因此,减少水分渗漏成为稻田节水战略的另一个重点,其可采取的措 施有降低大田水层深度、保持土壤含水量在水分饱和状态以下以及采用干湿交替灌水等[11 ]。

2. 1. 2 减少土壤表面蒸发

土壤表面蒸发是总蒸发量的重要组成部分,特别是 在作物生长早期叶面积指数相对较低的情况下,土壤表 面蒸发比例很高。 据研究,小麦、玉米一生的冠层蒸腾(作物蒸腾)仅占 40% 和 30% ,也就是说,土壤表面蒸发分别占 60% 和 70% ,即土壤表面蒸发大于冠层蒸腾。因此,减少土壤表面蒸发,是提高水分利用效率的重要途 径之一。地面覆盖技术是降低土壤表面蒸发的有效且成本相对较低的办法,可减少水分蒸发达 50% [12 ]。

此外,目前还开发出多种土壤保水剂,用以控制土 壤表面蒸发。 这些保水剂大多由强吸水性树脂而制成, 是具有超高吸、保水能力的高分子聚合物,能迅速吸收和保持自身重量几百甚至上千倍的水分,且具有反复吸 水功能,吸入后膨胀为水凝胶,可缓慢释放水分供作物 吸收利用。目前保水剂已在玉米、小麦、棉花等作物上使用,表现出显著减少土壤水分蒸发和提高土壤水分生产 率的效果[13 ]。开发与应用价格低廉、使用便利及对土壤和环境无污染的新型保水剂是今后利用保水剂减少土 壤表面蒸发的主要方向。

2. 1. 3 通过非充分灌溉提高水分利用率

非充分灌溉(一般提供充分灌水的 1 / 3和 2 / 3)是指有目的地让作物维持一定程度的缺水状态和允许适度 范围内的减产。这种灌溉方式是建立在充分了解作物蒸腾、土壤蒸发以及作物对水分胁迫反应等过程,特别是如何避开作物生长敏感时期以及作物产量减少对经济 效益的影响基础上所作出的选择。

现有实践表明,与充分灌水方式相比,非充分灌溉的水分利用效率明显提高,而且适量的氮肥施用还可有效提高水分生产率。一般而言 ,对于大部分禾谷类作物, 包括水稻,最高产量总是以较低的水分生产率为代价的,因此,对于水资源是产量或水分灌溉主要限制因子的地方,寻求最大水分生产率将比最大产量更有利可图[14 ]。Bo uma n和 Tuo ng [15 ]收集了印度中北部亚热带水稻种植区、菲律宾亚热带水稻种植区近 32年的相关资料,对这些资料进行综合分析后得出, 节水灌溉比长期保持 5～ 10 cm 水层能明显提高水分生产率。

2. 1. 4 干湿交替灌溉

水稻是中国的主要粮食作物,目前种植面积占粮食作物播种面积的 30% ,总产占粮食产量的 44% 。同时 ,水稻是耗水量最大的作物,灌水量高达 1000 m3 /亩· 年。面对中国农业水资源日趋紧缺的现状,节水灌溉是水稻栽培的必然趋势。

水稻栽培中,与长期保持大田水层相比,实行干湿交替灌溉管理不仅能够节水,而且还能增加水稻的产量, 这一干湿交替的水分管理方式已经被农民广泛采用。 对于印度、菲律宾亚热带地区干湿交替灌水稻田产量略有下降的现象[16, 17 ] ,可能与干湿交替的具体措施、土壤水分、生态条件、地下水位深度、水稻品种等因素有关[15, 17 ]。 更多的报道认为,干湿交替水分管理可显著减

少用水量,最高可达 30% [18- 20 ] , 而且还能促进根系生长、增强根系活力,延长叶片寿命,促成水稻生长后期青秆黄熟,增加千粒重、结实率,最终提高产量。

2. 2 抗旱品种选育

作物品种对干旱的反应在遗传上存在着显著的差异。 选育抗旱、节水、优质和高产的作物品种,是作物生产上解决节水和高产、优质矛盾的主要途径。

2. 2. 1 作物对干旱的生理反应及其基因型差异

1) 光合作用减弱,干物质减少

干旱胁迫主要通过抑制叶片伸展、减小叶片气孔导度、降低叶绿素含量及叶绿体光化学活性等途径引起植物光合作用减弱,是干旱胁迫下作物减产的一个主要原因[21- 23 ]。不同作物品种对干旱的反应不同,抗旱性强的

品种光合速率下降的幅度小于干旱敏感型品种[2 4]。 此外,干旱条件下,干旱敏感型品种的干物质量也明显减少,从而严重影响其生长与产量形成。与此相反 ,抗旱品种在干旱胁迫条件下的干物质减少幅度较小,说明干旱对抗旱品种的影响相对较小[25- 26 ]。

2) 叶片水势下降

植物叶片水势的维持是由多种机制综合反映的结果,叶片水势随干旱胁迫时间的延长而下降。因此 ,干旱条件下维持较高水势是作物表现抗旱性的一个重要机制,一般水分胁迫下叶片水势下降慢的品种,其抗旱性也较强[27 ]。鉴于此,叶片水势一直是抗旱品种选育的一个重要指标。

3) 渗透调节物质增加

作物植株在干旱条件下的水解作用增强,合成作用减弱,其淀粉、蛋白质等大分子化合物降解为可溶性糖、

肽和氨基酸等物质,从而使得其体内的渗透调节物质大 大增加,保证其组织水势下降时细胞膨压得以维持,这 种渗透调节方式是作物抗旱的一种重要生理机制。作物体内的渗透调节物质包括可溶性糖、脯氨酸和一些无机离子等,一般抗旱性强的品种渗透调节能力大于抗旱性 弱的品种[28, 29 ]。

4) 脂膜损伤及膜透性增加

脂膜是植物细胞的最外一层薄膜,它率先感受外界 环境的变化,脂膜的损伤和膜透性的增加是作物受干旱 胁迫伤害的一个重要方面[30, 31 ]。 一些学者认为,干旱导致的细胞脂膜伤害与植物体内的生物自由基有关,它能 引起膜中不饱和脂肪酸过氧化,并降低超氧化物歧化酶 ( SOD)、过氧化氢酶( C AT)、过氧化物酶 ( POD)等保护酶的活性[32- 35 ]。 前人在小麦上的研究表明,干旱胁迫下,不同品种抗旱性与其体内上述酶的活性呈显著正相关,抗旱性强的品种膜系统的稳定性强[36- 38 ]。

5) 脱落酸含量增加

脱落酸( ABA)作为一种胁迫信号转导物质,在植物对水分胁迫的适应性反应过程中起着重要作用。植物组织中 ABA的积累可导致气孔关闭,增进根对水的透性以及增加离子向木质部的运输。 此外,作物施用外源ABA对其体内脯氨酸的合成以及 LEA蛋白转录水平上的诱导都有积极作用,并以此增强作物抗旱性[39 ]。干旱胁迫时品种内源 ABA含量与其抗旱性之间表现为显著负相关关系 ,从而使植株在形态生理上发生与干旱胁迫相适应的变化,减小逆境伤害[40 ]。

6) 干旱诱导蛋白的合成

干旱诱导蛋白是指植物在受到干旱胁迫时新合成 或合成增多的一类蛋白,其中研究较多的是与种子成熟 及脱水相关的胚胎发生后期富积蛋白 ( LEA)。 目前推测 LEA可作为脱水保护剂使细胞结构在脱水中不致遭受更大的破坏 ,也可作为一种调节蛋白而参与植物渗透调节,同时还能通过与核酸结合而调节细胞内其它基因 的表达[41 ]。 干旱胁迫时,抗旱性强的品种 LEA含量较高[42 ]。

2. 2. 2 抗旱品种选育途径

抗旱作物品种选育是以高抗逆性与高丰产潜力的 良好结合为出发点,并要求构建合理的群体和产量结构,除了在形态上达到根系发达、株叶形结构合理以及叶片功能期长等特点之外,还要在生理上增强其耐旱抗 旱的能力。 近年来的研究在植物抗旱的生理生化、生物物理、生态及细胞遗传学方面取得了广泛进展,并已克隆到编码生化代谢关键酶和干旱信号传导的一些重要 基因,这为我们进行作物抗旱品种的选育开辟了新的途 径。

1) 利用分子育种手段转移或累加有利抗旱基因 植物的抗旱性一般受多基因控制,其遗传调控机制

较为复杂。 近年来,在利用 RFLP构建连锁图谱的基础

上, RAPD、 AFLP、 SSR等分子标记技术也越来越多地应用于作物辅助育种上。 利用分子标记及其辅助选择, 通过对抗旱相关性状基因的分子标记将复杂的数量性

状分解成简单的质量性状,一旦找到与相关基因紧密连锁的分子标记,就可以在育种工作中进行标记辅助选择,这在一定程度上可以使育种家无需测定表型就可追踪调控抗旱性状的遗传位点,从而可免去多年多点的大量田间测试工作,提高选择效率[43 ]。

2) 增强品种抗渗透胁迫能力

作物的抗旱性与渗透调节能力呈正相关,渗透调节能力可作为评价作物抗旱性的一个指标[28, 29 ] ,这为我们提供了一条以培育抗渗透胁迫转基因作物品种 (系) 为手段的抗旱品种选育新途径。随着人们对植物抗渗透胁迫机理的日益了解,抗渗透胁迫转基因育种进展也十分迅速。研究发现 ,渗透胁迫条件下,信号传导过程中的关键基因(如 DREB、 CDPK等)可调节信号传导和功能基因的表达,它们在转基因植物中的过量表达会激活许多内源抗逆功能基因的协同表达,从而使植物获得更强的抗逆性。目前已经通过基因工程手段将抗渗透胁迫相关基因导入植物体内,得到了一些转基因植株,并表现出较好的抗逆性状[ 44, 45]。

3) 加速部分干旱诱导蛋白的合成

鉴于部分干旱诱导蛋白与植物抗旱能力密切相关, 可考虑通过加速这些诱导蛋白在植物体内的合成来增强植物抵抗干旱胁迫的能力。如 HV Al是一种可表达产生 LE A家族Ⅱ 的蛋白基因[46 ] , Xu等将 HV Al蛋白基因转入水稻后,发现该转基因水稻提高了对水分胁迫的耐受性[ 42]。

4) 增强品种抗氧化防御系统能力

一般认为,植物的抗氧化防御系统能起到调节膜性、增加膜结构和功能稳定性的作用。 抗氧化防御系统由一些能清除活性氧的酶类和抗氧化物质组成,其中酶系统包括 SOD, POD, CAT以及 AS P等,抗氧化物质包括 GSH(还原性谷胱甘肽 ) , As A(抗坏血酸)、 V E( a-生育酚) , CAR(类胡萝卜素) , FLA(类黄酮)以及 ALK(生物碱)等,它们协同起作用,共同抵抗干旱诱导的氧化伤 害。抗旱品种选育中可采取将这些抗氧化防御系统因素 (如 SOD的cDN A)转入作物中使其过量表达的方法,以此提高干旱胁迫下作物的耐氧化能力。

2. 3 农业用水管理创新

2. 3. 1 管理创新

水资源管理的政策和措施必须适合于各流域、各地区的实际情况。 一些专家认为,单纯将水作为商品是不够的, 因为它同时还支撑着其它自然环境系统[47 ]。 因此,我们在制定水资源管理的政策和措施时,不仅要考虑在技术上可行,更要惠及社会、经济、生态环境的协调发展和可持续发展。

此外,经济学家认为,既然水是商品,而且是稀缺的商品,其价格机制就必须放在突出的位置,并强调通过适当提高水价,特别是要加强对农用水费制度的改革, 把握住农业用水这一用水主体,促进用水主体节约用水[48 ]。从理论上来说,如水价提高,农民则少用水,工厂则会更多地利用再生水或循环水,这样不仅可减少用水量,更有意义的是相对地减少了污水的排放量,应该是

一种较好的节水管理措施[49 ]。 另一方面,也必须意识到,农业节水不仅仅是技术问题,更主要是社会经济和 生态环境问题,是一个涉及数亿农民参加和参与的事业[50 ]。鉴于农业在国民经济中的基础地位,以及农业同时又是中国的弱势产业的现状,农业水费定价要特别慎重,其关键在于政策和措施的可行性,尤其要注重发挥 农民自身节水的积极性。

2. 3. 2 雨水收集

雨水是半干旱地区农业生产的主要水资源。中国半干旱地区面积占国土总面积的 1 /5,其同时也是中国新世纪粮食生产的重点开发地区,这些地区农业生产主要 依赖 200～ 600 mm 的年降水量,雨水资源化已成为该区域可持续发展的关键[ 51]。 前人曾总结出多种半干旱地区的雨水收集利用模式,如庭院集雨的人畜饮用利用 模式、庭院集雨的多种经营利用模式、人工集雨的农田补灌利用模式、山坡地集雨的林草建设利用模式以及水流域集雨综合利用模式等[52 ]。

3 结 语

至 2030年,中国人口将增至 16亿,人均水资源将降至 1700 m3。一方面,如果按人均占有 400 kg 粮食计算,

以当前的灌水要求, 2030年中国农业灌溉还缺少 1000 亿 m3 的水量,而另一方面,社会工业化和城市化的发展又要求农业用水在社会总用水量中的比重必须进一步降低,这无疑使农业缺水更加危机化。 此外,就地区而言,中国北方地区的水资源开发利用程度已经很高,开源潜力已经不大。 南方虽具较多开发潜力,但主要集中在西南地区,华东地区人均水资源量高于平均值,但区域间分布不均衡,部分水体污染严重的地区,其水资源短缺已经成为制约经济发展和影响人民生活的严重问题。 因此,解决农业缺水问题将主要依靠建立节水农业和推广节水灌溉。

总的说来,采用节水技术减少输水损失、提高水分利用系数和水分生产率、加强用水管理以及开发节水农业新技术等措施将是当前和今后一段时间内进一步发展和加强中国节水农业的有效途径。 同时,鉴于中国区域地理的复杂性,还要注重因地制宜地发展节水灌溉。对于西北半干旱缺水地区和山丘区,可采取兴修小水窖、小水池等小型和微型集雨设施,发展窖灌节水农业; 对于北方井灌区,可推广半固定式喷灌方法; 对于黄河上、中游的大型灌区,可加强以节水增效为中心的渠系更新改造和续建配套;对于黄淮海平原,可发展管道灌溉和渠道防渗衬砌; 对于南方水稻区,可推广水稻薄、浅、湿、晒等栽培技术; 对于东部及沿海发达地区,可发展现代化农业节水园区,建设高标准旱涝保收农田; 对于山区和丘陵地区,可对果树等经济作物实行微喷灌, 对温室和蔬菜大棚则采取滴灌和微灌; 对于有地下水井开发利用条件的地区,可按照“以水定井、统筹规划、合理开发、采补结合”的原则,搞好打井和节水型井灌区建设; 对于干旱、少雨、缺水地区,可推广地膜覆盖、抗旱保水剂等保墒措施,发展旱作节水农业。

[ 参 考 文 献 ]

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Problems of agricultural water use in China and the strategies for saving water

Zhang Mingsheng , Wang Feng , Zhang Guoping

( College of Agriculture and B iotechnology , Zhejiang University , Hangzhou 310029, China )

Abstract: Wa ter scarcity and the dev elopment of industrialization and urbanizatio n lead to the serious shortage of ag ri cultural w ater resources in China. Water m anagement in ag ricultural productio n i s to be g rea tly im prov ed in terms of wa ter use ef fici ency. Water-savi ng agriculture is the o nly approach to alleviating the wa ter scarcity in ag ri culture. The si tuation and pro blems in ag ricultural w ater use w ere ana lyzed in this paper and m eanwhile the prog resses in the research o f wa ter-savi ng ag riculture made in the w o rld as w ell as in China w ere also discussed, including improving ag ro no mic practices, breeding drought resistant v arieties, and innova ting the ag ricultural w ater use m anag em ent. Mo reov er the st rategies for dev eloping w ater saving ag riculture w ere pro posed.

Key words: ag ricultural w ater reso urces; ag ricultural w ater use; wa ter-savi ng ag riculture; ag rono my; drought- resistant breeding