西北地区高效节水灌溉技术发展现状及对策

蔺宝军，张 芮，高彦婷，张 帅

(甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730000)

目前水资源短缺已经影响到全球环境变化和经济发展。我国的水资源问题矛盾较为突出：北方干旱缺水、南方水灾害频发、水资源供需不平衡、人均水资源占有量偏少。据统计中国水资源总量为2.8万亿m3，居世第6位，人均水资源占有量不到2220m3，仅为世界人均水平的1/4[1],预计2030年我国人口总数将达到16亿人，届时我国的人均水资源占量将从2220m3降至1750m3，成为世界上13个人均水资源最贫乏的国家之一[2]。

我国西北地区辖陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆5省区和山西、内蒙古的部分区域，总面积约为3.69×10km2，占全国国土面积的38.4%[3]，属水资源供需矛盾最为突出、水资源短缺问题最为严重的地区之一。西北地区水资源总量大约为2027亿m3，仅占全国水资源的7.25%[4]，年均降水量230mm，蒸发量约为1840～2300mm[5]。人均水资源占有量只占全国人均水平的80.5%[6]，耕地亩均水资源量857m3，占全国平均水平的3/5,且西北地区人口、耕地、水资源分布极不均衡，有很大一部分水资源分布于自然条件极差的地区以及人烟稀少、甚至无人区，而自然条件好、人口稠密、经济发达的绿洲区的水资源量极其有限。

西北干旱地区水资源的严重匮乏不仅制约区域农业发展和人民生活水平的提高，也给西北地区的生态环境建设、经济发展、灌区农业用水带来严重挑战，如何将现有水资源合理开发、高效利用、优化配置是实现西北地区可持续发展的重要保证。农田灌溉用水是西北地区主要用水，其比例占到总用水量80%左右，因此，因地制宜的采用新型、高效的节水灌溉技术成为西北干旱地区水资源集约利用的主要措施。

1 西北地区农业用水及高效节水灌溉技术现状

农业节水对于保障西北地区粮食安全、水资源安全、维护生态环境安全具有重要的战略意义；是促进社会经济可持续发展以及改善人民生活水平、实现农业现代化的必要选择。西北地区农业用水效率相对较低。据相关资料显示：我国农业用水占全国总用水量的60%左右，其中农田灌溉用水量可占农业用水量的90%～95%，而西北旱区与之比较，农业用水总量占到西北地区总用水量的85%左右，且西北地区的用水效率只有东、中部及西南地区的24%～39%[7- 8]。西北地区耕地质量总体较差，农田灌溉水的利用率较低，陕西、甘肃、宁夏和新疆灌溉水利用系数分别为0.545、0.537、0.514和0.506[9- 12]。2012年1月，国务院发布了《关于实行最严格水资源管理制度的意见》，提出到2030年农田灌溉水有效利用系数提高到0.6以上。目前，发达国家的农田灌溉水有效利用系数已经达到0.7～0.8，我国与之比较，相距甚远，采用有效的节水灌溉措施势在必行。

西北地区高效节水灌溉技术的推广一直是国家农业可持续发展的重点，主要包括喷灌、微灌(滴灌所占比例最大)及管灌。自20世纪70年代以来，陕西、青海、新疆等地先后建立了喷灌系统，尤其以新疆发展较快，近几年膜下滴灌技术在新疆等地大面积推广，节水、保墒增温效果显著，滴管技术也受到西北各省市的重视，在张掖农场果树以及宁夏的枸杞种植中相继得到实验。2015年国家出台文件《全国农业可持续发展规划》，提出将水资源紧缺作为农业可持续发展的重点问题解决,并提出在西北地区规模化推进喷灌、微灌、滴灌以及管灌等高效节水工程建设以缓解西北地区水资源供需矛盾和解决灌溉水严重浪费等问题。

1.1 喷灌技术特点及应用现状

喷灌是利用专门的设备将有压水送到灌溉地带，喷射并散成细小的水滴，滋润作物的一种灌溉方法。喷灌可根据不同的土壤和灌水需求，适时适量的灌溉，而且不产生深层渗漏和田间径流，保土保肥，灌水均匀，田间灌水有效利用率高，与地面灌溉相比，一般可节水30%～50%[13- 14]；喷灌适用于各种透水性、尤其是透水性大的土壤，常用于经济作物、蔬菜、果树、苗圃等的灌溉，喷灌技术节省劳力，占耕地少，据统计，与地面灌溉相比，用工可减少1/6，可节省土地7%～13%；而且喷灌增产效益明显，粮食作物增产10%～20%，经济作物增产20%～30%，蔬菜增产1～2倍[15]；喷灌也是盐碱地土壤改良的优选方法之一，可缩短治盐周期，脱盐效果好[16]。近几年，喷灌取得了可观的成绩，2013年陕西省发展喷灌面积5.2万hm2[9]。2015甘肃省有效灌溉面积130.7万hm2，其中喷灌占1.94%，宁夏地区有效灌溉面积50.7万hm2，其中喷灌占7.11%；新疆地区有效灌溉面积达494.5万hm2，其中喷灌占0.74%[17]。同时，很多学者也致力于喷灌效应的研究。姚素梅等发现与地面灌溉相比，喷灌有利于中筋小麦成熟期籽粒淀粉积累，并在一定程度上提高了中筋小麦淀粉品质[18]，与此同时，喷灌处理后冬小麦平均灌浆速率和最大灌浆速率均增大，千粒质量也得到了提高[19]。并且节水灌溉(喷灌>滴灌>沟灌)能显著改善土壤通透性、提高土壤微生物丰度[20]。

1.2 微灌技术特点及应用现状

微灌优势显著，尤其是在精准灌溉和水肥一体化方面，可根据不同需求适时适量的施肥灌水，是实现水肥耦合的重要措施之一。据统计，滴灌可节水40%～60%，节肥30%～50%[21]；微喷灌较畦灌而言可减少灌水量67.5～75.0mm[22]。目前，滴灌是应用最广泛的微灌技术，其中膜下滴灌技术优势显著，是一种结合了以色列局部浸润滴灌技术和国内作物覆膜栽培技术优点的新型节水灌溉技术，属于局部灌溉技术[23]，两者的有效结合使得膜下滴灌技术在节水增产、减少地表水的深层渗漏的同时还能够保墒增温、减少土壤棵间的无效蒸发。据统计，膜下滴灌较传统地面灌溉可节约用水量的7/8,较喷灌可节水1/2,较普通滴灌节水30%[24]，大幅度提高了作物水分利用效率；同时膜下滴灌技术还能够有效的改善农田小气候，促进土壤水、气、热、肥协调运移。据研究，膜下滴灌技术能够降低作物根区土壤的盐分浓度，形成淡化的脱盐区，防止土壤次生盐碱化。“十二五”期间，国家将微灌作为西北地区重点节水灌溉技术进行推广，取得了显著效果。2013年陕西省微灌面积1.93万hm2，占有效灌溉面积的1.60%[9]。2014年，西北各省市的微灌面积已达372.67万hm2，占全国微灌面积的67%，仅新疆(含兵团)就达29.03万hm2，所占比重最大。2015年，甘肃省微灌面积达16.99万hm2，占有效灌溉面积的13.01%[19]；宁夏自治区微灌面积达8.41万hm2，占有效灌溉面积的16.58%；新疆(含兵团)微灌面积达322.02万hm2，占有效灌溉面积的65.12%。其中膜下滴灌也取得了显著成果，膜下滴灌技术最早(1996)在新疆实施推广，2004年时膜下滴灌技术推广到20万hm2以上，2012年膜下滴灌面积已推广至200万hm2以上。目前，膜下滴灌技术在我国已推广7000万亩，并且在40余种作物种植中得到应用，其中小麦、玉米、棉花等主要大田作物平均增产30%以上[25]。膜下滴灌作为高效节水灌溉技术一直是节水灌溉领域热门研究内容。为提高水分利用效率、节约用水，李昭楠、李唯等在西北干旱区戈壁葡萄的种植中采用了膜下滴灌的灌溉技术，并开展了实验与不覆膜常规滴灌进行比较，实验结果表明采用膜下滴灌技术比不覆膜常规滴灌节水33%[26]。为探明干旱地区膜下滴灌玉米土壤水热盐效应及秋浇洗盐灌溉的效果，孙贯芳、屈忠义等进行了大量的田间试验，实验结果表明：气温、灌水、玉米叶面积指数及土壤含水率共同作用影响土壤温度，玉米生育期各处理膜内0～40cm不积盐，控制灌水下限为10kPa可有效淋滤0～100cm土壤盐分[27]。齐智娟、冯浩等为探明干旱地区膜下滴灌大田玉米在不同覆膜耕作方式下土壤水热的运移规律，开展了两年的田间试验，发现垄作全膜(LQ)处理较垄作半膜(LB)、平作全膜(PQ)和平作半膜(PB)3个处理，在苗期、拔节期、抽雄期，土壤含水率均有大幅度提高[28]。

1.3 低压管灌技术特点及应用现状

低压管道输水灌溉系统是以压力(一般不超过0.2MPa)管道代替明渠的一种输水技术，是井灌各类作物灌溉的一种主要模式，该模式操作简单，便于管理，其特点是出水口流量较大，出水口所需压力较低。据统计，低压管道输水灌溉水利用系数可提高到0.95，比衬砌渠道减少渗漏损失15%～20%[29]，虽不及喷灌和膜下滴灌节水，但就西北各地应用低压管道输水灌溉系统的实践经验来看，地面灌溉仍占主导地位,且低压管道输水灌溉也有其自身的优势，低压管道输水灌溉系统与喷灌系统比较，管材承压较低、不需要加高压的机泵装置，因此投资相对低，工程见效快，与滴灌系统比较，低压管道输水灌溉系统对水质的要求相对较低，无需设置专门的过滤器，因此，被广泛的应用于西北地区的部分省市，据统计：2013年陕西省发展低压管道输水灌溉面积21.33万hm2，占有效灌溉面积的17.63%[9]。2015年甘肃、宁夏、新疆低压管道输水灌溉面积分别占有效灌溉面积的11.99%，、1.43%，、2.37%[19]。赵文功对青海土渠、混凝土衬砌渠、PVC管道3种形式的输水效率进行比较，相比土渠和混凝土衬砌渠道，低压管道输水的渠系水利用系数分别提高了90.2%和11.4%，灌溉水利用系数分别提高了92.3%和11.9%[30]，为低压管道输水在青海浅山区的应用提供了重要依据。

1.4 其它高效节水灌溉技术发展情况

微润灌是一种新型地下精准灌溉方式，属于局部灌溉，是将高分子半透膜微润管埋入地下，连续的向作物根区供给微量的水、肥，以满足作物生长需要。其最主要的特点是节水节肥。与沟灌相比，经微润灌处理的黄瓜在全生育期可节水54.9%，水分利用效率可提高1.3倍[31]。与微喷灌相比，经微润灌处理的草坪，生长更好、质量更高[32]。与滴灌相比，微润灌处理的冬小麦可节水1/4，节水50%～80%[33]。

微润灌、调亏灌溉节水效果明显，优势显著，但是应用有限，并没有大面积大田实践，要在西北地区大面积推广，还需解决自身的一些问题，例如微润灌灌水量小能否及时有效的满足大田作物的需水要求以及灌水器的堵塞问题等。

2 讨论

近些年，西北地区在高效节水灌溉技术推广应用中取得了一定的成绩，但就各类高效节水灌溉技术的推广情况和应用现状来看还存在一些问题。

2.1 喷灌技术应用中存在的问题

西北地区经济落后，受地域、资金、技术、设备、灌溉面积的制约，现有的喷灌形式单一，控制面积小。

喷灌设备产品性能较差，设备的可靠性、耐久性较差，设备老化快，使用2年后，问题较多，维修频繁。

计算机应用和智能化控制、自动化管理方面还亟待提高。目前，喷灌技术的发展已从过去的水利、机械化控制逐步转向计算机控制，发展到模糊控制和神经网络控制[34]，向着低能耗精准灌溉和变量施水精准灌溉方向发展。与国外以及我国一些发展较快的地区先相比，西北地区的信息化水平还有一定差距，计算机辅助应用，遥感控制，智能化，现代化操作、管理，基于GPS，GIS,PS的精准灌溉技术还十分欠缺。

2.2 膜下滴灌技术应用中存在的问题

膜下滴灌条件下水肥耦合效应方面的研究欠缺；长期膜下滴灌会使得灌溉水中的盐分集聚在作物根底，并没有使盐分排除土体[35]，虽然可以防止土壤次生盐碱化，但治标不治本。

膜下滴灌因为涉及到覆膜栽培种植方式，因此会有大量的地膜残留，有研究表明：残膜对农业生产和生态环境危害甚大，可以破坏土壤结构、抑制土壤微生物和土壤酶的活性、阻碍水肥的运输，导致作物减产，且大量的残膜造成白色污染，引发次生环境问题[36- 37]。据统计，西北地区残膜量较华中、华北、华南、东北、西南等地最大，而且据资料显示，新疆是我国残膜量最大的地区，残膜量达128.12kg/hm2[38]。

2.3 低压管道输水灌溉技术应用中存在的问题

田间工程的标准化程度不高，配套设施不够完善。田间工程从设计到施工再到验收投入使用，缺乏严格的规范要求，致使有些地区出现地埋管道、井、电、泵、田间灌溉系统不能协调配套的现象，例如有井无泵、有泵无电等。

管理制度有待提高和完善。重建轻管现象依然存在，农民对节水灌溉重视不够，认识不够，管理维护参与意识不够，加之相应的管理制度不够健全，致使有些工程不能达到设计年限标准和预期节水效果；

低压管道在田间的使用，依旧沿用传统沟、畦灌的方法，田间水的利用效率虽然有所提高，但相比而言，还是较低。

3 解决对策及发展展望

3.1 开展喷灌技术信息化探索与应用研究

随着科学技术的发展，喷管机组将更加轻型化，单机控制面积将更大，机组的种类将更多，适用于大田作物，草坪灌溉、果树田园喷灌的各类喷灌设备精细化、多样化发展；随着数字化、信息化农业技术的发展，网络技术、计算机技术等高新技术将更多应用于灌溉体系中，实现模糊控制、神经网络控制；实现自动化监测土壤养分、温度、含水率、气压等相关指标，自动化监测气象指标等。

3.2 开展滴灌技术与生态农艺技术耦合模式研究

西北地区推广膜下滴灌技术优势显著，但还需深入研究。膜下滴灌节水效果明显，可以有针对性的研究膜下滴灌条件下作物的增产机理，探索适合于膜下滴灌条件下高产、稳产的作物品种和种植模式；进一步深入的研究膜下滴灌条件下水、盐、热、肥之间的相互影响与运移规律，探索如何有效的解决积盐问题；一方面致力于可降解膜的研究和应用，另一方面重视残膜的回收，同时生物覆盖技术措施能增加土壤微生物和土壤养分量，具有蓄水保墒、肥田增产的作用，研究采用生物覆盖技术具有一定意义。

3.3 重视节水技术研究，提高输水标准

从工程项目的设计、施工、验收、运行、管理每一环节要有严格的规范和要求，提升管道输水工程的标准，提升田间工程的标准和配套程度；发展推广农业节水的高效综合技术，将农业节水措施和工程节水措施有机结合；在引用或研制精确量水设备的同时，完善灌区计量设施，实现用水的精准计量和数字化管理，完善灌溉水资源配置调度，从粗放到精细的转变，实现灌区来用水的计算机实时监控和配置，实现灌区用水管理和行政管理的数字化。

在发展工程节水措施的基础上加大对生物节水措施和农艺节水措施的研究推广，同时加强灌区信息化建设调亏灌溉，控制性分根交替灌溉，痕量灌溉以及智能水肥一体化与滴管技术的耦合和精准施肥、精准灌溉等是近几年讨论研究的热点，应重点投入、深入研究。

4 结语

“十二五”期间国家将西北地区作为节水灌溉技术研究推广的重点区域，并且取得了显著成果，截止2015年，喷灌和微灌在内蒙古、新疆、宁夏及甘肃的推广面积占有效灌溉面积的比重均超过全国平均水平。发展节水灌溉技术势在必行，是一项长期而艰巨的工作任务。随着“十二五”规划的完成以及“十三五”规划的实施，新型的节水灌溉技术在西北地区的发展成绩显著，但同时各种灌溉技术也暴露出很多问题，且调亏灌溉、微润灌、智能水肥一体化技术、痕量灌溉等技术仍在试点研究，还未能大面积推广。西北地区地域辽阔，应因地制宜的推广新型节水灌溉技术，充分水保障微灌、喷灌、管灌等的发展，同时兼顾新的生物节水措施和农艺节水措施的研究推广，令其相辅相成，并且提高灌区信息化水平，充分利用信息技术来提高灌溉工程的智能化和灌区行政管理的数字化程度。