发布时间：2022-04-06 11:35:56
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水资源紧缺已成为严重制约我国国民经济可持续发展的瓶颈。农业是我国的用水大户，用水总量4000亿m3，占全国总用水量的70%，其中农田灌溉用水量3600-3800亿m3，占农业用水量的90%-95%。农业用水中的浪费现象相当严重，首先是农田灌溉水的利用率低，平均仅为45%左右；其次是农田对自然降水的利用率低，仅达到56%；最后是农业用水的效率不高，其中农田灌溉水的利用效率仅有1.0kg/m3左右，旱地农田水分的利用效率为0.60-0.75kg/m3。根据权威部门的预测结果，在不增加现有农田灌溉用水量的情况下，2030年全国缺水高达1300-2600亿m3，其中农业缺水500-700亿m3。若将农田灌溉水的利用率由目前的45%提高到发达国家的水平70%，则可节水900-950亿m3，如同时提高水的利用效率，农业节水后不仅可满足7亿t左右的食物生产用水，还能节约出400-500亿m3的水量用于国民经济的其他重要行业，这无疑会对未来的国家经济持续发展和社会安全稳定作出重大贡献。
农业节水不仅是我国国民经济和社会可持续发展所要求的，也是我国农业资源，尤其是水资源短缺、水土资源配置失衡等严峻形势所决定的。农业节水对保障国家水安全、粮食安全和生态安全，推动农业和农村经济可持续发展，具有重要的战略地位和作用。我国农业缺水的问题在很大程度上要依靠节水予以解决，加强对我国节水农业技术的研究，以科技创新促进生产力发展，建立与完善适合我国国情的现代节水农业技术体系，将成为促进我国节水农业可持续发展的重大战略举措之一
1现代节水农业技术研究进展
随着全球性水资源供需矛盾的日益加剧，世界各国，特别是发达国家都把发展节水高效农业作为现代农业可持续发展的重要措施。发达国家在农业生产实践中，把提高灌溉（降）水的利用率、单方水的利用效率、水资源再生利用率作为研究重点和主要目标。在研究节水农业基础理论基础上，将生物、信息、计算机、高分子材料等高新技术与传统的农业节水技术相结合，提升节水农业技术的高科技含量，建立适合国情的节水农业技术体系，加快由传统的粗放农业向现代化的精准农业转型的进程。
世界各国采用的节水农业技术通常可归纳为工程节水技术、农艺节水技术、生物（生理）节水技术和水管理节水技术等四类。节水农业技术的应用可大致分布在四个基本环节中:
一是减少灌溉渠系（管道）输水过程中的水量蒸发与渗漏损失，提高农田灌溉水的利用率；
二是减少田间灌溉过程中的水分深层渗漏和地表流失，在改善灌水质量的同时减少单位灌溉面积的用水量；
三是减少农田土壤的水分蒸发损失，有效地利用天然降水和灌溉水资源；
四是提高作物水分生产效率，减少作物的水分奢侈性蒸腾消耗，获得较高的作物产量和用水效益。节水农业发达的国家始终把提高上述环节中的灌溉（降）水利用率和作物水分生产效率作为重点，在建立了以高标准的衬砌渠道和压力管道输水为主的完善的灌溉输水工程系统和采用了以喷（微）灌技术和改进的地面灌技术为主的先进的田间灌水技术后，节水农业技术的研究重点正从工程节水向农艺节水、生物（生理）节水、水管理节水等方向倾斜，尤其重视农业节水技术与生态环境保护技术的密切结合。
1．1农艺节水技术
利用耕作覆盖措施和化学制剂调控农田水分状况、蓄水保墒是提高农田水利用率和作物水分生产效率的有效途径。国内外已提出许多行之有效的技术和方法，如保护性耕作技术、田间覆盖技术、节水生化制剂（保水剂、吸水剂、种衣剂）和旱地专用肥等技术和产品正得到广泛的应用。如美国中西部大平原由传统耕作到少耕或免耕，由表层松土覆盖到作物残茬秸秆覆盖，由机械耕作除草到化学制剂除草，都显著提高了农田的保土、保肥、保水的效果和农业产量。法国、美国、日本、英国等开发出抗旱节水制剂（保水剂、吸水剂）的系列产品，在经济作物上广泛使用，取得了良好的节水增产效果。法国、美国等将聚丙烯酰胺（PAM）喷施在土壤表面，起到了抑制农田水分蒸发、防止水土流失、改善土壤结构的明显效果。美国利用沙漠植物和淀粉类物质成功地合成了生物类的高吸水物质，取得了显著的保水效果。
节水农作制度主要是研究适宜当地自然条件的节水高效型作物种植结构，提出相应的节水高效间作套种与轮作种植模式。例如，在澳大利亚采用的粮草轮作制度中，实施豆科牧草与作物轮作会避免土壤有机质下降，保持土壤基础肥力，提高土壤蓄水保墒能力。
在抗旱节水作物品种的选育方面，发达国家已选育出一系列的抗旱、节水、优质的作物品种。如澳大利亚和以色列的小麦品种、以色列和美国的棉花品种、加拿大的牧草品种、以色列和西班牙的水果品种等。这些品种不仅具备节水抗旱性能，还具有稳定的产量性状和优良的品质特性。特别是近年来，在植物抗旱基因的挖掘和分离、水分高效利用相关的基因定位以及分子辅助标记技术、转基因技术、基因聚合技术等在抗旱节水作物品种的选育上取得了一些极富开发潜力的成果。
近年来，水肥耦合高效利用技术的研究已将提高水分养分耦合利用效率的灌水方式、灌溉制度、根区湿润方式和范围等与水分养分的有效性、根系的吸收功能调节等有机地结合起来。通过改变灌水方式、灌溉制度和作物根区的湿润方式达到有效调节根区水分养分的有效性和根系微生态系统的目的，从而最大限度地提高水分养分耦合的利用效率。美国、以色列等国家将作物水分养分的需求规律和农田水分养分的实时状况相结合，利用自控的滴灌系统向作物同步精确供给水分和养分，既提高了水分和养分的利用率，最大限度地降低了水分养分的流失和污染的危险，也优化了水肥耦合关系，从而提高了农作物的产量和品质。
1．2生物（生理）节水技术
将作物水分生理调控机制与作物高效用水技术紧密结合开发出诸如调亏灌溉（RDI）、分根区交替灌溉（ARDI）和部分根干燥（PRD）等作物生理节水技术，可明显地提高作物和果树的水分利用效率。与传统灌水方法追求田间作物根系活动层的充分和均匀湿润的想法不同，ARDI和PRD技术强调在土壤垂直剖面或水平面的某个区域保持土壤干燥，仅让一部分土壤区域灌水湿润，交替控制部分根系区域干燥、部分根系区域湿润，以利于使不同区域的根系交替经受一定程度的水分胁迫锻炼，刺激根系的吸收补偿功能，使根源信号ABA向上传输至叶片，调节气孔保持在适宜的开度，达到不牺牲作物光合物质积累而又大量减少其奢侈的蒸腾耗水的目的，与此同时，还可减少作物棵间的土壤湿润面积，降低棵间蒸发损失和因水分从湿润区向干燥区侧向运动带来的深层渗漏损失。RDI是基于作物生理生化过程受遗传特性或生长激素的影响，在作物生长发育的某些阶段主动施加一定的水分胁迫（即人为地让作物经受适度的缺水锻炼）来影响其光合产物向不同组织器官的分配，进而提高其经济产量而舍弃营养器官的生长量及有机合成物的总量。因营养生长减少还可提高作物的种植密度，提高总产量，减少棉花、果树等作物的剪枝工作量，改善产品品质。国际上有关调亏灌溉的研究主要是针对果树和西红柿等蔬菜作物，对大田作物的研究较少。
近年来，国内外相继开展了对作物需水量计算方法的大量研究，但这些研究大多以单点的和单一作物的耗水估算为主，在此基础上采用插值法和面积加权平均法确定的区域作物耗水量的精度会受到气象等因素的空间变异性的影响。目前的重点是将单点的单一作物耗水估算模型的研究扩展到区域尺度多种作物组合下的耗水估算方法与模型研究上，根据作物及其不同生育期的需水估算，使有限的水最优分配到作物的不同生育期内，为研究适合不同地区的非充分灌溉制度提供基础数据和支撑。随着遥感技术的应用使得采用能量平衡法估算区域作物耗水量成为可能，通过遥感获得的作物冠层温度来估算区域耗水量分布的研究变得十分活跃，并在一些发达国家得到了一定的应用。
1．3水管理节水技术
为实现灌溉用水管理手段的现代化与自动化，满足对灌溉系统管理的灵活、准确和快捷的要求，发达国家的灌溉水管理技术正趋朝着信息化、自动化、智能化的方向发展。在减少灌溉输水调蓄工程的数量、降低工程造价费用的同时，既满足用户的需求，又有效地减少弃水，提高灌溉系统的运行性能与效率。
建立灌区用水决策支持系统来模拟作物产量和作物需水过程，预测农田土壤盐份及水分胁迫对产量的影响，基于Internet技术和RS、GIS、GPS等技术完成信息的采集交换与传输，根据实时灌溉预报模型，为用户提供不同类型灌区的动态配水计划，达到优化配置灌溉用水的目标。为适应灌区用水灵活多变的特点，做到适时、适量地供水，需对灌溉输配水系统的运行模式和相应的自控技术开展研究。目前，国外多采用基于下游控制模式的自控运行方式，利用中央自动监控（即遥测、遥讯、遥调）系统对大型供水渠道进行自动化管理，开展灌区输配水系统的自控技术研究。在明渠自控系统运行软件方面，着重开展对供水系统的优化调度计划的研究，采用明渠非恒定流计算机模拟方法结合闸门运行规律编制系统运行的实时控制软件。
美国、澳大利亚等国已大量使用热脉冲技术测定作物茎杆的液流和蒸腾，用于监测作物水分状态，并提出土壤墒情监测与预报的理论和方法，将空间信息技术和计算机模拟技术用于监测土壤墒情。根据土壤和作物水分状态开展的实时灌溉预报的研究进展也很快，一些国家已提出几种具有代表性的节水灌溉预报模型。在此基础开展的适合不同地区的非充分灌溉模式的研究是干旱缺水条件下灌溉用水管理的基础，随着水资源短缺的不断加剧，其研究在国内外得到普遍重视。
多采用系统分析理论和随机优化技术，开展灌区多种水源联合利用的研究，以网络技术支持的智能化配水决策支持系统为基础，建立起多水源优化配置的专家系统，提出不同水源组合条件下的优化灌溉与管理模式，合理利用和配置灌区的地表水、地下水和土壤水，对其进行统一规划和管理。在最大限度地满足作物对水分需求的同时，改善灌区的农田生态环境条件。
1．4工程节水技术
随着现代化规模经营农业的发展，由传统的地面灌溉技术向现代地面灌溉技术的转变是大势所趋。在采用高精度的土地平整技术基础上，采用水平畦田灌和波涌灌等先进的地面灌溉方法无疑是实现这一转变的重要标志之一。精细地面灌溉方法的应用可明显改进地面畦（沟）灌溉系统的性能，具有节水、增产的显著效益。激光控制土地精细平整技术是目前世界上最先进的土地平整技术，国内外的应用结果表明，高精度的土地平整可使灌溉均匀度达到80%以上，田间灌水效率达到70%-80%，是改进地面灌溉质量的有效措施。随着计算机技术的发展，在采用地面灌溉实时反馈控制技术的基础上，利用数学模型对地面灌溉全过程进行分析已成为研究地面灌溉性能的重要手段。应用地面灌溉控制参数反求法可有效地克服田间土壤性能的空间变异性，获得最佳的灌水控制参数，有效地提高地面灌溉技术的评价精度和制定地面灌溉实施方案的准确性。
除地面灌溉技术外，发达国家十分重视对喷、微灌技术的研究和应用。微灌技术是所有田间灌水技术中能够做到对作物进行精量灌溉的高效方法之一。美国、以色列、澳大利亚等国家特别重视微灌系统的配套性、可靠性和先进性的研究，将计算机模拟技术、自控技术、先进的制造成模工艺技术相结合开发高水力性能的微灌系列新产品、微灌系统施肥装置和过滤器。喷头是影响喷灌技术灌水质量的关键设备，世界主要发达国家一直致力于喷头的改进及研究开发，其发展趋势是向多功能、节能、低压等综合方向发展。如美国先后开发出不同摇臂形式、不同仰角及适用于不同目的的多功能喷头，具有防风、多功能利用、低压工作的显著特点。
为减少来自农田输水系统的水量损失，许多国家已实现灌溉输水系统的管网化和施工手段上的机械化。近年来，国内外将高分子材料应用在渠道防渗方面，开发出高性能、低成本的新型土壤固化剂和固化土复合材料，研究具有防渗、抗冻胀性能的复合衬砌工程结构形式。如已在德国、美国应用的新型土工复合材料GCLS就具有防渗性能好、抗穿刺能力强的明显特点。此外，管道输水技术因成本低、节水明显、管理方便等特点，已作为许多国家开展灌区节水改造的必要措施，开展渠道和管网相结合的高效输水技术研究和大口径复合管材的研制是渠灌区发展输水灌溉中亟待解决的关键问题。
2现代节水农业技术研究发展趋势
现代节水农业技术是在传统的节水农业技术中融入了生物、计算机模拟、电子信息、高分子材料等一系列高新技术，具有多学科相互交叉、各种单项技术互相渗透的明显特征。现代节水农业技术涉及的既不是简单的工程节水和水管理节水问题，也不是简单的农艺节水和生物节水问题。从支撑现代节水农业技术的基础理论而言，需将水利工程学、土壤学、作物学、生物学、遗传学、材料学、数学和化学等学科有机地结合在一起，以降水(灌溉)－土壤水－作物水－光合作用－干物质量－经济产量的转化循环过程作为研究主线，从水分调控、水肥耦合、作物生理与遗传改良等方面出发，探索提高各个环节中水的转化效率与生产效率的机理。另一方面，现代节水农业技术又需要生物、水利、农艺、材料、信息、计算机、化工等多方面的技术支持，来建立适合国情的技术体系。
随着20世纪中叶以来科学技术出现的重大突破，节水农业领域中大量借助于土壤水动力学、植物生理学的理论和现代数学方法及计算模拟手段，试图从整体上来考虑水-土-作物-大气间的互动作用与关系，定量描述土壤-植物-大气连续体中水分和养分运移的转化过程，据此制定科学的水、肥调控方案，这使得对节水农业的研究已由以往单纯的统计或实验性质变为一门有着较为严谨的理论基础与定量方法的科学。计算机技术、电于信息技术、红外遥感技术以及其它技术的应用，使得在土壤水分动态、土壤水盐动态、水沙动态、水污染状况、作物水分状况等方面的数据监测、采集和处理手段得到长足发展，促进了农业用水管理水平的提高，而高分子复合材料和纳米材料的研制创新正在促使渠道防渗、管道灌溉、覆膜灌溉、坡面集雨等方面孕育着技术上的重大突破。
在提高农业用水的利用率和水的生产效率的节水农业技术研究中，不仅涉及到与土壤-植物-大气系统中的界面过程，水分传输和系统反馈的机制，水分调控的途径以及大气水、地表水、地下水、土壤水转化关系等相关领域内的前沿技术，还与利用现代高新技术对水资源、土壤水分和作物水分进行监测调控，根据作物需水规律进行精量灌溉等关键技术有关。为此，必须以具有学科交叉性的重大前沿性技术研究为基础，研发与农业节水相关的重要关键技术，探索建立适合国情的现代节水农业技术体系。
3我国现代节水农业技术研究重点与内容
3．1现代节水农业前沿技术
围绕作物生理需水与用水、精量控制灌溉等领域，对现代节水农业前沿技术开展原创性研究。通过对水－土－植物关系、干旱条件下植物根信号传输和气孔反应的机制、干旱胁迫锻炼对植物超补偿功能的刺激等问题的研究，带来农业节水原理与技术的创新，促进节水农业新思路的问世和源头高技术的产生，为我国现代节水农业的发展提供基础理论和技术储备。
作物高效用水与生理调控技术：
（1）研究主要作物节水条件下产量形成及可视化的生产模型，获得维持农作物较高水分生产效率的生理和生态学过程参数，提出农作物根系微生态系统水分吸收功能调控模型和水分利用整体超补偿功能环境反应模型；
（2）研究不同生态区域内主要农作物(小麦、玉米、棉花、水稻)非充分灌溉条件下的需水量季节分布和计算模式和不同节水灌溉技术条件下的作物需水和耗水模型，提出作物水分生产函数与有限水量条件下的非充分灌溉制度，得到不同节水灌溉方式下实施非充分灌溉制度的技术；
（3）研究主要农作物(小麦、玉米、棉花、水稻、果树)调亏灌溉的指标体系(最佳凋亏阶段和调亏程度)，提出不同养分水平或施肥条件下调亏灌溉的模式及相应的指标，获得作物调亏灌溉的田间实施技术；
（4）研究主要农作物(小麦、玉米、棉花、水稻)控制性分根交替灌溉的指标体系，提出不同养分水平或施肥条件下控制性分根交替灌溉的模式及相应参数，获得不同土壤、作物下控制性分根交替灌溉的灌水技术要素最优组合设计方法及的田间实施技术；
作物需水信息采集与精量控制灌溉技术：
（1）研究作物对水分亏缺信息的感受、传递与信号转导的过程，建立作物水分信号诊断指标体系，获得利用作物茎杆变形测量诊断作物缺水状况的新技术与新产品；
（2）研究作物水分区域分布监测技术和作物蒸腾过程快速监测技术，提出区域土壤水分空间变异性与最佳动态监测布点方式和区域土壤墒情监测预报技术，获得土壤水分动态快速测定与预报技术及新产品；
（3）以土壤墒情监测预报、作物水分动态监测信息与作物生长信息的结合为基础，研究运用模糊人工神经网络技术、数据通讯技术和网络技术建立具有监测、传输、诊断、决策功能的作物精量控制灌溉系统，研制开发智能化的灌溉信息采集装置和智能化的灌溉预报与决策支持软件。
农田水肥调控利用与节水高效作物栽培技术：
（1）以小麦、玉米、棉花等主要作物为对象，研究不同区域、种植制度、地力基础和水资源状况下主要作物农田养分供应与利用模式，提出不同水分条件下获得最高水分利用效率的水分与养分最佳参数组合；
（2）研究不同灌溉方式下作物根区水分养分迁移、转化和吸收的动力学过程，提出相应的作物根际水肥耦合循环与调控模型，获得以提高水肥耦合利用效率为目标的田间节水灌溉技术参数的最优组合；
（3）以小麦、玉米、棉花等主要作物为对象，研究农田高效用水的作物群体时空分布特征，影响农田整体抗旱特性和水分利用效率的群体因素和调控技术；构建主要农作物高效用水群体优化结构的综合栽培技术体系。
3．2现代节水农业关键技术
以田间节水灌溉、灌溉用水管理、农艺与化控节水等为重点，适当考虑干旱缺水地区特殊水源的开发与高效利用，研究现代节水农业关键技术，创制一批新型的农业节水新产品与新材料，促进节水农业技术水平的提升，为我国农业节水提供适合国情的实用性应用技术。
田间节水灌溉技术：
（1）研制抗堵、耐用、价廉的微灌灌水器，开发新型微灌过滤器、注肥器及系统控制设备；
（2）研究节能异形喷嘴喷头、可调仰角及可调雾化程度的喷头、喷洒区域为矩形的喷头，开发适宜于园林喷灌的升降式喷灌装置，改进扇形转动的摇臂式喷头，研制新型移动式轻小型喷灌机组和智能控制低压变量自走式喷洒机组；
（3）研究土地精平标准与激光控制平地技术，开发国产激光控制平地铲运设备和相应的液压升降控制系统，提出与激光控制平地技术实施相配套的田间灌排工程系统模式，研究地面灌溉技术控制参数，开发田间波涌灌溉控制设备、田间多孔闸管灌溉系统和田间灌溉自动控制设备；
（4）研发适合家庭规模的可调式小型免耕坐水播种技水与设备，创制集灌水、播种、施肥于一体的新型多功能行走式局部施灌机。
灌溉系统输配水监控与调配技术：
（1）研发水分损失小、价廉、精度高、抗干扰性强的渠系量水设备，研制具有量水和控制双重功能的取水口量水设施、新型管道量水仪表、适合高含沙渠道采用的量水装置等，开发经济实用的灌区自动化量水二次仪表及设备、井灌区计量与控制用水装置等；
（2）开发基于局域网络、Internet网络与RS和GPS技术相结合的灌区动态管理信息采集、传输和分析技术，研究灌溉系统的计算机识别技术和动态配水系统下非恒定流模拟仿真技术和水量与流量的实时调控技术；
（3）研究灌区中央控制系统自动控制技术和水力自动控制技术，开发灌溉配水系统的闸门控制模式及基于模糊控制方法的灵活方便的控制器。
农艺节水技术：
（1）以小麦、玉米等大田作物及林草为重点，应用分子标记辅助选择、转基因、基因聚合技术结合常规育种的方法，创制抗旱节水型、水分高效利用型的优异育种新材料，选育抗旱节水与高产优质相结合型的新品种（组合）；
（2）研究主要生态区域节水高效型的作物种植结构和适合区域特点的节水高效间作套种与轮作等种植模式，提出主要种植制度周期内农田水分高效利用技术控制要素和集成化参数，得到节水型农作制度优化技术及其量化指标；
（3）以旱地土壤水库增容为核心，研究等高种植集雨蓄水保墒技术和田间集雨栽培技术、少耕免耕保水保肥技术、地力培肥有机旱作技术、降低田间蒸发的覆盖保墒技术等雨水就地高效利用技术，提出旱地农田节水抗旱能力的粮草轮作技术、粮经饲作物立体种植高效用水技术等。
新型农业节水材料与产品：
（1）研究利用纳米技术改进防渗材料的性能，研制新型土壤固化剂、新型复合土工膜料和填缝材料，盐渍土和膨胀土等特殊土类渠道的专用防渗材料，开发新型保温复合材料和环保型混凝土补强新材料，创制用于管道输水的高分子复合材料大口径管材和管件；
（2）研发适合旱区应用的新型低成本、高效率的坡面集雨固化土材料、绿色环保型集雨面喷涂材料、生物集雨材料和田间集雨材料等；
（3）筛选具有控制蒸腾功能的外源物质，研究植物蒸腾抑制剂，研制具有抗旱节水、防病杀虫、高效环保等多种功能的种衣剂，开发以生物材料（藻类、纤维、沙漠植物等）或化学材料为基质的新型保水剂，创制低成本的高效多功能水土保持剂与土壤结构改良剂；
（4）研发由天然材料和改性天然材料（重点是植物纤维和淀粉类）制成的可被微生物完全分解为对环境无害物质的新型覆盖材料，开发具有增温、保墒、增产、无残留的多功能液体覆盖材料，改性和创制新型液膜等。
水源开发与高效利用技术：
（1）建立区域雨水资源高效利用技术体系和最优开发模式及智能决策系统软件，研发适合旱区应用的新型、高效工程和生物雨水集蓄形式，提出新型集雨设施结构形式和现场成型技术，获得雨水集蓄与高效利用工程系统设计软件；
（2）研究低成本、节能型的微咸水开发利用技术，建立微咸水灌溉下的控制指标体系和作物灌溉制度，提出微咸水灌溉下土壤水盐运动规律与调控技术，得到咸水与淡水混灌和轮灌的应用模式；
（3）研究再生水灌溉对土壤、地下水及作物品质的影响，提出再生水作物安全高效利用指标量化体系，开发利用再生水灌溉的不同灌水方式、再生水与洁净水混灌或轮灌的应用技术以及不同再生水灌溉方式下的作物灌溉制度。
4现代节水农业技术研究带来的贡献
在现代节水农业前沿技术万面，将提出作物高效用水生理调控指标体系、作物非充分灌溉下的需水指标体系和灌溉制度、作物调亏灌溉的指标体系，建立作物水分信号采集与缺水敏感指标测定和作物精量控制灌溉方法、动态配水系统下的非恒定流模拟仿真技术和水量实时调控方法等。研究内容无论是在应用基础理论上还是在技术上均具有源头创新性，会加速我国现代节水农业技术体系的建立。
