農(nóng)藝節(jié)水論文：農(nóng)藝節(jié)水進(jìn)展趨勢

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本文作者：高傳昌、王興、汪順生、史尚 單位：華北水利水電學(xué)院

農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)研究進(jìn)展

提到農(nóng)業(yè)節(jié)水,大部分人都會想到加強(qiáng)水資源管理、灌溉渠道防滲等管理節(jié)水和工程節(jié)水措施。其實(shí)隨著我國水利與農(nóng)業(yè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展,農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)已取得了較快、較大的進(jìn)步,其中,節(jié)水型品種選用、耕作保墑、覆蓋保墑、水肥耦合及秸稈還田等技術(shù)應(yīng)用比較廣泛。

1耕作保墑技術(shù)。適宜的土壤耕作措施,既有利于最大限度的利用天然降水,亦可以提高灌溉用水的效率,是圍繞以/土壤水庫0為中心合理調(diào)控與運(yùn)用土壤水、地下水、大氣降水的關(guān)鍵。深耕保墑、耙耱保墑、鎮(zhèn)壓保墑和提墑及中耕保墑技術(shù)統(tǒng)稱為耕作保墑技術(shù)。這些耕作技術(shù)能夠疏松土壤,切斷水分通道,增加土壤活性,削弱土壤水分蒸發(fā),提高土壤蓄水能力,減少地面徑流,達(dá)到高效用水的目的。近年來,國內(nèi)學(xué)者將耕作保墑技術(shù)與其他農(nóng)藝節(jié)水措施相結(jié)合進(jìn)行研究,取得了一些研究成果。黃明等[3]研究了旱作條件下傳統(tǒng)耕作、免耕覆蓋、深松覆蓋耕作模式冬小麥花后土壤水分和養(yǎng)分的狀況,結(jié)果表明傳統(tǒng)耕作模式花后在0~40cm的土壤水分分別比免耕覆蓋、深松覆蓋低4113%、6123%,干物質(zhì)積累也不及后者;劉慶福等[4]在東北春玉米播種時(shí),通過分層蓋土,壟側(cè)和苗帶鎮(zhèn)壓,密實(shí)土壤,與常規(guī)耕作種植相比,促進(jìn)了底層土壤水分上移,利于種子發(fā)芽生根,提高了出苗率;呂美蓉和韓賓[526]進(jìn)行了類似的研究,得出了深松耕、免耕都可以提高土壤含水率,在相同播量的條件下,深松耕和耙耕有利于小麥的根系生長與水分吸收,出苗率、群體量、穗粒重和千粒重都明顯高于常規(guī)耕作,但是免耕的出苗率和群體量不理想的結(jié)論。就目前的研究成果來說,大多數(shù)耕作措施有利于土壤水的保持和提高,有利于畝產(chǎn)的增加,中耕還有利于消除田間雜草,減少農(nóng)藥的噴灑。

2覆蓋保墑技術(shù)。覆蓋保墑技術(shù)的研究與應(yīng)用,在國內(nèi)外日趨成熟,分為秸桿覆蓋保墑、砂石覆蓋保墑、地膜覆蓋保墑及化學(xué)覆蓋保墑技術(shù)。適宜的覆蓋保墑技術(shù)可以調(diào)節(jié)地溫,提高土壤肥力,減少地表徑流,抑制無效水分蒸發(fā),起到蓄水保墑,提高水分利用率,促進(jìn)作物生長發(fā)育的良好效果。目前研究較多的是秸稈覆蓋和地膜覆蓋,化學(xué)覆蓋的應(yīng)用研究相對少一些。秸稈覆蓋是將作物的秸稈或干草等鋪在土壤表面,具有造價(jià)低、調(diào)低溫、抑雜草的的特點(diǎn),國內(nèi)大量學(xué)者對此進(jìn)行了研究。砂石覆蓋是指卵石、粗砂等混合覆蓋在土層表面,主要在我國西北風(fēng)沙地區(qū)應(yīng)用,具體的保墑效果研究的比較少。研究發(fā)現(xiàn),與常規(guī)耕作相比,秸稈覆蓋改變了土壤地溫和蒸發(fā)條件。陳素英[7]對秸稈覆蓋條件下麥田土壤溫度和土壤蒸發(fā)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)麥田由于鋪放玉米秸稈提高了冬季地溫,同時(shí)降低了春季地溫,使麥田的溫度變化趨于平緩,有利于小麥充分吸收深層儲水,但在返青期由于低溫和保墑效應(yīng),推遲并延長了返青期,縮短了灌漿時(shí)間,降低了小麥最終產(chǎn)量;劉超[8]通過裸土無作物種植覆蓋和小區(qū)玉米種植覆蓋試驗(yàn)研究了不同秸稈覆蓋量與夏玉米田間保墑效果的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋量在016~019kg/m2范圍時(shí),能明顯影響和保持0~50cm土層的土壤含水量,土面蒸發(fā)速率僅為無覆蓋條件下的2718%~3815%,單株產(chǎn)量比無覆蓋處理至少增加2814%,節(jié)水和增產(chǎn)效果顯著;左余寶[9210]研究了魯北地區(qū)秸稈覆蓋對作物需水量、作物系數(shù)、水分利用效率的影響,得出在小麥、玉米周年生育期內(nèi),比裸土栽培模式的平均需水量減少35135mm,水分利用率提高1915%,作物系數(shù)降低8115%。地膜覆蓋廣泛用于我國干旱地區(qū)的棉花種植和玉米栽培,近些年又突破性的用于小麥和水稻的栽培上,取得了顯著的節(jié)水增收效果。鐘新才[11]等發(fā)現(xiàn),覆膜種植后新疆皮棉產(chǎn)量由之前的不足750kg/hm2提高到1545kg/hm2,灌溉定額卻由原來的13350m3/hm2下降到10500m3/hm2,水分生產(chǎn)效率提高了2165倍;方日堯[12]則是將地膜與秸稈覆蓋結(jié)合起來,通過大田對照試驗(yàn)詳細(xì)分析了冬小麥水分利用效率、投入產(chǎn)出比和節(jié)水增產(chǎn)效果,發(fā)現(xiàn)壟覆膜溝覆秸稈模式較為突出,水分利用效率達(dá)到11159kg/m3,而常規(guī)種植模式僅為016~017kg/m3,投入產(chǎn)出比為1B1134,單位糧食生產(chǎn)節(jié)水37121%~39185%,單位水量增產(chǎn)58168%~66152%,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。針對塑料薄膜覆蓋使用不當(dāng)會帶來/白色污染0的問題,人們研發(fā)了一種高分子化合物制成的乳劑,直接噴灑在土壤表面,形成一層液膜,強(qiáng)小嫚[13]研究發(fā)現(xiàn)液膜增溫保溫效果比較顯著,在擁有普通地膜作用的同時(shí),更有利于光合作用產(chǎn)物的形成,實(shí)現(xiàn)了增產(chǎn)節(jié)水。

3增施有機(jī)肥和秸稈還田技術(shù)。焚燒秸稈既造成農(nóng)業(yè)資源的浪費(fèi),又污染環(huán)境,成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的一大難題。實(shí)際上秸稈中含有大量的粗纖維和無氮浸出物,平均含碳44%、氮016%、磷0125%、鉀114%,還含有鎂、鈣、硫等元素,具有很大的綜合利用潛能[14]。秸稈還田,具有改善土壤結(jié)構(gòu),增加有機(jī)質(zhì)含量和土壤微生物等多方面的作用,是建設(shè)生態(tài)農(nóng)業(yè),促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段,有關(guān)這方面的試驗(yàn)研究比較多。周波[15]通過黃河沖積平原的潮土研究表明,秸稈還田有利于有機(jī)質(zhì)含量的提高、土壤容重的下降、孔隙度的增大,在不施任何微量元素肥的情況下顯著增加活性酶和鋅、鐵、錳、氮等微量元素的含量,通過對水肥氣熱等條件的協(xié)調(diào),創(chuàng)造一個良好的土壤環(huán)境;慕平和姜潔[16217]的研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田在改善土壤形狀的同時(shí),還可以提高土壤的緩沖性,增加貯水能力,減少土壤水分蒸發(fā),通過對農(nóng)藥殘余和重金屬污染的消除,提高作物品質(zhì),保護(hù)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境;解文艷[18]對比了秸稈過腹還田、秸稈粉碎直接還田、秸稈覆蓋還田三種方式,發(fā)現(xiàn)三種還田方式都減少了玉米生育期的耗水量,土壤水分利用效率提高了01224~01550kg/m3,增產(chǎn)率達(dá)到了8133%~16119%,在正常年份秸稈覆蓋還田耗水量最低、水分利用率最高,秸稈過腹還田增長效果最顯著。增施有機(jī)肥可以提高胡敏酸的含量,將分散的單粒土壤膠結(jié)起來,形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu),把入滲水轉(zhuǎn)化為毛管水,減少蒸發(fā),提高土壤肥力和涵蓄水能力,但是大量研究結(jié)果表明,單獨(dú)增施有機(jī)肥效果不如只采取秸稈還田的效果,投入產(chǎn)出比不理想,只有將其與秸稈還田結(jié)合起來才更有效。史桂芳[19]利用三年時(shí)間,在對冬小麥增施有機(jī)肥與秸稈還田相結(jié)合的條件下,研究了其對冬小麥產(chǎn)量及性狀的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),比對照最小增產(chǎn)率達(dá)9160%,成穗率、穗粒重和千粒重都有顯著提高?？傮w來看,秸稈還田比增施有機(jī)肥有投入產(chǎn)出比高的優(yōu)勢,取材方便,投資小、見效快,但是有的秸稈發(fā)酵的比較緩慢,需要配合腐熟劑來使用。

4水肥耦合技術(shù)。作物生長離不開水、肥的補(bǔ)充,根據(jù)作物生長特性和所需水肥規(guī)律及所在區(qū)域的土壤氣候條件,建立以水、肥、作物產(chǎn)量為核心的耦合模型尤為重要。以肥調(diào)水、以水促肥,增水以增肥為基礎(chǔ),增肥以灌水為前提,充分發(fā)揮水肥協(xié)同效應(yīng)和激勵機(jī)制,可有效提高作物抗旱能力、產(chǎn)量和品質(zhì),充分發(fā)揮水肥效益。我國自/八五0以來,將/旱地農(nóng)田水肥交互作用及耦合模式研究0作為重點(diǎn)攻關(guān)專題,通過多學(xué)科的聯(lián)合攻關(guān),取得了良好效果[20]。目前,河南、陜西、甘肅、寧夏等北方干旱半干旱地區(qū)對水肥耦合效應(yīng)的研究較多,主要包括玉米、小麥、谷子、大豆等供試作物。周欣[21]將氮、磷、鉀、土壤含水量作為研究因子,探討了大豆產(chǎn)量與水肥的關(guān)系,獲知在大豆盆栽試驗(yàn)條件下,各因素對大豆產(chǎn)量均有影響,順序?yàn)?水>氮>鉀>磷;水肥耦合的產(chǎn)量效應(yīng)顯著,且存在水肥用量臨界值,中水中肥條件下產(chǎn)量效應(yīng)最優(yōu)。仲爽[22]根據(jù)玉米產(chǎn)量與耗水量的試驗(yàn)結(jié)果,建立了不同水肥條件下玉米產(chǎn)量與耗水量的關(guān)系模型,研究表明,在一定范圍內(nèi)水、氮配合為正交互效應(yīng),合理的施用氮肥能夠提高玉米對土壤水分的吸取,提高作物蒸騰,減少蒸發(fā),提高水分利用率和玉米產(chǎn)量。徐國偉[23]以鄭麥9023為試驗(yàn)材料,研究了水肥耦合下對小麥產(chǎn)量的影響,發(fā)現(xiàn)在同一水分處理下,增施氮肥顯著增加單位面積穗數(shù);同一氮肥處理下,灌水處理增加了穗粒數(shù)、千粒重,平均增加412%與219%,最終產(chǎn)量提高913%。隨著綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展,侯彥林[24]提出/生態(tài)平衡施肥0的理論,指出除考慮作物產(chǎn)量、品質(zhì)之外,還應(yīng)把土壤肥力、生產(chǎn)成本、化肥農(nóng)藥造成的農(nóng)田污染一并考慮進(jìn)去,對當(dāng)前最佳水肥耦合模型的建立具有一定的指導(dǎo)意義。

5抗旱品種選用和調(diào)整作物布局。因地制宜選用抗旱高產(chǎn)作物品種、合理調(diào)整作物種植格局是實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)、高效、節(jié)水的關(guān)鍵措施。每一種作物和品種,都有一個特定的環(huán)境要求,只有品種或作物的生理生態(tài)特性與所生長的環(huán)境相適應(yīng),才能充分發(fā)揮其產(chǎn)量潛力與優(yōu)良特性。目前該項(xiàng)措施主要包括根據(jù)種植區(qū)的降雨和地下水狀況,合理調(diào)整作物結(jié)構(gòu)和播種時(shí)間,使需水規(guī)律與農(nóng)田灌溉吻合,擴(kuò)大生育期耗水與降水耦合性好的作物種植面積,使之獲得適宜的水分條件;適當(dāng)壓縮耗水量大的作物種植面積,并將其安排在水源條件較好的地區(qū),在不影響糧食安全的情況下適當(dāng)多安排經(jīng)濟(jì)效益較高作物的種植;打破常規(guī)種植模式,采取輪作、間作、套做的種植方式;選用高產(chǎn)、抗旱、節(jié)水、高水分利用率的品種。汪順生[25]在豫西地區(qū)研究了套種模式下寬窄行對夏玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響,發(fā)現(xiàn)與常規(guī)栽培相比,寬窄行種植模式有利于夏玉米的株高增長和干物質(zhì)積累,灌漿速率提高比較顯著,平均單產(chǎn)比對照增加1617%,增長效果顯著;胡志橋[26]結(jié)合輪作與調(diào)虧灌溉,探尋解決石羊河流域水資源短缺和不合理種植模式的方法,結(jié)果表明在不同調(diào)虧灌溉條件下采用油葵-小麥/黃豆和小麥/黃豆-小麥兩種種植模式與常規(guī)小麥-玉米輪作模式相比,具有顯著節(jié)水、增產(chǎn)、增收的效果,水分利用率提高了812%~3713%。高傳昌等[27]通過對河南半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)高效用水研究試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在洛旱2號、洛旱7號、豫麥18、周麥18等16種小麥和洛玉3號、洛玉4號、沈單10號、農(nóng)大108等15種玉米在生育期內(nèi),洛旱2號和洛玉4號最為突出,耗水量略低于平均耗水量,但產(chǎn)量卻比平均產(chǎn)量高,作物水分生產(chǎn)率分別為1182kg/m3和2104kg/m3,在種植過程中屬于豫西地區(qū)水分生產(chǎn)率較高的抗旱品種,建議在豫西地區(qū)作為首選品種。

6化學(xué)調(diào)控技術(shù)。保水劑和作物蒸騰調(diào)控劑的應(yīng)用是兩種主要的化學(xué)調(diào)控措施,目前已研發(fā)了多種化學(xué)調(diào)控劑,也吸引了一些學(xué)者對其實(shí)用效果進(jìn)行研究。楊永輝[28229]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)保水劑不僅減少了作物的水分消耗、增加了計(jì)劃濕潤層土壤含水量、提高了作物產(chǎn)量和水分利用率,還明顯改善了土壤的物理特性,促進(jìn)土壤團(tuán)粒的形成,進(jìn)而抑制土壤水分蒸發(fā)和促進(jìn)作物根系的生長。作物蒸騰調(diào)控劑是一種以黃腐殖酸為主要成分,加入植物生長所需要的一些營養(yǎng)元素而制成的一種不含激素、無毒、無害、無環(huán)境污染的化學(xué)抗旱節(jié)水劑,俗稱旱地龍。可以通過噴施、浸種和拌種來使用。王允青[30]通過對照試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在使用旱地龍的情況下,能有效減小作物葉片的氣孔開度和水分蒸騰,增加玉米葉片的葉綠素含量,進(jìn)而增強(qiáng)了光合作用,促進(jìn)了根系的發(fā)育,土壤含水率也顯著提高,玉米穗禿尖減少012cm、穗粒重增加419%,單產(chǎn)增加615%,但對田間持水量和土壤容重影響不大。當(dāng)前化學(xué)調(diào)控劑廣泛用于多種作物,帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

展望及需待研究問題

1農(nóng)藝節(jié)水研究發(fā)展趨勢

我國在農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)的研究與推廣方面取得了一定進(jìn)展,近年來針對不同地區(qū)的水、肥、種、種植、耕作、覆蓋等與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展關(guān)系密切的問題已做過較多的研究工作。如在覆蓋保墑技術(shù)、地膜覆蓋灌水技術(shù)、化學(xué)制劑的保墑抑蒸方面取得了一些成果和經(jīng)驗(yàn),也開發(fā)出了一些相關(guān)產(chǎn)品,推動了農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)在我國的應(yīng)用和發(fā)展。但農(nóng)藝節(jié)水是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程,涉及到田間灌水、節(jié)水品種篩選、節(jié)水高效種植模式、保護(hù)性耕作、水肥耦合、覆蓋保墑及化控節(jié)水等技術(shù)內(nèi)容,這些技術(shù)既有面上通用的,亦有帶有較強(qiáng)區(qū)域性的,目前分散性研究較多,而對成本分析、適用性與可操作性、配合灌溉措施與管理措施的綜合節(jié)水效果及分?jǐn)偙壤恼J(rèn)識上,仍不清晰。在節(jié)水效果好、成本低、操作簡單、便于農(nóng)民采用的農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)及操作規(guī)程方面的研究仍存在一定的難度。在農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)領(lǐng)域取得的很多成果在研發(fā)階段表現(xiàn)出顯著的節(jié)水增產(chǎn)增收效果,但在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中,卻由于缺乏相應(yīng)的技術(shù)產(chǎn)品、配套的應(yīng)用設(shè)施和規(guī)范化的技術(shù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),難以大面積推廣應(yīng)用。各單項(xiàng)技術(shù)之間缺乏有機(jī)的連接和集成,缺乏適宜于不同區(qū)域水土條件的農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)集成體系和應(yīng)用模式,整體配套性能差,整體效益難以發(fā)揮。因此,未來農(nóng)藝節(jié)水的發(fā)展趨勢是借鑒國外高新技術(shù),根據(jù)地區(qū)的資源特點(diǎn)、田間灌水技術(shù)以及作物的種類,開發(fā)出適于地方特色的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、模式化、定量化、集成化的農(nóng)藝節(jié)水綜合技術(shù)體系和應(yīng)用模式。

2需研究解決的問題

根據(jù)農(nóng)藝節(jié)水的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,一些重要的理論問題和關(guān)鍵技術(shù)急待研究解決。

(1)不同農(nóng)藝節(jié)水措施下農(nóng)田的水、氣、熱交換規(guī)律及水鹽運(yùn)動規(guī)律,節(jié)水灌溉技術(shù)條件下的水肥運(yùn)移、吸收利用規(guī)律,耕作保墑技術(shù)等農(nóng)藝技術(shù)措施與節(jié)水灌溉技術(shù)如何結(jié)合成統(tǒng)一的整體,各單項(xiàng)農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)措施怎樣有機(jī)配合產(chǎn)生更好的效益,還有待進(jìn)一步研究。

(2)在覆膜灌溉研究與推廣方面,盡管我國已有20年的歷史,但是相關(guān)的研究還不夠深入,成果還不夠豐富,特別是對覆膜溝灌的入滲規(guī)律、灌水質(zhì)量評價(jià)、灌水技術(shù)方案設(shè)計(jì)理論與方法、地膜敷貼質(zhì)量影響入滲性能的定量分析等方面研究還不能滿足推廣應(yīng)用的需要,有待于進(jìn)一步深入研究。也正因?yàn)樵撛?我國尚缺乏關(guān)于覆膜灌溉的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程。

(3)結(jié)合基因技術(shù),選育抗旱節(jié)水與優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)結(jié)合的小麥、玉米等大田作物品種,根據(jù)區(qū)域自然條件,以提高光熱資源、降雨以及灌溉水利用效率為目標(biāo),研究不同灌溉方式下節(jié)水高效種植方式,確定主要種植制度下農(nóng)田水分高效利用技術(shù)控制參數(shù),提出節(jié)水高效型種植模式及優(yōu)化的量化指標(biāo)。

(4)地膜覆蓋、有機(jī)肥增施及秸稈還田等農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)對環(huán)境污染的問題,加強(qiáng)地膜降解技術(shù)的研究與應(yīng)用,開發(fā)周年生育期內(nèi)可降解的薄膜,減少白色污染;加強(qiáng)抗旱、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)品種的培育和引進(jìn)工作;加強(qiáng)對增施有機(jī)肥和采取化學(xué)調(diào)控措施的監(jiān)控,避免造成土地的隱性污染;嚴(yán)格把握還田秸稈的質(zhì)量,堅(jiān)決清除存在病蟲害的秸稈,以免造成二次災(zāi)害。

(5)發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)藝節(jié)水技術(shù),以土壤-作物-水分-經(jīng)濟(jì)效益為研究主線,將傳統(tǒng)技術(shù)與高分子材料、計(jì)算機(jī)模擬、基因工程融合起來,形成集數(shù)學(xué)、生物、化學(xué)、土壤學(xué)、作物學(xué)、遺傳學(xué)于一體的學(xué)科交叉體系,從水分調(diào)控、水肥耦合、作物生理與遺傳改良等方面出發(fā),探索提高各個環(huán)節(jié)的節(jié)水潛力。

(6)提出不同灌溉方式下的適宜種植制度、灌溉制度、覆蓋技術(shù)及與之配套的農(nóng)藝技術(shù)措施,建立與灌溉方式、農(nóng)藝技術(shù)相結(jié)合的高效農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)體系,提出技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與操作規(guī)程;同時(shí)將農(nóng)藝節(jié)水與工程節(jié)水、管理節(jié)水結(jié)合起來,突出農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)創(chuàng)新和普及,注重農(nóng)機(jī)農(nóng)藝配套,構(gòu)建高效節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)體系,逐步形成蓄水、保水、節(jié)水、用水一體化的農(nóng)業(yè)節(jié)水格局,全面提高農(nóng)業(yè)用水效率。