農(nóng)藝節(jié)水論文：農(nóng)藝節(jié)水進展趨勢

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本文作者：高傳昌、王興、汪順生、史尚 單位：華北水利水電學院

農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)研究進展

提到農(nóng)業(yè)節(jié)水,大部分人都會想到加強水資源管理、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,達到高效用水的目的。近年來,國內(nèi)學者將耕作保墑技術(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,通過分層蓋土,壟側(cè)和苗帶鎮(zhèn)壓,密實土壤,與常規(guī)耕作種植相比,促進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,化學覆蓋的應用研究相對少一些。秸稈覆蓋是將作物的秸稈或干草等鋪在土壤表面,具有造價低、調(diào)低溫、抑雜草的的特點,國內(nèi)大量學者對此進行了研究。砂石覆蓋是指卵石、粗砂等混合覆蓋在土層表面,主要在我國西北風沙地區(qū)應用,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,推遲并延長了返青期,縮短了灌漿時間,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,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,通過大田對照試驗詳細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)濟效益。針對塑料薄膜覆蓋使用不當會帶來/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,更有利于光合作用產(chǎn)物的形成,實現(xiàn)了增產(chǎn)節(jié)水。

3增施有機肥和秸稈還田技術(shù)。焚燒秸稈既造成農(nóng)業(yè)資源的浪費,又污染環(huán)境,成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護的一大難題。實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,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,單獨增施有機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]利用三年時間,在對冬小麥增施有機肥與秸稈還田相結(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)同效應和激勵機制,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作為重點攻關(guān)專題,通過多學科的聯(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條件下,各因素對大豆產(chǎn)量均有影響,順序為:水>氮>鉀>磷;水肥耦合的產(chǎn)量效應顯著,且存在水肥用量臨界值,中水中肥條件下產(chǎn)量效應最優(yōu)。仲爽[22]根據(jù)玉米產(chǎn)量與耗水量的試驗結(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,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)田污染一并考慮進去,對當前最佳水肥耦合模型的建立具有一定的指導意義。

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,才能充分發(fā)揮其產(chǎn)量潛力與優(yōu)良特性。目前該項措施主要包括根據(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)和播種時間,使需水規(guī)律與農(nóng)田灌溉吻合,擴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多安排經(jīng)濟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化學調(diào)控技術(shù)。保水劑和作物蒸騰調(diào)控劑的應用是兩種主要的化學調(diào)控措施,目前已研發(fā)了多種化學調(diào)控劑,也吸引了一些學者對其實用效果進行研究。楊永輝[28229]通過試驗發(fā)現(xiàn)保水劑不僅減少了作物的水分消耗、增加了計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,促進土壤團粒的形成,進而抑制土壤水分蒸發(fā)和促進作物根系的生長。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)境污染的化學抗旱節(jié)水劑,俗稱旱地龍?？梢酝ㄟ^噴施、浸種和拌種來使用。王允青[30]通過對照試驗發(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,進而增強了光合作用,促進了根系的發(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。當前化學調(diào)控劑廣泛用于多種作物,帶來了巨大的經(jīng)濟和社會效益。

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)、化學制劑的保墑抑蒸方面取得了一些成果和經(jīng)驗,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)在我國的應用和發(fā)展。但農(nóng)藝節(jié)水是一個復雜的系統(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)水效果及分攤比例的認識上,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)實際應用中,卻由于缺乏相應的技術(shù)產(chǎn)品、配套的應用設(shè)施和規(guī)范化的技術(shù)產(chǎn)品標準,難以大面積推廣應用。各單項技術(shù)之間缺乏有機的連接和集成,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、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準化、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)律及水鹽運動規(guī)律,節(jié)水灌溉技術(shù)條件下的水肥運移、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,各單項農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)措施怎樣有機配合產(chǎn)生更好的效益,還有待進一步研究。

(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、灌水技術(shù)方案設(shè)計理論與方法、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用的需要,有待于進一步深入研究。也正因為該原因,我國尚缺乏關(guān)于覆膜灌溉的標準規(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,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。

(4)地膜覆蓋、有機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,加強地膜降解技術(shù)的研究與應用,開發(fā)周年生育期內(nèi)可降解的薄膜,減少白色污染;加強抗旱、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)品種的培育和引進工作;加強對增施有機肥和采取化學調(diào)控措施的監(jiān)控,避免造成土地的隱性污染;嚴格把握還田秸稈的質(zhì)量,堅決清除存在病蟲害的秸稈,以免造成二次災害。

(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)濟效益為研究主線,將傳統(tǒng)技術(shù)與高分子材料、計算機模擬、基因工程融合起來,形成集數(shù)學、生物、化學、土壤學、作物學、遺傳學于一體的學科交叉體系,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)標準與操作規(guī)程;同時將農(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。