根区等高覆盖灌溉<br/>——一种新的农田节水集成配套综合技术初探与展望

根区等高覆盖灌溉
——一种新的农田节水集成配套综合技术初探与展望

2017-02-04高国金王明泽杨树龙刘德福任翠梅

节水灌溉 2017年3期

高国金，王明泽，杨树龙，顾鑫，刘德福，任翠梅，杨丽

(1 黑龙江省农业科学院大庆分院，黑龙江大庆 163316；2 肇州县农业技术推广中心，黑龙江肇州 166400)

我国旱区农业要长期应对耕地资源、水资源日趋紧缺，土壤退化，干旱频发，生态环境破坏等主要问题的挑战，解决之道还要依靠转变农业发展方式，由依靠资源和物质投入真正转移到依靠科技进步上来。我国水资源供需矛盾日益尖锐，农业用水浪费严重，水污染问题突出，已成为严重制约我国国民经济可持续发展的瓶颈，是影响到国家安全的重大战略问题[1]。我国传统旱区农业缺乏环境保护意识，化肥、农药、农膜的投入量连年递增，以往的连年高产与农资品的高投放密不可分，而这些过量投入的化肥、农药、农膜等正侵蚀着土壤地力，耕地质量每况愈下，同时也造成日益严重的农业面源污染；秸秆多数用于焚烧，直接还田或过腹还田比例很低，这既浪费了秸秆大部分能量和矿物盐类，也造成了大气污染。科技创新乏力，农业生产中的关键技术大多模仿照搬全国推广的旱作农业技术和节水灌溉技术，并未结合本地实际研发节水、节肥、节药、培肥地力等综合配套技术，修复土壤肥力和保障农产品质量安全，这些样本模式多数因“水土不服”并未发挥应有效应。中国特色新型农业现代化建设要求必须尽快从主要追求产量和依赖资源消耗的粗放经营转移到数量质量效益并重的集约发展上来，尤其随着国内外环境条件变化和长期粗放式经营积累的深层次矛盾逐步显现，中国农业持续稳定发展面临的挑战前所未有。转变农业发展方式，推进优化结构调整，不断提高土地产出率、资源利用率、劳动生产率，实现集约发展、可持续发展，是走中国特色新型农业现代化道路的必然选择[2]。实现这一宏伟目标，无疑需要依靠科技创新来完成这一变革式发展，通过农业科技成果的密集使用来提高农业资源开发利用的广度、深度和精度。一方面要以科技创新和管理创新引领农业产业化发展；另一方面以保护环境和节约资源为重点提升农业可持续发展能力。

农业是我国用水最多的产业，也是节水潜力最大的产业。加大农业节水高新技术的研究和开发推广力度，尽快建立适合我国国情的农业节水技术体系，已成为保障我国水安全、生态安全、粮食安全和经济安全不可替代的和刻不容缓的重大战略举措[1]。建立适合我国国情的农业节水技术体系，必须把节水灌溉措施与农业节水措施有机的融合在一起，形成综合的节水技术体系，发挥综合优势，以达到节水、高产、高效之目的。通过培肥地力，提高土壤蓄水保水能力；通过减少地表蒸发，提高土壤保墒能力(覆盖、免耕、锄地)；通过平整土地、等高耕作，控制农田水分径流，增加水分入渗；以肥调水，规范化栽培，提高单位水量的生产效率(实行科学配方施肥，研究水肥一体化施肥)；通过合理优化和调整作物种植结构，选用耐旱作物和抗旱品种，提高旱地农田水分利用效率。如我国旱区农业在田间开展平整土地，长畦改短畦，宽畦改窄畦，大水漫灌改小畦浅灌，节水效果显著[1]；兰州大学(干旱农业生态研究所)在中国西北部半干旱地区研究的田间微集雨节水技术已经取得非常显著的成效, 旱作农业区玉米全膜双垄沟播集雨技术种植与示范研究表明，玉米全膜双垄沟播集雨技术，使得有限的水资源得到充分的利用，从传统的被动接受干旱农业转变为主动的抗旱过程，创造了一个新的稳定和高产的玉米种植方式，这一技术在粮食增产中绝对占据主要的地位[3-5]；新疆农业生产中灌溉技术由常规漫灌发展为膜下滴灌，取得了明显的节水及增产效应, 常规大水漫灌方式，由于单次灌水量大，灌水后0-40cm土层土壤全面湿润，甚至产生暂时性的接近饱和状态，特别在地势不平的地块，灌溉后在一定时间内极易造成严重的旱涝不均现象，使土壤水、气、热环境失衡，不利于作物生长，影响土壤微生物的发育，影响土壤养分的吸收、转化。膜下滴灌方式，单次灌水量少，灌溉频率高，且土壤属于局部湿润，地表湿润面积较少，土壤水分和温度处于适宜状态，有利于作物生长，改善土壤微生物的生存环境，有利于土壤养分的吸收、转化[6-7]；作物分根区交替灌溉节水技术是以康绍忠院士为主的中国科学家提出的一种节水新技术，该技术能够使根系交替经受一定的干旱锻炼，既可减少灌溉用水量和棵间全部湿润时的无效蒸发，亦可提高根系对水分和养分的利用效率，以不牺牲光合产物积累前提下达到节水目的[8]。

目前，能够把旱区农业生产中普遍存在的农田高效节水灌溉、水肥一体化施肥、秸秆覆盖还田三大技术难题进行深度融合，通过一项集成配套综合技术得以有效解决的还鲜见报道。本文紧密结合我国旱区农业生产实践中急需解决的主要问题，通过农机与农艺的深度融合，提出根区等高覆盖灌溉这一新的集成配套综合技术，解决农业生产中普遍存在的节水灌溉、提高化肥利用率、秸秆还田培肥地力三大技术难题，依靠科技进步转变农业发展方式，“藏粮于地、藏粮于技”，为我国干旱半干旱地区发展现代生态循环农业提供新的模式与方法。

1 根区等高覆盖灌溉的内容

根区等高覆盖灌溉集成配套综合技术的主要内容是：在旱区农业垄作条件下，通过在垄沟内打埂把垄沟做成微小的水平沟面，将粉碎的农作物秸秆覆盖于微小的水平沟面上，结合作物生育期内不同生育阶段的水肥需求，在覆盖农作物秸秆的水平沟面上进行根区等高灌溉和根区等高灌溉施肥。根区等高覆盖灌溉采用农机与农艺相结合的方法，把农田高效节水灌溉、水肥一体化施肥、秸秆覆盖还田三大技术难题进行深度融合，通过一项集成配套综合技术得以有效解决。根区等高覆盖灌溉用于作物全生育期的水肥管理，尤其适用于作物生育中、后期的水肥管理。

2 根区等高覆盖灌溉的实现方式

(1)微小水平沟面制作和秸秆覆盖还田实现方式。使用专用水平沟面秸秆覆盖还田机械，首先将农作物秸秆捡拾到机械的秸秆传输装置中，然后在已经清理干净的垄沟内开沟、打埂，做成微小的水平沟面(用于接纳灌溉水和雨水)，最后将粉碎的农作物秸秆全量覆盖于微小的水平沟面上，实施秸秆全量覆盖还田作业。

(2)根区等高灌溉和根区等高灌溉施肥实现方式。使用专用的灌溉施肥机械设备在覆盖秸秆的微小水平沟面上进行根区等高灌溉。在作物不同生育阶段的需肥期结合灌溉将化肥溶于水中进行水肥一体化的根区等高灌溉施肥。

3 根区等高覆盖灌溉的功能定位

(1)根区等高覆盖灌溉的集成配套的综合效应功能。通过农机与农艺的深度融合形成根区等高覆盖灌溉这一新的集成配套综合技术，把农业生产中普遍存在的高效节水灌溉提高水资源利用率、水肥一体化施肥提高化肥利用率、秸秆覆盖还田培肥地力等主要问题放在一起加以解决。在这一综合技术模式中，秸秆对灌溉水、雨水起到覆盖保护作用，而灌溉和分期施肥可促进秸秆腐解。这样，秸秆覆盖还田与根区等高灌溉、根区等高灌溉施肥相互融合，相互利用，相互促进，使土壤、水、肥、秸秆、作物形成一个有机整体，构建起“水肥秸秆一体化”农田微生态系统，使农业生产所需的水、肥、地力等要素条件的改善和提高具有人为可控性，使农业生产进入工业化管理时代，迈向天人合一、管理可控、资源节约利用循环利用、发展可持续、旱涝保收、高产稳产的现代生态循环农业。

(2)根区等高覆盖灌溉的操作便利、高效功能。我们始终坚持针对生产中存在的问题研究农艺措施，根据农艺要求研制机械设备这一原则，最终通过机械设备的操作来实施农艺措施，达到便捷高效解决问题的目的。其中，根区等高覆盖灌溉设定的目标是，用接近于滴灌的灌水量、明显高于喷灌的作业效率进行定点、定量农田高效节水灌溉；根区等高灌溉施肥设定的目标是，施肥操作便利、精准，抗堵性强(甚至完全排除堵塞问题)，显著减少化肥用量；秸秆覆盖还田设定的目标是，秸秆全量覆盖还田。

(3)根区等高覆盖灌溉的水肥一体化管理功能。根区等高覆盖灌溉是在作物全生育期中的水肥一体化管理，尤其适用于作物生育中、后期的水肥一体化管理。根区等高覆盖灌溉使用专用的灌溉施肥机械设备在微小的水平沟面上进行根区等高灌溉、根区等高灌溉施肥可以很容易地进行精准的定点、定量灌溉和施肥，可以根据作物对水、肥的需求进行设计和管理，使灌水时间和灌水量、施肥时间和施肥量更加精确；使灌溉的操作和管理更加便捷、精准，甚至可以使用计算机进行控制，彻底改变了地面灌溉的粗放模式，使农业种植融入了工业化管理的思路，更能充分体现出现代生态循环农业的特征。

(4)根区等高覆盖灌溉的显著经济和生态效益功能。在目前新常态经济发展环境下，农业科学技术推广应用的前提条件是必须具有显著的经济效益和生态效益。经济效益关乎农民能否认可该项技术，是农民增加收入、改善生活水平的基础。生态效益关乎社会(政府)能否认可该项技术，是保持农业发展的可持续性和发展现代生态循环农业的基础。一项好的农业应用技术的推广应用既需要农民的积极参与，又需要政府的大力扶持，能够获得如此效果的根源还在于技术本身具有显著的经济效益和生态效益。其中，经济的高效益更具有吸引力和生命力。

4 根区等高覆盖灌溉的应用效果

根区等高覆盖灌溉是近年来在总结科研、生产工作基础上而形成的一种新的集成配套综合技术，目前对该技术的研究现状只局限于宏观层面的定性分析方面，尚缺乏全面、系统的量化统计分析数据。初步研究表明：根区等高覆盖灌溉这一新的集成配套综合技术，可以有效解决我国干旱、半干旱地区农业生产中普遍存在的节水灌溉、提高化肥利用率、秸秆还田培肥地力三大技术难题，对转变农业发展方式，加速推进现代生态循环农业建设进程具有重要意义。基本实现了本项集成配套综合技术的功能定位，即在灌水量方面，用接近于滴灌的灌水量进行定点、定量农田高效节水灌溉；在水肥一体化施肥方面，不仅有效解决了堵塞问题，而且能够显著减少化肥用量；在秸秆覆盖还田方面，完全可以实现秸秆全量覆盖还田；在对玉米生长和产量的影响方面，由于实现了全生育期特别是中、后期的水肥一体化管理，显著改善了土壤理化性状和水、肥的均衡持续供应能力，增加了玉米花后干物质积累量，减缓了玉米生育后期叶片衰老进程，有利于促进玉米生长发育和产量的提高。今后研究重点集中在两个方面：一方面是对这一新的集成配套综合技术开展全面系统的研究工作；另一方面是如何使这一新的集成配套综合技术得以实现的相关机械设备的研制、调试工作。通过农机与农艺的深度融合，为今后开展根区等高覆盖灌溉的大面积生产示范奠定坚实的基础。

5 根区等高覆盖灌溉研究的展望

(1)在我国的干旱半干旱地区农业生产实践中真正实现高效节水灌溉。及时、便捷、精准的农田灌溉是农业稳产、高产的重要保障，是种植业获取稳定收入的关键。如2014年美国玉米高产竞赛[9]，灌溉田块的最高产量(31 617 kg/hm2)比不灌溉田块的最高产量(22 773 kg/hm2)高8 844 kg/hm2，灌溉的增产效应达39%。现代农田灌溉技术的发展，既需要灌溉技术方法和灌溉机械设备的创新，通过应用现代信息控制技术和新材料技术，大幅度提升农田灌溉的科技水平；更需要把农田节水灌溉措施与农业节水措施有机的融合在一起，形成综合的节水技术体系，把农田灌溉技术融汇于现代农业节水综合技术中，并促进农业节水技术向着定量化、规范化、模式化、集成化和持续高效方向发展。结合我国干旱、半干旱地区农业生产中普遍存在的水资源紧缺、干旱频繁、土壤板结保水保肥性差、农业用水量大且浪费严重等主要问题，通过农机与农艺相结合的途径发展我国的现代农业节水综合技术，把单项农业节水技术向综合的节水技术体系转变，把单一灌溉向水肥一体化转变，把过去丰水高产型充分灌溉转向节水优产型的非充分局部灌溉。形成具有国际竞争力的农业节水高科技产业，实现节水高效农业的跨越式发展。但目前在农业节水领域还缺乏适合中国国情的技术体系和产品。因此[1]，迫切需要对农业节水前沿性问题进行原创性研究，通过水-土-作物-大气之间的相互关系、干旱条件下植物根系信号传输与气孔反应的机制、干旱胁迫锻炼对植物超补偿功能的刺激等问题的研究，带来节水原理和技术的创新，促进节水新思路的问世和源头高技术的产生；需要开发一批新的节水新产品，促进产业化。

根区等高覆盖灌溉技术把非充分局部灌溉和秸秆覆盖还田有机融合在一起，采用微小的水平沟面灌溉有效避免了灌溉水的地表径流，实现了定点定量灌溉，确保了灌溉均匀度，显著减少灌水量；采用秸秆覆盖还田将粉碎的农作物秸秆覆盖于微小的水平沟面上，用作根区等高灌溉后减少地表水分蒸发的覆盖物。秸秆对灌溉水、雨水起到覆盖保护作用，大量减少了地表水分蒸发，显著增加了土壤蓄水量，而灌溉和分期水肥一体化施肥可促进秸秆腐解。这样，根区等高覆盖灌溉技术在实现农田高效节水灌溉，提高水资源利用率的同时，还使旱区秸秆覆盖还田得以真正实施。

(2)在我国的干旱半干旱地区农业生产实践中真正实现水肥一体化施肥。肥料只有溶入到土壤溶液中才能够被作物吸收利用。在满足作物肥料供应基础上，土壤水分含量是肥料能否被作物吸收的主要因素。我国干旱地区的生产实践证明，化肥的利用率与自然降水密切相关。因此，水肥一体化施肥是本区域提高化肥利用率最有效的措施。发展微灌灌溉和微灌施肥非常符合我国干旱地区农业生产的实际。目前我国的水肥一体化施肥技术主要应用在滴灌、泉涌灌等微灌系统中。但是，从技术应用角度看，我国水肥一体化施肥技术推广速度缓慢。其原因主要在于：一是社会广泛关注了节水设备，而忽视了与之配套的水肥一体化施肥技术；二是我国微灌设备生产企业历史短、规模小、技术相对落后、创新研发能力不足，生产的产品质量不高、性能不稳定。有的微灌设备只能用于灌溉，根本就不能进行水肥一体化施肥；三是技术培训与服务不到位，微灌设备的功能发挥不到位，投资成本较高增收效果不好。

我国的水肥一体化施肥技术主要应用于滴灌系统，以上问题也是主要发生在滴灌系统中，如过滤问题、滴头堵塞问题等。根据水肥一体化施肥技术应用过程中出现的问题，研究新型微灌技术和方法是重要内容，本文采用微小的水平沟面灌溉方法属于小管出流式的微灌，可以彻底排除掉堵塞问题，只要施肥方案制定得科学合理，通过根区等高覆盖灌溉方法就可以进行水肥一体化施肥。随着专用灌溉施肥机械的研制应用，我国的干旱半干旱地区农业生产就有希望能够真正实现水肥一体化施肥。

(3)在我国的干旱半干旱地区农业生产实践中真正实现秸秆覆盖还田。发达国家在农作物秸秆资源利用方面主要以秸秆还田、培肥地力为主，而我国目前秸秆资源化利用很低，大部分秸秆资源被遗弃或焚烧，造成有机质和养分资源的巨大浪费，同时带来严重的环境污染问题[10]。在我国农业生产实践中，秸秆还田方式主要以翻埋还田为主，这一方式对于我国的干旱、半干旱地区农业生产是不适用的。近年来许多学者从研究的角度开展了免耕条件下秸秆覆盖还田的相关问题研究，并取得了比较系统的研究成果。地膜覆盖和秸秆覆盖被认为是雨养农业区有效增加土壤蓄水量和提高作物产量的重要技术措施[11，12]。免耕秸秆覆盖是中国北方玉米种植区有效的保墒增产措施[13]。免耕和秸秆覆盖还田构成的秸秆-土壤-农作物这一复合亚生态系统能够激发土壤微生物和土壤酶的活性，推动土壤代谢过程[14]。秸秆覆盖还田技术在盐碱土利用改良方面也取得了较好效果，许多研究表明[15、16]，秸秆覆盖还田对当季作物的作用主要表现在提高土壤蓄水保水能力和抑制地表返盐上。一方面秸秆覆盖能够有效拦蓄雨水、减少地表径流，增加雨水入渗量进而提高土壤蓄水量。另一方面秸秆覆盖通过大量减少地表蒸发提高土壤含水量和保水能力，同时因控制土壤水分的地表蒸发而有效调控盐碱土壤的水盐移动，抑制地表返盐，使耕层土壤含盐量控制在作物耐盐度以内。秸秆覆盖还田对盐碱土壤的水盐运动调控的综合效应有利于促进作物的生长发育和产量的提高。长期连续实施秸秆覆盖还田会不断提高盐碱土壤的肥力和质量水平。诸如此类的众多研究成果，在我国的干旱、半干旱地区农业生产实践中因缺水干旱的气候特点和缺乏创新性耕作栽培技术，而难以真正在大面积农田生产中推广和应用。因此，针对我国干旱半干旱地区农业生产实际开展秸秆还田培肥地力的适用配套技术和机械的研究显得尤为重要和紧迫。如何科学、有效地解决我国干旱、半干旱地区秸秆还田配套技术，通过农机与农艺结合创新秸秆还田技术方法，已是加快发展现代农业亟待解决的一个重要科技问题。

根区等高覆盖灌溉研究中，把根区等高灌溉方法与秸秆覆盖还田技术相结合，将粉碎的农作物秸秆覆盖于微小的水平沟面上，既实现了秸秆还田，又充当了灌溉水的覆盖物。秸秆对灌溉水、雨水起到覆盖保护的作用，大量减少了地表水分的蒸发，显著增加了土壤的蓄水量，大幅度提高了灌溉水和自然降水的利用效率。潮湿的环境和增施的氮肥有利于加速秸秆的腐烂降解，进而增加土壤腐殖质的含量，提高土壤肥力，使干旱地区农业生产的秸秆覆盖还田具有可行性。

[1] 康绍忠. 农业水土工程概论[M]. 北京：中国农业出版社, 2007:329-356.

[2] 张玲玲. 对中国陕北地区发展循环农业的研究[J]. 世界农业, 2015,(10):225-230.

[3] 李凤民, Siddique KHM, Turner NC, 等. 气候变化下旱区农业生态系统的可持续性[J]. 生态学报, 2011,31(9):1-2.

[4] 金胜利, 周丽敏, 李凤民, 等.黄土高原地区双垄全膜覆盖沟播栽培技术土壤水温条件及其产量效应[J]. 干旱地区农业研究, 2010,28(2):28-33.

[5] 李凤民, 徐进章. 黄土高原半干旱地区集水型生态农业分析[J]. 中国生态农业学报, 2002,10(1):101-103.

[6] 梁银丽. 土壤水分和氮磷营养对冬小麦根系生长及水分利用的调节[J]. 生态学报, 1996,16(3):258-264.

[7] 张前兵, 杨玲, 张旺锋, 等. 农艺措施对干旱区棉田土壤有机碳及微生物量碳含量的影响[J]. 中国农业科学, 2014,47(22):4 463-4 474.

[8] 康绍忠, 张建华, 梁宗锁, 等. 控制性交替灌水—— 一种新的农田节水调控思路[J]. 干旱地区农业研究, 1997,15(1):1-6.

[9] 张洪艳, 吕超, 代玉山, 等. 2014年美国玉米高产竞赛简报[J]. 玉米科学, 2015,23(3):154-158.

[10] 高丽秀, 李俊华, 张宏, 等. 秸秆还田对滴灌春小麦产量和土壤肥力的影响[J]. 土壤通报, 2015,46(5):1 155-1 160.

[11] 梁建财, 史海滨, 杨树青, 等. 秸秆覆盖对盐渍土壤水盐状况及向日葵产量的影响[J]. 土壤通报, 2014,45(5):1 202-1 206.

[12] 毕远杰, 王全九, 雪静. 覆盖及水质对土壤水盐状况及油葵产量的影响[J]. 农业工程学报, 2010,26(增刊1):83-89.