黑龙江省高效节水技术研究应用十年回顾

李芳花，黄 彦，郑文生，王 柏

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

黑龙江省是农业大省，农作物播种面积达1593.3万hm2,承担和保障着国家粮食安全的重任。水资源总量810亿m3[1]，耕地占有量仅为5083.5 m3/hm2，低于全国22 995 m3/hm2的平均水平。黑龙江省水资源时空分布不均，耕地的85%集中在松嫩平原、三江平原，而水资源量仅占全省水资源量的50%；作物生育期降水量分布不均，多集中在6—9月。近些年，农业旱灾频繁出现，导致作物减产、农民减收，制约了区域经济社会发展。而且，随着农田水利工程的投入，灌溉面积不断扩大，农业灌溉用水量持续攀升，全省农业用水量已达到总用水量的70%。由此，需要从整体思路来考虑如何解决水资源短缺与有效利用问题，开展高效节水技术研究与应用推广，使综合节水能力得到快速提升。近十年来，黑龙江省水利科学研究院通过开展水旱田高效节水、农业综合节水、节水技术集成等研究，提出了喷灌、滴灌、机械化节水抗旱技术、玉米需水规律与灌溉管理技术、寒区玉米膜下滴灌高产栽培节水灌溉技术、调亏型抗旱灌溉技术、水稻控灌条件下高产栽培技术等研究成果，凝练了适合黑龙江省自然条件的节水灌溉技术及管理模式，提出了标准化水田示范区建设模式，广泛用于全省小型农田水利重点县项目和高标准灌区工程建设，其研究成果为黑龙江省农田水利科研事业的发展，奠定了坚实的基础。

1 背 景

2009年国务院常务会议通过了《黑龙江省千亿斤粮食生产能力建设规划》，同年黑龙江省与国家水利部签定了“关于加快黑龙江水利发展与改革、推进黑龙江千亿斤粮食产能工程建设合作备忘录”。2011年，黑龙江省又提出在“十二五”期末，全省粮食总产量再上新台阶，力争达到1500亿斤的目标。同年，财政部、水利部、农业部联合发布了关于支持东北四省区开展“节水增粮行动”的意见，通过大规模水利建设发展灌溉农业。2012—2015年发展高效节水灌溉工程253.33万hm2，黑龙江省规划落实100万hm2，占总面积的40%，含大型喷灌面积53.33万hm2、膜下滴灌面积17.33万hm2、中小型喷灌面积25.33万hm2、水稻灌区灌溉面积4.00万hm2。农业节水是推行绿色发展方式、增强农业可持续发展能力的方向性、战略性大事。发展高效节水灌溉是深入推进农业供给侧结构性改革的重要内容，2018年国家计划新增高标准农田533.33万hm2以上、高效灌溉面积133.33万hm2，这是2018年我国政府向全社会做出的庄重承诺。

高效节水灌溉是黑龙江省农作物生产中效果最明显、潜力最大的节水途径，在灌溉区碎片化经营、水资源限定、时空分布不均的条件下，如何合理开发利用地下水资源，科学、有序发展高效灌溉面积，研究高效灌溉条件的共性和关键技术，组装适合区域节水增效综合技术模式，提高农田水资源利用效率，大幅增加粮食产量，提出适合的工程建设与管理模式，显得尤为重要。因此，深入开展高效节水灌溉的关键技术课题研究，将对支持节水灌溉工程建设管理、持续提高粮食生产能力、促进水资源不足地区开展长效化高效灌溉、保障灌区社会安定和国家粮食安全等具有重要的现实意义。

2 技术发展与需求

高效节水灌溉是对除土渠输水和地表漫灌之外所有输、灌水方式的统称。根据灌溉技术发展的进程，输水方式在土渠的基础上大致经过防渗渠和管道输水两个阶段，灌水方式则在地表漫灌的基础上发展为喷灌、微灌、直至地下滴灌。高效节水灌溉是一个重要的、长期的研究课题，涉及农田水利工程、农学、生态学、气象学等多个学科交叉的研究领域，其研究的突破必须依靠新的相关理论与技术来支撑。针对黑龙江省旱田、水田作物高效节水的技术需求，依据非充分灌溉、水肥耦合、调亏灌溉等高效节水灌溉理论与方法研究灌溉管理技术，以提高输水效率和水分利用率为目标开发关键工程技术与产品，以应用示范推广为目标进行全链式创新研究。重点采用作物高效耗水协同调控理论与方法，建立适应规模化、集约化水旱田的高效节水灌溉关键技术体系与应用模式，实现示范推广应用过程的节水灌溉技术、农艺与农机技术和相关政策机制等有机融合，达到节水、高效、绿色、生态的目标。

在节水灌溉作物的总耗水中，只有不到2%的水分滞留在作物中，其余98%以上的水分通过土壤的蒸发和作物叶面蒸腾两个途径散发到大气中。可见，在水资源紧缺的情势下，对于灌溉用水来说，最大的节水潜力在于提高作物的水分生产率，而应用转基因技术来创造新的抗旱节水品种，应该是一项潜力巨大的节水高新技术。在水资源高效利用领域，量水设施、信息系统、自动化设备及集成系统开发等方面的研究，对灌溉水优化调度及提高有效利用率具有很大的挖掘潜力。“3S”技术属于现代对地观测新技术，其应用已成为现代灌溉农业不可缺少的一部分。在农业管理过程中，研究通过遥感、地理信息系统、全球卫星定位系统以及自动化控制技术，按照田间每一操作单元的具体条件，精细准确地实施灌溉、施肥等管理措施，可以最大限度地优化使用各项农业投入，以获取最高产量和最大经济效益。精准农业的研究与发展将会大大提高作物对水的利用效率，是重要的节水措施之一。在灌溉评价中，其生态效益因素体现着灌溉对当地生态环境改善的显著作用，单位面积产量体现着紧缺土地资源的生产能力，作物对水、肥的利用效率，灌溉水利用系数，水分生产率等体现着不同灌溉方式达到的精确、高效目标实现程度。因此，灌溉评价理论研究中，评价指标及其权重的确定，需综合社会、经济、生态、资源匹配等多项目标进行选择。

3 水田节水灌溉技术研究

水田节水灌溉技术是充分合理利用各种灌溉水资源，采取工程、农业、管理等技术措施，使区域内有限的灌溉水资源总体利用率最高及其效益最佳的一种技术集成。

水田节水灌溉综合技术包括工程节水、农业节水和管理节水，其中：工程节水技术措施主要包括渠道防渗、管道输水灌溉、改进地面灌、集雨灌溉等；农业节水技术措施主要包括以调减高耗水作物种植面积为主要方向的种植结构优化技术，以提高作物抗逆性为主要方向的品种改良技术，耕作保墒技术，以配方施肥、增施有机肥为主要内容的水肥耦合技术，合理水稻种植密度等；管理节水技术措施主要包括节水高效灌溉制度的制定、土壤墒情监测与灌溉预报技术，灌区配水技术，灌区量水技术和灌溉自动控制技术等几个方面。

3.1 项目支撑

在水田节水技术研究方面，先后承担了国家重点研发计划“水田高效节水灌溉技术集成应用”、国家科技支撑计划项目“大型灌区节水技术集成与示范”，黑龙江省科技攻关项目“水稻控灌条件高产栽培技术模式研究”“非充分灌溉条件下水稻节水灌溉模式的研究”，黑龙江省水利厅重点科技项目“寒地高纬度区水稻田间用水管理标准研究与制定”等科研项目。

3.2 取得的研究成果

3.2.1 研发了装配式矩型混凝土渠道，确定了防渗、防冻胀措施

引进了国外渠道设计理念，研制了适应于支、斗、农灌溉渠道的装配式矩型渠道系列产品，提出了自密实混凝土和加筋混凝土的渠道结构设计方法和装配式构件生产工艺等，确定了混凝土配比参数，产品指标达到C50、F300标准，较现行工程中使用的U型渠槽、梯型预制块、现浇混凝土等渠道，延长渠道使用寿命30 a以上，提高了施工速度和质量及输配水利用效率。提出了铺装EPS颗粒轻质土、EPS保温板、GCL膨润土垫等保温材料和换填(砂、碎石)等防冻胀措施[2-6]，减小渠基土的冻深与冻胀量，减轻土体冻胀融沉降对防渗防护结构的破坏。确定了铺装材料、换填形式和铺装厚度。

3.2.2 提出了适宜寒冷地区的管道化灌溉技术模式

通过反复冻融循环实验，筛选了适宜寒冷地区冻胀破坏的管道材料，确定了季节性冻土区管道埋设深度为0.6～1.0 m[7-9]。形成了寒冷粳稻灌区输水管道系统技术指标，采用自然压式和加压式两种灌溉供水工程方式，解决了北方“管代渠”的重大难题，降低了工程造价。其优势是减少占地，便于维护，提高灌溉水利用效率，土地利用率提高5%以上。自压式可大幅节约运行耗电成本，较加压式节约耗电50%以上。编制了《寒地水田灌区地埋低压管道输配水技术规程》，为技术推广提供了规范性文件。

3.2.3 建立了规模化、标准化的田间示范工程

根据土壤类型、灌水条件及方式、农机作业效率等，建设规模化、标准化田间示范工程。格田规格推荐为50 m×60 m、50 m×100 m、100 m×100 m，利用激光技术平整田面，高差±3 cm；灌水渠道采用装配式矩型渠道，排水沟道采用生态或半生态形式；为便于农机作业，增设田间作业道路，间距200～500 m。形成渠、田、林、路及生态沟道于一体的标准化农田，为田间工程标准化建设提供了样板。

3.2.4 建立了水稻全生育期节水控制灌溉制度

控制灌溉通过薄水层灌溉、无水层管理方式充分利用灌溉水和天然降水，在减少灌溉用水量的同时，最大限度地减少田面劣变水排放，从而减少了灌区农业面源污染。节水控制灌溉在管道灌溉示范区和渠道灌溉示范区比对照区分别增产23.4%、27.8%，说明控制灌溉的水分管理在水稻产量指标形成时期为后期水稻稳产高产打下了基础。在综合分析水稻植株生态指标与土壤水分调控之间的耦合关系的基础上，确定了寒地黑土区水稻非充分灌溉土壤水分控制阈值，为水稻节水高产灌溉建立了最优灌溉模式[10-13]。建立了具有区域性的水稻水分生产函数模型，揭示了寒地黑土区水稻阶段需水敏感规律，确定了阶段需水优化分配与产量关系，为寒地黑土区水资源优化配置、水利工程规划提供基本依据。

3.2.5 提出了节水控制灌溉及水肥一体化技术模式

以控制灌溉模式进行灌水管理，施肥、用药时按照实际需求保持水层深度和时间，分段施肥比例为基肥∶蘖肥∶穗肥∶花肥=4.5∶2∶1.5∶2，插秧密度为21穴/m2时为最优组合模式。技术模式较充分灌溉方式可提高产量13.0%，水分生产率可提高21.14%，肥料利用率提高。稻田是CO2(二氧化碳)、CH4(甲烷)和N2O(氧化亚氮)等温室气体的主要排放源，CH4和N2O会对臭氧层产生破坏作用。水稻节水控制灌溉使水稻田面长期无水层成为现实，使土壤排放的温室气体总量、组成及其产生的潜在温室效应也相应发生变化[14-21]。水稻控制灌溉与水肥一体化模式对减少面污染源、减少温室气体排放、改善灌区生态环境具有显著生态效益。同时也减少了因地下水位抬高引起的次生盐害，有利于防止水土流失。

4 旱田节水技术研究

4.1 项目支撑

结合黑龙江省干旱、半干旱地区节水农业发展需求，积极开拓思路，从科技性、实用性、高效性出发，在节水灌溉技术、行走式节水灌溉机械、深松改土蓄水保墒机械研发及应用、旱情监测和预测预报技术等方面，取得了丰硕的科研成果。先后承担了国家科技支撑计划“黑龙江西部节水增粮高效灌溉技术集成研究与规模化示范”、水利部科技推广项目“农业高效喷灌技术推广示范”、黑龙江省科技攻关项目“松嫩平原干旱、半干旱区节水旱作农业综合技术研究与示范(专题)”、黑龙江省科技推广计划“振动深松旋耕灭茬蓄水保墒机”；黑龙江省青年基金项目“黑土区坡面土壤氮肥随侵蚀径流运移规律试验研究”“黑土区滴灌水肥一体化条件下土壤水氮迁移规律”、黑龙江省水利厅重点科技项目“节水增粮行动高效灌溉关键技术研究与示范”项目等，编制了“旱作节水抗旱技术规范”“苗期补灌技术规范”“注(坐)水灌溉播种技术规范”“黑龙江省农用井(机电井)管护规程”等地方标准。

4.2 取得的研究成果

4.2.1 抗旱保墒技术及其应用研究

先后承担了水利部、科技部及省内科研项目研发了具有自主产权的2BFS-1、8ZS-2、1SZ-140/210/280等三个系列抗旱机具专利产品。注水灌溉技术的研究与推广，以2BFS-1暗式注水点播机、8ZS-2中耕作物补水机的研制为核心，创造性地应用发展了“土壤中水热平衡理论”，首次提出了坐水种及中耕注水灌溉的技术指标，为黑龙江省大田播种期、中耕期旱作物节水灌溉开辟了一条点水源机械化灌溉的新途径。通过对田间给水方式的创新改变了以往传统坐水种费工、费时、效率低的状况，使干旱、半干旱地区的玉米等大田作物的松土、注水、开沟、播种、施肥、覆土、镇压七项作业一次完成，达到了注水、播种同步进行，使干旱、半干旱地区的玉米等大田作物春季播种、灌溉实现机械化作业，作业效率提高10倍以上。在黑龙江省及东北地区累计应用面积达到3.33万hm2以上，取得了显著的经济效益和社会效益。成果经鉴定均达到了国内领先水平，并获得了国家实用新型专利，先后获得水利部科技进步二等奖、国家发明四等奖、黑龙江省省长特别奖，使大田坐水种、中耕期补水实现了机械化作业。依据该项科研成果中注水灌溉机理和技术指标研究，注水灌溉及其相关定义和指标已作为节水灌溉的一种方式写入国家“节水灌溉技术规范”中。

4.2.2 形成了东北半干旱区节水灌溉技术集成模式

以东北半干旱抗旱灌溉区粮食生产为对象，以提高降水利用率、节水增产增效为目标，经过多年的试验研究和示范，形成了抗旱灌溉节水农业模式和技术体系，建设示范区1666.67 hm2，降水利用率由50%提高到75%，作物水分利用效率由0.90 kg/m3提高到1.27 kg/m3，增产30%。

建立了节水、抗旱、保土、兼顾生态的抗旱灌溉节水农业模式，完成了暗式注水灌溉点播、苗期中耕补灌、坡耕地垄向区田蓄水、振动式深松改土蓄水、行间覆膜播种、机械化保护性耕作等关键技术研究，集成了基于信息技术的东北半干旱抗旱灌溉区“蓄、保、补”抗旱技术体系[22-23]，探索了示范区节水评价体系和运行管理机制，为节水农业发展提供了示范样板和技术支持。课题成果应用2.89万hm2，节水1216万m3，取得了明显的经济、社会和生态效益，应用前景良好。

4.2.3 玉米膜下滴灌设备与技术集成模式

以保障国家粮食安全和水安全为目标，重点研发低压膜下滴灌专用灌水器和移动式滴灌灌水施肥装置，提出低压膜下滴灌系统优化设计方法和标准化配套模式；研究膜下滴灌技术节水增产机理和水肥管理调控方法[24-25]，开发滴灌系统运行管理和性能评价软件与指南；提出不同积温带玉米膜下滴灌节水增产灌溉施肥制度及水肥管理模式，构建玉米膜下滴灌技术经济评价指标体系。达到节水、节能、增产、保障农田生态环境安全的综合目的，为膜下滴灌技术在北方地区的大规模推广应用提供技术支撑。在黑龙江等地建设示范区133.33 hm2以上，示范区辐射面积666.67 hm2以上；田间水利用率提高10%以上，肥料利用效率提高10%～15%，增产粮食10%～15%。

5 未来研究方向

(1)水田：水田节水面临“适度规模化、全程机械化、高度集约化”发展新机遇，同时也面临发展节水灌溉技术带来的区域衍生水问题，由研究水量对产量的影响到更重视水对品质的影响，从单一的农田水循环逐渐扩展到渠系、灌区及流域尺度，从农业用水单一环节的研究，转向为充分考虑输配水与水转化过程、水分消耗过程、经济产量形成过程、水利工程质量与效益等农业用水多环节的系统性耦合研究，在研究过程中考虑农业环境、生态、景观平衡，注重生态灌区建设、农村水环境与生态保护。因此，要在作物高效用水机理与农业灌溉用水对生态环境的影响，灌区用水精准量测与精量调配控制，节水灌溉与生态环境效应评价技术与方法等方面创新节水灌溉理论，突破高效节水灌溉关键技术与集成技术，亟需在基础理论、共性关键技术、应用集成示范方面取得重大创新与突破。

(2)旱田：重点开展东北粮食主产区高效节水灌溉技术与集成应用研究、水资源优化调配及对区域生态环境影响研究、旱作农业高效节水灌溉技术集成研究与示范和土壤墒情监测与旱情预测系统在节水农业中应用研究；利用生物、计算机模拟、电子信息、高分子材料等一系列高新技术手段进行试验研究，实现多学科相互交叉、各种单项技术互相渗透的综合研究思路，提高节水灌溉研究水平[26-30]。