自动节水灌溉技术研究及其应用

李建新

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

农用灌溉水利技术是农业生产高效实施的基础，合理应用灌溉技术能够为农作物生长创造良好条件，尤其在现代化农业生产过程中，大面积耕作的农田对于灌溉要求更高，传统漫灌式灌溉不能充分利用水资源，不合理的灌溉还会造成水土流失。2017—2022年，每年的中央一号文件均会对建设高效节水农田提出相关要求，我国农田的水利基础设施建设也得到了良好开展。但目前来看，我国的现代化灌溉技术应用仍处于起步阶段，现代微灌、滴灌等节水灌溉技术普及程度仍待提升，尤其对于水资源短缺地区，应当通过合理应用节水灌溉技术提高水资源利用率。

1 节水灌溉技术应用情况

1.1 国际先进经验

节水灌溉技术作为精确农业的重要组成部分，一直以来受到世界各国的高度重视，尤以欧洲、日本等农业发达国家研究与应用居多，节水灌溉技术的应用已经在发达国家展现出明显的技术优势，有效实现了资源的最佳利用。美国在近百年来一直致力于节水灌溉技术的研究与普及，为更好满足西部干旱、半干旱农田的用水需求，对农田进行了大范围的管道输水基础设施建设，并以农田为核心建立了系统化的节水灌溉技术体系。自20世纪50年代，美国开始推广节水灌溉技术后，到21世纪初期，其节水灌溉农田比例以超过55%，尤其在2010年以后的十余年间，计算机技术和电气控制技术与节水灌溉技术实现了深度融合，并逐渐对不同地区的农田进行灌溉系统的设计和建设，实现了农田灌溉与气象、土壤等信息的结合，灌溉过程全程自动化，农民仅通过电子设备查看排水灌水过程即可。日本针对节水灌溉技术也开展了大量的研究和应用工作，由于日本地区的主食以水稻为主，因此，在有限的农业耕地面积条件下，水田占比接近58%，这对水资源的有效利用提出了更高要求。日本的节水灌溉技术初期引进于美国，现阶段在灌溉技术改良区已实现节水灌溉覆盖率超过90%，为提高节水灌溉技术的普及效率，日本将很多农业水利工程划归为国家项目，由政府出资，并在法律层面规定灌溉设备设施改良费用由政府和个人分担，有效促进了节水灌溉技术的普及应用。发达国家的先进技术和政策布局对于我国而言具有一定的参考和借鉴价值，有利于我国节水灌溉工程建设合理性的提升[1]。

1.2 国内技术发展特征

我国对于节水灌溉技术的研究滞后于国际平均水平，早期的研究集中于渠道衬砌、短沟灌溉等简单技术，对于节水能力的提升十分有限。到20世纪80年代以后，我国的管道输水技术得到快速发展，喷灌、微灌等节水灌溉设备在一定范围内得到推广和普及。到20 世纪 90 年代初期，受到国家政策的影响，节水灌溉技术进入快速发展期，节水灌溉产品市场初步建立。21世纪以后，我国的节水灌溉面积得到了快速增长，如图1、图2所示，农业耕地整体的节水灌溉面积从2000年的0.144 亿hm2增长到2020年0.378亿hm2，增长162.5%，其中喷灌、微灌、管道输水灌溉等高效节水灌溉面积达到0.23亿hm2。农业灌溉用水有效利用系数从2000年的0.41增长到2020年的0.67，增长63.4%。近年来，我国农业灌溉年均用水量基本维持在3 400亿m3，需完成0.69亿hm2的耕地，灌溉用水量占全社会用水总量的56%左右，节水灌溉技术的进一步普及和发展意义重大[2]。

图1 2000—2020年我国农业节水灌溉面积变化情况

图2 2000—2020年我国农业农业灌溉用水有效利用系数变化情况

现阶段，我国的农业节水灌溉技术和设施得到了长足发展与进步，但目前仍存在较多技术性问题和推广工作需要深入开展，我国农业科研人员也针对节水灌溉技术进行了本土化的研究与自动化技术升级。2016年沈阳农业大学姜森严[3]针对辽宁省玉米生产过程实际情况，选取4个玉米种植面积比超过60%的分区地点，分别进行了覆膜滴灌、无膜滴灌、传统沟灌三类对比试验，验证了覆膜滴灌的技术优势，覆膜滴灌使玉米株高、叶面积指数、蛋白质含量、淀粉含量、产出率等指标均明显提升，同时说明了部分区域应用覆膜滴灌的不适用性，强调了合理选择节水灌溉技术的重要性；2017年石河子大学刘南江[4]针对新疆生产建设兵团的干旱半干旱农业生产环境，设计了节水灌溉自控系统使用的数据采集器，利用GSM短信通讯方式进行土壤水分、温度、电磁阀启闭状态等多种数据信息的采集，并实现对灌溉电磁阀的控制，所设计的数据采集器能实现根据预先设定的时间对土壤水分、温度等数据进行实时采集，并自动灌溉；2019年东北农业大学张忠明[5]针对黑龙江地区水稻生产过程的灌溉技术展开研究，设计了控制灌溉、“薄、浅、湿、晒”灌溉、叶龄模式灌溉、“浅、湿”灌溉等多种灌溉试验模式，对比了多种灌溉模式的优缺点，总结了各灌溉处理水稻在生长生育性状、耗水量、产量等众多数据的特征，说明了不同灌溉模式的应用方向，有利于合理选择黑土区的灌溉方式；2021年河北农业大学张兵[6]研究了河北省果农节水灌溉技术应用普及的影响因素，对果农采用意愿和行为差异性分析，说明了农业生产组织化和标准化程度、水利基础设施、政府补贴范围等因素对果农应用节水灌溉技术的影响关系，给出了多项促进节水灌溉技术应用的有效措施，有利于提高节水灌溉技术应用率。

2 自动节水灌溉技术组成

2.1 管道输水技术

管道输水是现代节水灌溉技术实施的基础，主要是将灌溉用水利用水泵送入输水管路，利用水泵提供的压力进行供水，供水管路布置在灌溉的关键位置，保证灌溉工作能覆盖整个农田。管道输水主要用于替代传统渠道输水，其应用能有效减少水资源渗漏和蒸发损失，能更好保证水资源充分应用于农业灌溉中，同时管道输水技术相对于传统渠道输水在送水速度、灌溉量、基础设施建设等方面优势明显，并与现代节水灌溉技术实现更好的结合[7]。

2.2 电气控制与检测技术

电气控制是自动灌溉的实施者，是替代传统灌溉过程人工判断土壤状态、人工控制灌溉时机、人工控制灌溉量等过程，将电气控制技术与管道输水技术相结合，能实现区域范围内的高精度灌溉控制。电气控制主要包括了土壤温湿度测量、数据传输、数据分析、方案判断、灌溉决策、灌溉实施等内容，通过传感器获取的不同区域的土壤状态控制电磁阀进行区域化的精确自动灌溉。

2.3 灌溉技术类别

现阶段应用的节水灌溉技术主要包括喷灌、滴灌、渗灌、微喷灌等多种类别。喷灌是利用泵体将水增压后被喷头的特殊结构以小水滴的形式喷出，使其均匀洒落于土壤表面，是主要的节水灌溉技术之一，其优点是对地形地势的适应性好，技术应用较为简单，缺点是受风力影响较大，不适宜风力过大地区应用；滴灌是将水增压后在管路中输送，管路中均匀布置有滴头，水在滴头位置滴入田间，缓慢均匀浸润土壤，其优点是省水能力强、结构简单，缺点是使用过程受水质影响大，水质不良地区易出现滴头堵塞；渗灌是将输水管路安装于地下，水管能够按照指定流量渗水，从而浸润根系土壤，其优点是进一步降低水分蒸发，提高水资源利用率，缺点是管道布局占用地下空间，不利于耕作，且维修困难；微喷灌是介于喷灌和滴灌之间的一种灌溉技术，微喷灌能够在实现灌溉的同时将化肥溶于水中喷洒于作物植株上，显著提高化肥利用率，多用于叶面施肥场合使用[8]。

3 自动节水灌溉技术应用注意事项

3.1 输水管路的合理布局

由于农业生产环境十分复杂，不同地区受到地形、地貌，生产习惯的影响，对于输水管路的布局存在很大差异性。因此在引进节水灌溉技术前，应根据地区特点合理设计相应的灌溉网络布局。明确要引进的灌溉技术种类，如喷灌、微灌等，再根据农田形状、农机行驶路线等对管路进行设计，确保输水管路与正常农业生产不干涉；合理设计管路密度，避免布局过密造成管路材料和水资源浪费。

3.2 电控系统的建立与硬件选型

电控系统是自动节水灌溉实施的关键，需要在完成输水管路和喷头、滴头等选择的同时进行电控技术的适配，包括电控系统总体设计、总体的灌溉策略设计，如土壤信息的获取方案、灌溉开启标准、灌溉时间流量、灌溉后监测等；同时还要进行细节的硬件设计，如电磁阀功能选择、电磁阀位置布置、传感器选型、传感器位置设计及信息数据传输方式等。

3.3 灌溉设备使用与技能培训

在灌溉设备布局与建设完成后，农机推广部门及灌溉设备的生产、销售厂家还要重视对农民进行节水灌溉设备使用及维护保养培训，确保农民掌握自动节水灌溉设备日常使用、远程控制、调试、故障处理等技能，保证设备性能得到充分发挥。

4 结语

总体上看，我国节水灌溉相关工作在取得显著成果的同时，技术应用仍与发达国家存在一定的差距。因此，农业管理部门和科研机构应因地制宜加强农业节水灌溉工作的普及与技术研发力度，推广真正适合我国农业生产的节水灌溉模式与技术，在完善基础设施的同时，重视节水灌溉理念的普及，加快推进智慧灌区建设，实现农业生产灌溉过程的标准化、规范化管理。