农业节水调控灌溉及水肥同施技术思路

王 成

(乾安县道字乡农业综合服务站,吉林 乾安 131408)

0 引言

我国属于农业生产大国,农业耕作面积广阔,农作物种类繁多,但我国农业水资源相对不足,且时空分布不均衡,据统计我国年均水资源量在2.7万亿～2.8万亿m3范围,耕地平均可用水量仅接近世界水平的75%。根据2023年中央一号文件指示精神,在加强高标准农田建设的同时,应“补上土壤改良、田间灌排设施等短板,统筹推进高效节水、水肥一体化设施建设”。水资源作为农业生产的命脉,水资源浪费和农田干旱成为制约农业发展与经济效益的关键,面对农业水资源利用率低的现状,发展节水灌溉农业,合理应用水肥同施技术具有很大改善农业现状的潜力,也将是农业可持续发展的必然选择。

1 节水调控灌溉特征

1.1 作用与现状

现阶段,我国农业生产过程对水资源的需求量持续增加,受到农业用水资源短缺的制约,农业灌溉需求的矛盾日益突显,从农业灌溉实施情况看,水资源的利用率明显不足,水资源浪费的现象普遍存在。一是灌溉设施相对落后,水资源在输送、存储、灌溉的过程中存在严重损失;二是农业管理人员节水意识不足,灌溉过程应存在漫灌、过度灌溉等问题;三是农田周边水资源存在污染问题,主要为农业生产过程重施药、施肥、油料泄漏等因素影响,导致优质水源逐渐减少,使我国农业生产面临着严重的发展制约。近年来,在国家政策的支持下,农业基础设施建设逐步加强,但“重建轻管”的现象十分突出,很多节水设施在实际应用过程中不能发挥应有潜力,导致我国大田平均灌溉效率仅达到47%左右。未来通过加强农田水力资源建设和优化管理,不仅能有效改善现阶段粗放型灌溉的弊端,还能使农民掌握更先进优良的农业灌溉技术,为推动农业经济发展打下良好基础[1-2]。

1.2 政策实施与政策支持

我国实施农田水利工程建设已接近25年,自20世纪80年代初期以来,我国每年的中央一号文件均涉及到农业水资源管理与相关设施建设。为加强农田水利建设,20世纪90年代以前,我国开始兴建水利工程及小型水电设施,并逐渐落实了水面开发与水资源治理工作,关注农田周边生态环境,并针对部分旱地农田应用新的宜地耕作技术,改善灌溉条件。21世纪初,小型农田水利建设实现普及,以节水灌溉设施为主的基础设施建设及大型灌区设施配套实施推广,应用农田排涝机械设备,有效改善农田适应自然条件的能力。2011年以后,水利建设逐渐从基础设施建设向系统化发展,通过国家对地区政策制度指导农田灌溉工作的实施,为高效灌溉、节水灌溉等农田给予优惠政策及相应补贴。2023年我国中央一号文件进一步要求分区域、分类型明确农田布局,持续建设高标准农田,统筹推进高效节水技术[3]。

2 节水调控灌溉关键技术

2.1 精量灌溉技术

精量灌溉技术是通过对农田水分需求、水分消耗等特征分析,精确估算局部区域农作物生长所需灌溉用水量,并结合节水灌溉设备设施实现精量灌溉。通过分析农作物生长阶段不同的用水需求,如生长各个阶段之间的农田水分蒸发、植株蒸腾、水分深层渗漏等进行深入分析,准确把握农作物生育期和生长期对灌溉水量的精确需求,形成严谨的节水灌溉技术,包括作物在播种前、全生育期内的总体灌水次数、不同时期单次灌水定额及适宜灌水的时间节点,精确研判实施灌溉决策[4]。

2.2 常用节水灌溉方式

2.2.1 渠道防渗灌溉

渠道灌溉是农田传统灌溉的方式之一,在未经硬化的地面渠道输水,其过程会产生严重的水资源浪费,采用渠道防渗技术可通过渠道硬化、工程防渗等措施防止水资源浪费,增加水资源的利用率。常用的渠道防渗建设方式包括:三合土护面防渗、砌石防渗、塑料薄膜防渗、混凝土防渗以及综合防渗技术等。与传统土渠灌溉水资源利用率30%～50%相比,渠道防渗灌溉模式水资源利用率可达70%～85%,具有疏水效率高、建设简单和成本低等优势,是我国近年来灌溉基础设施建设主要的方式之一。

2.2.2 喷施灌溉

喷施灌溉简称喷灌,是利用管道喷头等机械灌溉设施将带有一定压力的水喷射到空中,使其分散成均匀的小水滴降落到地面,是一种有效的灌溉方式,该灌溉方式适用于大部分的大田粮食作物、棉花、蔬菜及果树等,具有节水、省时、省工等优势,水资源利用率可达到80%～85%,与渠道灌溉方式相比,后期的维护、保养工作量明显降低,且灌水均匀,不易出现土壤板结等问题,并在一定程度改善空气湿度,降低气温,冲洗植物叶面,改善农作物生长环境条件[5-6]。

2.2.3 微量灌溉

微量灌溉简称微灌,是利用最新的专用设备,在一定程度降低管道灌溉压力,并结合特殊灌水器、电磁阀等设备实现精量灌溉控制,实现不同区域灌溉水量的精确可控,将水分直接输送到作物根部附近的土壤中,微灌平均水资源损失率小于10%,具有节能、增产、节水、适应性强、省工省力等优势。根据灌溉特征的不同,微灌主要包括滴灌、微喷灌、渗灌等[7]。

1)滴灌。气管末端为滴头或管带小孔,能够使水在特定区域以特定间隔均匀滴出,滴灌所需的压力很小,能够通过滴头或管带小孔的间隔距离设计使水精确滴落在作物的根系附近,实现局部灌溉,适用于干旱缺水地区应用,水资源利用率可达90%～95%,缺点是滴头或管带小孔易堵塞,维护工作量大[8]。

2)微喷灌。它是一种新型的喷灌技术,能利用微喷头将灌溉水喷洒成微小的水滴,兼具喷灌与滴灌的技术优势,有效避免滴头或管带小孔堵塞,可提高水资源利用率。微喷灌的管道压力与滴灌近似,但其流速更快,堵塞率有效降低,并且能高效率覆盖大面积灌溉,水资源利用率在90%左右,微喷灌能增加空气湿度,优化作物生长环境,但其在潮湿地区和风力较大的地区不适宜应用。

3)渗灌。与上述两种微灌方式不同,渗灌法也称为浸灌法或地下灌水法,其灌溉设施修筑于地下,主要设备为地下管路和滴头,对于大部分农作物而言,渗灌设备的埋覆深度在25～30 cm左右,其利用毛细管作用自下而上湿润土壤从而实施灌溉。渗灌模式水分蒸发损失较小,水资源利用率可达95%,但渗灌同样面临着长时间应用后的堵塞问题,后期维护保养难度较大[9]。

2.2.4 覆膜灌溉

覆膜灌溉是一种特别的节水灌溉方式,其利用塑料膜的覆盖作用减少土壤水分蒸发,提高地温,是良好的土壤灌溉模式。其主要实施方式包括以下3种:1)膜下滴灌。土壤表面覆膜后,滴灌带设置在膜下,适用于干旱缺水地区;2)膜畦灌。将塑料平铺在畦面上,灌水时水在膜上方流淌,在适宜的孔洞处渗入土壤进行精准灌溉;3)膜沟灌。与膜畦灌类似,在沟底和沟坡或部分垅背上铺设塑料薄膜,作物种在沟坡或垅背上,灌溉水在沟中流淌并在薄膜的孔洞处渗入土壤进行灌溉。覆膜灌溉具有田面蒸发和深层渗漏减少以及不冲刷地表等多重优势。

3 水肥同施技术思路

3.1 水肥同施技术特征

水肥同施技术通常与喷灌、微灌等管道灌溉技术相配合应用,其肥料选用可溶性固体或液体肥料,通过分析土壤中的养分含量和作物种类等因素,合理选择肥料种类和用量,将其与灌溉水相混合,通过管道系统实现同步供水供肥,利用灌溉过程将肥料喷施到指定区域,实现定时定量施肥灌溉,使土壤长期维持在最佳的水肥平衡状态。该技术的应用能有效实现节水省肥,提高肥料利用率,平均可减少化肥使用量40%～50%。同时,降低用水量与施肥时间,提高作业效率[10]。

3.2 水肥同施系统建设

3.2.1 匹配优质水源

要实现水肥同施,首先需要将农田灌溉管道连接至优质水源,积极利用周边的江河、湖泊、水库、地下水等渠道进行便捷灌溉,部分水资源短缺的农田需要预先修建引水、蓄水、疏水等基础工程,为水肥同施系统提供基础保障[11]。

3.2.2 建设枢纽系统

枢纽系统是实施水肥同施的执行系统,主要包括水泵、过滤装置、压力调节装置、流量监控装置、过压保护装置、水肥混合装置、自动施肥灌溉设备等,该系统承担整个水肥同施系统的驱动、监控、执行等重要功能。做为灌溉与施肥的执行核心,该系统利用水泵将水源中的灌溉水引入疏水管道,并通过沙石过滤器、碟片过滤器等多级过滤装置进行过滤,然后将洁净的水输送至水肥混合装置,完成灌溉水与可溶性肥料的混合,再输送至各个灌溉终端,实施自动化灌溉。

3.2.3 建设智能控制系统

智能控制系统是实施水肥同施的智能管理系统,具有自动化、智能化的特征,使用者通过该系统可随时随地查看各个硬件系统的状态及灌溉施肥情况。该系统配有大量监控类电气硬件,如压力传感器、流量传感器、灌溉状态监控器等,能够实时对灌溉施肥过程进行全程监控。通过远程控制实现灌溉施肥方案的调整,该系统可实现灌溉时间、肥水比例、灌溉流量等方面的精量控制,并能够在系统运行过程出现异常时及时报警,用户还可通过手机端随时随地调整施肥灌溉方案,或查看工作实施进度,可有效提高农田管理效率[12]。

4 结语

综上所述,现代化农业生产的发展须不断改善农业生产灌溉方式,减少水资源浪费等问题。结合新型节水灌溉设备实施水肥一体化技术,能有效提高水肥利用率和灌溉、施肥的合理性。未来,节水灌溉技术与水肥同施技术应加强与自动控制技术、互联网技术及环境监测技术相结合,在全面考虑土壤、作物、天气、温度、蒸腾等因素,实施科学灌溉与施肥,逐渐与AI技术整合,加强灌溉施肥系统的学习能力,改善我国农业灌溉技术,促进农业向绿色、生态、高质量发展。