节水灌溉技术

一、节水灌溉技术发展趋势

随着全球性水资源供需矛盾的日益加剧，世界各国，特别是发达国家都把发展节水灌溉作为农业可持续发展的重要措施。在生产实践中，始终把提高灌溉（降）水的利用率、作物水分生产效率、水资源的再生利用率和单方水的农业生产效益作为研究重点和主要目标，在研究节水灌溉基础理论和应用技术的基础上，将高新技术、新材料和新设备与传统节水灌溉技术相结合，加大了节水灌溉技术和产品中的高科技含量，加快了传统粗放农业向现代节水高效农业的转变。经济欠发达国家，由于受其经济条件和技术水平的限制，节水灌溉的发展主要采用以渠道防渗技术和地面灌水技术为主，配合相应的农业措施以及天然降水资源利用技术的模式。经济发达国家，节水灌溉的发展主要采用以高标准的固化渠道和管道输水技术、现代喷、微灌技术与改进后的地面灌水技术为主，并与天然降水资源利用技术，生物节水技术、节水灌溉技术与用水系统的现代化管理技术相结合的模式。

1、节水灌溉研究开始由实验统计性质向具有较严谨理论体系和定量方法的科学转变,农田生态系统中水分迁移模拟与区域作物需水的定量计算模型得到较快的发展，尺度理论将是节水灌溉领域用定量方法解决实际问题的关键

国内外学者对微域的土壤—植物—大气系统（SPAC）水分运移进行了大量研究，但如何应用微观尺度的SPAC水分传输理论解决流域尺度水转化过程的描述仍有较大距离，这涉及到如何考虑土壤与植被的空间变异性以及水文地质条件的影响，把点上（微观尺度上）得到的模型扩展到面上、区域上应用的问题。为了解决这一问题，有关农田表面的空间变异性、尺度转换、各部分介质的非线性相互作用等将是未来研究的难点。

有关作物需水量的计算方法目前应用最多的是Penman—Monteith方法，但此方法主要适用于单点的单一作物需水量计算[1]-[3]，对于区域多种作物组合的需水量计算首先要根据不同代表点的气象观测资料计算代表点的需水量，然后用插值法绘制区域需水量的分布图，再根据代表点控制的面积用加权平均法确定区域需水量，但这种方法很难克服气象因素和作物需水的空间变异所产生的较大计算误差，没有考虑多种作物组合中作物与作物间的交互作用[4]。20世纪80年代以后，利用遥感作物冠层温度估算区域需水量分布的研究变得十分活跃，

并在一些发达国家得到了大量的应用。但目前在应用上还存在一些技术问题，如计算冠层表面热通量的SVAT模型参数的空间分辨率问题，陆地卫星热映像（TM）波谱参数和SVAT模型参数的定量对应关系等。另外，由于作物高效用水理论突破和节水调控新途径的开拓，需要考虑利用作物本身的生理功能挖掘其节水的潜力，减少作物本身奢侈的蒸腾量，传统的按能量平衡理论估算作物需水的方法和在充分湿润条件下获得的作物系数均遇到了严峻的挑战，迫切需要建立作物高效用水和非均匀湿润条件下的需水量计算方法及相应的作物系数值，以满足节水灌溉发展之需要。

2、水分胁迫对作物的后效性影响及其提高水分生产效率的机理已成为当前研究的热点，作物高效用水生理调控与非充分灌溉理论研究不断深入，利用作物生理特性改进水分利用效率（WUE）的研究将会更加引人关注

近年来，国内外提出了许多新的概念和方法，如限水灌溉(Limited irrigation)、非充分灌溉(No-full irrigation)与调亏灌溉(Regulated deficit irrigation)等，对由传统的丰水高产型灌溉转向节水优产型灌溉，提高水的利用效率起到了积极作用。大量研究结果表明，植物各个生理过程对水分亏缺的反应各不相同，而且水分胁迫可以改变光合产物的分配。同时一些研究还表明，水分胁迫并非完全是负效应，特定发育阶段、有限的水分胁迫对提高产量和品质是有益的。植物在水分胁迫解除后，会表现出一定的补偿生长功能。调亏灌溉就是基于上述认识，在作物生长发育的某些阶段主动施加一定的水分胁迫，即人为地让作物经受适度的缺水锻炼，从而影响光合产物向不同组织器官的分配，以调节作物的生长进程，改善产品品质，达到在不影响作物产量的条件下提高WUE的目的。控制性作物根系分区交替灌溉节水新技术，强调交替控制部分区域根系干燥、部分区域根系湿润，以利于交替使不同区域的根系经受一定程度的水分胁迫锻炼，刺激根系吸收补偿功能，诱导作物部分根系处于水分胁迫时的木质部汁液ABA浓度的升高，以调节气孔保持最适宜开度，达到以不牺牲作物光合产物积累而提高作物WUE的目的。同时，还可减少棵间蒸发损失和深层渗漏。

3、节水灌溉新技术与产品研发速度较快，一批低成本、高效率的新型节水灌溉设备与制剂

正在走向市场和大面积应用，产品日趋标准化、系统化，高效环保型节水材料与制剂是未来研发的亮点，高精度激光固化树脂快速成型技术应用将进一步提高节水灌溉设备的开发水平 地面灌溉技术研究方面，在土壤人渗过程中气阻影响研究的基础上，水平畦灌、阶式水平畦灌的研究不断深入，传统的畦灌、沟灌也转向综合研究灌水技术要素对土壤水肥运移、对水肥淋失的影响；同时，开发了膜上灌等新型灌水技术，并得到较大面积推广。水平畦灌是田面非常平整条件下的畦灌，要求供水流量大、土地平整精度高，用传统技术难以满足其精度要求，必须在进行大地测量后，采用激光平地技术[9]。波涌灌溉利用了致密层在发展中不断减小田面糙率与土壤入渗特性这一客观规律，逐次为以后各周期的灌溉水流创造了一个加速水流推进与提高减渗效果的新接口。浑水波涌灌溉则是利用含沙量较高的水进行波涌灌溉，能够起到更加明显的效果[10]。在喷、微灌技术研究方面，国外一直非常重视喷灌水肥需求规律及水肥耦合高效利用方面的研究，施肥灌溉应用十分普遍。在微灌水肥高效利用方面，对不同作物的施肥灌溉制度和微灌施肥灌溉专用液体肥料进行了多年的研究，已经研制出了针对多种经济作物水肥高效利用的专家管理系统。

由于长期的技术积累，一些著名公司不断有新产品推出。在节水灌溉产品快速开发平台技术中，提出的高精度快速成型专用设备是快速成型领域研究的热点。节能型的低压重力式滴灌技术和防堵塞的脉冲灌等技术正在开发[12]。地下灌溉由于能显著减少作物无效蒸发(土壤表面蒸发)而特别省水的优点，发展也十分迅速。

工程节水技术方面，高精度激光固化树脂快速成型技术得到进一步发展，在微小光斑聚焦以及精密扫描系统、微涂层实现方法方面取得了突破，微小光斑（11μm）的聚焦和精密扫描系统的扫描精度在液面达到±0.005μm；解决了迷宫流道特征参数的提取与CAD建模问题。 4、灌区水转化与农业水资源持续高效利用研究得到了广泛重视，农业水资源系统承载力模型、分布式灌区水转化模型、农业与生态用水的科学配置及节水高效和对环境友好的农业用水模式等研究将会更加活跃

农业与生态用水的科学配置中有关生态需水的计算方法主要从物理的水量平衡、水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等方面考虑，而且主要是针对现有生态系统或生态水文条件，没有考虑

生态系统和水文过程的相互反馈作用以及不同遗传特性物种的水分生产力关系，还缺乏系统的建立在严谨的生理学、生态学和物理学理论及定量的数学方法基础之上的生态需水量计算方法。此外，如何确定分布式灌区水转化模型的有效结构、如何对农业水资源利用在分布式模型中进行有效表达、如何在野外对模型参数进行原位测定和对分布式模型的栅格参数率定，确定区域农业水资源多维调控的决策方法将是该领域研究的重点和难点。

5、非常规水将是农业用水中“开源”的主要对象，非常规水资源化及其高效安全利用技术研究十分活跃

开发利用非常规水资源已成为众多国家和地区解决用水危机的新途径而受到普遍重视。从地域范围看，污水灌溉的实践则遍及世界上大多数地区，污水回用农业方面也有丰富的实践。区域性咸水利用和改造的研究方面尚待形成完整的技术体系。污水灌溉需要进一步研究污水灌溉条件下作物需水量和耗水量的计算模型以及对污水灌溉响应的产量模型；污水灌溉对植株、土壤及地下水环境的影响。

在雨水集蓄利用方面，不仅仅是为了解决人畜生活用水和农业用水，逐步开始对雨水资源化和水资源的保护与高效利用进行探索，与集蓄雨水高效利用相配套的免耕技术及机械化机具在一定程度上解决了半干旱地区的播种出苗和灌溉问题。

6、高新技术在节水灌溉现代化管理中的应用日益广泛，3S技术的应用将全面提升节水灌溉管理的现代化水平，数字渠道、数字灌区的发展将大大促进精准灌溉和农业水资源精准调度的实践

3S技术的应用产生了数字渠道、数字灌区等概念。在灌区用水管理中，综合各种预测技术、优化技术的灌溉用水计算机管理系统已开始在我国灌区大面积应用[14]，使灌区的灌溉用水实现了由静态用水向动态用水的转变，为提高灌区水资源的利用率提供了技术保障。为实现渠系优化配水的要求，应用计算机技术的渠道水量、流量实时调控的研究也在国内外逐步兴起。

二、节水灌溉技术支撑体系现状与差距 1、现状