解决我国农业节水领域的主要技术问题

我国的农业节水技术虽然具备一定的基础积累,取得了一些在生产中发挥重要作用的科技成果,但仍存在许多重大的技术问题,主要表现为:

(1)全国性和区域性的农业节水试验与监测网络还未形成,缺乏农业节水发展的基础数据积累和对农业用水状况的有效监测与控制,严重制约了农业节水区域布局和不同地区节水技术优化选择的研究。

我国农业节水技术领域研究的基础条件还比较落后,全国性和区域性的试验研究网络还未形成,特别是试验仪器设备条件除了个别中央科研单位和高校的重点实验室可与国际水平接轨外,大多数的科研单位和高校在该领域的试验条件还相当简陋,影响了试验数据的精度,而且由于仪器设备落后和投入不足,我国实验数据采集的自动化程度低、连续性差,试验大部分靠人工进行,人为干扰较大。同时,由于没有有效的农业用水状况监测体系,对不同地区、不同灌区的用水水平和节水状况不能有效监督和控制。还有,尚未建立起国家级农业节水技术综合研究中心,还没有建立起国家级和省、地、县、乡级层层分工协作、完善的农业节水试验台站与信息监测网络及农业节水技术研发和推广体系。

对不同区域的灌溉水利用率、渠系水利用率、田间水利用率、降水有效利用率、作物水分利用效率等参数还缺少准确的确定方法和多年的基础数据积累;特别是对不同植物群体在不同水文年份、不同灌水技术条件和不同的亏水灌溉水平下的耗水规律及区域变化还缺少科学数据的积累。

根据新形势对国家节水灌溉试验与监测网络的新要求,建立新的《节水灌溉试验与监测规程》,在统一的标准下进行节水灌溉试验与监测,保证不同试验与监测站观测资料的代表性、准确性和可比性。目前,对节水灌溉试验与监测工作重视不够,并缺乏指导,严重制约了我国农业节水健康稳定的发展。

(2)农业节水基础研究薄弱,特别是对农业节水发展起关键作用的应用基础研究还很欠缺,在农田尺度水分高效利用的应用基础、区域节水高效和对环境友好的农业用水优化模式等方面的研究深度还很不够,影响基础理论研究成果转化为节水效益。应用基础研究主要包括:

1)提高农业用水效率的关键是要提高农田尺度的灌水效率、土壤储水保水效率和从单株到群体水平的作物水分利用效率。这不仅涉及到农田SPAC 中的界面过程、水分传输和系统反馈机制、水分调控途径以及作物高效用水的需水过程与指标,作物高效用水的理想根系构型和理想株型及最优群体结构,单株—群体—农田水分迁移转化与水分利用效率转换的尺度理论,基于土壤、作物、微气象信息采集及可用灌溉水量条件预报的农田尺度水分高效利用优化模式的数字化设计理论等一系列具有多学科交叉性和综合性特点的重大应用基础理论问题。但目前还缺乏对上述科学问题的深入研究,严重影响了农业用水效率的提高。

2)通过作物根系构型与吸收功能、节水高效作物理想株型和群体结构及根冠关系的研究,探讨有利于根系吸收功能充分发挥的理想根系构型和节水型理想株型的特征指标,提出建立合理根冠关系的途径。

3)通过土壤水分有效性动态评价模型及持水、供水功能的调节机制研究,探索提高土壤水分有效性和改进土壤水库持水、供水功能的调节方法。

4)通过作物适度缺水的补偿效应和作物水分产量模型、不同尺度作物需水估算模型耦合、不同灌溉方法条件下水流在田间运动的过程与定量模拟模型等的研究,提出构建农田高效用水环境的时空精量控制灌溉的新理论和农田尺度高效用水的可控指标体系。

5)通过农田SPAC水分迁移转化的界面过程与尺度理论的研究,为不同尺度水转化过程的定量模拟和节水调控提供有力的工具。

6)通过农田尺度水分利用效率对土壤、作物、微气象数据和可用灌溉水量响应的系统动力学模型研究,构建基于土壤、作物、微气象信息采集及可用灌溉水量条件预报的农田尺度水分高效利用优化模式的数字化设计理论,促进农田尺度用水效率的大幅度提升。

7)其他相关问题:如节水引起的区域水循环与水平衡改变是否会加剧西北旱区内陆河流域下游的环境退化?喷灌节水还是浪费水?渠道防渗标准是否越高越好?如何通过作物区域耗水分异规律科学确定区域节水型农作结构等。

(3)根据不同地区特点研究的单项农业节水技术较多,但如何在此基础上开发出适合于不同地区采用的标准化、规范化、模式化、定量化、集成化的农业节水综合技术体系和应用模式,仍然是制约我国农业节水技术大规模应用的关键。

农业节水技术是一项复杂的系统工程,需要水利、农艺、工程和管理技术的整体融合与合理配套。但目前的现状是在各单项技术之间缺乏有机的连接和集成,缺乏适宜于不同区域水土条件的农业节水技术集成体系和应用模式,导致多项技术的节水增收效果并不比单项技术显著的局面,农业节水技术体系的整体效益难以发挥。

我国在农艺节水技术领域取得的很多成果在研发阶段表现出显著的节水增产增收效果,但在农业生产实际应用中,却由于缺乏相应的技术产品、配套的应用设施和规范化的技术(产品)标准,而难以大面积推广应用。我国农业还属于劳动密集型的产业,缺乏了农业机械等配套设备的农艺节水技术,不仅实际应用操作复杂,难以掌握,且技术成本的增加使得其规模效益难以发挥。

(4)对区域水土资源配置与区域农业协调发展研究不够,干旱缺水是中国水的三大问题之一,21世纪我国人口高峰将达到16亿,对粮食及主要农产品的需求将达到7亿t左右,为保证粮食与其他农产品的供给,灌溉面积必须达到9亿亩左右,届时中国的水资源能否支持经济社会的可持续发展?能否支持16亿人口对食物供应农产品的需水?

中国的农业用水资源与农业发展的格局极不匹配,北方地区耕地面积占全国耕地面积的3/5,而水资源量仅占全国的1/5;南方地区耕地面积占全国的2/5,而水资源量却占了全国的4/5。每公顷耕地的水资源占有量南方是北方的3倍。此外,尚有1333多万hm2 可耕后备荒地,主要集中在北方片的东北和西北地区,其开垦条件主要受当地水资源的制约,取水难度大、投入高。为提高灌溉农业生产效益,部分灌区开展了水土资源匹配研究,但由于范围小、分布零散,均未形成规模效益,而很多灌区正面临着缺水的困扰,因此,迫切需要进行大范围的流域及区域水土资源配置与区域农业协调发展研究,研究人口高峰期区域发展规划和生产力布局,探寻节水高效现代灌溉农业与现代旱地农业的建设途径。

区域/流域是具有层次结构和整体功能的复合系统,由社会经济系统、生态环境系统和水资源系统组成。因此,水土资源合理配置的本质是按照自然规律和经济规律,对区域/流域水循环及其影响水循环的自然、社会、经济和生态诸因素进行整体多维调控。

为保证粮食安全,需要扩大灌溉面积,而农业供水又只能维持在目前4000亿m3 的水平上,因而,灌溉规模及灌溉面积的扩大将主要取决于节流与开源的深度和广度,通过优化各有关生产要素的时空配置,建立面向市场和资源双重约束的节水型种植结构,最大限度地发掘农业自然资源的生产潜力。本项目的目标是通过对水土资源社会、经济、环境属性的分析,提出水资源可持续利用及生态安全条件下,区域水土资源配置及农业协调发展的理论与方法。区域水土资源配置与区域农业协调发展研究关键技术与重点包括:(www.xing528.com)

1)区域/流域水土资源配置规划方法及模型系统研究。对于水资源短缺的中国,必须将水资源开发利用、经济社会发展、生态环境保护放在流域水资源演变和生态环境变化的统一背景下进行研究,以流域为基础,以经济建设和生态安全为出发点,根据水分条件与生态系统结构的变化,综合考虑农、林、水、土资源的综合要素,以高效、公平和可持续为原则,经济效益、环境效益和生态效益最大为目标,遵循水平衡机制、经济机制和生态机制,架构基于自然-人工二元驱动条件下的区域水土资源配置模型,实现水土资源的统一配置。合理配置的水平衡机制是从流域水循环过程中的有效蒸发和无效蒸发的消涨来考虑问题,需从流域水分平衡、径流性水资源平衡和供用耗排水量平衡。

三个层次加以分析;合理配置的经济机制是市场经济条件下的边际成本;合理配置的生态机制是确保整体生态状况不低于现状水平并满足天然生态保护的最低要求。在统一考虑流域水循环的基础上,在竞争性用水的条件下,以边际成本最小为原则,通过利益的比较和权衡,进行资金投入和生活用水、生产用水和生态用水的分配,以各项边际成本大体接近为准则平衡方案,追求社会净福利(效益)最大,以确保水资源的可持续利用和生态系统相对稳定和功能的协调。

2)水土资源多维调控研究。区域发展规划和生产力布局要以水资源的安全供给与可持续利用为前提,多维调控的最高目标是农业水资源和区域/流域水资源的整体高效利用。在区域发展层次上,以水为中心进行发展指标的全面平衡,面对严峻的缺水形势和国家对粮食安全的需求,农业生产只能在节水中求发展,以提高水的利用效率和农业生产效益为核心,注重资源性节水和效率性节水,将传统的粗放灌溉农业和旱地雨养农业向节水高效的现代灌溉农业和现代旱地农业转变。在水资源开发利用层次上,结合供水建立面向市场和资源双重约束的节水型种植结构,优化各有关生产要素的时空配置,把目前种植业生产以粮食为主兼顾经济作物的二元结构逐步发展成为节水高效的粮经饲三元结构,最大限度地发掘农业自然资源的生产潜力。在农田生态建设层次上,注重对水肥气热盐的统筹调控与管理,有效控制农业面源污染,提高农业综合生产能力和农业综合效益,支持农业和农村经济的可持续发展。

3)区域水土资源整合平台建设。利用遥感技术、GIS技术、RS技术采集信息,采用数据仓库技术按照“主题”对各种信息数据进行统一管理,实现属性数据与空间数据、静态数据与动态数据、基础数据与分析数据的集成管理,进行数据库层面的集成。以分布式模型构建基本内核,采用“组件式模型库”技术建立模型库管理系统,实现对各种模型的统一高效管理,灵活方便的存储、查询、维护修改完善等操作,进行模型库层面的集成。采用组件地理信息系统、可视化开发等技术,将流域/区域水土资源配置的各个环节与操作无缝集成,进行系统交互操作界面的集成。建设流域及区域水土资源配置综合数据库平台、应用服务平台及辅助决策交互平台,实现对水土资源的时空整合、调控、管理与评价。

(5)农业节水设备与产品功能单一、性能不稳定和耐久性差,严重影响其大面积的应用;材料与工艺研究水平的滞后,是影响我国农业节水重大产品与关键设备研发与产业化水平提高的至关重要的因素。

我国节水灌溉设备生产中的大宗产品多仿制国外,其中的关键技术和工艺不过关,市场竞争力差。由于从事节水灌溉设备生产的厂家以中小企业和民营企业为主,设计研制开发能力有限,产品质量欠缺。又由于引进技术和国产设备在规格和制式上的差异,造成国产节水灌溉设备的通用性、兼容性、互换性、多功能性较差,导致节水灌溉工程的性能不完善、质量低下。

在管材管件方面,存在的主要问题:①品种规格少、质量差、产品配套水平较低,部分附件性能质量差。如内承插和外承插连接件规格欠缺,四通、三通和变径接头无突变件;φ50以上的内承插管件易断裂漏水,结构不合理,材质差、强度低、加工粗糙。据1999年水利部组织抽测结果:喷灌用11种铝合金管材只有1 种合格,11 种PVC 管材只有5 种合格。另外,现有管材、管件规格多为φ200mm 以下产品,大于200mm 规格的管材、管件少且不配套,仅为起步阶段,缺少适合我国中型灌区中、高压输水用大管径管材、管件等产品;管道输水灌溉技术器材产品仍处于“低压管道输水”阶段。部分附件如出水口止水附件密封性差,关闭不严,常发生漏水现象。②“标准化、通用化、系列化”程度低。特别是给水栓出水口向田间沟畦口放水的配水装置部件未形成产品;在灌水器方面:品种规格少、系列化程度和配套水平低、质量不稳定。1999年水利部抽测结果显示,15种喷头有一半以上不合格。2000年第一季度水利部两个检测中心抽检了3种品种,只有一种合格,合格率仅为33.3%。

在灌溉控制部件、过滤器和施肥装置方面的问题是:塑料球阀、压力流量调节器、排气阀等品种规格少,未形成系列化,加工较粗糙,品位较低;过滤器和施肥罐产品品种规格少,内密封性差,大容积化肥罐和大型过滤器装置等仍是空缺。

我国目前已基本能生产农业节水所需要的各类产品,但由于生产规模小,仍然没有从小生产方式中脱离出来,因此技术研发的部分成果难以产品化,阻碍了产业化的实现。与农业节水相关的产品和设备,在生产和销售方面很大程度上要依赖国家和地方项目的实施与开展,导致企业行为不足,无法真正走向农村这一广阔市场。由于汇入农业和农村经济发展主流的综合型农业节水的企业还很少,农业节水的社会化服务体系很难形成,与农业节水相关的各个环节之间存在相互脱节的现象。

(6)作物抗旱种质资源发掘与利用不够,缺乏快速、高效的抗旱性鉴定评价方法与指标,限制了对大批量种质资源快速、准确的鉴定评价,制约着对优异抗旱种质资源的发掘与利用。

我国抗旱种质资源利用效率低,种质创新工作亟须加强。与先进国家相比,我国农作物抗旱种质资源的发掘利用工作存在以下三方面的问题:①对种质资源的鉴定评价不足,自从20世纪70年代大规模开展作物种质资源工作以来,我们的大部分力量投放在对种质资源的收集、编目、繁种及入库工作中,仅仅对多数材料的外部形态性状进行描述记载,部分材料进行了抗旱、抗病、品质等性状的初步鉴定。但是,由于研究力量和研究水平的限制,对于多数材料的抗逆及品质等特性还未进行鉴定评价。因此,迄今为止,我们还不清楚在现存的种质资源中,有多少材料具有哪些类型的优良特性,因而极大地限制着对优良种质资源的开发和利用。②对优异基因的发掘利用起步晚、进展慢,由于研究经费、研究的技术手段和研究条件的限制,在优异新基因发掘利用方面我们才刚刚起步,远远落在发达国家的后面,从而使国外的转基因大豆、转基因玉米品种及其产品大量涌入国内市场,其中不乏从我国种质资源中发掘的优良基因的品种和产品。③对国外种质资源的收集研究相对滞后,目前,我国库存种质资源中的国外引进种质比例只有20%,种质资源的引进工作亟须加强。

在作物抗旱种质资源发掘与利用方面的瓶颈是:①种质资源收集保存数量多,抗旱性精细鉴定评价少,收集保存了大量作物种质资源,但由于人力、物力,尤其是抗旱性鉴定评价方法指标的局限性,只对部分材料进行了抗旱性的初步鉴定评价。②抗旱性鉴定评价方法指标多,缺乏快速、高效的抗旱性鉴定评价方法指标,限制了对大批量种质资源快速、准确的鉴定评价。③抗旱性鉴定评价的设施落后,鉴定评价体系不完善,近年来国家在作物抗旱性研究方面投入了一定的资金,但由于投资强度较小,研究单位无力建设完善的大型抗旱性鉴定基地及设施。④抗旱种质资源利用效率低,种质资源研究人员与抗旱育种工作者沟通少,抗旱种质资源创新工作基础薄弱,育种工作者抱怨种质研究工作者提供的抗旱种质不好用或者不能用,种质研究工作者又苦于没有精力进行大规模的种质创新。

(7)农业节水管理中信息技术应用水平低,节水管理信息采集、传输的可靠性差,基于遥感监测或者单株作物检测的电信号与其他信号和作物水分信息关系的时空变异性,缺少依据土壤、作物、微气象数据和可用灌溉水量预报的农业节水优化模式的数字化设计软件,以及使用信息技术的投入与产生节水效益之间的不匹配,已成为利用信息技术提升常规节水技术水平的重大技术障碍。

目前,我国农业节水信息化程度,从总体上讲还处于比较低的水平。主要表现在以下几个方面:①信息采集点少、手段落后。有关调查资料显示,大型灌区平均0.37万hm2 有一个水位、流量观测点,单位测点控制渠道长度94km。靠如此稀少的观测设施,根本无法对用水户的用水量进行实时监控。其他的观测项目如水质、土壤墒情和地下水、作物长势等更少。同时,观测手段也相对落后,现在灌区大部分仍是采用简单的、经验的方法进行观测,测量精度较低。由于不能及时准确地获得水流的各项特征指标和灌区节水管理所需的其他信息,使得用水调度大多凭经验进行,大多数灌区不能动态制定用水计划,无法适应水情、作物种植结构等的变化情况,不可避免地造成一些无效放水。②信息传输手段比较单一、落后。目前,大多数灌区的信息传输手段限于传输模拟信号的电话线,监测的水情、墒情和作物长势等信息只能人工通过电话或整编后的纸媒介进行传输,时效性差,难以满足实时调水的需求。③灌区管理人员信息化意识和技术水平亟待提高。部分灌区也尝试进行信息化方面的建设,但由于灌区管理人员信息化技术水平差,使得建成的信息系统使用难、管理维护更难,无法充分发挥已建系统的作用,更兼新老系统共同运行,不仅没有减轻反而加重了灌区工作人员的负担。时间久了,新建系统也会逐渐老化、落后,人们也对信息化的效益产生了怀疑,系统无法进行更新改造,逐渐淘汰,灌区管理又恢复到原来的状况。④重硬件、轻软件。在具体工作中还有只重视硬件投入,不重视软件开发的倾向。这不但使得硬件不能充分发挥效力,系统的操作维护困难,而且资料的整理分析等后续工作还需要手工操作,没有真正减轻工作量。⑤农业节水信息化建设没有一个统一的规划,信息的共享性差。同时,各灌区重复开发、重复建设现象严重,造成很大的浪费。⑥我国农业节水信息化的产品处于试验研究阶段,没有真正形成产品。⑦农业节水信息化系统的综合集成能力差。

在利用信息技术提升传统节水技术水平方面,存在的主要困难是:①由于作物种植、耕作栽培、灌溉施肥管理措施、气候因子、土壤性质诸多因素的空间变异性的存在,致使土壤水分存在很强的空间变异性;同时,由于基于土壤特性的传感器技术测量土壤水分只能采用离散点的方式实施土壤水分状况监测,所以,土壤水分的空间变异规律研究,从点到面(点尺度—田间尺度—区域尺度)的尺度转换理论与方法是实现土壤水分监测信息化的重要基础。目前存在的系列问题仍然没有很好的解决,或者说已经取得的一些理论进展远没有达到实现信息化应用的水平。②实施的土壤水分状况监测可以为从点尺度到区域尺度的实时(real-time)灌溉管理决策提供支持。但是,对于在不同空间尺度和时间尺度上的土壤水分状况的预测无能为力。同时,目前的土壤水分预报模型以点尺度模型为主,在田间尺度、区域尺度问题的应用上存在许多问题。点尺度模型研究和区域尺度扩展理论研究是解决该问题的一个重要途径;开展区域尺度的土壤水分预报模型研究是解决问题的另外一个途径。③遥感技术的发展为区域作物水分状况监测、区域作物耗水量监测提供了重要的技术支持。但是,如何利用遥感技术和农田生态系统模型技术相结合的方法来实现区域作物耗水量预测、区域农田土壤水分状况预测仍然存在许多需要解决的理论和技术问题。④无论是在点尺度上还是在区域尺度上,监测数据与模型的融合技术是实现实时监测与预报有机结合的重要技术环节,也是最终实现农田土壤水分监测与预报信息化的重要基础。⑤如何实现监测数据、预报模型、尺度扩展理论、GIS技术、遥感信息的有机结合,其中的理论和方法中上存在系列的问题。这些问题的研究是最终实现农田土壤水分监测与预报信息化的应用基础。

(8)农业节水发展政策和制度研究方面的滞后,已成为制约农业节水技术应用和提高效益的重要因素。

从当前农业节水发展的实际情况看,许多节水技术措施在投入产出方面的表现都不是太好,这样就很难调动最终用水者采用这些节水技术措施的积极性。由于经济效益不好,许多地方政府和水管理部门缺少了推动农业节水发展的主动性,形成了许多地区农业节水发展主要依靠国家投资和行政驱动的局面,这样就很难保证农业节水能够持续稳定发展。

影响节水技术实施经济效益的因素有节水技术本身的原因和区域经济发展的原因;也有水管理方法和政策方面的原因。其中影响最为突出是:①灌溉用水计量和收费方式与节水的需求不相符合;②节水技术的投入与运行成本与节水收益的不相匹配;③节水活动投入主体和收益主体的严重错位;④水权分配与交易机制尚未建立,满足不了农业节水发展的需求。政策与管理上存在的问题,显然已超越了农业节水技术的范畴,但对农业节水发展的影响更大,不解决这些问题,即使再有效的节水技术也很难得到长期推广应用。因此,目前迫切需要建立节水投入补偿机制,并逐步发展与完善水权的分配与转让机制,通过水市场的调节,激励各地用水户大力推广应用农业节水技术措施,保障农业节水的持续发展。