节水农业研究现状与发展动态

国内外节水农业研发现状与趋势黄高宝教授/博导甘肃农业大学二OO四年十月“人类在本世纪为能源而战，而下世纪将为水而战”—希拉克1998“水是人类的生命线，也是农业和整个国民经济的生命线”—江泽民甲骨文中的水字报告主要内容节水农业机理国外节水农业概况我国节水农业发展趋势成型的节水农业技术我国节水农业现状及开发战略节水农业的涵义1、涵义节水农业：指节约和高效用水的农业，即在农业生产和农村经济活动中既要节约用水提高水的利用率，又要高效用水提高水的利用效率和效益的农业。节水农业的根本目的：在水资源有限的条件下实现农业生产的效益最大化，其本质是提高应用于农业的单方水的经济产出。2、节水农业的基本特征系统特征：进入农业生产过程的水，从水源到形成经济产出，在降水、地下水、地表水、土壤水、植物水转换中有三个环节：第一，降水或灌溉水转化为土壤水；第二，土壤水转化为生物水；第三，通过作物生理过程形成经济产量。作物生产实质是作物---土壤---大气组成的复合系统。(节水必须考虑系统性)一、节水农业的内涵一、节水农业的内涵效益特征：节约和高效用水有三个基本环节。一是减少降水、渠系输水、田间灌溉过程中的深层渗漏和地表流失量，提高降水和灌溉水的利用率，减少单位灌溉面积的用水量(可回收)；二是减少田间和输水过程中的蒸发蒸腾量(不可回收)；三是提高灌溉水和降水的水分利用效率，大量节约农田水分奢侈消耗而获取更高的产量和效益。减少田间和输水过程中的蒸发损失，是节约不可回收的水量，提高了有限水资源的利用率，是“资源型”节水。而降低作物耗水系数是节约了奢侈性水分消耗，提高了水资源的利用效率和效益，是“效益型”节水。真正意义上的节水农业是节水增效农业，具有显著的效益特征。一、节水农业的内涵节水农业的技术综合特征节水技术与土壤、肥料、作物品种、耕作、栽培、植保、农业设施等各项措施密切联系和不可分割，具有综合特征。每一类节水技术均包括多个方面的组成工程节水技术：降水蓄积和水库（地上、土壤和地下水库）建造技术；减少输水系统水分损失的工程技术；节水灌溉技术等。农艺节水技术：适水种植技术；抗旱育种技术；节水灌溉制度；农田保墒技术；培肥地力、水肥耦合技术；化学抗旱节水技术等。管理节水技术：水资源合理开发和优化配置；地表水地下水联合运用；劣质水开发利用；墒情监测与控制灌溉技术；产权与水价管理等。二、节水农业的机理1.水分亏缺下作物的形态与解剖学反应叶形态与解剖结构：在干旱下叶片卷曲、萎蔫，角质和蜡质增加，气孔减小，叶表面绒毛增多，有利于保水和提高水分利用率。根形态与解剖结构：适度干旱根系分布范围扩展，根冠比增大，有利于改善作物水分状况。（对光合作用的抑制小于对地上部分扩展的抑制）2.水分亏缺下作物生理生化特性的变化生长：轻度水分亏缺，影响叶片扩张，但不影响气孔开放，因而对光合速率影响不明显。蒸腾与光合：在水分亏缺下，作物蒸腾量显著下降，且蒸腾作用先于光合作用下降，即使在中度水分亏缺下，气孔开度减小，蒸腾速率大幅度下降，光合下降不明显，水分利用效率提高。激素水平：脯氨酸（Pro）：能提高蛋白质水合度，在干旱使呈10-100倍增加。脱落酸（ABA）：干旱下在根中合成，经木质部传向叶片，控制气孔开放，促进成熟，促进叶片脱落。渗透调节：是植物耐旱的一种重要方式，是指植物在逆境下通过代谢活动增加细胞内溶质浓度，降低其渗透势，从而保持较高的吸水能力。二、节水农业的机理3.水分亏缺对作物产量的影响水分亏缺抑制生长，对作物产量的增加具有不利的影响，但对经济产量而言并不总是降低；在作物非水分临界期如苗期给予适当的水分亏缺，有利于促进根系的发育，从而提高经济产量。早期的适度水分亏缺还能增加叶片的汁液浓度和渗透调节能力，能够增强水分敏感期的抗性。二、节水农业的机理4.适宜调节亏水度对作物的益处。适度水分亏缺促进作物根系的生长。“蹲苗”就是利用根系生长的这一特性。作物生长前期历经适度水分亏缺增加后期生长抗逆性，改善品质。渗透调节能力增强；防御系统加强（包括消除自由基的酶系统SOD、POD、CAT和具有清除自由基的Vc等物质）；增加表面蜡质层，提高抵抗病原物入侵的能力；提高与抗病有关的酶的活性，产生植物抗毒素。适度水分亏缺促进体内物质重新分配，提高经济系数。（在中等水分亏缺条件下，生长受到明显抑制，但光合作用基本不受影响，物质运输不受影响，同时根系生长和吸收功能增强，以及籽粒作为强库有较高补偿调运作用，从而使经济系数提高。）二、节水农业的机理5.影响作物水分利用效率的途径。不同作物间相差2—5倍。C4植物（玉米、高粱、甘蔗等）比C3植物（小麦、油菜、大豆等）高2.5—3倍。光照是冠层中影响水分利用效率的主导因子，其随叶层变化有显著影响，而叶温、气温CO2浓度、空气水气压等无显著影响。土壤水分对水分利用效率的影响。轻度亏缺下，水分利用效率提高；中度亏缺下，水分利用效率最高；严重缺水时，水分利用效率下降。矿质营养不足，水分利用效率下降。二、节水农业的机理6.控制性分根交替灌溉的概念及其理论依据概念（Controlledroot-dividedalternativeirrigation，CRAI）在土壤垂直剖面或水平面的某个区域保持干燥，而另一部分区域灌水湿润，交替控制部分根系干燥、部分根系湿润，以利于作物部分根系处于水分胁迫时产生的根源信号脱落酸供给地上部分叶片，以调节气孔保持最适开度，达到以不牺牲作物光合产物积累而大量减少其奢侈的蒸腾耗水而节水的目的。同时通过不同区域根系的交替干湿锻炼，而提高根系吸收能力，增加其对水分和养分的利用率，同时还可减少每次灌水间隙期间土壤湿润面积，减少棵间蒸发损失。二、节水农业的机理控制性分根交替灌溉的理论依据光合与蒸腾对气孔开度的反应不同。一般情况下，光合速率随气孔开度增加而增加，当气孔开度达到某一值时，光合速率增加不再明显，而蒸腾速率随气孔开度增加而线性增加。局部干燥区域的根信号能帮助改变作物的气孔开度和调节其水分消耗。脱落酸作为信号物质。交替控制使部分根系经受一定程度的水分胁迫，能改善土壤通透状况和提高根系传导能力。二、节水农业的机理7.调亏灌溉（调控亏水度灌溉RegulateddeficitirrigationRDI）属于非充分灌溉，其基本思想为：对于一些作物，由于其生理生化通道受到遗传特性或生长激素的影响，在其生长发育的某些时期施加一定的水分胁迫，即可影响光合产物向不同组织器官分配的倾斜，从而提高所需收获的产量而舍弃营养器官的生长量和有机合成物质的总量。虚拟水理论及其意义1.概念：虚拟水是水资源领域的新概念，是非真实意义上的水，是通过商品交易或服务来体现的。2.虚拟水的特点：（1）非真实性：顾名思义，虚拟水不是真实意义上的水，而是虚构的水，是以“虚拟”的形式包含在产品中的“看不见”的水。（2）社会交易性：虚拟水是通过商品交易即贸易来实现的，没有商品交易或服务就不存在虚拟水，并且强调社会整体交易，非个体交易，商品交易或服务越多，虚拟水就越多。（3）便捷性：由于实体水贸易运输距离长远、成本高昂，这种贸易通常是不现实的，而虚拟水以“无形”的形式寄存在其他的商品中，相对于实体水资源而言，其便于运输的特点使贸易变成了一种可以缓解水资源短缺的有用工具。虚拟水理论及其意义3.虚拟水理论的意义（1）虚拟水的理念改变了解决问题的思维方式。要求水利工作者从原有的以水为中心的观念转变为在水之外寻找解决水资源分配和水资源管理的途径。（2）虚拟水理论拓宽了水资源研究的领域。虚拟水理论给水资源和水安全研究提供了创新领域，如传统水资源研究与粮食安全研究是分离的，虚拟水理论使两者有了切入点，给从事水资源学研究的人员提供更加广阔的研究空间。（3）虚拟水树立了新型的水资源管理理念。水资源管理应有三个层次，首先是要通过节水、生活习惯和方式的改变、产业结构和种植业结构的调整，充分利用当地水资源；其次，考虑区域社会经济的发展、水资源安全和生态环境安全，进行区域水资源分配；最后，构筑水资源安全战略体系，通过虚拟水贸易和虚拟水战略实现全球水资源化。（4）虚拟水提供了一条解决我国干旱区缺水的新途径。实施虚拟水战略有利于国家制定西北地区水资源安全战略的保障措施及政策，有利于西北开发，对西北地区的生态环境安全和社会经济可持续发展具有重要的理论和现实意义。二、国外节水农业概况1、世界水资源农业利用概况(1)灌溉耕地及其水资源匹配世界干旱半干旱地区遍及50多个国家和地区(1/3)，雨养耕地80%。全球灌溉面积由20世纪初的5×107公顷增加到目前2.5×108公顷，2010年将在现有基础上增加19%，耕地灌溉面积约占总耕地21.2%，而相应的灌溉水量将增加17%。1950~1985年，全球灌溉面积年均增长5%以上，占耕地17.8%的灌溉面积，生产了世界食物总量的1/3，但水资源日趋紧张，使发展新灌溉系统的成本不断上升，平均每公顷超过4500美元，甚至高达10500美元，灌溉农业的效益下降，制约了灌溉农业的发展。自1980年以来，世界灌溉面积增长速度明显下降，年增长率不到1%。从70年代后期开始全球新的水资源开发已经趋于缓慢，开发新的水资源的费用越来越昂贵，灌溉项目的投资正在减少，特别是亚洲，由于单一技术的应用和水资源有效利用率偏低，全球每年仅由于涝灾和盐碱化失去的土地面积达30~150万公顷。二、国外节水农业概况用水结构（%）地区国家数人口百万总用水量km3/yr人均用水m3/人yr水资源开发利用率%农业工业生活非洲50723.40151.96210.02.885.45.88.7美洲28753.84690.36915.83.748.138.813.0亚洲483461.751636.45472.710.786.47.76.0欧洲30764.54462.08604.46.032.353.214.7大洋州527.1316.37616.71.134.53.162.4合计1615730.662957.58516.16.168.622.09.4(2)世界各地区用水量与用水结构不同地区耕地灌溉率为：非洲8.08%、美洲9.77%、亚洲43.83%欧洲16.24%，平均20.49%，亚洲压力最大，应实行节水农业二、国外节水农业概况2、国外节水农业的技术途径(1)农业水资源开源技术----地面集水技术(以色列内格夫沙漠：雨水收集面、容器)----跨流域调水(原苏、美、印、加等，存在移民、耕地、环境等问题)----地下水库利用技术(地下淡水占总淡水30.1%，美国：地下水回灌系统，通过地下水库调蓄水资源)----劣质水利用技术(生活污水、咸水：以色列污水利用率70%，1/3用于灌溉，占总灌水量的1/5，咸水开发利用程度也很高；美国50个州中的45个采用了污水灌溉技术，有3500个污水处理厂；印度城市生活污水中的50%已用于灌溉)二、国外节水农业概况(2)输水节水技术----渠道防渗技术：衬砌材料包括刚性、土料和膜料；聚乙烯和聚氯乙烯为主的衬砌方式比重在不断扩大(前苏联、印度：刚性+0.2mm薄膜)----低压管道输水灌溉技术：美国1984(46.9%)，加州圣华金河谷灌区支渠以下全部管道化，渠系水利用系数达到0.97；日本、澳大利亚、东欧各国和加拿大多采用此技术；今后重点是开发管材、量水放水设备二、国外节水农业概况(4)农艺节水技术----选育抗旱作物与节水品种美国和印度(45%杂交种)重视高粱；----改进耕作方法少免耕，轮作；美国75%耕地取消铧式犁；----推广地面覆盖技术有机物料和薄膜，日本最早使用地膜农艺节水二、国外节水农业概况(5)化学节水技术----化学覆盖以高分子膜阻碍水分蒸发，覆盖材料包括石蜡、沥青乳剂、树脂、橡胶、塑料等，使用方式包括成膜、泡沫和粉末覆盖(日、法、印、加等10多个国家，可增产10~30%)----保水剂(林木)高分子树脂----抗蒸腾剂作物吸收中的99%用于蒸腾，1%固定，据美国资料可降低土壤水分