中国节水农作制度发展趋势探讨

中国节水农作制度发展趋势探讨农作制度研究(farmingsystemresearch)是20世纪70年代国际上兴起的面向农业生产综合管理的一个新领域，主要是针对单项技术推广应用因缺乏相适应的系统环境及社会经济条件支撑，技术综合效果难以充分体现，技术改良与农民参与及农村发展联系不密切等问题展开的，其基本特征是从系统角度将农业生产与经营一体化考虑，强调技术的综合性、适应性和经济性，鼓励农民参与技术研究与推广应用。我国节水技术发展面临同样问题，需要改变传统的就作物论作物、就资源论资源、就单项技术论技术的研究与推广模式。要围绕协调农业生产、农民增收与水资源持续利用，加速构建符合我国国情和有区域特色的节水农作制度，探索适合不同类型区域的现代节水农作制度发展的优化布局、主导模式、关键技术及配套技术体系。近年来，节水农作制度成为国内外重点关注的研究领域，很多学者从节水农作制建设的战略意义与途径、节水农作制度形成机制、区域节水农作制发展模式等角度进行了初步探讨。但总体来看，有关节水农作制度的研究仍缺乏系统性，很多问题还有待进一步阐释。本研究重点探讨节水农作制度的概念、特征及研究框架，并在总结提炼国外节水农作制度发展模式、技术、政策及其效果等基础上，探讨我国节水农作制度的发展趋势。1节水农作制度理论1.1节水农作制度概念与基本特征关于节水农作制度目前存在诸多类型的提法。有研究认为节水农作制度是以改善农业用水结构和生产模式优化为核心，其主要内容包括节水型及适水型的区域农业生产结构和生产布局，高效用水与节水型的农业生产模式，与生产模式配套的旱作节水技术集成应用，以及相应的管理制度和政策支持措施。罗其友将节水农作制度定义为通过以种植结构调整、水肥耦合、覆盖与保护性耕作、灌溉制度优化等为主体的制度性节水技术的应用与推广，改变农业水资源的利用方式以改善作物水分供需的时空协调性、提高水资源利用效率和效益。节水农作制度主要是研究适宜当地自然条件的节水高效型作物种植结构，提出相应的节水高效间作套种与轮作种植模式。国内对节水农作制度的了解存在较大差异，没有形成比较一致的概念。笔者认为，节水农作制度是指能够实现水资源节约利用和集约高效利用的农作制度，即在农业生产中，立足于通过合理布局、优化生产结构、改革耕作制度、优化种植模式以及建立与之相适应的配套技术体系、管理制度和政策支持等措施，对有限的农业水资源进行科学集约开发利用，提高农业水资源利用效率，实现水资源的节约和效益的增加，从而以最少的水资源消耗获得最大的经济和社会收益，保障经济、社会可持续发展。节水农作制度将节水理念与节水措施应用于农作制或农作系统的各个环节和过程，形成一个水资源高效、节约利用的新型农作制体系。据此，节水农作制度的基本特征具体体现在以下几个方面：具有节水型的农业生产结构和生产布局；具有节水型的农业生产模式（种植模式、甚至养殖及加工模式）；具有相应配套的节水技术与管理措施；体现系统层次（区域、农田、农户）水资源利用效率和水分利用经济效益提高，具有可持续发展能力。1.2节水农作制度研究框架基于以上对节水农作制度概念和基本特征的理解，节水农作制度研究应立足于宏观与微观两方面（图1）。在宏观方面，从农业水资源分析人手，建设区域农业水资源、作物基础参数数据库，研究不同区域水资源利用现状与潜力，并开展区域农业生产结构优化研究，制定符合水资源生态条件的农业生产布局；在微观方面，在宏观指导下，按不同农作制度分区进行节水农作制度技术组装、节水农作制度模式优选，最终探索出一整套、一系列不同类型的农业水资源高效利用优化模式，同时研究与此相适应的现代科学监测和管理体系。2国外节水农作制度发展趋势2.1区域农业生产结构优化和布局随着水资源供需矛盾加剧，建立适水型和节水型种植、养殖和加工业生产结构与生产模式，成为世界各国在节水农业发展发展中不断追求的目标。以色列从水资源合理应用布局出发，在该国北部降水量600～800mm地区种植香蕉、马铃薯等喜湿作物；在中部地区降水量300～500mm地区实施雨养农业，进行小麦生产；在中南部年降水量150～300mm地区实施集雨农业，在集水沟中种植1行葡萄或锷梨，不用喷滴灌设施进行土地的局部利用，使农民获得一定利润；而在降水150mm以下地区，实施高投入，高产出的温室滴灌生产模式。美国西部的加州地区水资源匮乏，该地区通过大力推进适应性种植与产业结构调整，选择抗旱能力强、经济效益高和地区优势明显的作物，进行专业化种植的综合性措施，获得了较高的经济效益。目前加州已形成中部地区以种植杏为主，南部地区以种植葡萄为主，花卉、蔬菜、棉花、柑橘、草莓和芦荟等高附加值作物也均有大量种植的种植结构。美国德克萨斯州高平原地区农业灌溉用水的95%取自地下水，针对这种不可持续利用的方式，当地构建了棉花一饲料一畜牧综合系统，与棉花单作系统相比，棉花饲料一畜牧综合系统可以减少23%的灌溉量和40%的施氮量，同时棉花、菜籽以及肉牛产量也有较大提高，总体经济效益较单作系统提高90%。澳大利亚在不同降水区域也建立了不同的农作系统，在降雨量300～450mm的地区，为谷物生产区，实施轮种牧草农作制度；在降雨量500mm以上的高雨量地区，农业生产以集约经营的畜牧业、高产农作物和果蔬为主。澳大利亚近年来针对气候干旱不断加剧的现状，还提出“小麦带北移”战略应对气候干旱。2.2节水农业生产模式及配套技术体系选择适宜的节水型种植模式及配套技术体系，大力推进适应性种植是发展节水农作制度的基础。在美国中部大平原区，多数旱地农场采用小麦一休闲耕作制度。这种休闲耕作制度结合残茬覆盖，可改良土壤条件，缓解土壤水分供给，提高作物产量。近年来，对夏闲轮作制度进行了改进，包括改春小麦为冬小麦，采用休闲期留茬覆盖，休闲农田秋季密播小麦等，以解决夏季休闲出现的水蚀、风蚀加重，土壤有机质下降，以及土壤贮水大量损失等问题。澳大利亚在南部旱农区推广小麦与一年生可隔年自繁的豆科牧草轮作制度，在北部半干旱地区推广高粱（玉米）与一年生可隔年自繁的豆科牧草轮作，后又进一步发展高梁（玉米）／养牛的旱农制度。这2种类型的轮作制度改原来的清耕休闲耕作制度为牧草谷物轮作制度后，不仅可充分利用降水，减轻土壤风蚀水蚀，培肥地力，而且使谷物单产增加了50%左右，总产增加1倍以上。印度将林、草、果纳入农业种植系统，成功发展了林粮、林草、果粮间作等节水种植模式，这些模式充分利用当地多变的气候条件，增加了农业生产的稳定性，其具体措施是注重选择耐旱牧草、果树等品种，调整树种高低搭配，形成空间多层式条带结构，同时为消除干旱的不良影响，印度实施包括适宜作物和品种的选择、后备作物战略、中间季节地调整、作物生命救护措施、种子库、饲料库、作物和牲畜保险、早期预报等内容的作物应急种植计划，依据气候变化对作物生产做出有效及时地调整，在应用实践中对缓解旱灾，稳定生产水平起到很大作用。埃及为应对干旱缺水问题，提出包括选育耐盐节水品种、种植节水高价值作物替代水稻、甘蔗等高耗水作物、退出低洼盐碱地种植以保证新垦耕地和传统高产田灌溉、制定水价、计量用水、现代灌溉技术应用、输控水系统设计以及农民品种选育、灌溉施肥培训等具体措施。2.3作物高效用水生理调控与非充分灌溉技术生物节水技术的发展使作物的抗旱耐旱性及水分高效利用潜力得到发挥，通过认识作物抗旱、耐旱机理，筛选高水分利用型(WUE)作物品种，可挖掘作物本身的节水潜力。设在美国华盛顿州立大学的国家级种质资源库，从世界各生态类型区收集了数万份材料，从中筛选出超高蛋白质、耐旱性强的材料，用于生产推广。埃及也注重抗旱基因的遴选、培育、保存，并将这些优良基因应用到育种和农业生产中。建立国家作物品种基因库，从基因库中优化出多个抗旱的基因，通过组织培养等技术手段，培育出多个抗旱经济作物和沙生植物品种。此外，以基于植物生理需水功能的非充分灌溉技术的研究、开发与应用，使作物用水正在从丰水高产型向节水优质高产型方向转变。如在美国为适应生产者降低成本要求和地下水资源日趋减少的状况，于20世纪80年代初期提出了一项新的旱地栽培与有限供水相结合的作物管理制度，即有限灌溉制度。在美中西部大平原降水量480mm左右地区推行后，收到良好效果，试验表明，在谷类作物需水临界期进行150mm的有限灌溉可使产量提高60%以上，灌水利用效率高出充足灌溉处理的1倍以上口0J。在以色列降水量200mm以上地区，采用冬季保墒管理与作物生育期补偿供水相结合，全部实现节水高效灌溉，并结合滴灌技术，使灌溉水利用系数达到0.9，以同样的耗水量使其农业产值增长数倍。澳大利亚水分的节约主要表现在2个方面：一是直接减少过量灌溉和排水；二是在灌溉总量和作物耗水量不变的条件下提高作物产量和品质。此外，澳大利亚十分强调土壤湿度监测对于准确确定作物灌溉时间和灌溉量的重要性。比如在棉花生长季节，对每块棉田每周要进行2～3次土壤水分监测，以确定最佳灌溉时间（精确到24h之内）和灌溉量。澳大利亚是世界上棉花产量最高的国家之一，水分利用效率达0.225kg/m3，这与准确的灌溉时间和灌溉量是分不开的。2.4节水高新技术国外非常重视空间信息技术、计算机技术、网络技术等高新技术的应用。在美国几乎所有的农场主都聘有农业技术人员，在农作物生长期间每天对不同土层的土壤水分进行定点、定时测定和记录，根据气象资料计算作物的需求量和补给量，真正做到了按需灌溉、精量灌溉。随着作物和土壤水分监测和预报技术的发展，灌溉预报研究进展也很快，美国、澳大利亚等已提出几种具有代表性的节水灌溉预报程序，并进行了多年的实践。国外节水技术应用水平较高的国家对灌溉用水和节水效果及作物用水效率的长期监测与评估非常重视，并建立了较完善的监测网络和评估指标体系。在澳大利亚为解决“多种水稻少用水”的问题，科技人员对灌区实行计算机管理，在输水口有与控制室计算机联网的太阳能电动闸门，农田供水全部由计算机自动完成，并将灌区不同时段的降雨量、河流的蓄水量、土地的含沙量、河流和土地的蒸发量及渗漏量、作物不同生长阶段的耗水量等大量数据搜集录入计算机，由计算机对这些数据进行综合分析，以确定农田最佳给水量。计算机同时跟踪天气情况，搜集气象资料，分析在不同天气情况下农田耗水量的变化，以科学调整农田的给水量。如果雨水即将来临，计算机会根据气象资料提供的降雨数据自动减少或取消对农田灌水，实现按需灌溉，大大提高了水的利用效率。美国加州水资源管理局近年来开发了CIMIS灌溉信息网络，由州内100个关键农业地区设立的全自动、自记、小时间隔的气象观测站群构成。观测内容包括太阳辐射、风速和风向、相对湿度、降水量、空气及土壤温度等。所有数据均自动集中到设在州府的总站。总站作出关于灌溉总体趋势和分区调节的指示，每个观测站还计算特定地区、特定作物水分蒸散参数ET值，提供给所在小区域内的农场主。后者根据这两方面的信息，即可方便地计算出本场某作物的ET值，从而进一步精确地确定适宜的灌水时间及水量。3我国节水农作制度发展趋势与存在问题从20世纪70年代我国开始重视发展节水农作技术的研究及应用，80年代以来发展更为迅速。经过30年的工作积累，特别是经过“九五”计划期间的工作努力，各地已探索形成了适合不同区域资源特点的节水农作技术模式，包括以集雨设施为重点的高效节水补灌技术模式、以覆盖和少耕免耕为主的保护性耕作技术模式、以改进耕作方式为主要内容的水田节水技术模式、以改革种植制度为主的水旱兼用的节水技术模式及以改革灌溉制度为主要内容的冬小麦节水灌溉、水稻有限灌溉、旱稻优化灌溉等模式，从而为节水农作技术体系集成与区域发展模式的构建奠定了良好基础。在节水优化种植模式研究方面，国内学者在华北平原、河西绿洲灌区、渭北高原区和银川平原区等地区开展了以间作套种、轮作为主的节水型种植模式试验和模型模拟研究，筛选出很多具有良好经济和生态效益，值得推广的节水种植模式。在节水种植结构调整与布局方面，很多地区在农业生产实践中也提出了经验性的种植制度调整方案，例如甘肃省张掖市2002年开始实施的“三禁三压三扩”，宁南半干旱区提出的“压夏扩