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1發展聚水農業的意義

缺水是干旱半干旱地區農業發展的首要限制因子。我國該類地區至今尚有4100萬hm多的耕地因水資源短缺而無法灌溉,占該地區農業耕地面積的60%。如我國西北黃土地區,多年平均徑流量人均541m3,單位面積耕地水量65m3/hm,分別為我國平均量的%和10%左右,僅為世界平均量的4.%和8.8%,80%以上農田作物生產依賴年50mm～550mm的天然雨水。此外,由于水資源貧乏,加之山丘起伏,發展大型水利工程前景不大,因此,大力研究開發利用雨水資源是解決該地區農業缺水的主要途徑,也是區域農業持續發展的戰略性問題。干旱半干旱地區雨水資源潛力巨大,蓄雨用水是解決干旱缺水,提高作物生產潛力,發展旱區高效農業的重大舉措。西北黃土地區,多年平均降水量443mm,由于降水時間分布不均,降水期常常與作物需水期發生錯位,降水利用率極低,約為降水量的30%～40%,降水生產效率僅為每公頃每毫米3kg～6kg,尚有60%～70%的降水以地表徑流和無效蒸發的方式而損失。實踐和試驗結果表明,采用有限補充灌溉,合理的供水和栽培管理,雨水利用率可顯著提高,作物產量由目前的100kg/hm～1500kg/hm提高1倍～倍是可能的。另一方面,西北黃土地區人口密度小,人均土地面積較為充裕,加之土地多為坡地(大于7°的坡地占土地面積55%),這不僅有利營建雨水匯集場,而且為配套的自流灌溉提供了有利條件。雨水就近攔蓄存貯,無須高揚程提引,經濟實用。配套以先進的灌溉方法和管理措施,投資小,見效快,易于推廣。在這類地區,一方面,水資源奇缺,但另一方面,經常遭受汛期暴雨徑流的沖刷,致使水土流失嚴重,土壤肥力下降,生態環境惡化。因此,充分有效地利用當地雨水資源,無疑是解決干旱半干旱地區農業缺水問題,改變區域生態環境,發展多種經營,增加糧食生產,農民脫貧致富的一條有效途徑。水是農業的命脈,旱區缺水嚴重阻礙了農業生產的發展,同時也極大限制了工業及其它各個行業的發展,隨著全球水資源危機的出現,雨水無疑是一個很好的水資源。在適當的集蓄條件下,它能向人類提供廉價、純凈的水資源。此外,集蓄雨水徑流能有效地制止水土流失。我國北方干旱半干旱缺水地區占我國總面積的三分之一,人畜飲用及工農業生產急需解決缺水問題,同時,水土流失問題也迫切需要解決。而集蓄雨水徑流為此問題的解決另辟蹊徑,因此,雨水集蓄利用在我國很有潛力,推廣應用前景極為廣闊。

雨水農業利用的主要形式

.1雨水自然利用

在旱地農業區,天然降水是農作物生長所需水分的主要來源,作物產量與降水量的大小有直接關系。但天然降水的數量和季節與作物生長的需要常常不協調,而嚴重影響作物產量。傳統的旱地農業耕作技術就是盡量保蓄和充分利用有限的降水資源,提高水分利用率。我國北方旱地農業中采用的主要措施包括蓄水和保水技術,其中蓄水技術主要有:深翻耕、深松耕、水平等高耕作、水平梯田、等高溝壟耕種法、蓄水聚肥改土耕作法、坡地聚流入滲孔等;保水技術主要有:耙耱保墑、鎮壓保墑及提墑、中耕保墑、覆蓋保墑(秸稈覆蓋、地膜覆蓋、砂田等)。但在我國干旱半干旱地區由于降水的波動使糧食產量低而不穩,在雨水自然利用的條件下,趙松嶺認為“極限產量可能是1mm降水產0.5kg糧食,這還要借助良好的抗旱作物品種,努力去培肥地力,適量的化肥投放,精心的經營管理才有可能實現。至于1mm水產1.0kg甚至1.5kg糧食的水平*,一定在豐水年條件下才能實現,豐水年在半干旱地區是個小概率事件”。

.雨水疊加利用

這是一類在農田就地富集疊加利用的集水技術。小區集水種植是世界上最常見而且是成效顯著的一種集水技術。集水種植的核心是“雨量增值”,它是指將非耕地上的徑流引到耕地中,這樣給耕地的水要比直接接受的雨水多,因而雨量增值。在年降水量不足100mm的地區,可以在植物周圍建立微型集水區,從較大面積上收集雨水,供少量植物生長發育之需。在我國通常是采用小區集水造林。集水小區的形狀通常根據地形特點、降雨強度和風向等選擇,常見的有單坡式、雙坡式、漏斗式、扇形與V形、棱形等。集水小區的面積與降水量的大小、一年中降水的分布、土壤、所種植的植物及保水技術等諸多因素有關。集流梯田是一種雨水疊加技術,即在水平田的上部按比例留出一定面積的坡耕地(或荒地等)作為集水源地,使降雨后坡地產生的徑流匯集到下部水平田內,以補充水平田內作物需水量的不足,實現水平田作物的穩定高產。據河北張家口地區水利水保局試驗資料,1988年谷子全生育期集流水平田(733.3m)內降水量為43m3,坡地產流量為133.m3,除在各生育階段滿足了谷子需水要求外,還略有余(46.m3)。在黃土丘陵區,廣泛采用的集流梯田稱為隔坡梯田,隔坡梯田的水平面除蓄積自身部分的雨水外,還能攔蓄上方坡地來的水和泥沙,攔泥、蓄水、促肥作用顯著。

.3雨水聚集利用

在干旱半干旱地區要把降水資源變成可以用于灌溉的水資源,就需要通過一系列的工程措施,把天然降水富集并存儲起來,使自然降水變成時空可調的現實水資源。雨水聚集技術包括導引、收集和儲存雨水三個方面。富集雨水一定要有集水面,集水面的集水效率與集水面的處理、集水面的坡度、降雨量、降雨強度、降雨歷時等因素有關。集水面的處理方法主要有:混凝土面、水泥土夯實、原土夯實、塑料薄膜覆砂、三七灰土夯實、化學材料(粗石蠟、瀝青)處理等多種。其中的混凝土板處理,集水效率較高(60%～80%),而且使用年限長,是一種比較好的集水面處理法。在這里還需要指出的是在柏油公路的沿線可以利用公路集水,因為許多地方公路邊的坡地就是耕地,利用公路面集水,在路邊修筑水窖存儲,可以灌溉路邊坡地的農田和果樹。農村的屋面和道路也是很好的集水面,通過在村邊修建蓄水池,可以蓄存雨水,用于周圍農田的灌溉,但村莊的徑流含有的泥沙比較多,需要經過處理。從集水區收集的地表徑流,可用渠、溝或其它輸水系統匯集到蓄水池(或小水庫)中,蓄水池的大小應根據灌溉農田的需水量、降雨量、集水面條件、施工的難易、工程的造價、農民的承受能力等綜合確定。蓄水設施的結構形式有許多種,主要有:旱井或缸扣缸式水窖、泥壁混凝土球蓋窖、窯窖、混凝土薄殼窖。集水的保護一方面是減少直接蒸發,減少蒸發的措施是封閉蓄水池。另一方面減少滲漏量。黃土高原及丘陵溝壑區,由于地表水資源數量有限,利用集蓄雨水發展有限水的補充灌溉,在發展庭院經濟和穩產的基本農田方面取得了許多成功的經驗。這是旱區農業進一步發展與提高的方向。

3降雨聚集利用中存在的主要問題

雨水集蓄利用技術在世界上許多地區為不同目的、以不同形式和規模而一直被廣泛地應用著。Boers等人從農業生產的角度將其定義為:“為在干旱和半干旱地區發展農業而導引、收集、蓄存和保護地表徑流的一種方法”。隨著干旱加劇、水資源短缺,人們已開始高度重視雨水資源的開發及高效利用,特別是在干旱半干旱地區尤為突出。近年來,世界各國掀起了雨水利用熱潮,并成立了國際雨水利用協會。本世紀50年代初,國外注重雨水的匯集措施,特別是地表處理材料和提高匯集效率方面的研究。90年代初,又開始研究合理的雨水匯集、貯存和凈化技術,以及適宜于農田灌溉的成套措施。我國對雨水匯集利用源遠流長,目前除利用庭院集水供人畜飲水和抗旱保苗外,許多地區采用的溝道筑壩建庫、修建池塘、水窖等措施,在雨水的實際應用中起到了一定作用。80年代以來,陜西、甘肅、寧夏、內蒙和山西等地相繼開展了人工匯集雨水利用的研究,取得了一批有意義的成果。從總的情況看,降雨聚集利用中存在的主要問題有:

3.1在雨水徑流集聚技術方面,人們對雨水的導引、收集和蓄存進行了較多的研究。但是,現有的集水面處理材料及方法措施還不甚令人滿意,或者造價太高,如混凝土集水面等,或者集水效率較低,如原土夯實等,采用的一些化學處理方法也有缺陷,需進一步研究改進。蓄水問題仍需進一步試驗研究,現有幾種蓄水設施的合理性、蓄水設施的合理結構形式和規格、集水材料的防滲抗凍問題,雨水的凈化技術等也需要進一步研究。

3.2降雨聚集利用技術方面,由于因降雨存貯設施蓄水量小,不可能完全與傳統的地面灌溉系統配套,使它的發展受到很大的限制。如何利用當地的聚集降雨資源發展灌溉,是提高農業產量,增加農民收入所迫切需要解決的問題。滴灌是諸多灌水方法中水的利用率最高的先進灌溉技術之一,比傳統的地面灌溉一般節水50%～70%。近年來隨著滴灌技術和降雨聚集技術的發展,滴灌與集水設施相結合得到了很大發展。在山區丘陵區興修水窯、水窖蓄水的滴灌工程,還可利用地形落差實施自壓滴灌。一個蓄水00m3的水窖可以為1/3hm麥田或/3hm果園保澆次～3次關鍵水。但在我國要大面積推廣應用這一技術還有許多關鍵技術問題有待解決。主要包括:水凈化技術環節薄弱,水處理技術單調,適用于利用窖水灌溉的灌水器和過濾裝置也需要改進。這些問題都有待進一步研究解決。

3.3降水聚集的高效性方面,在降水量50mm以上的地區,可充分利用雨水資源,發展種植業及林果業。研究表明,通常在作物最關鍵缺水期灌一次“救命水”可顯著地提高作物產量,取得很好的經濟效益。雖然不修建蓄水池直接將水輸送到作物根區比較經濟,但由于作物根區土壤貯水能力有限,加之降水分配與作物生長難以協調。因此,修筑蓄水設施對作物實施補充灌溉是必要的。據甘肅省白銀市研究結果,100m集流場可解決66.7m～133.3m塑料溫室作物用水,早期點澆砂田籽瓜次～3次,每次135m3/hm,每公頃可增產瓜籽577.5kg;在關鍵需水期點澆旱地玉米次～3次,產量可達6000kg/hm以上。但是目前對降雨聚集雨水如何有效地利用于灌溉,特別是對旱地作物關鍵需水期究竟灌多少水最經濟有效以及有限補償供水效應的研究還不夠,還有待于對降雨聚集利用系統進行合理的組裝配套,以提高降水的生產效率。

4降雨聚集利用系統需要研究解決的關鍵技術

降雨聚集利用系統需要從整體上研究降雨集聚、貯存和凈化技術,利用有限集聚雨水的節水灌溉技術以及降雨聚集的高效利用技術,使過去各個方面的孤立研究成果變成為一個有機整體,達到提高有限水資源的利用率的目的。

4.1研究降雨聚集方式及貯存凈化技術研究不同地貌條件下的雨水匯集效率和適宜的集水方式,雨水的適宜貯存方式和蓄水容量,研究提高集流效率的地面處理技術,研究適用于不同地形與農業類型區的雨水貯存設施結構與施工技術;研究雨水存貯設施的防滲與抗凍技術,包括材料選擇與施工處理技術;研究雨水凈化處理技術。

4.2研究適用于雨水聚集利用的節水灌溉技術主要研究適用于降雨聚集條件下的節水灌溉技術、作物灌關鍵水技術(包括灌水方法、灌水時間及灌水量)、節水灌溉設備(包括灌水器和過濾裝置等),選擇、改造與完善適用于利用匯集雨水灌溉的田間移動灌溉設備等。

4.3研究降雨聚集利用的農業增產技術研究與作物灌關鍵水技術相配套的種植方式及農業綜合技術(包括覆蓋、免耕等)措施。

4.4研究雨水集聚利用的綜合技術研究不同雨型、雨量及不同集水區條件下,以及不同徑流利用方式下貯水設施的最佳規劃設計指標體系以及適合于微型集水區徑流集蓄與利用系統中節水灌溉的關鍵技術及農業增產技術。提高降雨聚集利用系統的經濟效益和水的有效利用率。通過對半干旱地區雨水匯集、存貯與凈化、雨水高效利用三個環節及其配套技術進行系統研究,形成系列配套技術,提高降雨聚集系統的整體效益。

5結論

干旱半干旱地區雨水資源潛力巨大,大力開發利用雨水資源是解決該地區農業缺水的主要途徑,這也是區域農業持續發展的戰略性問題。通過對雨水高效利用的幾種途徑的分析,主要包括:雨水就地入滲、雨水的疊加利用和雨水的聚集利用技術,表明其中的雨水聚集利用是干旱半干旱地區農業生產中雨水利用的最主要形式,這是旱區農業進一步發展與提高的方向。在雨水利用系統的各個環節中,包括雨水徑流集聚技術、降雨聚集利用技術和高效利用等方面都還存在一些問題。提出了降雨聚集利用系統需要研究解決的一些關鍵技術,在降雨聚集利用系統中需要從整體上研究降雨集聚、貯存和凈化技術,利用有限集聚雨水的節水灌溉技術以及降雨聚集的高效利用技術,使過去各個方面的孤立研究成果變成為一個有機整體,達到提高有限水資源的利用率的目的。