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1雨水是中國黃土高原地區農業生產的主要水源

目前,一般認為地球上水資源包括三方面:地表水、地下水和天然雨水。中國西北黃土高原地區地表水和地下水貧缺,雨水資源是其農業生產的主要水源。區域土地面積62.60萬km2,多年平均徑流量人均541m3,每公頃平均水量2625m3,分別為全國平均量的22%和10%,僅為世界平均量的4.2%和8.8%。區域年用水量300億m3,其中85%為農業用水,但農業有效灌溉面積僅386.7萬hm2,集中分布于黃河及其支流沿岸的沖積平原和階地,80%以上的廣大中部丘陵山地和殘塬區,地表水和地下水極為貧缺,地形起伏多變,發展大型水利工程的前景不大,農業生產水源主要依賴于200～600mm的天然降雨。據資料,黃土高原地區多年平均降雨量443mm,全區折算雨水總量為2757億m3,相當于每年地表水和地下水用量的9.2倍。

2雨水資源的特征與干旱和水土流失

黃土高原地區降雨總量看起來不小,在實際中,由于降雨的時空分布不均,“易失多變”,干旱和水土流失嚴重。區域降雨利用率只有40%左右,作物水分利用效率僅3.0～4.5kg/hm2•mm,大部分旱耕地糧食單產在1050kg/hm2左右,遇旱減產明顯。黃土高原地區降雨在時空分布上的特征為:(1)降水地理分布不均。從西北向東南呈扇形帶狀遞增,依次呈現為半干旱偏旱區(年降雨250～350mm),半干旱區(350～450mm)和半濕潤易旱區(450～600mm)。(2)降雨變率大,季節分配不均,干旱頻繁。區域年際降水變率為15%～40%,多雨年為平均降雨年的1.4～1.7倍,是少水年的2～6倍。在季節分配上,春季雨量一般占降雨總量的12%～25%,夏季占40%～60%,秋季占20%～35%,冬季占1%～3%。春季多為夏收作物生長旺盛期,也是一年一熟區秋作物成苗期,春旱在區域的頻率最大,對農業生產影響也最嚴重。據1985年資料,1949～1985年黃土高原地區每年旱災面積733萬hm2,最大成災面積233.33萬hm2。1994年陜西省春夏連旱,減產糧食27億kg,為歷史罕見。(3)降雨集中強度大,水土流失嚴重。降水強度有小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨之分。黃土高原夏季多大雨和暴雨,暴雨期降雨強度大,水分入滲土壤慢而產生地表徑流,加之區域坡地面積大,地面覆蓋度低,水力侵蝕不可避免。據資料,黃土高原6月至8月暴雨頻率83.8%～95%,不同地點平均暴雨次數1.3～6.1次。暴雨是造成水土流失的主要原因,全地區水土流失面積43萬km2,嚴重區28萬km2,分別占區域總土地面積的69%和45%。年土壤侵蝕量4000～10000t/km2,坡耕地隨水力年損失土層0.2～2cm,嚴重地區在2～3cm,“三跑田”比比皆是。

3雨水集流農業——水土保持和農業持續發展的緊密結合

3.1雨水集流農業的原理與可行性

降雨是西北黃土高原地區農業生產的主要水源,又是發生土壤侵蝕的主要動力。對此,采取基本農田建設,強化就地入滲,配合耕作保墑和施肥栽培等綜合措施,使降水通過“土壤水庫”就地調配,提高作物對降水的利用效率,這便是傳統的旱作農業(DrylandFarming),這在區域農業生產中具有非常重要的地位,但這些措施還是難以擺脫干旱缺水威脅的被動局面。采取人工收集與高效利用降雨,即雨水集流農業(RainwaterCollectingAgriculture)是一條強化人工控制調節雨水,提高降雨利用率和利用效率的一種積極主動做法。其基本原理是通過把一定面積的降雨,通過集流場聚集到貯水設施內,再采取滲和防蒸發措施防止貯水丟失,在作物缺水季內補充限量灌溉,滿足作物需要,以達到抗旱增產目的。其過程主要包括集流收集——雨水貯存——高效利用三個環節。黃土高原土區發展雨水集流農業,可發揮區域優勢,減輕水土流失和干旱威脅,使農業持續發展和水土保持得以統一。

其可行性可概括如下:(1)人均土地面積大。中部丘陵和殘塬區農業人均土地1hm2,寧南山區人均1.4hm2,建立雨水集流場有余地;(2)坡地面積大,具有天然收集雨水的條件。全地區55%的土地為大于7°的坡地,地表經用石蠟、鈉鹽等化學物質封閉土壤孔隙處理,或者用塑料、瀝清或混凝土抹蓋,可有效防止雨水侵蝕。另一方面,在坡地中上部修建水窯或水池,可對下部農田產生自壓,不須提引,即可灌溉下部農田;(3)降雨較地表水和地下水分布廣泛,處處可收集利用,受地形和地貌限制因素小。(4)雨水集流不須附加動力,節能省力。集流雨水,可利用雨水沖力和地心引力使水分匯集,不需附加動力,適宜丘陵山區和能源缺乏區;(5)投資小,見效快,戶戶可引,適宜范圍大。修建水窯每眼500元左右(50m3)外,灌溉土地0.2hm2,每公頃可增產750～1500kg。(6)雨水補充灌溉增產節水效益明顯。據我們1991～1992年在固原試驗,春小麥拔節期補灌60mm限量水,單產達3795～3960kg/hm2,較對照增產42%～48.8%。相當于1m3水增產糧食1.5kg左右。

3.2雨水匯集農業的發展、效益與前景

雨水集流農業是一項古老而潛力巨大的農業措施。雨水集流農業最初有人稱之為徑流農業(RunoffAgriculture),也有人稱之為微集水農業(MicrowaterCollelctingAgriculture)。國外以色列、印度、美國、澳大利亞等國也有報道和實踐。美國有人通過對耕地周圍地表用鈉鹽處理,防止徑流侵蝕,并修建蓄水池,使500hm2的匯流區供50hm2耕地用水,產量增加1～2倍;在美國西南部降水量300mm地區,集流場造價為0.05美元/m3。以色列在南部200mm降水干旱區,修建微徑流場發展造林,頗具特色。澳大利亞在起伏不平的坡地上,修集流槽和軟埝,地坡比1∶3.5,間距90mm,以攔蓄地表徑流,攔蓄不了的雨水再流入草皮排水道。印度在3%～6%的天然坡地下方,徑流匯合處或攔水土埂出口處建一個2000m3水池,作為補充灌溉水源,其次是在降水很少地區,把耕地分為種植區和非種植區兩條帶相間排列,在坡地上條帶按等高線排列。采取這種集水法,豐水年種植區可獲117～328mm直接降水,還可由集水區獲得23～100mm徑流水。雨水集流在中國黃土高原地區歷史悠久。區域內現有的小型水庫、引洪漫地、水窯和塘池都屬此列。據考證,春秋戰國時期已有引洪漫地和塘壩,明代出現水窯。

據1985年統計,黃土高原地區現有水窯150.83萬眼,總容量5866.5m2,大多每窯40m3,集中與分布在兩條線:一是山西右玉——陜西定邊——寧夏同心——甘肅定西——蘭州一線為干旱苦水地區;二是山西寧鄉——陜西洛川——甘肅西峰—平涼一線,地下水較深的黃土殘塬階地區。現有澇池19.84萬座,總容量8341.5萬m3,主要分布在黃土階地和殘塬區。水窯、澇池塘壩在黃土高原大多用于人畜飲水、防洪護溝,部分地區用于補充灌溉。寧夏固原地區至1986年底有水窯7萬多眼,配有少量水井、塘壩,解決了1.21萬人、33萬頭大牲畜和16.19萬只羊的飲用水;陜西干旱區1972～1987年以修窯為主,結合打井、開渠,解決了554.48萬人、83.18萬頭大牲畜飲水,年節約用水勞動力66.54萬人,折合經濟效益2億元。陜西省米脂縣對岔村在溝中用塘壩蓄水,1968年灌地4.13hm2,每公頃產量6600kg,為坡地產量的12倍。目前,隨著持續干旱威脅與山區經濟市場需要,黃土高原地區雨水集流農業區發展到了一個新的階段。

甘肅和寧夏已形成大規模的窯窖熱潮,有人因此稱之為“窯窯農業”(CellorWaterHarvestAgrculture)。除解決人畜飲水外,在農業上開始逐步用于灌溉。為了把雨水集流農業發展為大規模的區域行為,還有許多問題需要研究。如在集流場和貯水設施的規劃、設計與施工技術上,防滲挖渠材料應用上有待進一步研究;在高效節水用水技術上,如區域降雨與作物需水規律的耦合,作物關鍵期和適宜的補水量,小型灌水機具的研制及相應的農技措施等。