绿色农业高效节水领域研究进展.pdf

现代农业科技2023 年第 18 期资源与环境科学第一作者 杨新科（1997），男，助理工程师，从事水资源高效利用研究工作。E-mail：收稿日期 2023-01-09绿色农业高效节水领域研究进展杨新科（新疆兵团水利水电工程集团有限公司，新疆乌鲁木齐 830011）摘要节水农业与水资源高效利用和农业可持续发展紧密相关，对于节约水资源具有极其重要的意义。为了解当前绿色农业高效节水领域的最新研究热点和发展趋势，本文总结了我国现代节水农业的基础背景、研究现状以及发展态势。结果表明，灌溉设备与技术开发、农业用水精量配置与调控、作物高效用水机理和农业用水对环境变化的响应是近年来的研究热点，并建议开展水肥一体化智能技术与管理及其对作物、土壤、环境、社会等综合效应的相关研究，以期为我国农业绿色高质量发展提供借鉴。关键词绿色农业；高效节水；节水灌溉方式；智能化中图分类号S274文献标识码A文章编号 1007-5739（2023）18-0150-05DOI：10.3969/j.issn.1007-5739.2023.18.038开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Research Progress on Field of Efficient Water Saving in Green AgricultureYANG Xinke(Xinjiang Corps Water Resources and Hydropower Engineering Group Co.,Ltd.,Urumqi Xinjiang 830011)AbstractWater-saving agriculture is closely related to the efficient utilization of water resources and sustainabledevelopment of agriculture,which is of great significance for saving water resources.To understand the latest researchhotspots and development trends in the field of efficient water saving in green agriculture,this paper summarized thebasic background,research status and development trend of modern water-saving agriculture in China.The resultsindicated that development of irrigation equipment and technology precise allocation and regulation of agriculturalwater use mechanism of crop efficient water use and response of agricultural water use to environmental changeswere research hotspots in recent years.It was recommended to carry out research on integrated intelligent technologyand management of water and fertilizer,as well as their comprehensive effects on crops,soil,environment,society,etc.,so as to provide references for the green and high-quality development of agriculture in China.Keywordsgreen agriculture;efficient water saving;water-saving irrigation mode;intelligence水资源短缺是制约我国农业发展的关键要素，我国现状人均水资源占有量仅为 2 200 m3，不足世界平均水平的 1/4。伴随社会经济的迅猛发展以及人口的快速增长，在用水总量有限的条件下，我国工业用水、生活用水等逐年增加，而农业用水量则维持零增长或负增长态势1。此外，我国水资源分布呈现明显的不平衡性，主要包括水资源时空分布极不均衡以及水土资源极不匹配2：西北地区干旱少雨，南方地区却洪涝频发；占全国耕地面积 58%的北方地区，其水资源总量仅为全国水资源总量的 19%，而占全国耕地面积42%的南方地区却拥有全国 81%的水资源。再者，华北地区地下水严重超采，东北地区地下水亦难以维系3-4，这也使干旱缺水对农业发展的制约更明显，我国水资源短缺形势严峻。此外，我国农业灌溉用水效率远低于世界平均水平，渠道灌溉区用水效率仅为 30%40%，机井灌溉区用水效率亦不足 60%1；全国灌溉水有效利用系数仅为 0.55 左右，远低于发达国家的 0.70.8；粮食水分生产率不足 1.5 kg/m3，远低于 2 kg/m3以上的世界平均水平。可见，我国农业高效节水潜力巨大。现如今，农业用水占全球总用水量的 2/3 以上，在水资源急剧短缺的时代背景下，需要将农业节水放在更加突出的位置，有效提高农业水资源利用效能，以农业工程学150保证农业健康可持续发展，高效节水成为保证我国农业水资源可持续利用和现代农业可持续发展的根本出路1。纵观过去各国学者对节水农业的研究，农业高效节水领域已取得众多瞩目的成就，却鲜少对其进行深入梳理与总结。本文阐述了农业节水领域最新动态，以期为我国现代节水农业发展提供参考。1我国农业用水现状自 21 世纪以来，我国农业用水总量整体呈现平稳缓减的态势（图 1），2015 年我国农业用水总量达到了 3 851.5 亿 m3 5，2020 年我国农业用水总量达到了 3 612.4 亿 m3，较 2015 年下降 6.2%，但仍占用水总量的 60%以上6。我国有效灌溉面积和节水灌溉面积均呈现逐年增长的态势（图 2、3），2015 年全国节水灌溉面积为3 106 万 hm2，占有效灌溉面积的 47.15%7；至 2020 年，全国节水灌溉面积已达 3 779.6 万 hm2，占比为 54.65%，较 2015 年增长 15.9%8。2我国现代节水农业发展面临的新形势未来 20 年是我国社会经济发展的关键时期，必须通过技术变革与转型升级力促新动能发展，走产出高效、产品安全、资源节约的新道路。因此，发展绿色、环保、安全的现代农业体系，是确保我国农产品安全及安全供应、推动现代农业发展进程的必然要求。至2035 年，国内人口数量将突破 15 亿人，届时粮食需求量预计达 7 亿 t，我国农业发展面临巨大挑战9-10。2015 年，我国农业科技进步贡献率超过 56%，至2021 年，这一数字已突破 61%，农业发展进入科技转型的新时期，但这与发达国家仍存在较大差距，我国现代农业依旧面临产业化、组织化、合作化、规模化不足的现状。面向全球化、市场化、信息化、绿色化的现代农业发展态势，农业生产技术与农业组织管理的现代化推动新的农业科技革命，并引领农业走向资源替代、技术提升、领域拓展、节本提质增效的绿色可持续发展道路10。当前，面向粮食安全和气候变化带来的挑战和危机，气候智慧型农业（climate smart agriculture，CSA）逐渐成为国际社会广泛关注的现代农业可持续发展新理念，其以提高农业生产能力、制约农业与气候变化关系为目标，旨在通过改进农业技术实现互利共赢、协同发展的可持续性发展理念10。气候智慧型农业理念在 2010 年经联合国粮食及农业组织提出后便得到国际诸多组织的积极响应，世界银行、欧盟委员会、美国和加拿大农业部等组织均相继出台了相关农业政策和执行方案。3我国现代节水农业发展的政策引导进入现代农业发展新时期，我国相关部门对节水农业发展给予了政策支持。自党的十八大以来，我国逐渐形成了以“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”为宗旨的治水思路。之后，农业领域相关部门陆续出台了一系列政策、文件，以支持农业转型发展。2012 年，国务院出台了 关于实行最严格水资源管理10 0008 0006 0004 0002 0000201520162017201820192020年份用水量/亿 m3用水总量农业用水总量线性（用水总量）线性（农业用水总量）y=-43.9x+6 159.7R2=0.680y=-43.6x+3 882.2R2=0.952注：数据来源于 20152020 年的 中国水资源公报 与 中国农村统计年鉴。下同。图 120152020 年我国用水总量及农业用水总量8 0006 0004 0002 0000灌溉土地面积/万 hm2201520162017201820192020年份y=61.2x+6 568.7R2=0.943y=137.5x+3 005.6R2=0.977有效灌溉面积节水灌溉面积线性（有效灌溉面积）线性（节水灌溉面积）图 220152020 年我国有效灌溉面积及节水灌溉面积5654525048464442201520162017201820192020年份占比/%47.1548.9050.6150.6152.9353.9654.65图 320152020 年我国节水灌溉面积占比杨新科：绿色农业高效节水领域研究进展151现代农业科技2023 年第 18 期资源与环境科学制度的意见（国发 2012 3 号），文件指出，要加大农业节水力度，大力发展喷灌、微灌等节水灌溉技术。2014 年，国务院公布了 南水北调工程供用水管理条例，文件指出，受水区县级以上人民政府应积极引导农民和农业生产经营组织调整农业种植结构，推行农业节水灌溉方式。2016 年，农业部印发了 全国种植业结构调整规划（20162020 年），文件中提到，加大推进种植业结构调整及区域布局调整力度，走产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的农业现代化道路。2019 年，国务院发布了 关于促进乡村产业振兴的指导意见，文件中提到，要大力发展节地、节能、节水等资源节约型产业，建设农业绿色发展先行区。2019 年 4 月国家发展和改革委员会、水利部联合印发了 国家节水行动方案，在节水灌溉方面提到，积极发挥财政职能，重点支持农业节水灌溉等领域；在2020 年前，每年要发展节水灌溉面积 133.33 万 hm2、水肥一体化面积 133.33 万 hm2；到 2022 年，要创建150 个节水型灌区和 100 个节水农业示范区。2022 年1 月，国家发展和改革委员会、水利部印发了 “十四五”水安全保障规划，提出到 2025 年持续加强水旱灾害防御能力、水资源节约集约安全利用能力、水资源优化配置能力及河湖生态保护治理能力，显著提升国家水安全保障能力，这也是国家层面首次编制实施的水安全保障五年规划。4国内外节水农业研究热点与发展态势近 10 年来，国内外节水农业的研究与发展主要集中在以下 4 个方面，即灌溉设备与技术开发、农业用水精量配置与调控、作物高效用水机理和农业用水对环境变化的响应10-13。4.1灌溉设备与技术开发不同节水灌溉方式是现阶段的热点话题。对于农业发展而言，灌溉是农业用水的重要组成部分，实施合理有效的灌溉技术，是实现水资源高效利用的重要手段14。农业灌溉技术已由传统的丰水高产型灌溉转向节水优产智慧型灌溉，以精准灌溉为目标的各类微喷灌技术已在全球范围得到广泛应用。除微灌、喷灌、滴灌、沟灌等节水技术，依据作物生理特性和需水要求制定农业用水策略的灌溉技术极大提高了农田水分利用效率，包括限水灌溉、调亏灌溉、非充分灌溉、加肥灌溉、分根区交替灌溉等15-18。特别是近年来发展的分根区交替灌溉（partial root-zone dryingirrigation），其作为一种新理念的节水灌溉技术，可为揭示农业节水机理提供技术支撑19。4.2农业用水精量配置与调控近年来，作物生境过程协同调控技术研究成为国际农业用水配置与调控技术的新热点，通过充分提高作物根区水、土、肥、气、热对作物生长的协同效应，形成实用的综合调控技术20。就灌区而言，农业用水的优化输配控制高新技术在农业高效用水现代化管理中得到了发展应用21，各种预测技术、优化技术的灌溉用水计算机管理系统的大面积综合应用使灌区的灌溉用水实现了由静态用水向动态用水的转变。同时，云计算、大数据、物联网、人工智能、区块链、5G 等新一代信息技术为当前智慧灌溉技术发展注入了新的活力10，天地空一体化监测体系极大提高了农业生产效率。基于实时监测土壤墒情和养分，同时兼顾作物特性及农业管理方式演变规律的精准化灌溉施肥高新技术，逐渐成为现代农业灌溉发展新方向。在土壤水肥信息智能监测及光谱分析和机器视觉技术等的联合应用过程中，太阳能等清洁能源在灌溉管理系统中被创新性使用，为实现农业灌溉施肥的自动化、智能化、信息化、精准化提供了技术保障22。4.3作物高效用水机理目前，基于作物生命需水过程的作物高效用水理论成为研究热点，大多集中在其生理生态机制、定性定量描述及宏观调控技术等方面，主要包括气孔调节和渗透调节对干旱胁迫的响应23-24。气孔调节方面，作物通过产生植物激素调节气孔开度，尽可能降低蒸腾损失，以应对干旱胁迫25。渗透调节方面，作物主要通过调节细胞液渗透势来提升抗旱性能。不仅如此，作物复水后的补偿生长作为其抵御干旱胁迫的一种修复机制，也成为作物高效用水理论的重要研究方向26。作物需水过程的量化表征进一步加深了人们对叶片光合气孔蒸腾耦合机理的认识27，相关研究揭示了环境因子与叶片内部物理过程的互馈关系，并发展出气孔光合蒸腾的作物生理学模型28。此外，蒸发蒸腾量作为土壤植物大气连续体（SPAC）中的关键要素29，对深入探讨 SPAC 水分传输和转化过程具有积极意义。众多学者构建了基于水汽扩散理论与能量平衡的作物耗水计算方法，建立了逆境胁迫复杂情形下的作物根系吸水模型；与此同时，农业节水技术与作物生长模型的结合也日益紧密。农业工程学1524.4农业用水对环境变化的响应生态环境对农业灌溉的响应机制已成为当前农业用水的新热点10。Bonfils 等30研究表明，长期灌溉将冷化局部气候，减少区域潜在蒸散发并最终导致农业灌溉需水及生态环境发生改变。此外，长期农业节水对区域地表生态环境也有深刻影响。相关研究表明，渠道衬砌会降低渠床四周土壤墒情和植物多样性。同时，农业节水灌溉也将有可能改变灌区及区域水循环，降低地下水位并引发土壤次生盐渍化。采用多尺度水循环耦合模型研究农业灌溉对区域生态的影响，探讨灌溉的可持续性已成为国际热点问题31。水碳氮是关乎区域农业生产力分布的关键因素，气候变化及灌溉条件下的区域水碳氮耦合过程定量描述及农业水生产力估算是目前国际研究的方向32。此外，考虑全球气候变化对陆地蒸散发的影响，采用自由空气浓缩技术深入探究作物需水规律及农业生产对气候变化的响应也已成为新的研究热潮33-34。农业节水措施的环境效应研究也逐渐受到重视。已有学者研究发现：滴灌对温室气体排放具有显著的抑制作用，同时对土壤碳汇能力提升具有促进意义35；对水稻实施干湿交替灌溉在有效减缓甲烷排放的同时，还能够达到增产增效的效果36。5节水农业未来的发展趋势开展立足于农业节水的多层次研究，对促进节水农业创新性发展具有现实意义。首先，从作物自身生理调节机制出发，全面挖掘作物节水潜能，寻求作物耐旱基因，培育节水抗旱新品种；其次，大力发展和创新农田灌溉方式，发展智能水肥一体化技术，提高田间精准灌溉施肥效能；再者，优化调整区域灌溉输配水策略，发展灌区输配水高新技术，提高区域输配水系统效能。同时，还需进一步揭示作物需水及灌溉用水与区域生态环境的互馈机制，深入探析变化环境下的农业高效用水规律及其响应规律，为实现节水农业发展提供理论支撑。参考文献1 包晓斌.高效节水是保证我国农业水资源可持续利用的根本出路J.中国水利，2018（6）：30-32.2 LV H D，YANG L，ZHOU J S，et al.Water resource synergymanagement in response to climate change in China：fromthe perspective of urban metabolismJ.Resources，Conser-vation and Recycling，2020，163：105095.3 YANG H，DU T，QIU R J，et al.Improved water useefficiency 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