农业水土工程.doc

21世纪的农业水土工程
摘 要:介绍了农业水土工程学科的历史和形成过程,分析其在我国农业可持续发展中的地位和作用,提出了21世纪中国农业水土工程学科需要解决的关键科技问题,探讨其在基础理论、应用技术等方面的发展趋势。
关键词:农业水土工程;科技发展;可持续农业
Abstract: From the connotation of agricultural soil engineering disciplines, carefully discusses subject research field in agricultural projects, the development stage (or agricultural science and technology application in engineering of deep level) is analyzed and the trend of agricultural soil engineering disciplines were appraised.
Key word: the subject of agriculturalwater-soil engineering;Mission;Development trend

1 农业水土工程学科的形成
农业水土工程学科是介于工程、农业生物、资源与环境学科之间的边缘学科。1990年由国务院学位委员会学科评议组定名,农业水土工程是研究水土(主要是水、盐、泥沙、污染物等)运动规律与调控管理技术,合理利用农业水土资源,创造良好的农业水土环境,为促进农业持续发展服务的科学。它主要包括农业节水灌溉、农业水资源的持续高效利用、中低产田改良的排水技术、农业水土环境工程、农村供水与水土保持工程等领域。
水土环境是人类赖以生存的基础。一定意义上讲,人类的历史就是利用和改造水土环境的历史。在人类发展历史中,人们逐渐认识了水、土运行的某些规律,掌握并积累了一些控制水土的技术,形成和发展了水土科学的某些方面,如水文学、土壤学、水土保持、农田水利(灌溉、排水)、土壤改良、防洪等。因此农业水土工程学科的研究范围相当广泛。农业水土工程长期以来在中国是分别以农田水利、水土保持、土壤改良、垦殖等形式出现的。他们分别代表水土工程的一个方面,而且通常被认为是水利科学的一部分。特别是农田水利工程,一向被认为是水利工程的一个分支。到目前为止,农田水利学科仍以灌溉排水为主要内容,实际上只突出了一个“水”字。而多年的农业生产和科学实践表明,水、土、作物之间有着不可分离的联系。科学的调控土壤水分,协调好“土—植—气”连续体的水分关系,以水调肥,是保证植物生长的基本条件。增加植被,是涵养水源,减小土壤侵蚀,防止土壤水肥流失,做好水土保持的重要手段。而合理施肥,改良土壤,以肥促水,又是提高作物水分利用效率的重要途径。揭示水、土、植之间这种内在本质的联系,应该成为科学研究的一个重要领域。特别是在本世纪中叶以来科学技术又出现了新的重大突破,丰富了农业水土科学的内涵。如在农业水土资源管理中,借助于土壤水动力学、植物生理学的理论和现代数学方法和计算手段等,从整体上和相互作用上考虑水—土—作物—大气之间的相互关系,定量描述土壤—植物—大气连续体中水分、养分运移转化过程,制定科学的水肥调控方案,使农业水土资源管理的研究由单纯的实验性质变为一门有较严谨的理论基础和定量方法的科学;计算机技术、电子信息技术、红外遥感技术以及其它技术的应用,使土壤水分动态、水盐动态、水沙动态、水污染状况、作物水分状况、农田微气象数据方面的监测、采集、处理技术得到发展,并促进农业水土资源管理水平的提高;材料技术的创新使渠道防渗、管道灌溉、覆膜灌溉、坡面集雨技术产生突破;农田灌溉由过去丰水高产型灌溉向节水优产型的非充分灌溉,并充分考虑作物生理特性的主动施加有益亏水度的调亏灌溉,畦灌向喷微灌、单一灌溉向肥药联用以及多种现代覆盖材料等方面发展。随着这些技术的创新和大面积的推广应用。使人们日益认识到必须把水、土、作物三者紧密地结合起来,看作一个整体来对待,才能有效地发挥整体的作用。正是在这种背景下,不同学科交叉、渗透,形成了研究水土运动规律,综合高效利用农业水土资源,为农业可持续发展服务的农业水土工程学科。农业水土工程学科是农业工程学科的一个分支。
2 农业水土工程学科在我国农业可持续发展中的地位与作用
我国农业可持续发展的主要制约因素是水土资源不足及其分布不均。全国人均耕地不足世界平均水平的1/3,人均水资源占有量不足世界人均水平的1/4,且81%的水资源集中分布在长江以南。而人口和耕地分别占全国的45.3%和64.1%的长江以北地区人均、单位面积耕地水资源量仅为全国平均水平的1/5、1/3,为世界平均水平的1/20、1/5,水资源与生产发展不相适应的程度十分突出,而西北、华北地区则更为突出。干旱缺水已成为影响我国农业生产的最大的且不断加剧的自然灾害。全国每年因干旱缺水约少产粮食1000亿kg左右。缺水还导致过量引用地表水和超采地下水,造成了西北内陆河流域下游湖泊干涸,荒漠化、盐碱化不断发展,华北等许多地区出现大规模的地下水降落漏斗,青岛、烟台等地大规模的海水入侵,黄河干流的高频率、长时间断流且不断加剧等十分严重的生态环境问题,也造成了地区之间、工农业之间、城乡之间用水矛盾十分尖锐的社会问题,威胁到了人类生存的环境和农业的持续发展。而另一方面,南方地区又一直面临洪涝灾害的威胁,1994年全国洪涝受灾面积1933万hm2多,成灾1200万hm2,1998年的长江洪水更是令人惊心,防洪排涝、排渍的任务亦十分艰巨。同时全国水土流失面积已占国土面积的38%,每年流失泥沙50亿t,相当全世界600亿t的1/12,仅黄土高原每年因水土流失带走的氮、磷、钾就有约4000万t,相当于全国每年生产的化肥总量。土地生产力的退化十分严峻,同时还造成了河流泥沙淤积和水资源污染,加剧大江大河下游的洪水威胁。
21世纪是我国经济的大发展时代。我国21世纪的农业发展,一方面面临人民生活水平不断提高、人口进入高峰期和社会经济持续发展对农产品需求量不断增加的巨大压力,另一方面又面临人多地少,后备耕地资源有限、现有耕地面积由于建设占用而持续减少的问题。我国今后要增加的农作物产品产量,主要要靠提高单位面积产量来实现。然而,在我国的季风气候条件下,无论北方或南方地区在没有灌溉保证条件下,要实现高产稳产是不可能的。因此,我国农业所面临的巨大压力和矛盾,必然要逐步转移到农业供水上来。而要大幅度增加我国农业供水量是非常困难的,若按现状用水需求状况外延,我国21世纪的农业发展所面临的供水危机,将比以往任何时期都要严峻。解决上述危机的根本出路, 是大力发展规模化农业高效节水,提高大范围农业水肥利用率和单位水量、肥料的农产品产出率。同时还要加强对中低产田改造和水土保持、水土资源环境保护与改良等。这就迫切需要立足国情,研究和发展农业高效用水技术、农田排水改良技术、水土保持技术、水土环境控制与改造技术,既要提高土壤的生产力和农作物产量,又要保持水土资源的持续利用。因此农业水土工程学科的发展和农业水土工程技术的革新必将对21世纪我国农业可持续发展乃至整个国民经济的发展产生突破性的作用。
3 21世纪中国农业水土工程学科需要解决的主要科技问题
3.1 农田物质迁移规律及其调控机理
面水、地下水、土壤水、植物水)转化的机制及其数值模拟;农田水盐运移规律与溶质传输模型;农田水热耦合运移及水热转换关系;土壤—植物—大气连续体(简称SPAC)中的水分传输机理、水分传输的动力学模式及其计算机仿真方法;作物水分散失与光合作用的耦合模式;农田作物蒸发蒸腾量与流域蒸散发量的计算方法;作物对地下水利用量的计算方法、不同地下水埋深的潜水蒸发规律及其对作物产量和农田水分循环与水平衡的影响,农田地面水—地下水—土壤水联合最优调配的理论与方法;以节水高产为目标的土壤水调节模型;灌溉水(降水)—土壤水—作物水—CO2同化—干物质积累—经济产量间转化效率的计算理论与方法以及提高各环节水量转化效率的农田节水调控原理与方法;农田盐分平衡的计算及其调控;溶质(主要的化肥农药)和污染物等在土壤水—地下水系统中的迁移规律;土壤侵蚀量的计算及泥沙随水流在地表的运移规律,需从土壤水动力学与土壤物理学理论出发,对降雨后水分与溶质沿坡面流动过程、雨滴击溅与径流侵蚀过程以及黄土坡面降雨漫流的数学模拟等进行研究。
3.2 逆境对作物的影响机制及其持续农业中的水分调控
包括水分亏缺(或水分胁迫与干旱)对作物光合作用、生长和产量构成等因素的影响关系;土壤水与含盐量水平对植物根系吸水、水分散失和生长发育及产量的影响;水分过多(渍或涝)对作物的影响;作物耐旱、耐盐、耐渍涝的定量标准;作物水分状况的定量诊断方法,特别是用红外测温或遥感信息诊断作物水分状况的问题;土壤水分对作物有效性动态评价理论;探讨作物缺水受旱状况发展进程的模式,确定各种作物不同产量水平时所允许的土壤水分亏缺,建立各种供水条件下作物节水灌溉预报经济指标体系;研究灌溉水量有限条件下作物群体光合产物的最优分配策略,以提高光合效率和经济产量及水分利用效率;研究作物生理节水的潜力,把作物生长发育和达到某一产量水平必须消耗的水量控制在最低的限度。
为了适应农业节水的要求,需要研究作物水分生产函数,应在单阶段受旱的基础上研究多阶段受旱或连续受旱对作物的影响,探讨作物缺水敏感指数(或减产系数)的变化规律;为了发挥综合节水措施的作用,还需要研究作物水肥生产函数问题,确定有限灌溉水量条件下非充分灌溉模式的理论和方法。
3.3 农业高效节水关键技术
农业高效节水关键技术是指中近期内能对农业高效节水有重要作用,同时具有一定科学水平的节水技术措施,根据近阶段的投入条件和重要性以及我国国民经济发展状况, 未来十几年需要解决的关键技术问题有:
3.3.1 节水灌溉新技术 包括喷、微、渗(地下滴)灌技术和田间地面灌水新技术的改进与提高。
3.3.2 渠道防渗与管道输水技术 渠道防渗技术主要是开发适应不同地区自然条件,不同类型的防渗性能与耐久性较好且成本低的防渗新材料及相应的施工工艺和技术;建立系统的防渗防冻胀技术,提高并定型化、成本低、使用方便的渠道防渗施工机械,形成防渗效果好、低投入,便于推广的渠道防渗成套技术;管道输水灌溉主要是新型管件开发研究及其产品定型、产业化,田间闸管系统研制与应用,农田管道量水设备研制,以及适于低压管道输水灌溉系统的配套建筑物和调压装置。
3.3.3 主要作物的节水、增产、高效灌溉制度
3.3.4 灌区水管理技术 包括土壤墒情、作物旱情、水源水情、水沙、水盐、水污染实时监测与预报技术,特别是大区域土壤墒情的时空变化关系及其预报和短、中、长时间尺度的土壤墒情预报原理和方法;渠系水量流量调控技术及灌区动态配水技术;实现灌区水量优化调度所需的量水技术及各种新型、简便、价廉、准确、适应性广的量水设备研制,重点是用于小型渠道取水口的量水及与取水相结合的设备和建筑物,能在上游变动水位下引进固定流量的半自动量水建筑物,用于浑水渠道、抗泥沙干扰能力强的量水设备及建筑物,智能化量水仪表等。
3.4 农业综合水肥高效利用技术
具体包括不同节水技术条件所适宜的水肥耦合技术,包括节水地面灌溉条件下水肥耦合技术,喷灌条件下水肥管理技术,滴灌条件下适宜的施肥灌溉模式;提高农田水分利用效率的耕作栽培技术,包括耕作措施对水分利用效率的影响及与各种耕作措施相适应的农田用水技术,带状种植的高效用水技术;覆盖保墒及节水灌溉配套技术,包括秸秆覆盖的最佳实施方案及配套的节水灌溉技术,地膜覆盖技术与相应的农机具配套改进,覆盖保墒新材料的选用及其配套的节水灌溉技术;节水、高产、高效的综合农业配套技术;化控节水技术的应用;干旱丘陵地区抗旱保苗的移动式简易节水农机具研制及节水配套技术。
3.5 与持续农业发展有关的灌溉土地评价及其土壤改良技术
许多灌溉农业区域由于对自然资源的消耗和引起环境的恶化而存在着严重的危险。为了避免负效应,发展持续性的灌溉农业,必须对灌溉土地进行评价,建立灌溉土地利用合理性评价的原则指标体系及方法,在灌溉土地适宜性评价基础上进行合理的灌溉区划对不适宜于持续性灌溉农业发展的土地要进行改良,包括采用以农田排水技术为主,并与其它农业技术措施密切结合对盐碱地、沼泽地、渍害等中低产田进行综合改良。要研究考虑水—土—作物关系的农田排水机理及其标准(排涝与排渍),改良中低产田的综合技术的最优组合,盐碱化地区排水方式的优化选择与优化管理,排水沟布局和规格标准等。
3.6 区域农业水土资源的持续高效利用与优化管理
要解决雨水集蓄与高效利用技术,这是21世纪解决降水量在250 mm~500 mm左右的半干旱区旱作农业发展的重要途径。主要在于对半干旱地区雨水汇集、存贮与净化、雨水高效利用三个环节及其配套技术。其具体的内容有:雨水汇集方式及配套技术,包括雨水汇集工程设计基本参数的确定、集流场的规划设计、集流场地表处理技术及集流工程系统的管理与维护技术;雨水存贮与净化技术,包括雨水存贮设施设计与施工技术、雨水存贮设施防渗防冻技术和存贮雨水保鲜净化技术等;蓄存雨水的高效利用技术,包括选择、改造和完善适宜于利用集蓄雨水灌溉的小型配套农机具,存贮雨水合理调蓄技术和提高雨水利用效率的综合技术。
在区域水土资源持续高效利用技术方面主要有:地下水资源的持续高效利用技术;利用地下水的机井测改和机井修复的关键技术;新型井型及井管材料和造井技术的研究;高含沙浑水淤灌技术;污水净化和高效利用技术;微咸水的分馏与利用技术;黄土高原强化降水入渗与减少径流侵蚀以及调蓄土壤水库的技术;以充分利用天然降水、维持农业生态系统中水分良性循环和有利于农业持续发展为目标的区域多种水资源联合调配技术等。
还有农业水资源管理,水质监测及水质变化的预测,水源保护规划及农村人畜饮水和水质改良问题;建立不同地区的农业水土资源情报信息系统及农业水管理的决策支持系统,在水源不足地区,以供定需、以水定地,做到区域性的水土资源平衡。
3.7 农业水土资源环境问题
要研究农村水源环境保护,水土工程的环境影响评价,水环境变化对局部地区气候及土壤的影响;研究灌溉对农田土壤水盐运动的影响,土壤次生盐碱化的预测,农业化学物在土壤中的输运及聚集,地下水中农药及污染物的吸附、解吸和传输,稻田渗漏引起的氮素或其它养分的淋失规律与数学模拟;研究树冠和林草以及水保工程措施对降雨截留、调节地表径流,促进“五水”转化的作用;研究湖、库、塘、窖、坝、池泥沙沉积量的测算方法;加强水土保持基本理论的研究和水保新技术的应用;研究不同地区“生态防护区”问题和农、林、牧综合发展的最优生产结构模式,减少水土流失、保护水源,从根本上改善农业水土资源的利用条件;为防治水土资源污染,要研究适合中国国情的农业水土环境整治措施。
4 21世纪中国农业水土工程发展趋势
4.1 基础理论方面
在水—土—作物—环境关系的最优调控理论与方法研究方面,将建立水、肥、环境综合生产函数和通用作物水土管理模式,建立降水(灌溉水)—作物水—光合作用—经济产量转化效率的计算模型以及水—土—植物—环境关系最优协调的理论和方法。农田物质(水、沙、盐、农业化学物)的迁移规律及其数值模拟与预测将有一定突破,为节水农业、盐碱地改良、水土保持和农业水土环境保护等工作提供新的理论依据。在逆境对作物生长和产量影响的定量评价方法和农业水旱灾害及防治对策方面,将会建立逆境(旱、渍涝、盐碱化)对作物影响的定量评价指标体系,农业水旱灾害的预测精度可能提高10%左右,对农业抗旱防洪决策将提供新的依据。随着农业水土工程学科领域研究的进一步深入,有关土壤、植被和大气界面过程问题,研究的尺度问题,土壤、植被条件的非均匀性问题,农田水分、盐分迁移中各部分介质的非线性相互作用问题,农业污染物在地下水和土壤水中的迁移等,将是未来农业水土工程学科研究中的难点和前沿问题。
4.2 应用技术方面
灌溉方式将从传统的丰水高产型灌溉转向限水灌溉(Limit Irrigation)、非充分灌溉(Non-full Irrigation),以提高水的利用率。各种利用适度亏水来调控刺激作物生理机能以提高作物水的利用效率、生产率,改善农产品品质的调亏灌溉、分根交替灌溉也将得到深入研究和推广。喷、滴灌等先进的灌水技术将得到广泛使用,设备运行的可靠性、使用寿命和自动化程度很大提高。各种先进的地面灌水技术如间歇灌、膜上灌、激光平地和水平畦灌、果树渗(地下滴)灌等将得到大面积推广。各种灌溉技术与农业措施将有机融合在一起,形成综合水土资源高效利用技术。如各种水肥耦合、带状种植、覆膜保墒等适合国情的水土高效利用技术将广泛使用,以提高水肥利用率、农作物产量,改善农产品的品质。灌区将广泛采用先进的大区域土壤墒情、作物旱情和水源水情实时监测与预报技术、渠系水量流量调控技术及灌区动态配水技术,实现灌区水量最优调度。雨水集蓄与高效利用的技术将得到深入研究,形成具有中国特色的雨水利用技术体系,将会在西北半干旱地区和南方丘陵坡地广泛推广,以提高降雨的生产率。根据不同地区的特点,将广泛采用各种先进水土保持、高含沙浑水、部分苦咸水、污水灌溉及地下水持续利用等区域水资源持续利用技术,以达到区域水资源的持续高效利用。
4.3 高新技术的应用方面
随着科学技术的发展,计算机技术、电子信息技术、红外遥感技术以及其它技术的应用,使土壤水分动态、水盐动态、水沙动态、水污染状况、作物水分状况、农田微气象数据等面的监测、采集、处理技术得到发展,并促进农业水土资源管理水平的提高。综合运用全球卫星定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)、遥感技术(RS)和计算机控制系统精准灌溉(Precise Irrigation),将会成为我国21世纪农业水土工程发展热点和新的农业科技革命的重要内容,以及提高农业用水效率和单位面积产量的关键。未来农业水土工程学科的发展将进入一个新的时代。可以预见,随着其研究的深入和推广,将会使我国十分有限的水土资源得到高效利用,水土流失利用状况有大的改善,对我国21世纪农业的持续发展和整个经济起飞做出贡献;并将会推进农业水土工程学科理论研究,促进其自身理论体系发展。
参 考 文 献：
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