張振賢高麗紅任華中陳青云王倩眭曉蕾

（中國農業(yè)大學蔬菜系，設施蔬菜生長發(fā)育調控北京市重點實驗室，北京 100193）

1 我國水資源及設施蔬菜節(jié)水現(xiàn)狀

水利是農業(yè)的命脈，沒有水就沒有生命。植物一方面從周圍環(huán)境中吸收水分以保證生命活動之需；另一方面又不斷地向環(huán)境散失水分以維持體內外水分循環(huán)、氣體交換以及適宜的體溫。植物對水分的吸收、運輸、利用和散失的過程稱為水分代謝（water metabolism）。研究植物水分代謝的基本規(guī)律，掌握合理灌溉的生理基礎，研發(fā)現(xiàn)代節(jié)水技術，對于作物的高產、穩(wěn)產、優(yōu)質、高效和良好的農業(yè)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

我國現(xiàn)有水資源總量為28 100億m3，人均2 150 m3，約為世界平均水平的25%，人均水資源占有量排在109位。預計到2030年人口達到16億時，人均水資源將下降為1 760 m3，將逼近國際上公認的1 700 m3的嚴重缺水的警戒線（徐澤珍，2008）。我國水資源的時空分布極不均勻，與國民經濟發(fā)展布局嚴重錯位，全年降雨多集中在7～8月；在地域分布上，南方水質性缺水，北方資源性缺水，特別是華北、西北區(qū)域性缺水更為嚴重。目前，我國年用水量突破6 000億m3，缺口500億m3，農業(yè)每年用水量約為4 000億m3，約占全國總用水量的65%。但是，我國農業(yè)用水效率較低，平均灌溉水利用系數(shù)僅為0.5，與發(fā)達國家的 0.7～0.8差距較大（吳普特 等，2007a），節(jié)水潛力巨大，發(fā)展節(jié)水農業(yè)是緩解我國水資源緊缺和促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵所在。目前，人們對節(jié)水的重要性仍認識不足，設施農業(yè)節(jié)水灌溉設備先進性及配套性差，設施農業(yè)用水效率整體不高，各種節(jié)水技術尚未得到廣泛應用。

目前，一些發(fā)達國家，如以色列、荷蘭等國家普遍使用計算機遙控、土壤墑情監(jiān)測、自動化等先進灌溉技術，這些技術只在我國上海、北京等少數(shù)農業(yè)高科技示范園區(qū)得以應用，多數(shù)設施農業(yè)節(jié)水灌溉設備基本上處于手動或半自動控制水平，與國外同類產品相比還有很大的差距。未來，設施農業(yè)節(jié)水發(fā)展方向應是設備先進可靠、供水自動化、水肥一體化的良好節(jié)水技術。同時，隨著塑料模具加工精度越來越高，加工成本費用大幅度降低，可顯著促進微噴頭、滴灌帶及其附件的更新?lián)Q代速度，為設施農業(yè)節(jié)水灌溉設備的使用可靠性提供保障。

2 設施蔬菜耗水規(guī)律與節(jié)水原理

蔬菜產品為鮮品，生產中耗水量大，特別是葉片多而大的蔬菜其蒸騰系數(shù)高，耗水量更大。在蔬菜生長發(fā)育過程中，一般苗期需水量較小，產品器官形成期需水量較大，此時也是蔬菜需水的臨界期，此時缺水對產量和品質有較大的影響。實際作物耗水量受光照、溫度、土壤質地等多種環(huán)境因素影響，變化幅度較大。

目前，設施蔬菜生產中用水量較大，如設施果菜年均灌水量為800～900 m3·（667 m2）-1，大量灌溉水去向如何？為回答這一問題，高麗紅等（2009）采用改進的蒸滲儀和蒸騰儀等設備，通過多點重復試驗，系統(tǒng)研究并摸清了經驗畦灌下灌溉水在蔬菜生物學產量形成、蒸騰、蒸發(fā)和滲漏（1.2 m以下）中的分配比例分別為2%～4%、25%～32%、18%～22%和50%～55%，同時土壤貯水約占3.5%～5.6%。上述分配比例中，產量形成是栽培目的，蒸騰是蔬菜自身生理需求，必不可少；而蒸發(fā)雖然可以調節(jié)土壤溫度、濕度等，滲漏雖然可以淋洗土壤中過多的鹽分，但二者對產量形成并無直接作用，據此筆者提出了設施蔬菜節(jié)水的基本思路，一是控制地面蒸發(fā)、減少土壤水分深層滲漏的“控漏減蒸”思路，現(xiàn)在絕大多數(shù)節(jié)水技術都可歸結到這一思路；二是堵住滲漏和限制蒸發(fā)的“堵漏限蒸循環(huán)灌溉”的思路；三是 “集雨灌溉”的雨水利用思路，后兩個思路是層次更高、效果更好、前景更廣的節(jié)水技術。

3 設施蔬菜現(xiàn)代節(jié)水技術

3.1 農藝節(jié)水技術

農藝節(jié)水是最簡單、實用的節(jié)水技術，如：① 膜下異區(qū)交替灌溉技術，在壟作條件下進行地膜覆蓋，相鄰兩溝膜下交替灌溉，由于隔溝交替灌溉增加了水的側滲，減少了直接滲漏，可節(jié)水 45%以上（曹琦 等，2010；張利東 等，2011）。② 地面覆蓋（膜或草）節(jié)水技術，選用無色或有色地膜進行地面覆蓋，能夠有效減少土面蒸發(fā)，可節(jié)水25%以上；同時能夠有效降低溫室內空氣濕度，減少病害發(fā)生；利用麥草、樹葉等秸稈覆蓋可起到保墑、保溫、促根、抑草、培肥作用。③ 促根節(jié)水技術，進行單砧嫁接或異效雙砧嫁接，增施有機肥，促進根系壯大，增加吸水面積，也具有良好的節(jié)水效果（張憲法 等，2002；陳小燕 等，2008a，2008b；楊志剛 等，2011）。

3.2 工程節(jié)水技術

主要包括管道輸水（渠道防滲技術）、地下灌溉、定量袋灌、滴灌、隔離栽培等。① 管道輸水，在習慣畦灌或溝灌的地方，輸水溝改輸水軟管，或埋設地下硬塑管，將灌溉水直接輸送至田間。同時，寬畦（溝）改窄畦（溝），長畦（溝）改短畦（溝），控制渠道滲漏和田間灌水量，提高灌水的有效利用率，一般可節(jié)水 20%左右。② 滴灌、微噴灌、滲灌及小管出流灌等微灌技術，微灌屬于局部灌溉，只濕潤部分土壤，即將灌溉水加壓、過濾，經各級管道和灌水器具，將水輸送于作物根際附近，一般可節(jié)水55%～85%。噴灌技術是將灌溉水加壓，通過管道由噴頭將水噴灑到地面。與地面畦灌相比，噴灌一般可節(jié)水50%～60%。但噴灌設備投資較大，能耗較高，目前多在高效經濟作物或經濟條件好、生產水平較高的地區(qū)應用。③ 膜上灌水，將地膜平鋪于畦中或溝中，畦、溝全部被地膜所覆蓋，利用地膜輸水，并通過作物的放苗孔和專設灌水孔滲入到作物根系，因而膜上灌水實際上也是一種局部灌溉，與常規(guī)溝灌相比，節(jié)水25%以上。④ 定量袋灌技術，按既定灌水量（根據土質、作物種類等確定，或按每667 m2每次15 m3或20 m3）定制灌水袋，袋長和直徑根據灌水量和溫室跨度而定，袋上用激光打孔，將水直接沖入袋中，水沿孔逐漸滲入土壤，此項技術高效節(jié)水、省時省工（高麗紅 等，2009）。⑤ 隔離栽培技術，是“堵漏限蒸”節(jié)水技術的簡易應用，挖寬50 cm，深40 cm的栽培槽，槽內鋪設打孔塑料薄膜或稻草，使土壤耕層與深層隔離，實現(xiàn)節(jié)水的目的（溫永剛 等，2008）。

3.3 集雨節(jié)水技術

集雨節(jié)水灌溉已從過去的經驗總結向現(xiàn)代高新技術應用和工業(yè)化技術方面轉變，如以色列、日本等國家利用地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）與技術研究雨水資源利用理論和方法。我國也研發(fā)出了新型雨水存貯窖體的結構材料，并建立了雨水利用智能決策系統(tǒng)。理論上，只要當?shù)啬杲涤炅看笥?00 mm，一般可集水400 m3，基本上可以滿足設施蔬菜高產栽培的需要。此外，根據當?shù)氐淖匀粭l件進行攔河引水工程、塘壩工程、水池工程、水窖工程等集水灌溉，也可獲得良好效果。

3.4 生物節(jié)水技術

生物節(jié)水是今后的發(fā)展方向，如：① 適水種植，根據當?shù)厮Y源情況，選用耗水量少、耐旱品種，將產品器官形成期安排在雨水多的季節(jié)，充分利用雨水。② 選育節(jié)水抗旱品種，應用常規(guī)育種、分子標記輔助選擇、轉基因、基因聚合等技術，創(chuàng)制抗旱節(jié)水型或水分高效利用型的優(yōu)異育種新材料，選育抗旱節(jié)水新品種進行高效節(jié)水?？购灯贩N葉片角化層和邊界層小，阻止水分通過氣孔，減少水分向大氣中擴散，降低作物蒸騰量，提高了水分利用效率。③ 生物技術應用，將抗旱基因或水分高效利用的基因遺傳轉化至農藝性狀較好的品種上，實現(xiàn)高產、優(yōu)質、節(jié)水的目的。但這些技術的大面積實際應用尚需時日。

3.5 生理和化學節(jié)水技術

① 基于生理需水調控的調虧灌溉（RDI）、分根區(qū)交替灌溉（ARDI）和部分根干燥（PRD）等非充分灌溉的高效用水技術，可明顯提高作物水分利用效率。一些發(fā)達國家及我國部分地區(qū)已經開始應用此類灌溉技術，與傳統(tǒng)灌溉方式相比，可顯著減少灌水量、降低植株蒸騰量，提高品質，且不減產（Mitchell et al.，1991；Zushi & Matsuzoe，1998；劉明池 等，2001）。② 抗旱物質的應用，ABA、CCC、B9、抗毒霉素、多效唑和整形素等植物生長調節(jié)劑，具有減小氣孔、減少蒸騰失水、增強根系吸水和調節(jié)植物水分平衡的作用，可起到節(jié)水的作用；氮、磷、鉀、鈣等礦質元素具有促進根系生長、調節(jié)作物水分利用率和增強抗旱性等作用（Wang et al.，2010，2012）；黃腐酸（FA）等有機小分子化合物類抗旱劑，分子量小，能直接溶于水，具有抗旱作用；薄膜型抗蒸騰劑利用高分子物質在植物表面形成極薄的膜，阻止水分蒸騰，提高水分利用效率，但其缺點是對 CO2的吸收和 CO2界面透過有影響，在一定程度上抑制光合作用；近年來高分子吸水樹脂（保水劑）在旱地農業(yè)廣泛應用，對作物逆境成苗和增產效果良好。

3.6 信息節(jié)水技術

現(xiàn)代節(jié)水技術正朝著信息化、自動化、智能化方向發(fā)展，特別是近年來利用3S技術（遙感技術RS、GIS和GPS）為最大限度地優(yōu)化各項農業(yè)投入，充分挖掘田間水肥差異性所隱含的增產潛力創(chuàng)造了條件。利用水分監(jiān)測與信息采集、作物生長決策模擬、支持農田信息實時采集的各種傳感技術和傳輸技術已引起廣泛關注。計算機管理系統(tǒng)使灌溉用水實現(xiàn)了由靜態(tài)向動態(tài)的轉變。如美國根據作物水分蒸發(fā)量，研究作物耗水量與氣象因素之間的關系，確定土壤水分變化和適宜的灌水期與灌水量。利用地面紅外線測溫儀測定作物冠層和葉面以及周圍空氣溫度，確定作物需水量，采用飛機航測和衛(wèi)星遙測進行監(jiān)控（吳普特 等，2007b）。日本、澳大利亞等國已大量使用熱脈沖技術測定作物莖稈的液流和蒸騰，利用傳感器感知莖粗的細微變化以監(jiān)測作物水分需求進行科學灌水，并提出土壤墑情監(jiān)測與預報的理論和方法。

3.7 基于先進制造技術和新材料的節(jié)水技術

利用先進的制造技術和新材料加快了節(jié)水產品開發(fā)進程。將來，多功能、低能耗、環(huán)保、智能控制是節(jié)水灌溉產品發(fā)展的新趨勢。發(fā)達國家利用先進的激光快速成型制造技術，研發(fā)節(jié)水灌溉產品，基于新型低壓滴灌系統(tǒng)，開發(fā)了一系列灌溉控制系統(tǒng)和設備，以及系列化的微噴灌節(jié)水設備，技術性能可靠、使用壽命較長；化學保水劑及保水農膜也是較理想的節(jié)水灌溉材料，如從煤炭中提取的保水劑和利用沙漠植物和淀粉類物質成功合成的生物類高吸水物質，均具有極好的吸水性；又如已研制出的一種聚苯乙烯合成可降解地膜，其表面是接枝聚合物，利用新的制造技術能精確控制藥物降解地膜，靈活和可調的原料配方使其具有廣泛用途，基本可以代替“白色污染”的地膜覆蓋技術。美國等將聚丙烯酰胺（PAM）噴施在土壤表面，起到了抑制農田水分蒸發(fā)、防止水土流失、改善土壤結構的明顯效果（吳普特 等，2007b）。

3.8 基于非傳統(tǒng)水資源開發(fā)利用的節(jié)水技術

天然雨水、污水以及微咸水等非傳統(tǒng)水資源的開發(fā)利用已成為許多國家和地區(qū)解決水資源危機的新途徑。美國、以色列、墨西哥等國家開展了污水回用于農業(yè)的工作，效果良好；我國也提出了污水灌溉方法和理論，但與國外先進國家相比差距較大。在微咸水利用方面，西方國家開展了微咸水灌溉研究和應用，在番茄、西瓜等作物上應用后，不但果實更甜，還可延長貨架期。我國微咸水灌溉試驗研究起步較晚，初步研究了微咸水灌溉對作物品質以及土壤的影響，提出了微咸水利用技術和模式，但仍有許多工作需要完善（吳普特 等，2007b；張余良，2010）。

3.9 設施蔬菜節(jié)水技術的集成與創(chuàng)新

近年來，各國學者都十分重視工程節(jié)水、農藝節(jié)水、生物節(jié)水和信息節(jié)水等技術的集成創(chuàng)新及綜合效益的提高，以及研究推廣與本國經濟水平、水資源數(shù)量相適應的節(jié)水技術模式。如以埃及、巴基斯坦、印度為代表的經濟欠發(fā)達國家由于受經濟條件和技術水平的限制，節(jié)水農業(yè)技術主要以渠道防滲技術和地面灌水技術為主，并開展了天然降水資源利用技術的模式。而以以色列、美國、澳大利亞為代表的經濟發(fā)達國家，節(jié)水農業(yè)技術主要采用以高標準的固化渠道和管道輸水技術，噴、微灌技術與改進后的地面灌水技術為主的模式。

4 設施蔬菜水肥耦合技術

在設施蔬菜生產中水肥管理密不可分，節(jié)水與施肥量和水肥高效利用密切相關。研究表明，氮素深層滲漏量隨灌水量的增加而增加，經驗水肥管理下氮素滲漏量每年約為200 kg·hm-2，在節(jié)水不控肥的條件下，降低了氮素的深層滲漏量，但增加了耕層土壤（0～30 cm）NO-3-N的濃度，加速了土壤次生鹽漬化進程。據此提出的異區(qū)交替灌溉和限量袋灌等節(jié)水技術，基于目標產量和蔬菜需肥規(guī)律的根層氮素調控技術與水氮耦合技術，可節(jié)氮肥 30%以上，在設施果菜生產上取得良好效果（韋彥 等，2010；高麗 等，2012；孫麗萍 等，2012）。

5 展望

節(jié)水事關人類生存，必須引起高度重視，今后應特別重視以下工作：① 繼續(xù)加強適于我國國情的現(xiàn)代農藝節(jié)水技術研究。在注重依靠高新技術拉動傳統(tǒng)技術應用與升級的同時，應將現(xiàn)代信息技術、生物技術與新材料等高新技術應用到現(xiàn)代節(jié)水農業(yè)技術之中。② 現(xiàn)代生物節(jié)水技術是未來節(jié)水農業(yè)發(fā)展的一個重要方向和研究熱點，但目前的研究仍屬于儲備階段，須加大研究力度。③ 節(jié)水灌溉、非傳統(tǒng)水資源開發(fā)等技術是近期現(xiàn)代節(jié)水農業(yè)技術研發(fā)重點，特別應把重點放在集中解決技術應用過程中的難點問題。

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