杜貞棟，呂寧江，黃 乾

（山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟南 250013）

1 項目簡介

山東半濕潤區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)研究與集成(項目編號：2006AA100222)是國家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計劃現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域 “現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)與產(chǎn)品”項目之一，2006年通過參加科技部組織的競爭答辯，山東省水利科學(xué)研究院成為項目承擔(dān)單位，桓臺縣水務(wù)局為項目協(xié)作單位。項目總經(jīng)費為600萬元，研究時間為2006年12月至2010年10月。該項目歷時4年，按照合同要求按期完成。2010年11月10日，國家科技部在北京組織了“十一五”國家863計劃現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域項目的會議驗收，研究成果得到專家的充分肯定，項目順利通過驗收。

該項目以區(qū)域水資源可持續(xù)利用為目的，以現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)集成展示為重點，建成14.4hm2現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)及產(chǎn)品展示基地，依此作為研究與集成平臺，開展了農(nóng)作物節(jié)水抗旱品種篩選技術(shù)、農(nóng)藝綜合節(jié)水技術(shù)、精量控制灌溉技術(shù)、精細地面灌溉技術(shù)、現(xiàn)代化運行管理技術(shù)及區(qū)域地表水地下水聯(lián)合調(diào)控技術(shù)研究，提出山東半濕潤區(qū)現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)體系和集成模式，為山東半濕潤區(qū)及類似地區(qū)發(fā)展高產(chǎn)高效節(jié)水農(nóng)業(yè)、維持地下水采補平衡提供技術(shù)支撐，展示我國現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)成果和應(yīng)用效果。經(jīng)過4年研究攻關(guān)項目取得了豐富成果，示范面積達667hm2，推廣面積超過2萬hm2，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益。

2 主要研究成果

2.1 抗旱節(jié)水作物品種篩選研究

開展了冬小麥、夏玉米耐旱品種篩選試驗。按當?shù)囟←湣挠衩纵喿鞯姆N植習(xí)慣設(shè)置灌溉試驗處理，從多個冬小麥、夏玉米品種中初選山東半濕潤區(qū)種植范圍較廣的7個冬小麥品種、6個夏玉米品種，通過對作物生態(tài)指標和產(chǎn)量構(gòu)成因素與抗旱性、產(chǎn)量和水分利用效率的相關(guān)關(guān)系進行分析，利用模糊物元評價法篩選出了2個豐產(chǎn)、耐旱冬小麥品種：青麥6號和濟麥22號，2個夏玉米品種：桓豐16和鄭單958。

2.2 降水資源轉(zhuǎn)化與高效利用技術(shù)集成

2.2.1 秸稈還田與深耕蓄水技術(shù)研究

冬小麥和夏玉米秸稈還田是桓臺縣作物秸稈利用的主要形式，冬小麥秸稈采用留高茬免耕覆蓋還田，夏玉米秸稈采用粉碎翻壓深耕還田。秸稈還田促進土壤有機質(zhì)及氮、磷、鉀等含量的增加，進而改良土壤結(jié)構(gòu)和土壤水分特性。秸稈還田后，桓臺縣10年前后對比土壤有機質(zhì)含量提高了14.7%，堿解氮含量提高30.9%，速效磷含量提高177.8%，速效鉀含量提高14.3%。秸稈還田并深翻入犁底層的處理比秸稈焚燒或覆蓋的處理全生育期可省水462～550m3/hm2，增產(chǎn)10.4%，水分利用效率增加18.3%。

2.2.2 冬小麥水肥耦合技術(shù)研究

過量施用氮肥會造成一系列的環(huán)境問題。針對桓臺縣冬小麥冬灌時補施氮肥的習(xí)慣，進行了冬灌期施氮和拔節(jié)期施氮的對比試驗。試驗結(jié)果表明，冬小麥拔節(jié)期結(jié)合灌溉或降雨施氮肥比冬灌期施氮肥產(chǎn)量提高了17.2%～14.9%，拔節(jié)期施肥水肥耦合效果好，有效地提高了肥料的利用效率。

2.2.3 高產(chǎn)省水栽培技術(shù)研究

開展了夏玉米直播與套種（冬小麥）對比試驗，冬小麥“引苗水”（播后灌水）試驗，保水劑、抑制蒸騰劑、抗逆劑的節(jié)水增產(chǎn)試驗，最佳播種期試驗等，試驗結(jié)果表明：1）夏玉米直播后產(chǎn)量和水分利用效率均比套種處理有所降低，產(chǎn)量平均降低8.86%，水分利用效率平均降低4.83%；2）冬小麥播種后若無有效降水，播種后灌引苗水可以大幅度提高出苗率和冬前分蘗率，“引苗水”對于桓臺縣黏壤土質(zhì)、秸稈還田情況下是必須的；3）抗逆劑（如天達2116）可有效抵御和修復(fù)春季凍害對小麥的傷害。

2.2.4 農(nóng)藝節(jié)水高效技術(shù)集成模式

研究形成了“畦田高起壟+玉米秸稈粉碎深翻還田+冬小麥適期、適量、足墑播種施底肥+播后灌溉+配方施肥+氮肥后移+應(yīng)用保水劑、抑制蒸騰劑和植物生長調(diào)節(jié)劑+夏玉米足墑套種施底肥（播后灌溉）+小麥留高茬秸稈覆蓋還田+玉米大喇叭口期追肥”的農(nóng)藝節(jié)水高效技術(shù)集成模式。該技術(shù)模式能夠充分利用天然降水、改善土壤的結(jié)構(gòu)、蓄水保墑、實現(xiàn)水肥耦合、增加土壤有機質(zhì)，應(yīng)對低溫等極端氣候侵害，達到水肥高效利用的目的。農(nóng)藝節(jié)水高效技術(shù)集成模式見圖1示。

圖1 山東半濕潤區(qū)農(nóng)藝高效節(jié)水技術(shù)集成模式

2.3 地下水調(diào)控及水資源優(yōu)化配置研究

2.3.1 淺層地下水動態(tài)規(guī)律研究

近30年來桓臺縣淺層地下水位變化規(guī)律為：時段平均降水量略大于多年平均降水量時保持階段性平衡，總體呈下降趨勢。按照現(xiàn)狀年開采量，遇到連續(xù)偏枯年，地下水位下降明顯。全縣分區(qū)地下水變化規(guī)律為：南部地下水埋深較大，一般超過20m，且多年來地下水位一直處于下降狀態(tài)；中部地區(qū)以緩慢下降和平衡穩(wěn)定為主；北部地區(qū)地下水位變化較小，基本保持穩(wěn)定，且埋深普遍較淺，在1～4m之間?；概_中部地區(qū)地下水變化是南部地區(qū)向北部地區(qū)變化的過渡帶，全縣平均地下水水位受南部地區(qū)水位影響較大。根據(jù)30年降水和水位資料，建立了地下水位年變幅～降水量回歸關(guān)系式。

2.3.2 農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置

按照豐水年多蓄少采、平水年采補相當、枯水年適當超采的調(diào)控原則，建立了年際調(diào)控水資源優(yōu)化配置模型。該調(diào)控模型既可以對單個水文年進行水資源優(yōu)化調(diào)控，也可以解決地下水多年調(diào)控配置問題。將作物—水模型作為約束條件與年際調(diào)控水資源優(yōu)化配置模型耦合，克服了多層遞解結(jié)構(gòu)各模型反復(fù)協(xié)調(diào)、試算的缺點。該優(yōu)化模型為非線性模型，利用廣義梯度下降算法進行了全局尋優(yōu)。優(yōu)化結(jié)果為：當桓臺縣灌溉水利用系數(shù)達到0.85時，農(nóng)業(yè)用水比現(xiàn)狀開采量減少20%，可以保證桓臺縣糧食生產(chǎn)畝產(chǎn)噸糧的目標。

2.3.3 地下水運動模擬及預(yù)測

建立了桓臺縣井灌區(qū)水文地質(zhì)模型和地下水系統(tǒng)模擬模型，采用VisualModflow模擬軟件對地下水不同開采情景下的短期、長期和調(diào)水方案地下水位變化進行了模擬預(yù)測，并提出相應(yīng)的地下水開采策略，對桓臺縣地下水管理決策具有指導(dǎo)意義。地下水數(shù)值模擬模型建模及部分模擬結(jié)果見圖2～圖4。

圖2 模型計算區(qū)域剖分三維網(wǎng)格

圖3 桓臺縣概化處理后的水文地質(zhì)模型

圖4 模擬計算與實際地下水等水位線比較

2.4 精量控制灌溉技術(shù)研究集成與展示

2.4.1 低壓管道輸水灌溉與田間閘管灌溉技術(shù)集成對低壓管道輸水灌溉技術(shù)和田間閘管灌溉技術(shù)進行了技術(shù)集成，形成了低壓管道輸水灌溉田間閘管灌溉技術(shù)。成套連接技術(shù)包括：低壓管道輸水灌溉工程配套、田間閘管系統(tǒng)與低壓管道輸水系統(tǒng)的連接、閘門安裝、閘管封堵與卷放、保存等，見圖5和圖6。

2.4.2 低壓管道輸水灌溉配套田間軟管灌溉技術(shù)研究

通過對系統(tǒng)的軟管快速活接頭、控制流量升降夾、噴水帶快速活接頭、畦灌防沖計量導(dǎo)流板等部件的研制、改進，形成了低壓管道輸水灌溉配套田間軟管灌溉技術(shù)與成套設(shè)備，其中有兩項技術(shù)取得專利授權(quán)。

圖5 低壓管道輸水灌溉田間閘管系統(tǒng)成套設(shè)備

圖6 田間閘管灌溉系統(tǒng)運行

2.4.3 主要作物節(jié)水高效灌溉制度與灌溉定額標準研究

采用Jensen模型，對冬小麥和夏玉米非充分灌溉條件下的灌溉制度進行優(yōu)化計算。模型中，利用MonteCarlo隨機模擬技術(shù)模擬了有效降水，在灌水量的優(yōu)化分配上考慮了地面灌溉對灌水定額的制約，利用LINGO編程優(yōu)化求解，結(jié)果優(yōu)于逐次漸進動態(tài)規(guī)劃方法計算結(jié)果。利用項目區(qū)灌溉試驗結(jié)果對優(yōu)化模型進行驗證，相對誤差范圍為-8.1%～6.8%。利用優(yōu)化模型結(jié)合全省不同地區(qū)多年灌溉試驗資料，制定了山東省主要農(nóng)作物灌溉定額，起草并頒布了山東省主要農(nóng)作物灌溉定額地方標準。

2.4.4 農(nóng)業(yè)灌溉信息監(jiān)測控制系統(tǒng)研發(fā)

研發(fā)了農(nóng)業(yè)灌溉所需的信息監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、節(jié)水灌溉預(yù)報與灌溉決策系統(tǒng)和灌溉自動控制系統(tǒng)，并配合該系統(tǒng)定型開發(fā)了“一站式土壤墑情自動測報系統(tǒng)”，取得了良好的應(yīng)用效果。

2.4.5 現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術(shù)體系集成

提出山東半濕潤區(qū)平原井灌區(qū)現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術(shù)體系，見圖7。

圖7 山東半濕潤區(qū)平原井灌區(qū)現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術(shù)體系圖

2.5 精細地面灌溉技術(shù)研究集成與展示

對地面灌溉的畦長、單寬流量、坡度、改水成數(shù)等灌溉要素組合下的灌溉效果進行了田間試驗，將模擬地面灌溉水流運動的SRFR模型應(yīng)用于灌溉效果的優(yōu)化，擬合反求得到的灌水技術(shù)參數(shù)。提出適合當?shù)貤l件下的地面灌水技術(shù)方案，結(jié)果具有較強的適用性，提高了田間水利用率和灌水質(zhì)量。

2.6 井灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水運行管理機制研究

根據(jù)山東半濕潤區(qū)平原井灌區(qū)特點，結(jié)合現(xiàn)行土地承包責(zé)任體制，提出單井制、農(nóng)民用水者協(xié)會和承包工程管理模式，加強了項目區(qū)的節(jié)水管理，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的實施提供了平臺。在現(xiàn)代化管理模式基礎(chǔ)上，研究了農(nóng)業(yè)灌溉全成本水價，分析了現(xiàn)行政策補貼下的執(zhí)行水價，明確政府對農(nóng)業(yè)的補貼程度，為今后實施成本水價，保證工程良性持久運行提供了依據(jù)。

2.7 山東半濕潤區(qū)現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)集成體系

通過展示區(qū)節(jié)水工程技術(shù)、農(nóng)藝、管理節(jié)水技術(shù)以及信息技術(shù)的研究與技術(shù)集成，形成了與山東半濕潤區(qū)自然、社會、經(jīng)濟等相適應(yīng)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水工程技術(shù)，與區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和水資源平衡相協(xié)調(diào)的地表水、地下水聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化配置技術(shù)，集抗旱節(jié)水品種、適宜的田間耕作技術(shù)、秸稈覆蓋還田、保水制劑、抑制蒸騰劑等技術(shù)措施的綜合農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)，確定了區(qū)域農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉用水管理的模式和合理水價，為山東半濕潤區(qū)提供了成熟、高效、可操作的現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)集成體系，見圖8。

2.8 專利、著作及人才培養(yǎng)

該項目已獲得兩項實用新型專利：“多用途塑料軟硬管連接件”（專利號：ZL200920020054.9），“畦田灌水用可計量導(dǎo)流防沖板”（專利號：ZL200920020053.4）。已申報發(fā)明專利一項。起草了山東省地方標準《山東省主要農(nóng)作物灌溉定額標準》（DB37/T1640-2010），并于2010年8月1日頒布實施。發(fā)表相關(guān)論文23篇，出版專著2部。培養(yǎng)博士研究生3名，碩士研究生5人。

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟效益

該項目的各項技術(shù)已在示范區(qū)和輻射區(qū)進行了全面推廣。如在山東省農(nóng)田水利建設(shè)規(guī)劃、小型農(nóng)田水利重點縣建設(shè)規(guī)劃、大中型灌區(qū)末級渠系改造、小型灌區(qū)節(jié)水改造中都有廣泛的應(yīng)用。從2007-2009年，總推廣輻射面積為2.25萬hm2，累計節(jié)水2986萬m3，實現(xiàn)新增效益15124.4萬元。2007-2008年項目組在非洲安哥拉共和國承擔(dān)了5160hm2灌區(qū)節(jié)水改造工程的規(guī)劃設(shè)計，應(yīng)用該項目研究成果，為當?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了良好的技術(shù)條件，出口創(chuàng)匯額達30萬美元。

圖8 平原井灌區(qū)主要糧食作物高產(chǎn)高效綜合節(jié)水技術(shù)模式

3.2 社會效益

項目研究期間，山東省電視臺、山東人民廣播電臺、淄博市電視臺、桓臺縣電視臺等多家媒體來項目區(qū)采訪；該項目主持人做客山東電視臺《鄉(xiāng)村季風(fēng)》，宣傳推廣該成果，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；組織各類研究生、本科生實習(xí)、技術(shù)培訓(xùn)指導(dǎo)100多人次；共計60多批次、500多人次前來項目區(qū)參觀、學(xué)習(xí)；國內(nèi)外知名專家、研究機構(gòu)、政府決策調(diào)研機構(gòu)多次來項目區(qū)參觀，推動了農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的交流和推廣。

3.3 生態(tài)效益

桓臺縣通過推廣農(nóng)業(yè)高效節(jié)水技術(shù)體系，全縣糧食作物灌溉定額由平均290m3/畝下降到247m3/畝，減少了地下水開采量，對減緩桓臺縣地下水的持續(xù)下降具有顯著作用。另外，農(nóng)業(yè)高效節(jié)水措施的實施，改善了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，有效地培肥地力，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高了土壤的有機質(zhì)含量，增強了土壤的保水、保肥能力，大大改善了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，有利于生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。