趙文舉，冀 宏，范嚴(yán)偉，王立榮

(蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅蘭州730050)

甘肅中部地區(qū)光照充足、溫度適中，水分是限制農(nóng)業(yè)發(fā)展最根本的自然因素。雖然年降水量?jī)H為330 mm，但由于地域遼闊，整個(gè)地區(qū)年降水總量達(dá)400億m3，比黃河蘭州斷面全年的徑流量還多，開(kāi)發(fā)利用潛力巨大[1]。因此，大力發(fā)展集雨補(bǔ)灌生態(tài)農(nóng)業(yè)不僅能有效利用降水資源，而且有助于減輕水土流失和干旱威脅，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由被動(dòng)防旱轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)抗旱，增強(qiáng)了農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力[2-5]。將集雨補(bǔ)灌與農(nóng)作物種植管理、節(jié)水措施布設(shè)相結(jié)合，可有效化解降水與作物需水在時(shí)間上的供需錯(cuò)位矛盾，保障作物在整個(gè)生長(zhǎng)時(shí)段都處在相對(duì)良好的供水環(huán)境中，提高在有限降水條件下的糧食生產(chǎn)保證率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)恢復(fù)和改善自然生態(tài)與穩(wěn)定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的有效統(tǒng)一。

1 研究區(qū)概況

甘肅中部地區(qū)包括定西地區(qū)、蘭州市的全部以及平?jīng)?、慶陽(yáng)、天水、臨夏、武威等市(州)的部分，共計(jì)22個(gè)縣(市)，總面積73 480 km2，其中耕地面積約14 780 km2。研究區(qū)旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力低下，糧食產(chǎn)量?jī)H1 800 kg/hm2，年人均糧食占有量為284 kg，分別相當(dāng)于全省平均水平的73%和77%;氣候干旱、降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均降水量為200～500 mm，年均蒸發(fā)量為1 400～2 000 mm，全年降雨次數(shù)少且多暴雨，降水量300～500 mm降水的出現(xiàn)概率為69%，200～300 mm降水的出現(xiàn)概率為9%[1]，降水時(shí)空分布不均，3—5月作物播種期和幼苗生長(zhǎng)期降水量只占到全年降水量的18%～26%，夏季降水量約占全年降水量的25%，秋季降水多于春季。

根據(jù)對(duì)甘肅省小麥、玉米需水和平均天然降水過(guò)程的調(diào)查，作物需水與降雨時(shí)間嚴(yán)重錯(cuò)位長(zhǎng)達(dá)半年以上，僅依靠土壤蓄水不足以對(duì)降雨進(jìn)行調(diào)豐補(bǔ)欠，也不能保障農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)。在我國(guó)北方地區(qū)，如果在一般作物生長(zhǎng)期中關(guān)鍵需水期(包括播種期)灌水2～3次(總灌水量15～30 m3，僅為常規(guī)灌溉定額的1/10～1/8)，對(duì)于保證產(chǎn)量的效果就十分明顯。依據(jù)甘肅省相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，在作物關(guān)鍵需水期灌水，作物產(chǎn)量增幅會(huì)達(dá)到20% ～80%，平均40%左右[6]?？梢?jiàn)，在現(xiàn)狀降水條件下，若能通過(guò)必要的工程設(shè)施和技術(shù)手段將作物非生長(zhǎng)期的降水?dāng)r蓄貯存，用于生長(zhǎng)期干旱缺水時(shí)的補(bǔ)充灌溉，將有利于農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)增收。

2 集雨補(bǔ)灌生態(tài)農(nóng)業(yè)

2.1 集雨補(bǔ)灌生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系

集雨補(bǔ)灌生態(tài)農(nóng)業(yè)是在水保農(nóng)業(yè)和徑流農(nóng)業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)人工措施收集雨水并加以發(fā)展利用，它能在時(shí)間和空間兩方面實(shí)現(xiàn)降雨徑流的富集疊加，能充分發(fā)揮環(huán)境資源與水肥光熱因子的協(xié)同增效作用，從而大幅度提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)同步緩解干旱缺水與減少水土流失的目標(biāo)。集雨補(bǔ)灌生態(tài)農(nóng)業(yè)是由集雨工程、農(nóng)藝工程和管理系統(tǒng)三部分組成，通過(guò)科學(xué)集成配套和綜合開(kāi)發(fā)利用形成的農(nóng)業(yè)高效用水模式，能夠?qū)崿F(xiàn)水土資源利用、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值增加、生態(tài)環(huán)境改善和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的綜合效益。其中:集雨工程的功能是匯集、存儲(chǔ)雨水和灌溉，包括降水轉(zhuǎn)化為徑流的集流過(guò)程，徑流儲(chǔ)存成為人工供水水源的蓄水過(guò)程，水源水轉(zhuǎn)化為田間水的輸水過(guò)程，田間水轉(zhuǎn)化為土壤有效水的灌溉過(guò)程等;農(nóng)藝工程的作用是把集雨工程得到的水資源用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品，包括土壤水轉(zhuǎn)化為作物所需水分的生理過(guò)程、作物水轉(zhuǎn)化為實(shí)物或價(jià)值的過(guò)程等;管理系統(tǒng)要求集雨補(bǔ)灌生態(tài)農(nóng)業(yè)作為一個(gè)相對(duì)高投入高產(chǎn)出的產(chǎn)業(yè)，不能僅僅以生產(chǎn)豐富的農(nóng)產(chǎn)品為目標(biāo)，而應(yīng)在保障生態(tài)健康的前提下，以發(fā)展高收益且具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的農(nóng)產(chǎn)品為最終目標(biāo)，從而推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進(jìn)現(xiàn)代化高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展[5，7-8]。

2.2 集雨補(bǔ)灌利用模式

(1)庭院、道路集雨利用模式。利用庭院、公路路面、生產(chǎn)道路等硬化集流面集蓄雨水，將雨水蓄存到混凝土水窖等貯水容器中，以提供農(nóng)戶生活和生產(chǎn)用水。根據(jù)集水面的大小修建相應(yīng)容積的集水窖，主要利用方式有庭院(道路)集雨+引水渠+水窖+節(jié)水農(nóng)業(yè)配套技術(shù)。

(2)降水田間就近富集疊加利用模式。該模式屬于農(nóng)藝耕作技術(shù)模式，主要是在田間修建小弓型土壟，在壟埂上覆蓋塑膜產(chǎn)流，由小壟溝接納雨水并向土壤深層入滲，以增加土壤含水量、減少水土流失、提高降水利用率、促進(jìn)作物生長(zhǎng)[7]。

(3)小流域集雨綜合利用模式。小流域集雨綜合利用模式是將集雨利用技術(shù)與小流域生態(tài)環(huán)境綜合治理有機(jī)結(jié)合，合理規(guī)劃布置溝、渠、管、路網(wǎng)絡(luò)，收集坡面、道路、人工集流場(chǎng)的徑流，集蓄在水窖、塘壩等小型蓄水設(shè)施中。集蓄的雨水主要用于發(fā)展節(jié)水林業(yè)，提高造林成活率，或直接補(bǔ)灌周?chē)吞幍霓r(nóng)田，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，或利用自然落差，臨時(shí)貯存在連環(huán)澇池、小水壩或水窖內(nèi)，用于緩解干旱時(shí)的用水問(wèn)題。

2.3 集雨補(bǔ)灌途徑

集雨補(bǔ)灌途徑主要包括以下3種:一是采用非充分灌溉的原理和方法，在作物關(guān)鍵需水期補(bǔ)充水分;二是采取節(jié)水高效的局部灌溉方法，補(bǔ)充的灌水只濕潤(rùn)作物根系土壤，可有效降低棵間蒸發(fā)(該措施可使每次灌水量降到最低，僅相當(dāng)于常規(guī)地面灌溉中灌水定額的1/10～1/5);三是采用既方便又節(jié)水的方法，如坐水種、人工點(diǎn)灌、膜上點(diǎn)灌、注水灌溉等[5]。

3 集雨補(bǔ)灌生態(tài)農(nóng)業(yè)綜合效應(yīng)分析

3.1 提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，增加農(nóng)民收入

實(shí)施集雨補(bǔ)灌生態(tài)農(nóng)業(yè)，一方面可以大幅度提高糧食產(chǎn)量，增加農(nóng)民收入;另一方面有利于促進(jìn)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境。試驗(yàn)結(jié)果顯示，甘肅定西地區(qū)集雨補(bǔ)灌生態(tài)農(nóng)業(yè)實(shí)施后提高了糧食作物的水分生產(chǎn)率，由補(bǔ)灌前的0.6～0.9 kg/m3增加到補(bǔ)灌后的1.2～1.8 kg/m3，主要農(nóng)作物補(bǔ)灌效果見(jiàn)表1，日光溫室瓜果種植效益見(jiàn)表2[9]。從表1春小麥、玉米、谷子、油葵、胡麻增產(chǎn)情況可知，通過(guò)集雨補(bǔ)灌給農(nóng)作物灌溉關(guān)鍵水，雖灌水量較少，但農(nóng)作物產(chǎn)量和增產(chǎn)率卻有顯著提高，并且提高了水分生產(chǎn)率和供水效率。從增產(chǎn)效益來(lái)看，幾種農(nóng)作物的產(chǎn)量均有增加，尤其胡麻增產(chǎn)率最高達(dá)到120.6%，增產(chǎn)率較低的春小麥也在10%以上;從水分生產(chǎn)率來(lái)看，在灌水量一定的情況下春小麥和玉米的產(chǎn)量較高，說(shuō)明集雨補(bǔ)灌適用于這兩類農(nóng)作物的種植，可提高雨水資源的利用率和產(chǎn)量;從供水效率來(lái)看，玉米和胡麻的供水效率較高，說(shuō)明這兩類農(nóng)作物的生長(zhǎng)對(duì)灌溉關(guān)鍵水比較敏感。由表2知，將集雨補(bǔ)灌與溫室種植結(jié)合可以顯著提高瓜果的水分利用效率、供水效率和每噸水的產(chǎn)值。從供水量、產(chǎn)量和水產(chǎn)值綜合分析知，首先西瓜的耗水量最小，但水產(chǎn)值最大，達(dá)到240元/t;其次是甜瓜，水產(chǎn)值為200元/t;最后是西紅柿，水產(chǎn)值較低，這說(shuō)明在集雨補(bǔ)灌條件下的溫室中更適于種植西瓜，可明顯提高水產(chǎn)值和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。

表1 主要農(nóng)作物集雨補(bǔ)灌效果對(duì)比

表2 果瓜溫室種植效益對(duì)比

還有研究表明，在旱地梨園采用地下滴灌每公頃供水1 125 m3，增產(chǎn)率可達(dá)到57.3% ～166.7%，平均每立方米補(bǔ)灌水產(chǎn)出鮮果5 kg，每公頃可實(shí)現(xiàn)純經(jīng)濟(jì)收入7.5萬(wàn)～12.0萬(wàn)元[9];于法穩(wěn)等在甘肅榆中調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，發(fā)展集雨補(bǔ)灌生態(tài)農(nóng)業(yè)不僅能使糧食產(chǎn)量大幅度增加，而且能增加作物種植種類[10]。綜上，發(fā)展集雨補(bǔ)灌生態(tài)農(nóng)業(yè)可緩解雨水資源缺乏與農(nóng)作物生長(zhǎng)需水之間供需錯(cuò)位的矛盾，可大幅提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。

3.2 改善生態(tài)環(huán)境，減少水旱災(zāi)害

集雨補(bǔ)灌生態(tài)農(nóng)業(yè)實(shí)施后能夠顯著改善作物和林木的生長(zhǎng)環(huán)境，增加林草覆蓋率，起到攔截徑流、減輕土壤侵蝕、防止河道發(fā)生洪水或泥沙淤積的作用，從而實(shí)現(xiàn)涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、改善環(huán)境的目標(biāo)，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境趨向良性循環(huán)。把集雨補(bǔ)灌和小流域綜合治理相結(jié)合可有效減輕水土流失，如治理后定西地區(qū)每年可攔蓄泥沙4 373萬(wàn)t，攔蓄徑流11 127萬(wàn)m3，土壤侵蝕模數(shù)已由 6 820 t/(km2·a)減少到1 910 t/(km2·a)[7，11]。

3.3 改良土壤理化性質(zhì)，提高土壤肥力

各種雨水利用措施下的土壤理化性質(zhì)和有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀含量都有不同程度的改善和增加，不僅提高了土地生產(chǎn)力，而且減少了化肥施用量，保護(hù)了土壤和水環(huán)境。同時(shí)，植物措施能夠改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和物理性狀，增強(qiáng)土壤的抗蝕性和可滲透性。例如，定西水保所在高泉溝流域的試驗(yàn)表明，與20°坡地相比，梯田有機(jī)質(zhì)增加了62.25%，全磷增加了5.97%，速效氮增加了19.15%，速效磷增加了16.67%[12]。

3.4 發(fā)揮社會(huì)效益，改善農(nóng)村人居環(huán)境

集雨工程建設(shè)不僅解決了農(nóng)戶人畜飲水困難，而且為庭院蔬菜種植與家庭清潔衛(wèi)生提供了用水保證，改善了農(nóng)村居住環(huán)境和文化衛(wèi)生條件。集雨補(bǔ)灌技術(shù)改善了農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，提高了土地和勞動(dòng)生產(chǎn)率，增強(qiáng)了旱作農(nóng)業(yè)科技水平、綜合生產(chǎn)能力及抗旱減災(zāi)能力，調(diào)整了土地利用結(jié)構(gòu)和農(nóng)村生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，推進(jìn)了特色種植、畜牧養(yǎng)殖等優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，形成了較科學(xué)合理的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，增加了就業(yè)機(jī)會(huì)，提高了人們生活水平，為改善生態(tài)環(huán)境、緩解人地矛盾、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收和加快社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。此外，集雨工程的社會(huì)效益還包括減少用水糾紛，改善鄰里之間的關(guān)系，穩(wěn)定社會(huì)秩序，促進(jìn)人與自然和諧等。

4 結(jié)語(yǔ)

甘肅中部地區(qū)氣候干旱，水資源時(shí)空分布不均，水分供需嚴(yán)重錯(cuò)位，降水多以暴雨、陣雨的形式出現(xiàn)，汛期多發(fā)生超滲產(chǎn)流，使有限的水資源難以得到合理配置;土地資源多以坡地為主，植被稀少，水土流失和干旱嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平較低。因此，在甘肅中部地區(qū)大力發(fā)展集雨補(bǔ)灌生態(tài)農(nóng)業(yè)不僅能有效地利用有限的降水資源，而且有助于減輕水土流失和干旱威脅，使農(nóng)業(yè)由被動(dòng)適應(yīng)防旱轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)抗旱，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力。集雨補(bǔ)灌生態(tài)農(nóng)業(yè)是甘肅中部半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一種綜合模式和戰(zhàn)略性措施，是現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)體系和水土保持生態(tài)建設(shè)技術(shù)體系的重要組成部分，也是兼顧經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)三大效益的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展模式。

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