摘要：分析了農業(yè)節(jié)水在糧食安全方面的重要作用，闡述了當前農業(yè)節(jié)水技術的發(fā)展狀況，并指出當前糧食安全存在的水資源隱患，為保證糧食安全提出了今后節(jié)水灌溉可行的發(fā)展思路。

關鍵詞：糧食安全；農業(yè)節(jié)水；水資源；發(fā)展思路

中圖分類號：F323.3 文獻標識碼：C 文章編號：0439-8114（2013）24-6225-05

糧食安全與農業(yè)節(jié)水灌溉是當前國際研究的兩大熱點，中國是世界人口最多的發(fā)展中國家，用占全球7%的土地、8%的淡水養(yǎng)活全球22%的人口。隨著人口的持續(xù)增長，氣候干旱和生態(tài)環(huán)境破壞以及水污染的不斷擴大和加重，水和耕地資源的不斷減少，中國在水資源和糧食安全方面將面臨巨大的壓力與挑戰(zhàn)。2011年中央一號文件明確指出，大力發(fā)展節(jié)水高效灌溉技術是新時期中國農業(yè)發(fā)展的重要任務之一；聯合國將2012年“世界水日”的宣傳主題定為“水與糧食安全”，突顯出這兩個世界性問題的緊迫性與關聯性。中國糧食安全直接影響到世界糧食安全，保證中國13億人口的糧食安全，是關乎國家民生的大事，也是保障世界糧食安全的大事。常言道“有收無收在于水，收多收少在于肥”，可見水對糧食生產的重要性。中國農業(yè)生產用水量占全國總用水量的70%以上，傳統的大水漫灌方式使得中國農業(yè)用水浪費嚴重，水資源利用率只有30%～40%，發(fā)達國家水資源利用率達60%～80%，中國農業(yè)每立方米水的糧食生產能力也只有0.85 kg，遠低于發(fā)達國家2.00 kg以上的水平。中國現階段農業(yè)生產的水資源條件與水資源開發(fā)利用方式已經愈加不適應現今的經濟發(fā)展方式了，現實的灌溉物質條件和發(fā)展需求已經發(fā)生了改變，并且從來沒有像現在這樣嚴重影響著農業(yè)生產的發(fā)展[1]。因此，推廣高效節(jié)水灌溉技術是現今發(fā)展現代農業(yè)的必然選擇，在追求農業(yè)用水總量零增長或負增長的情況下，通過推廣農業(yè)高效節(jié)水技術，支撐農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的用水需求，確保糧食安全，對提高糧食生產率、穩(wěn)定糧食生產能力都有著重要的現實意義。

1 糧食安全對農業(yè)節(jié)水需求迫切

隨著全球人口增加，保障糧食安全已成為世界可持續(xù)發(fā)展的頭等大事據估計，到2030年全球人口將達80多億，糧食需求量達30億t，農業(yè)灌溉用水將達到38 000億m3，水資源的短缺已成為制約世界糧食生產和安全的主要因素[2]。目前中國的農業(yè)用水量約為4 000億m3，其中約70%，即有約3 000億m3的水用于糧食生產。據統計，中國糧食總產量的70%是由灌溉用水提供的，按照目前的水分生產率1.00 kg/m3計算，2030年的農業(yè)需水量將增加至6 400億m3，較現今增加2 400億m3。然而水資源總量是有限的，解決農業(yè)用水增加和糧食安全保障的矛盾將主要依靠農業(yè)節(jié)水技術提高水分利用率，最終達到降低或維持現今農業(yè)用水量的目的。

國際上尤其是農業(yè)發(fā)達國家和水資源較少的干旱國家，農業(yè)節(jié)水技術更是保障糧食安全和水資源安全的重要措施與研究熱點。如人均水資源量僅為370 m3（約為中國人均水平的1/6）的以色列，正是依靠其先進的滴灌、噴灌系統及其他農業(yè)節(jié)水技術，使灌溉水利用效率由1949年的1.60 kg/m3增長到20世紀90年代初的2.32 kg/m3，節(jié)水技術提高的同時其單位用水所創(chuàng)外匯也由0.04美元/m3上升到0.42美元/m3[3]。美國一些農場利用全球衛(wèi)星定位系統（GPS）準確記錄農業(yè)作業(yè)中每一單位面積的有關數據，并根據這些數據精確地指導各種耕作，全面提高大面積土地的水分利用率和產出率[4]。德國農業(yè)相關部門也正在牽頭啟動農業(yè)高效用水研究計劃，以提高農產品的水資源利用率。FAO近年來也啟動了多項農業(yè)水資源高效利用方面的項目，旨在提高農業(yè)用水效率，解決糧食安全與水資源短缺的矛盾。因此，針對糧食生產的水資源高效利用技術系統開展相關基礎研究和技術開發(fā)研究，為保障中國乃至全球的糧食安全和水安全提供理論和技術支撐具有重要的科學意義和戰(zhàn)略意義。

2 農業(yè)節(jié)水技術的發(fā)展現狀

農業(yè)節(jié)水技術不是單純的節(jié)水灌溉技術，而是在作物栽培的全過程中，綜合運用與之相適應的多項節(jié)水技術措施，旨在最大限度地節(jié)約灌溉用水，提高水的利用效率，為作物創(chuàng)建良好的生長環(huán)境條件，從而達到“節(jié)水、高產、優(yōu)質、高效、低耗”的目的。除了傳統的農田節(jié)水研究，目前的研究開始注重作物個體即“植株”的節(jié)水，以及根據區(qū)域水資源狀況進行宏觀尺度的水資源布局和農業(yè)結構調整實現節(jié)水，從“植株-田間-區(qū)域”3個層面研究實現農業(yè)節(jié)水的理論、技術和水資源利用戰(zhàn)略。農業(yè)節(jié)水栽培技術主要包括以下措施。

2.1 生物節(jié)水技術

生物節(jié)水是指通過挖掘生物體自身的生理和基因潛力使作物利用有限的水獲得盡可能多的農業(yè)產出[5]。水稻是中國最重要的糧食作物之一，同時也是耗水最大的作物。上海市農業(yè)生物基因中心羅利軍教授圍繞水稻水分利用效率基因的挖掘和品種選育開展了一系列工作，他在水稻高產優(yōu)質研究的基礎上引進旱稻的節(jié)水抗旱特性而育成了一系列高效節(jié)水抗旱水稻品種，在限量灌溉條件下，節(jié)水抗旱稻的產量、米質與水稻基本持平，但可節(jié)水50%以上；在農業(yè)用水匱乏地區(qū)，節(jié)水抗旱稻具有較好的抵抗干旱的能力，在栽培上簡單易行、投入低、節(jié)水效率高[6]。通過生物技術選育的高水分利用效率品種表現在：生物量向經濟產量轉化效率提高，在不增加生物量生產基礎上，通過收獲指數進一步提高來增加經濟產量，實現農田耗水量不變條件下增產；另一個途徑是通過遺傳調控提高作物生長過程或關鍵生育時期的水分利用效率，用盡可能少的水生產更多的干物質，通過提高作物的光合效率降低作物田間耗水量。這兩個方面的突破將進一步帶動農田高效用水的發(fā)展。

2.2 農藝節(jié)水技術

2.2.1 旱作覆蓋（覆膜或稻草）節(jié)水栽培技術 旱作覆蓋地膜技術20世紀60年代在日本研究成功并推廣[7]，中國由于北方地區(qū)持續(xù)性干旱和南方季節(jié)性缺水日趨嚴重，該技術也得到了迅速發(fā)展。作物旱作覆蓋節(jié)水機理是覆蓋物對土壤具有明顯的保水增溫作用，提高了養(yǎng)分的有效性，促進了水稻生長發(fā)育，使其生育期縮短了3～5 d，在作物生長期間可節(jié)省46%～68%的灌溉用水；同時旱作覆蓋降低旱作作物葉片的細胞液濃度和細胞膜透性，增加了作物對CO2的吸收和固定，活化了催化碳循環(huán)的各種酶，因而提高了光合速率，加快了干物質積累，從而緩解了植株的水分脅迫程度，促進了植株的生長發(fā)育，提高了產量，節(jié)水潛力較大[8-10]。目前旱作覆蓋節(jié)水技術主要有3種方式，即地膜覆蓋、稻草覆蓋和再生紙覆蓋。

2.2.2 旱直播栽培技術 水稻旱直播技術主要有兩種方式，一是旱稻直播旱管栽培，二是旱稻直播水管栽培。旱直播水管栽培就是在旱田狀況下進行直播，苗期旱生旱長，秧苗長到4～6片葉時開始灌水，之后按常規(guī)栽培進行水層管理，是一種克服前期供水困難的水稻栽培方法。旱直播水管栽培的水稻由于前期水分虧缺，分蘗少而遲，主要靠主穗增產，所以在品種選擇上應盡量選擇穗大、結實率高、后期灌漿速度較快的品種[11]。目前，旱直播水管栽培稻的產量已超過或接近移栽稻，隨著育種技術和栽培技術的不斷發(fā)展、適于直播的優(yōu)質高產品種的出現以及除草技術的提高，旱直播水管栽培稻將會逐步成為水稻栽培方式的重要形式[12]。旱稻直播旱管栽培基本上是在旱田進行播種，只在嚴重干旱時進行幾次灌水，全生育期不建立水層，其用水量為3 000～4 500 m3/hm2，該技術適用低洼易澇地或有一定灌溉條件的平肥地，或在作物生長季節(jié)降雨量達600 mm以上的地區(qū)（旱稻生長發(fā)育過程中，旱情發(fā)展到一定程度時必須輔以適量灌溉）。中國旱稻種植面積約177萬hm2，主要分布在云南、貴州等省的山區(qū)、半山區(qū)及河南、河北等少雨地區(qū)。據測算，在水田每生產1 kg稻谷所耗水量1～2 t，是旱稻的耗水量5倍，推廣旱稻將大大緩解中國水資源短缺的狀況[13]。

2.2.3 保護性耕作技術 保護性耕作是20世紀后逐步發(fā)展起來的一項先進的耕作技術，主要方式有輪作、間作、套種混播，覆蓋耕作和以改變土壤物理性狀為主的少耕（含少耕深松、少耕覆蓋）、免耕。1992年，保護性耕作由中國農業(yè)大學、山西省農機局和澳大利亞昆士蘭大學合作引入，多年持續(xù)試驗證明，保護性耕作最顯著的作用就是水土保持，這對促進旱區(qū)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。保護性耕作節(jié)水機理包括增加地面粗糙度，改良土壤結構，提高土壤肥力和透水貯水能力，增加地表植被覆蓋度，攔截降雨，減少水分蒸發(fā)，增加地表水的入滲時間，防止徑流發(fā)生等。Tebrügge等[14]研究發(fā)現，在耕層0～15 cm土層，作物生長季含水量免耕平均為29.5%（V/V），常規(guī)耕作為24.4%，免耕比常規(guī)耕作0～15 cm土層多貯水75 mm。免耕土壤含水量比常規(guī)耕作高主要是由于作物生長到足以覆蓋土壤前，地表耕作層的覆蓋大大減少了土壤水分蒸發(fā)所致。

2.3 工程節(jié)水技術

工程節(jié)水就是采取各種相關技術措施和辦法，將水從水源到被作物吸收利用全過程的損失減少到最低，工程節(jié)水技術是指減少灌溉渠系（管道）輸水過程中的水量蒸發(fā)與滲漏損失，提高農田灌溉水的利用效率的技術[15]。工程節(jié)水灌溉應該是多種措施共同作用、調控的結果，具體的工程節(jié)水技術主要有如下內容。

2.3.1 渠道防滲技術 渠道防滲技術因施工簡便、成本低、便于推廣等優(yōu)勢在中國得到廣泛應用；而渠道灌溉的缺點是沿渠道的防滲和蒸發(fā)損失大，水利用率較低，寒冷地區(qū)受氣候影響較大，渠道維修費時費力，需要結合當地情況推廣新型防滲防水材料和新型渠道形式。

2.3.2 噴灌與滴灌技術 噴灌與滴灌技術的優(yōu)點是對地形的適應性強，灌水均勻，少占耕地，節(jié)省人力；主要缺點是一次的投資過高，在農村普及還需要優(yōu)化成本和尋求政策支持。中國用得較多的有固定管道式噴灌、半移動式管道噴灌、時針式噴灌、平移式噴灌、同定微噴灌等[16]。

2.3.3 滲灌節(jié)水 滲灌技術是繼噴灌、滴灌之后，一種新型有效的地下灌溉節(jié)水技術，其是在滿足植物生理生長需求的條件下，將以往地表大水漫灌式轉變?yōu)閷χ参锔抵苯舆M行精細微灌溉[17]。目前國內僅有低壓滲灌和重力滲灌兩種方式。

2.3.4 低壓管道輸水灌溉技術 低壓管道輸水灌溉技術是利用塑料或混凝土管道代替土渠輸水的一種灌水方法，該方法的優(yōu)點是輸水效率高、占地少，減少輸水過程中的滲漏和蒸發(fā)損失，提高水的有效利用率[18]。低壓管道輸水灌溉技術比土渠省水約40%，管理使用簡單方便。美國約有50%的大型灌區(qū)實行了輸水的管道化，日本也非常重視發(fā)展管道輸水。

2.3.5 微灌技術 微灌技術是通過管道系統與安裝在末級管道上的灌水器如滴頭或微噴頭等，根據作物耗水量適時、適量地將水補充到作物根際土壤進行灌溉[19]。微灌技術根據選用的灌水器類型的不同可分為微噴灌、滴灌等，微灌是相對于地面漫灌而言，屬局部灌溉，水的有效利用率最高。據統計，微灌技術約比地面漫灌節(jié)水50%～60%，增產20%～30%，比噴灌節(jié)水15%～20%。

2.4 管理節(jié)水

管理節(jié)水技術包括組織管理、工程管理和用水管理等，其是從水權、水政策、水價等方面加強對農業(yè)水資源使用的監(jiān)管，農業(yè)管理節(jié)水需實行總量控制與定額管理。2011年中央一號文件明確要求實行嚴格的水資源管理制度，目前全國用水總量已突破6 000億m3，要實現2015年和2030年全國用水總量控制在6 350億和7 000億m3以內，農田灌溉水利用系數提高到0.53和0.60以上。要實現以上目標，既要加強農業(yè)用水的管理技術，要在區(qū)域水循環(huán)、水資源和區(qū)域節(jié)水研究的基礎上，明確各區(qū)域農業(yè)用水總量和各生產單元的灌溉用水定額，各流域進行用水總量分配，地表水和地下水結合逐級分配用水指標，通過用水監(jiān)測如用水或用電監(jiān)控的IC卡，逐級落實節(jié)水控制目標[20]。要統籌水資源利用的存量和增量，建立和完善國家水權制度，制定主要江河水量分配方案，建立取用水總量控制指標體系，對不同地區(qū)要確定不同時期的水資源開發(fā)利用紅線?？蓢L試建立水市場機制，對超額用水累進加價，對節(jié)約用水進行有償轉讓。寧夏等地區(qū)已在水權轉讓方面進行了部分探索，在減少農業(yè)節(jié)水投入，促進農業(yè)增產增效方面取得了很好的成績，其經驗應加以認真總結和推廣。

3 糧食安全存在的水資源隱患

3.1 現有的灌溉配水方法缺乏高效機制

目前農業(yè)灌溉用水多按照固定灌溉制度調配，缺水農作物需水信息獲取及實時預報、區(qū)域間不同水源的時空變異及適配，嚴重制約了灌溉效率的提高[21]，探討灌溉配水的高效機制，實現實時實地的動態(tài)配水是當前及今后農業(yè)灌溉需要解決的一項重要難題。

3.2 灌溉水污染情況嚴峻

統計顯示，長江、黃河、淮河等七大江河水系劣V類水質占28.4%。水污染已出現由支流向主干延伸、由城市向農村蔓延、由地表水向地下水滲透、由陸地向海域發(fā)展的趨勢[22]。此外，污水灌溉是農田污染的主要污染源，灌溉被污染的河流水對土壤環(huán)境產生嚴重的不良影響，威脅著糧食質量安全。

3.3 氣候變暖引發(fā)水文變化

氣候變暖加速了全球的水文循環(huán)，平均降雨量增加，使洪水和干旱等極端天氣多發(fā)。降雨量的增加將直接影響積雪量和河川流量，溫度增加使冰雪融化的時間提前，如果氣候變暖和冰川持續(xù)退縮，必然影響河川徑流量；干旱地區(qū)降水量的少量減少就可引起河流流量的很大變化。如果不做好應對這些水文循環(huán)變化的準備，農業(yè)糧食安全將面臨嚴峻挑戰(zhàn)。在非洲年降水量低于500 mm的區(qū)域，降水量減少10%就可引起徑流量減少50%；相應的，降水量的增加也可造成洪澇災害[23]。氣候變暖使半干旱地區(qū)的溫度增加，降水量減少，將直接減少半干旱地區(qū)的主要糧食作物的產量[24]，這些變化會嚴重影響全球糧食安全。

4 小結及建議

綜合而言，發(fā)展節(jié)水灌溉技術需根據國情出發(fā)，重點改進地面灌溉技術；推廣噴灌、微灌技術；開發(fā)自動化、現代化的節(jié)水灌溉系統，推動傳統農業(yè)向高效優(yōu)質農業(yè)的轉化[25]。同時，開展廢水污水的循環(huán)再利用，企業(yè)廢（污）水經過一定的處理用來灌溉農田，兼顧廢（污）水凈化途徑和增加農業(yè)用水來源，同時務必做好污灌前的預處理工作，否則不但破壞農田生態(tài)環(huán)境，而且危及糧食質量安全。另外，通過非糧食農業(yè)生產節(jié)水建設帶動整個農業(yè)系統節(jié)水也十分必要。農業(yè)用水量的增長更多地來自非糧食作物種植需水的擴張，而不是糧食作物本身。通過對非糧食生產節(jié)水工程的投資來促進糧食生產能力的提高，可能是一個效益更高的途徑[26]。同時開展節(jié)水、保水和污水治理等方面的共性技術研發(fā)以及相應的配套設施設備研發(fā)，并以此帶動體系外的相關科研隊伍共同做好相關技術創(chuàng)新工作，積極應對水資源約束糧食安全的難題，努力實現節(jié)水灌溉總體目標，切實讓農民得到實惠。目前可行的農業(yè)節(jié)水操作可以參考以下幾點。

1）開發(fā)利用多種水資源。中國可利用水資源有限，必須尋求可用作灌溉水源的新途徑，如在干旱地區(qū)開發(fā)雨水利用，利用人工匯集雨水的方法把周圍地區(qū)的降雨集中儲存起來以供灌溉使用，這還需要研究設計匯集雨水的匯流設施，鋪面材料，以提高徑流系數，進行雨水匯集利用系統的規(guī)劃設計，在城市和郊區(qū)進行利用匯集雨水回灌地下水等技術的研發(fā)[27]。

2）進一步深化節(jié)水關鍵技術研究。針對不同類型地區(qū)不同水資源分布的特點，重點解決節(jié)水技術標準不完善、技術模式單一及區(qū)域性綜合節(jié)水配套技術缺乏等問題[28]；可以依托現代農業(yè)產業(yè)技術體系，充分利用其優(yōu)勢科研力量，鼓勵和支持科研人員加強國際技術合作與交流，借鑒美國、日本、以色列等國先進的節(jié)水灌溉和污水循環(huán)利用等技術[29]。以提高農業(yè)特別是糧食綜合生產能力為核心，以保障國家糧食安全和增加農民收入、改善農業(yè)生產條件和農村生態(tài)環(huán)境為目標，重點在糧食主產區(qū)開展節(jié)水灌溉建設，兼顧深山、丘陵區(qū)設施農業(yè)建設及特種種植。

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