陳金陵

(昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南昆明 650500)

?

氣候變化背景下農(nóng)田灌溉措施的現(xiàn)狀與思考

陳金陵

(昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南昆明 650500)

在過去的幾十年中，隨著CO2, CH4, N2O等溫室氣體的不斷排放，全球氣候正在不斷變暖。氣候變化已經(jīng)對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)帶來了很大的變化，特別是對(duì)農(nóng)田灌溉帶來較大的影響。水對(duì)農(nóng)作物生長具有重要作用，而干旱半干旱地區(qū)的灌溉水源卻存在著不穩(wěn)定性；氣候變化引起的氣溫升高則會(huì)促進(jìn)水分的蒸發(fā)，加劇水資源危機(jī)。該文綜述了主要的氣候因子如溫度和降水變化的背景下農(nóng)田灌溉措施對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響，包括作物生長、產(chǎn)量和水分利用效率等方面。旨在為21世紀(jì)全球氣候變化給農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)帶來挑戰(zhàn)情況下的農(nóng)田灌溉措施提供參考。

氣候變化；灌溉措施；農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，從1750～2005年大氣中的CO2已從280 ml/m3增加到379 ml/m3，從1901～2000年全球地表平均溫度上升了0.74 ℃[1-2]。氣候變化引起了一系列的極端天氣現(xiàn)象，如一旦發(fā)生氣象災(zāi)害則受災(zāi)面積廣、受害人數(shù)眾多、損失巨大。如2009年以來，西南地區(qū)的“季節(jié)性干旱”，尤其是云南百年一遇的大旱，10年江西、四川地區(qū)的“強(qiáng)暴雨災(zāi)害”等。

為研究氣候變化對(duì)農(nóng)田灌溉的影響，李春龍等[3]通過對(duì)長江流域各區(qū)域多年降雨變化分析，發(fā)現(xiàn)各區(qū)域呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。而降雨和灌溉滲入是農(nóng)田水分的主要來源[4]，面對(duì)降雨和灌溉水源不穩(wěn)定的趨勢，必須通過合理地灌溉才能保證農(nóng)田生產(chǎn)的穩(wěn)定與安全。文章主要綜述了在氣候變化背景下不同灌溉措施對(duì)農(nóng)田生產(chǎn)的影響，為今后不同地區(qū)不同環(huán)境的農(nóng)田采取合理的灌溉措施提供參考。

1 氣候變化對(duì)農(nóng)田灌溉的影響

農(nóng)田灌溉是通過合理的節(jié)水灌溉措施，以作物生命需水信息為基礎(chǔ)，以提高農(nóng)田水分利用效率為核心，以提高作物產(chǎn)量為目標(biāo)，為作物節(jié)水、高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)提供技術(shù)支撐。目前，已經(jīng)出現(xiàn)了較多的農(nóng)田節(jié)水灌溉技術(shù)，比如溝灌、噴灌、滴灌、滲灌等。他們各有特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)在氣候變化的背景下選擇適合不同地區(qū)、不同作物的灌溉措施，力求灌溉水利用效率最大化，為高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田節(jié)水、高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1.1 溝灌 溝灌是我國地面灌溉中一種普遍使用的灌溉方法。灌溉前在作物行間開挖灌水溝，水分在灌水溝內(nèi)流動(dòng)過程中借助毛細(xì)管的作用潤濕根區(qū)土壤。其優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)破壞作物根部附近的土壤結(jié)構(gòu)，適用于寬行距的中耕作物[4]，比漫灌相節(jié)水30%～40%。缺點(diǎn)是一次灌水量較大，植物的蒸發(fā)蒸騰量仍很大。溝灌的灌溉面積大，會(huì)造成無效的土壤水分蒸發(fā)增加，且土壤含水量高、濕度大，增加了植株蒸騰量。由氣候變化引起的氣溫升高，必然不同程度的加速植物蒸騰；同時(shí)氣候變化引起干熱風(fēng)出現(xiàn)的頻率增加、日照時(shí)數(shù)的增大，導(dǎo)致干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)作物的蒸發(fā)量增大，甚至對(duì)農(nóng)作物的生產(chǎn)帶來不利影響，加之，溝灌由于濕度高還容易引發(fā)病蟲災(zāi)害的發(fā)生。由此看出，雖然常規(guī)溝灌種植面積較大，但并不是理想的灌溉方法。

為解決溝灌方式水分利用效率低下的現(xiàn)狀，康紹忠[5]提出了隔溝交替灌溉的節(jié)水灌溉技術(shù)。梁宗鎖[6]的研究表明：與常規(guī)溝灌相比，交替隔溝灌溉在節(jié)水33.3%的情況下而不引起產(chǎn)量的下降。他們的研究還表明，隔溝交替灌溉的方法可以明顯減少棵間蒸發(fā)、降低蒸騰速率，不僅有節(jié)水、提高產(chǎn)量的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，還能夠提高作物的品質(zhì)。隔溝交替灌溉之所以有這樣的效果，主要是因?yàn)榻档土丝瞄g無效蒸發(fā)，由于壟兩側(cè)的灌水溝存在含水量差，側(cè)滲增加，減小深層滲漏。在保持光合速率不下降的前提下使蒸騰速率下降，最終表現(xiàn)為水分利用效率大大提高[6]。由此看來，隔溝交替灌溉比常規(guī)溝灌能更有效提高水分利用率，同時(shí)提高作物的產(chǎn)量與品質(zhì)。因此，該技術(shù)在干旱半干旱地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 噴灌 噴灌是一種較為先進(jìn)的全面灌溉方法，利用噴頭等專門設(shè)備把有壓水噴灑到空中，形成水滴后像降雨一樣落到地面和作物表面。國內(nèi)不少學(xué)者對(duì)噴灌進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，楊曉光[7]等研究表明噴灌具有降低近地面溫度，提高作物生長區(qū)大氣濕度，調(diào)節(jié)田間小氣候的作用。與全球氣候變暖的趨勢相反，噴灌可以適當(dāng)?shù)慕档蜏囟?，與地面灌溉相比，可降低冠層溫度使其維持在適宜光合作用的溫度范圍(20～25 ℃左右)內(nèi)；同時(shí)可以增大氣孔阻力，進(jìn)而降低蒸騰速率，其研究還表明噴灌的水分利用效率比地面灌溉高出52%。此外，噴灌較地面灌溉最高可提高小麥產(chǎn)量491.4 kg/hm2，主要是通過延遲弱勢粒的灌漿期來提高小麥的千粒質(zhì)量，進(jìn)而提高小麥產(chǎn)量[8-9]?？梢姡瑖姽嗉夹g(shù)對(duì)提高小麥的產(chǎn)量與品質(zhì)有一定的促進(jìn)作用。但是，噴灌受風(fēng)速影響較大，當(dāng)噴灌區(qū)有風(fēng)時(shí)不僅會(huì)影響灌溉的均勻度，而且會(huì)加速植物騰發(fā)。當(dāng)風(fēng)速超過5.5 m/s時(shí)，影響作用尤為明顯。在風(fēng)速較大的地區(qū)不提倡采取噴灌的灌溉方法。

有研究表明，近47年來重慶各季和全年的平均風(fēng)速均呈現(xiàn)減弱趨勢[10]，近50年來西北地區(qū)的年平均風(fēng)速也呈減弱趨勢[11]。可見，全國風(fēng)速整體上正呈現(xiàn)減小的趨勢。引起風(fēng)速減小的可能原因是由于全球氣候變暖而引起的大氣環(huán)流變化[12]。由此看來，全球氣候變暖引起的風(fēng)速減小對(duì)減慢植株的騰發(fā)有一定的緩解作用。

1.3 滴灌 滴灌屬于局部灌溉，由滴頭直接把水滴在作物根區(qū)的土壤表面，其水分利用效率可達(dá)95%，是我國干旱地區(qū)最有效的節(jié)水灌溉方式之一。膜下滴灌在我國新疆干旱地區(qū)已經(jīng)有了很好的發(fā)展，張治等[13]研究表明采用膜下滴灌在作物生育前期起到保溫保墑的效果，可以在一定程度上提高地溫，有利于作物的生長，到了生育后期效果減弱，可進(jìn)行揭膜處理。滴灌對(duì)提高水分利用效率有很好的效果，李毅杰等[14]發(fā)現(xiàn)使用65%田間持水量作為土壤水分下限，與溝灌相比，雖然甜瓜單果重下降3.2%，但是水分利用率提高76.4%，節(jié)水58.1%。王聰聰?shù)萚15]發(fā)現(xiàn)60%～70%的田間持水量作為水分控制下限可達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、節(jié)水的目的?？梢?，灌水較大并不能達(dá)到農(nóng)田生產(chǎn)的最優(yōu)效果，應(yīng)選擇適宜的水分下限作為田間灌溉的標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能提高水分利用效率。滴灌之所以有較高的水分利用效率主要是因?yàn)闇p少土壤濕潤面積降低了無效的棵間蒸發(fā)，從而減少了水分浪費(fèi)。而且滴灌能夠保持較好的根部土壤結(jié)構(gòu)，改善了根區(qū)土壤的通氣狀況，為農(nóng)作物生長創(chuàng)造了更為有利的根區(qū)微環(huán)境條件。與溝灌相比，能夠使地表濕度減到最小，因此可以減少病蟲害的發(fā)生，有利于產(chǎn)量與品質(zhì)的提高。雖然滴灌減少了棵間的無效蒸發(fā)，但是由氣候變暖溫度升高卻會(huì)引起較高的蒸騰量，同時(shí)滴灌技術(shù)在推廣應(yīng)用中會(huì)導(dǎo)致土壤次生鹽漬化的發(fā)生。次生鹽漬化是干旱半干旱地區(qū)影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要問題之一，而洗鹽措施則會(huì)導(dǎo)致土壤肥料的流失，造成不必要的浪費(fèi)。因此鹽堿化地區(qū)推廣滴灌技術(shù)還需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況和適宜的農(nóng)藝措施，這樣才能使滴灌技術(shù)發(fā)揮更大的效益。

此外，張樂森[16]通過采用滴灌施肥與溝灌施肥相對(duì)比發(fā)現(xiàn)，滴灌施肥不僅可以節(jié)水24.25%～26.65%，增加大蔥產(chǎn)量10.36%，還可提高水分利用效率26.59%，促進(jìn)對(duì)各種肥料的吸收。劉虎成等[17]發(fā)現(xiàn)滴灌施肥處理的生姜植株氮磷鉀利用率較常規(guī)溝灌施肥顯著增加，同時(shí)還顯著提高生姜根莖經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量17.94%以及水分利用效率112.71%，在肥料減量20%的情況下仍有很好的效果。可見，采用滴灌施肥比常規(guī)施肥效果更佳，可以減少氮流失量，減少對(duì)土地的污染。因此，田間應(yīng)用滴灌技術(shù)時(shí)，可選擇適宜的滴灌施肥方式，如近年來，引起國內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)注的，廣大政府部門高度重視的滴灌水肥一體化技術(shù)，確實(shí)對(duì)提高作物根區(qū)水肥利用效率起到積極的促進(jìn)作用。

1.4 滲灌 滲灌，即地下滴灌，是利用地下管道系統(tǒng)將灌溉水引入田間耕作層借毛細(xì)管作用自下而上濕潤土壤的方式，是目前世界范圍內(nèi)最節(jié)水的灌溉技術(shù)之一。牛西午等[18]發(fā)現(xiàn)：提高蘋果相同產(chǎn)量，滲灌比漫灌節(jié)水，且提高果品品質(zhì)。與溝灌相比，滲灌也可節(jié)水36.7%，生產(chǎn)效率提高70.7%[19]。馮利平等[20]通過3年試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，滲灌比噴灌平均節(jié)水43.9%，小麥產(chǎn)量提高9.5%?？梢?，滲灌有很好的節(jié)水效果，能顯著提高水分利用效率。這主要是因?yàn)闈B灌減少了棵間無效的水分蒸發(fā)，提高水分利用效率；滲灌技術(shù)將水分直接輸送到植物根系層，提高了根系對(duì)水分的吸收；而且地表干燥，不易產(chǎn)生病蟲害及雜草、減少農(nóng)藥的使用；同時(shí)也提高了地表溫度，為作物生長提供有利環(huán)境，這些優(yōu)勢都有利于作物產(chǎn)量與品質(zhì)的提高[21]。由此看來，滲灌與地面滴灌相比，大大減少了地表蒸發(fā)，而且不占用田間耕地便于機(jī)械化操作。

然而由于地表未澆水，因氣候變化、氣溫升高造成的地表干裂則會(huì)降低植株的出芽率，對(duì)作物苗期生長會(huì)產(chǎn)生不利的影響，最終影響作物的產(chǎn)量。張玉龍等通過對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，滴灌技術(shù)更有利于改善并保持土壤有機(jī)氮的作用，滲灌則需要深施或者少施氮肥[22]；與溝灌相比，滲灌和滴灌為植物根系生長創(chuàng)造更有利的土壤環(huán)境，促進(jìn)根系的吸收，為穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)提供基礎(chǔ)[23]。綜上所述，各種灌溉措施均有優(yōu)缺點(diǎn)，過去圍繞單一的節(jié)水灌溉技術(shù)在平原地區(qū)進(jìn)行了較為深入的研究，將來還需要將各種灌溉技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)深度融合，力求提出新的節(jié)水灌溉技術(shù)，并研發(fā)出新的節(jié)水灌溉設(shè)備，解決山區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用效率低下的突出問題。

2 結(jié)語

全球氣候變化仍在加劇，水資源短缺問題日益突出，水資源虧缺已嚴(yán)重困擾著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，必須轉(zhuǎn)變以往粗放的灌溉模式，發(fā)展節(jié)水灌溉。傳統(tǒng)的灌溉方法不僅浪費(fèi)水資源、水分利用率低，而且不適宜的灌溉制度還會(huì)造成作物的低產(chǎn)量與低品質(zhì)。因此，必須改變傳統(tǒng)的農(nóng)田灌溉模式，大力推廣節(jié)水高效的農(nóng)田灌溉技術(shù)，緩解氣候變暖對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的不利影響[24]。

合理的灌溉應(yīng)該要滿足成本低，水分利用效率高，不會(huì)造成鹽漬化等要求。干旱半干旱地區(qū)如何在氣候變化的背景下，依據(jù)作物生長和土壤的特點(diǎn)，結(jié)合覆膜和秸稈還田等技術(shù)，在選擇適宜的節(jié)水灌溉措施條件下，依據(jù)作物生命需水信息的要求，重新改寫農(nóng)作物的灌溉制度已經(jīng)成為亟待解決的問題，還需要做出系統(tǒng)深入的研究。

[1] 張建云，王國慶，劉九夫.氣候變化權(quán)威報(bào)告—IPCC報(bào)告[J].中國水利，2008(2):37-40.

[2] 秦大河，羅勇，陳振林.氣候變化科學(xué)的最新進(jìn)展：IPCC第四次評(píng)估綜合報(bào)告解析[J].氣候變化研究進(jìn)展，2007，3(6):311-314．

[3] 李春龍，張方偉，訾麗，等.長江流域降水多年變化特征[J].人民長江，2013，44(15):11-13.

[4] 郭元裕.農(nóng)田水利學(xué)[M].北京：中國水利水電出版社，1997.

[5] 康紹忠，張建華，梁宗鎖，等.控制性交替灌溉——一種新的農(nóng)田節(jié)水調(diào)控思路[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，1997，15(1):1-6.

[6] 梁宗鎖，康紹忠，石培澤，等.隔溝交替灌溉對(duì)玉米根系分布和產(chǎn)量的影響及其節(jié)水效益[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2000，33(6):26-32.

[7] 楊曉光，陳阜，宮飛，等.噴灌條件下冬小麥生理特征及生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2000，16(3):35-37.

[8] 姚素梅，康躍虎，呂國華，等.噴灌與地面灌溉條件下冬小麥籽粒灌漿過程特性分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(7):13-17.

[9] 姚素梅，康躍虎，劉海軍，等.噴灌與地面灌溉冬小麥干物質(zhì)積累、分配和運(yùn)轉(zhuǎn)的比較研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2008，26(6):51-56.

[10] 李艷，耿丹，董新寧，等.1961-2007年重慶風(fēng)速的氣候變化特征[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33(3):336-340.

[11] 田莉，奚曉霞.近50年西北地區(qū)風(fēng)速的氣候變化特征[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39(32):20065-20068.

[12] 江瀅，羅勇，趙宗慈，等.近50年中國風(fēng)速、風(fēng)向變化及原因分析[C]//地理學(xué)與生態(tài)文明建設(shè)——中國地理學(xué)會(huì)2008年學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集.長春，2008.

[13] 張治，田富強(qiáng)，鐘瑞森，等.新疆膜下滴灌棉田生育期地溫變化規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(1):44-51.

[14] 李毅杰，原保忠，別之龍，等.不同土壤水分下限對(duì)大棚滴灌甜瓜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(6):132-138.

[15] 王聰聰，孫磊，郭鳳臺(tái)，等.土壤水分狀況對(duì)溫室滴灌番茄水分利用效率及果實(shí)品質(zhì)的影響[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2011，30(2):86-89.

[16] 張樂森.設(shè)施栽培大蔥滴灌水肥一體化的產(chǎn)量和水肥利用效率[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42(1):135-139.

[17] 劉虎成，徐坤，張永征，等.滴灌施肥技術(shù)對(duì)生姜產(chǎn)量及水肥利用效率的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(Z1):106-111.

[18] 牛西午，李永山，馮永平，等.晉南半干旱地區(qū)果樹滲灌補(bǔ)水效應(yīng)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19(1):72-75.

[19] 劉作新，杜堯東，蔡崇光，等.日光溫室滲灌效果研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，13(4):409-412.

[20] 馮利平，巴比江，甄文超，等.北京地區(qū)冬小麥滲灌技術(shù)節(jié)水高產(chǎn)綜合效益研究[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，6(5):35-41.

[21] 王淑紅，張玉龍，虞娜，等.滲灌技術(shù)的發(fā)展概況及其在保護(hù)地中應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21(z1):92-95.

[22] 姬景紅，張玉龍，張玉玲，等.灌溉方法對(duì)保護(hù)地土壤有機(jī)氮礦化特性的影響[J].土壤學(xué)報(bào)，2009，46(5):869-877.

[23] 楊麗娟，張玉龍，楊青海，等.灌溉方法對(duì)番茄生長發(fā)育及吸收能力的影響[J].灌溉排水，2009，19(3):58-61.

[24] HUANG J P,WANG B F, ZHOU B D. Analysis on the water-saving irrigation technique based on the perspective of food safety[J]. Asian Agricultural Research,2014(8):89-92.

Status Quo and Thinking of Farmland Irrigation Measures under the Background of Climate Change

CHEN Jin-ling

(Faculty of Modern Agricultural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650500)

As the greenhouse gases (CO2, CH4, N2O) are emitting constantly, the global climate is warming. In the past several decades, climate change has brought great changes to farmland ecosystems, especially adverse effects brought to farmland irrigation. Water plays an important role in the growth of crops, while the irrigation water in arid and semi-arid regions is unstable. On the other hand, temperature rising caused by climate change will promote the evaporation and aggravate the water crisis. This paper summarized the effects of irrigation measures on farmland ecosystems under the background of major climatic factors such as temperature and precipitation changing, including crop growth, yield, and water use efficiency. The aim is to provide references for irrigation measures at the challenge of global climate change brought to farmland ecosystem in the 21st century.

Climate change; Irrigation measures; Farmland ecosystems

陳金陵(1991-)，女，江蘇南京人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉。

2015-04-22

S 274

A

0517-6611(2015)17-378-03