摘 要： 我國既是全球13 個人均水資源最貧乏國家之一，又是農(nóng)業(yè)大國。農(nóng)業(yè)用水是全國水資源總體利用的重要組成。農(nóng)業(yè)節(jié)約用水直接關系國民經(jīng)濟的發(fā)展。概述了目前我國節(jié)水灌溉的現(xiàn)狀，并從專利的視角，使用智慧芽專利數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)來源，分析2014—2023 年全球專利申請量、申請專利類型、申請人區(qū)域專利數(shù)量排名、“五局”流向、重要技術分支地域分布、申請（專利權）人專利數(shù)量排名、創(chuàng)新詞云及領域地圖等情況。結果表明，近10 年我國專利申請量總體呈上升趨勢，居世界第1 位。在“五局”流向分布中，我國是占比最大的技術來源國和技術應用國，但在國外市場的開拓方面遠不如美國。我國專利研發(fā)機構以科研院所、大學為主，雖然活躍度不斷提升，但是相較于歐美國家的專利公司還有一定差距?；谏鲜龇治?，建議未來增強企業(yè)專利研發(fā)實力，促進節(jié)水灌溉技術成果的轉化落地；注重專利海外布局，將市場擴大到世界范疇；引入物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術，推動節(jié)水灌溉向智能化、精準化方向發(fā)展。

關鍵詞：農(nóng)業(yè)用水；節(jié)水灌溉；節(jié)水增效；專利分析；智慧芽

中圖分類號：S277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）11-0005-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.202411301

0 引言

建設資源節(jié)約型社會是我國貫徹落實科學發(fā)展觀的重要戰(zhàn)略部署，這其中水資源的節(jié)約利用是重要一環(huán)。2022 年我國水資源總量27 088.1 億m3，約占全球水資源總量的6%，居世界第4 位[1-2]。然而，由于我國人口基數(shù)大，人均水資源卻十分匱乏，僅達到世界平均水平的25%，列為13 個人均水資源最貧乏國家之一[3]。節(jié)約用水迫在眉睫且勢在必行，這項舉措貫穿我國社會發(fā)展的方方面面。我國是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟建設和發(fā)展的基礎產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)用水是全國水資源總體利用的重要組成。節(jié)水增效既關乎農(nóng)業(yè)發(fā)展的命脈，又對國民經(jīng)濟的穩(wěn)步提升起到推波助瀾的作用。2019 年4 月，國家發(fā)展改革委、水利部聯(lián)合印發(fā)的《國家節(jié)水行動方案》指出，在農(nóng)業(yè)節(jié)水增效方面，要大力推進節(jié)水灌溉[4]。2023 年中央1 號文件提到，要加強高標準農(nóng)田建設。完成高標準農(nóng)田新建和改造提升年度任務，重點補上土壤改良、農(nóng)田灌排設施等短板，統(tǒng)籌推進高效節(jié)水灌溉，健全長效管護機制[5]?！丁笆奈濉惫?jié)水型社會建設規(guī)劃》也對節(jié)水灌溉做出了重點部署， 強調要推廣節(jié)水灌溉，“十四五”新增高效節(jié)水灌溉面積0.04 億hm2，創(chuàng)建200 個節(jié)水型灌區(qū)，到2025 年，全國建成高標準農(nóng)田0.72 億hm2 [6]。由此可見，在集約化、可持續(xù)發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的今天，節(jié)水灌溉是一項行之有效的重要措施。

本研究通過對我國節(jié)水灌溉現(xiàn)狀分析，清晰展現(xiàn)了近年來節(jié)水灌溉產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成效。但是由于技術發(fā)展起步較晚，與世界發(fā)達國家相比仍然存在較大差距。以專利為視角，分別從全球專利申請量、申請專利類型、申請人區(qū)域專利數(shù)量排名、“五局”流向、重要技術分支地域分布、申請（專利權）人專利數(shù)量排名、創(chuàng)新詞云和領域地圖等方面做出深入分析。最終從技術攻關、產(chǎn)業(yè)布局、管理體制等不同層面提出對策建議，希望對提升我國節(jié)水灌溉產(chǎn)業(yè)水平，進軍國際市場有所幫助。

1 現(xiàn)狀分析

根據(jù)水利部發(fā)布的《中國水資源公報》數(shù)據(jù)，2018—2022 年， 我國農(nóng)業(yè)用水量分別為3 693.1 億、3 682.3 億、3 612.4 億、3 644.3 億和3 781.3 億m3，分別占全國用水總量的61.4%、61.2%、62.1%、61.6%和63.0%，具體如表1 所示。

以中國統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)為基礎，自2000 年起，每5年為一個節(jié)點，分別采集2000、2005、2010、2015 和2020 年的數(shù)據(jù)。節(jié)水灌溉面積分別為1 638.9 萬、2 133.8 萬、2 731.4 萬、3 106.0 萬和3 779.6 萬hm2，占耕地灌溉面積的比例分別為30.45%、38.78%、45.26%、47.15% 和54.65%，具體如表2 所示。

由表1 和表2 可知，我國農(nóng)業(yè)用水量占全國用水總量的比例常年保持在61% 以上，主要用于農(nóng)田灌溉，是全國用水的重要組成[1]。盡管農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)呈逐年遞增趨勢， 但與世界先進農(nóng)業(yè)大國0.7～0.8 的水平比較仍存在差距[7]。

自2000 年開始，20 年間我國節(jié)水灌溉面積占耕地灌溉面積的比例呈上升趨勢，由2000 年的30.45% 提升至2020 年的54.65%，節(jié)水灌溉面積達3 779.6 萬hm2 [8]。然而，國務院發(fā)布的《全國土地利用總體規(guī)劃綱要（2006－2020 年）》顯示，2020 年我國耕地保有量是1.2 億hm2 [9]。顯然，我國僅有不到1/3 的耕地實現(xiàn)了節(jié)水灌溉。另一方面，我國水資源與耕地配置失衡，我國近60% 的耕地面積集中在北方地區(qū)，與之匹配的水資源卻不足全國的20%[10]?？朔?jié)水灌溉覆蓋度不高及自然資源分布不均等不利因素，必須加快節(jié)水灌溉技術提升與推廣的步伐，通過科學有效的技術支撐推動農(nóng)業(yè)集約化與可持續(xù)發(fā)展。

2 數(shù)據(jù)來源與檢索方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用智慧芽專利數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)來源，該數(shù)據(jù)庫采集了全球超過1.8 億項的專利數(shù)據(jù)，覆蓋170個國家和地區(qū)，可提供精準、多維度、可視化的專利及研發(fā)情報。

2.2 檢索詞采集

目前較常見的節(jié)水灌溉技術主要包括地面灌溉節(jié)水技術、低壓管道輸水技術、噴灌技術、滴灌技術、微灌技術、滲灌技術、雨水蓄集利用技術、波涌流灌溉技術、渠道灌溉技術、水肥一體化技術和覆蓋保墑技術等[10]。

節(jié)水灌溉設備主要包括地面移動管道、噴灌機（如電動圓形噴灌機、平移式噴灌機、卷盤式噴灌機、手推式機組和手抬式機組等）、噴灌地埋管道（鑄鐵管、鋼筋混凝土管、硬質聚氯乙烯管等）及不同規(guī)格的噴灌水泵（自吸泵、非自吸泵）等[11]。

本研究從節(jié)水灌溉主要技術和設備的角度出發(fā)，采集檢索關鍵詞，建立檢索式。檢索時間為2023 年12 月，數(shù)據(jù)采集范圍為2014 年1 月—2023 年12 月的全球節(jié)水灌溉技術及裝備專利數(shù)據(jù)。

3 結果分析

在170 個受理局中，搜索出48 845 項專利。其中，有效專利26 835 項，占比54.94%；失效專利15 248 項，占比31.22%； 審中專利5 687 項， 占比11.64%；PCT（ 專利合作條約） 指定期滿專利810 項， 占比1.66%；PCT（專利合作條約）指定期內(nèi)專利168 項，占比0.34%；未確認專利97 項，占比0.2%。

3.1 申請時間

由圖1 可知，2014—2020 年專利申請量總體呈上升趨勢，其中2018—2020 年增幅較大，2020 年達到峰值，2021—2023 年專利申請量有所回落。依據(jù)《中華人民共和國專利法》第三十四條規(guī)定，一般情況下申請人提交專利申請后滿18 個月，發(fā)明專利才可以被公開[12]。由于本研究數(shù)據(jù)采集時間是2023 年12 月，因此2022—2023 年的部分發(fā)明專利可能因為處于未公開狀態(tài)而沒有被統(tǒng)計，這可能是專利申請量回落主要原因。而我國專利申請量占全球總申請量的近90%，因此很大程度上影響了全球的總體狀態(tài)。

3.2 專利類型

專利類型主要是發(fā)明專利、實用新型專利和外觀設計專利。從發(fā)明專利的占比來看，2014—2018 年發(fā)明專利占比維持在70% 左右。2019 年以后基本保持在30%～40%（2023 年由于存在未公開專利，占比數(shù)據(jù)不做參考）（見表3）。作為專利申請的大國，我國專利的類型分布影響了全球總體專利類型布局。近年來我國在專利質量提升方面不斷加強管理與指導力度，不再一味追求專利申請數(shù)量，而是注重專利的“含金量”，對發(fā)明專利的審查愈加嚴格，這也是造成發(fā)明專利占比自2019 年以后明顯減少的原因。

3.3 申請（專利權）人區(qū)域專利數(shù)量排名（前10）

按照申請（專利權）人區(qū)域統(tǒng)計，中國申請量達到42 594 項，居世界第1 位。其次是美國、印度、以色列、日本、俄羅斯和韓國等，如圖2 所示。由于我國水資源的相對匱乏，近年來我國不斷加強在節(jié)水灌溉方面的研發(fā)力度，通過科技力量的注入達到節(jié)約農(nóng)業(yè)用水的目的。

3.4 “五局”流向分析

通過專利“五局”流向分析，可以清晰地看到中國、美國、歐洲專利局、日本和韓國5 大局的專利流向情況，從而直觀地了解節(jié)水灌溉技術的來源分布情況和目標市場布局情況。

通過表4 的分析，可以了解節(jié)水灌溉技術在哪些國家/地區(qū)申請了優(yōu)先權，即技術來源國，而這些專利持有者除了將該技術布局在所屬國，還布局到了哪些目標市場。很顯然，中國是最大的技術來源國和目標市場國，未來還應該加大對國外市場的開拓。

3.5 重要技術分支地域分布

對已檢索到的專利按照IPC 分類（《國際專利分類表》）進行統(tǒng)計，同時分析活躍度較高的國家IPC技術布局， 可以看到中國在A01G25、A01C23、A01G9 和E03B3 等技術分類方面優(yōu)勢明顯。美國在A01G25、A01G9、A01G31 和A01G27 等技術分類方面布局集中，如表5 所示。

3.6 申請（專利權）人專利數(shù)量排名

申請（專利權）人專利數(shù)量排名可以反映全球專利研發(fā)機構的活躍度。由圖3 可知，瓦爾蒙特工業(yè)股份有限公司（美國）、琳賽股份有限公司（美國）、雨鳥公司（美國）、恩普樂股份有限公司（日本）、中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)田灌溉研究所（中國）等機構在節(jié)水灌溉領域的專利申請量相對較高。可見，隨著我國在節(jié)水灌溉專利保護方面意識和實力的不斷增強，我國專利研發(fā)機構的活躍度有所提升，但是相較于歐美國家的專利公司還有一定差距。另外不同于歐美國家，我國活躍度較高的專利研發(fā)機構以科研院所、大學為主，公司在專利申請方面的實力相對較弱。

3.7 創(chuàng)新詞云

利用智慧芽軟件中創(chuàng)新詞云分析，可以看出在節(jié)水灌溉領域相對熱門的技術主題詞分布。其中灌溉裝置相關專利624 項、農(nóng)業(yè)灌溉相關專利220 項、水肥一體化相關專利201 項、傳感器相關專利162 項、農(nóng)作物相關專利157 項、儲水箱相關專利150 項、園林綠化相關專利133 項、連接管相關專利122 項、農(nóng)田灌溉相關專利120 項、進水管相關專利114 項、澆灌裝置相關專利114 項、滴灌管相關專利113 項、控制器相關專利109 項和物聯(lián)網(wǎng)相關專利108 項，如圖4所示。由此可見，灌溉裝置、水肥一體化、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)和控制器等是該領域的研發(fā)熱點。

3.8 領域地圖

領域地圖可以直觀顯示在節(jié)水灌溉領域主要申請人的專利關鍵詞分布情況，從而了解該領域主要申請人的技術焦點布局。利用智慧芽軟件，選取檢索結果中最新公布的5 000 項專利，對其提取關鍵詞。篩選出高頻詞匯分別是灌溉裝置、農(nóng)業(yè)灌溉、一體化、傳感器、農(nóng)作物、儲水箱、園林綠化、連接管、農(nóng)田灌溉、進水管、澆灌裝置、滴灌管、控制器、物聯(lián)網(wǎng)、滴灌帶、支撐板、支撐架、出水管、灌溉管和固定板等。對專利申請量排名前5 位的申請人進行高頻詞匯覆蓋度分析如表6 所示，由此繪制領域地圖如圖5 所示。

由圖5 可知，專利申請量排名前3 位的瓦爾蒙特工業(yè)股份有限公司、琳賽股份有限公司、雨鳥公司都將傳感器、控制器作為重點領域。而我國以中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)田灌溉研究所為例，盡管在傳感器、控制器領域有所涉及，但是領域優(yōu)勢并不突出。

4 技術發(fā)展趨勢分析

節(jié)水灌溉技術裝備的雛形源于1894 年美國人查爾斯·斯凱納發(fā)明的簡易噴水系統(tǒng)。40 年后，第1 只搖臂灌溉噴頭于1933 年在美國問世，正式拉開節(jié)水灌溉技術發(fā)展的序幕。20 世紀40 年代，半固定式及固定式薄壁噴灌技術、滴灌技術相繼在美國、以色列誕生，并逐步在歐美國家得到廣泛推廣。20 世紀80 年代后，地下滴灌技術成為新的研究熱點，改善了滴灌地上蒸發(fā)的問題[10]。伴隨科技的不斷發(fā)展，歐美發(fā)達國家將噴灌、滴灌與水肥一體化技術相結合，同時滿足節(jié)約灌溉用水和降低施肥量的雙重需求，降低生產(chǎn)成本的同時提高作物品質。信息化時代的來臨，農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉迎來了重大變革。傳感技術、控制技術應用于大型農(nóng)機具的設計與制造，實現(xiàn)了施肥與灌溉的智能化、精準化[13]。在灌溉作業(yè)過程中，智能傳感器負責環(huán)境監(jiān)測、參數(shù)采集和數(shù)據(jù)處理，控制系統(tǒng)根據(jù)回傳信息遠程控制機具作業(yè)，達到省時、省力、節(jié)約和高效的效果[14]。

與農(nóng)業(yè)發(fā)達國家相比，我國節(jié)水灌溉起步較晚，20 世紀70 年代引入噴灌、滴灌技術后，受限于節(jié)水意識不足、政策制度不健全、經(jīng)濟支撐不夠及技術水平落后等諸多不利因素影響，我國節(jié)水灌溉工作在80 年代進展緩慢。90 年代開始，水資源緊張對農(nóng)業(yè)發(fā)展的影響日趨嚴重，節(jié)水農(nóng)業(yè)逐漸被人們所重視，加之經(jīng)濟、科技水平不斷提高，我國節(jié)水灌溉工作進入穩(wěn)步發(fā)展階段。

進入21 世紀，國家陸續(xù)頒布一系列扶持政策，鼓勵更多的科研院所和企業(yè)參與到節(jié)水灌溉技術的研發(fā)與推廣工作中，具有自主知識產(chǎn)權的創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn)，節(jié)水灌溉技術的推廣應用帶來了巨大經(jīng)濟和社會效益。我國與農(nóng)業(yè)發(fā)達國家的差距正在不斷縮小，但同時暴露出的問題也不容小覷。如由于我國技術研發(fā)起步較晚，對噴灌噴頭理論研究尚顯不足，需要重點解決在高強度作業(yè)過程中保持噴頭工作穩(wěn)定性、高效性的問題。另外，進口高端微灌產(chǎn)品的市場占有率偏高，我國應加強對灌水器等核心部件的自主研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，提高產(chǎn)品性能[3]。此外，推廣體系的健全、管理制度的完善等，尚需不斷付諸努力。

5 對策建議

5.1 增強企業(yè)專利研發(fā)實力

排名前10 位的申請人中中國占7 位，以高校和科研院所為主，企業(yè)只有1 位。在產(chǎn)學研的體系中，企業(yè)往往與成果的推廣應用關系更加直觀與緊密，這一點也從側面反映了我國在專利市場化應用方面相對薄弱。未來建議通過政策的引導與扶持措施，加強企業(yè)與高校、科研院所的協(xié)作，促進節(jié)水灌溉技術成果的轉化落地，推動產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，平衡技術市場供需關系[15]。

5.2 注重專利海外布局

無論從加強技術產(chǎn)品推廣，擴大知識產(chǎn)權布局和世界影響力的角度考慮，還是出于加強知識產(chǎn)權保護，降低風險的目的，我國專利研發(fā)機構都應注重專利技術的海外布局，將市場對焦世界范疇。以專利申報作為節(jié)水灌溉技術交流的渠道，不斷引進先進理念技術的同時，將自主創(chuàng)新的成果在知識產(chǎn)權保護的前提下不斷向海外輸出，接受更大范圍的市場檢驗，促進技術的不斷革新。

5.3 向智能化、精準化方向發(fā)展

從IPC 技術布局及創(chuàng)新詞云等分析中得到啟示，未來我國應不斷擴大在灌溉裝置方面的技術優(yōu)勢，同時通過物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術的融入，從提高灌溉智能化、精準化的角度實現(xiàn)節(jié)水增效的目的[16]。

5.4 加強核心技術攻關

目前我國節(jié)水灌溉推廣相對廣泛的技術包括噴灌、滴灌、微灌等，近年來雖然在自主創(chuàng)新方面不斷實現(xiàn)突破，但仍存在很多技術難點有待攻克。如噴灌過程中如何盡量降低風速等外部環(huán)境對噴灑均勻度的影響及滴灌過程中如何防治土壤鹽堿化等，這些問題都需要加強技術攻關與實踐創(chuàng)新[17]。

5.5 完善管理體系與實施方案

不同于歐美農(nóng)業(yè)發(fā)達國家，我國地域遼闊，水資源分布不均，土壤結構參差不齊，不同灌區(qū)對節(jié)水灌溉的要求各有不同[18]。需要因地制宜，制定符合當?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展特色的節(jié)水灌溉管理體系及實施方案，在節(jié)約資源的同時實現(xiàn)提質增效，保環(huán)境促生產(chǎn)。

6 結束語

發(fā)展節(jié)約型農(nóng)業(yè)既是落實科學發(fā)展觀的戰(zhàn)略性舉措，也是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。節(jié)水灌溉是發(fā)展節(jié)約型農(nóng)業(yè)的有效措施。近年來，我國相繼出臺一系列鼓勵與扶持政策，為節(jié)水灌溉產(chǎn)業(yè)發(fā)展鋪設了更為寬廣的道路。未來要不斷加強核心技術攻關，將傳統(tǒng)理論與物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等高新技術相結合，突破技術瓶頸，從源頭提升自主研發(fā)實力，縮短與歐美發(fā)達國家的差距。同時，優(yōu)化政產(chǎn)學研全鏈條合作機制，拓展海外產(chǎn)業(yè)布局，建立科學合理的推廣體系和管理機制[19]。總之，從技術與管理雙重層面齊行并舉，推動我國農(nóng)業(yè)發(fā)展。

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基金項目： 國家自然科學基金面上項目（52379035）