中國節水農業戰略研發范文

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1現實需求與一對難以調和的矛盾

從國家水安全戰略角度考慮,未來30年我國農業用水只能維持零增長或負增長,水利部已將此作為一項重要工作目標。也就是說我國農業用水量在未來30年將不能超過現狀用水量或小于現狀用水量。我國現狀年供水能力約為5600億m3,其中農業用水量約為4000億m3,工業用水量約為1000億m3,生活用水量約為600億m3。農業用水量中大約90%用于農田灌溉,即約3600億m3,這即為我國農田灌溉用水量上限[1]。從我國糧食安全戰略角度考慮,到2020年我國糧食總產量需達到6.0億t(見圖1)[2-3]。2004年我國糧食總產量約為4.7億t,歷史最高產量為約5.0億t(1998年),考慮到我國耕地面積因經濟建設而不斷減少的現實情況,并綜合考慮技術進步因素,到2020年達到生產6.0億t糧食生產能力,即在2004年基礎上增加1.3億t的糧食,尚需增加農業用水約1200億m3。這樣就形成了兩個現實需求,即滿足國家戰略水安全必須確保我國農業用水量維持零增長或負增長,但要滿足我國糧食安全戰略需求必須增加農業用水量約1200億m3,這兩個現實需求也形成了一對難以調和的矛盾。在我國水資源極為有限的前提下,解決這一矛盾的唯一出路只能是依靠科學技術,大力發展現代節水高效農業,走擴大資源內涵式的發展道路。

2戰略思考

如何解決這對難以調和的矛盾,是我們必須面對的客觀現實,也是保證我國經濟可持續發展的重要課題,欲解決矛盾,須先從戰略高度論證總體思路。筆者試圖從戰略高度對這一問題進行分析探討,并提出解決這一矛盾的初步方案。從戰略層面考慮,解決上述矛盾,應遵循以下幾個基本原則。①保證農業用水量不增加或者適當減少,即在國家總供水量中農田灌溉用水量不能超過3600億m3。②開源與節流并舉,但開源不能擠占國家正常供水量,即開源主要以非傳統水資源為主。③走擴大資源內涵式的發展道路,重點在于提高有限水資源的利用率與利用效率。④充分考慮國情及技術的區域適應性。⑤遵循可持續發展的基本原則,既要解決眼前矛盾,又要考慮長遠利益。基于上述原則,從戰略角度思考,既要重視戰略技術儲備,又要開源與節流并舉。考慮到我國現階段灌溉水利用率僅為45%左右,旱作雨水利用率較低,有效利用率僅為30%的現實,未來15年應首先解決農業用水過程中的水浪費現象,即首先提高現有灌溉水的利用率和利用效率,其次提高雨水資源的利用效率,并大力開發污水和劣質水。在此基礎上,還應作好技術儲備,即生物節水技術的研究與開發,這主要由于生物節水技術處于實驗室階段,未來15年直接大規模應用于大田和生產實際還存在一定的困難。據此,提出以下戰略思考方案。

2.1將灌溉水利用率從45%提高到60%,節水540億m3當前我國農田灌溉水平均利用率約為0.45,按現狀農田灌溉用水3600億m3計算,實際有效用水約為1800億m3,通過未來15年的節水灌溉技術研發和工程示范,使農田灌溉水利用率每年提高1個百分點,到2020年時,我國農田灌溉水利用率達到0.60,這樣可節水540億m3,即增加農業用水540億m3。從節水灌溉的發展現狀來看,通過“九五”科技攻關和300個節水增產增效示范縣的建設、大型灌區節水改造建設和商品糧基地縣等一系列項目的實施,我國節水灌溉得到了較大的發展,農田灌溉水利用率已由“九五”中后期的0.40左右提高到現狀水平0.45,大約平均每年提高將近1個百分點[4-5]。同時從我國歷年的糧食總產量與有效灌溉面積的分布曲線(見圖2)也可看出[6],從1980年到2000年間,在有效灌溉面積基本不增加的情況下,糧食總產量仍保持一定的增長幅度,說明采取相應的節水灌溉技術,在保持有效灌溉面積不增加的前提下,仍可增加糧食總產。另外,國外大量的實踐已經證明(如以色列農業水利用率為0.75以上)[7-8],通過節水灌溉,大幅度提高農業水利用率,節約大量水資源是可行的。

2.2將有限雨水資源利用率從30%提高到45%,增加雨水利用量450億m3我國現有耕地面積約1.27億hm2,其中旱作面積約為0.73億hm2,分布在我國半干旱和半濕潤偏旱地區,主要依靠天然降水供給作物用水需求。根據國家科技攻關項目研究結果,我國北方旱農區降水資源的利用率不高,有限的降水資源不能充分利用。在有限的降水中,因徑流損失的水分占總降水的20%,而休閑期無效水分蒸發則占降水的24%,可被農業生產利用的降水只有總量的56%;就是在利用的56%中,也有26%由于田間蒸發而散失,作物真正利用的降水只有總量的30%,即我國旱作農業區雨水資源的利用率平均僅為30%左右,大部分以徑流和無效蒸發的形式浪費掉[5]。未來15年,如果采取有效的措施,通過集雨工程、覆蓋技術、使用保水劑、對土壤水庫進行增蓄擴容等措施,減少休閑期和生育期蒸發失水15%,即雨水利用率達到45%,每年提高雨水資源利用率1個百分點。按平均400mm降水計算,我國旱作地區11億畝耕地就可多利用降水60mm,折水量450億m3,即相當于新增450億m3農業水資源。

2.3開發劣質水資源,新增農業用水300億m3我國目前年污水排放量達到631億m3(不包括發電廠電直流冷卻水),其中工業廢水占61.5%,生活污水占38.5%[9],排放的廢污水主要集中在大中城市和工業區,然而我國目前的城市污水集中處理率為43.6%[10],與歐美國家80%～90%和以色列95%以上的城市污水處理率相去甚遠,而且處理后的污水也未能全部得到合理利用。如果僅將其中的生活污水全部用于農業灌溉,則每年將可新增243億m3左右的農業水資源。另外,我國北方沿海地區和西北內陸地區有相當數量的微咸水資源(2～5g/L)。有關實驗資料表明,如果合理交替和混合利用微咸水和淡水資源,不僅不會降低作物產量,而且可以在一定程度上提高作物的品質,因此進一步開發利用這部分水資源,提高其利用率,對促進缺水地區的農業發展具有一定的重要作用[11]。我國可利用的微咸水資源約200.0億m3,如果利用率從目前的20%提高到50%,就相當于可新增農業水資源60億m3。加上生活污水可利用量243億m3,通過開發劣質水資源,可實現新增農業用水300億m3的目標。按照上述戰略方案,在總水資源分配方案不變的情況下,通過節水灌溉技術、雨水利用技術、非傳統水資源(污水、劣質水)利用技術,以及技術集成和綜合應用可以新增農業用水量1290億m3,能夠滿足未來新增糧食生產1200億m3農業水資源的需求。這一方案還沒有計算生物節水技術所產生的節水作用及節水效果,主要是考慮到其技術的成熟度和技術儲備作用。

3研發重點

根據上述戰略思考,以及所初步提出的戰略方案,我們初步提出我國現代節水農業技術的研發重點。在提出研發重點時,我們充分考慮到生物節水技術的前沿性和技術儲備性特點,并將其作為一種技術儲備,以便日后發揮作用,也將其作為一個重要研發方向[12]。

3.1現代生物節水技術

以主要農作物和林草為重點,進行種質資源的田間或室內抗旱性鑒定、評價,篩選抗旱節水優異資源,建立農作物抗旱節水特性鑒定評價指標體系與方法;應用分子標記輔助選擇、轉基因、基因聚合技術結合常規育種的方法,建立簡便、有效的抗旱節水和水分高效利用型種質改良與育種技術;創制抗旱節水型或水分高效利用型的優異育種新材料,選育抗旱節水新品種;篩選具有控制蒸騰功能的外源物質,研究作物對外源物質的生理生態響應;綜合應用化學合成與耦合技術,研究植物蒸騰抑制劑;研制適用于旱作和非充分灌溉條件下具有抗旱節水、防病殺蟲、高效環保等多種功能的種衣劑;研究不同區域主要農作物的水分生產函數與有限水量條件下的非充分灌溉模式,主要農作物調虧灌溉指標體系與灌溉模式,主要作物局部控水灌溉技術與方法等。

3.2非傳統水資源高效安全利用技術

重點研發適合旱區應用的新型高效工程和生物雨水集蓄形式,低成本、高效、綠色環保型的集雨材料,新型集雨設施結構形式和現場成型技術,提出雨水集蓄與高效利用工程系統設計軟件,建立區域雨水資源高效利用技術體系和最優開發模式及智能決策系統軟件。研究再生水灌溉對土壤和地下水及作物品質的影響,提出作物污灌安全指標量化體系,再生水與凈水混灌或輪灌的應用技術,不同再生水灌溉方式下的作物灌溉制度。研究低成本、節能型的微咸水開發利用技術與設備,微咸水灌溉下的控制指標體系和作物灌溉制度,土壤水鹽運動規律與調控技術,咸淡水輪灌的模式;提出改善區域生態環境的微咸水利用成套技術等。

3.3節水灌溉技術與裝備

研究土地精平標準與激光控制平地技術,開發國產激光控制平地鏟運設備和相應的液壓升降控制系統,提出與激光控制平地技術實施相配套的田間灌排工程系統模式;研究地面灌溉技術控制參數,開發田間波涌灌溉控制設備、田間多孔閘管灌溉系統和田間灌溉自動控制設備;研究根系分區交替灌溉技術要素設計方法和田間配套設備,建立保墑灌溉技術體系。建設噴微灌產品數字化設計及快速成型平臺,開發噴微灌系統設計軟件,研制節能異形噴嘴噴頭、輕小型移動式噴灌機組、適用于低壓管道輸水灌溉系統的新型噴灌機組。研制微壓超薄壁滴灌帶,抗堵、耐用、價廉的微灌灌水器、自動反沖洗過濾器、精量注肥器、壓力調節器、精量控制閥及微灌自動控制系統。利用納米技術改進防滲材料性能,開發新型土壤固化劑、新型復合土工膜料和填縫材料;研制用于管道輸水的高分子復合材料大口徑管材、管件及配套設備;開發標準化與系列化的新型金屬管材及管件、加筋高密度聚乙烯(PE)噴灌移動支管及管件。

3.4旱作高效用水技術與新材料

建立主要農產品水分需求與水資源保障之間的關系模型和基礎數據庫,提出主要區域節水穩產型的作物種植結構;建立與降水和水資源相協調的適雨種植參數,提出適合區域特點的節水高效間作套種與輪作等種植模式、農田蓄水保墑的少免耕技術、區域節水型農作制度優化設計軟件和決策支持系統。研究多功能行走式抗旱播種機具的結構形式及主要部件性能參數,研究適合旱區小水源條件下應用的微型提水機具及局部灌溉系統。研發由天然材料和改性天然材料(重點是植物纖維和淀粉類)制成的生物全降解塑膜、田間生物材料成膜技術與工藝及相關設備,開發具有增溫、保墑、增產、無殘留的多功能液體覆蓋材料,改性和創制新型液膜等。

3.5區域高效節水農業綜合技術

研究區域作物水分信號監測技術與診斷指標體系,區域土壤墑情快速測定與預報技術;研究基于網絡技術與3S技術相結合的灌區動態管理信息實時采集、傳輸和分析技術,灌溉系統計算機識別技術,渠系配水模擬仿真和水量流量實時調控技術;研究灌區多種水源聯合利用下的水資源優化配置與管理模型,區域多水源優化配置與管理智能決策支持系統;探索虛擬灌區實現技術。選擇10種不同節水農業類型區,建立20個左右的現代節水農業技術集成示范區,以農業節水高新技術和產品應用為載體,將生物節水技術、節水灌溉技術、農藝節水技術和用水管理技術組裝配套后,在示范區形成各具特色的現代節水農業技術體系與模式,探討以農民用水者協會為主的示范區管理機制與模式,探索有利于調動科研、企業、灌區和農民積極性的示范區建設多元化投入機制。

4結論與建議

1)未來15年糧食安全和水安全矛盾問題越來越突出,解決這一矛盾的出路在于依靠科學技術,發展現代節水高效農業技術,提高農業用水的利用率和利用效率。

2)在不增加農業用水或者減少農業用水的前提下,我國2020年實現糧食總產6.0億t的生產目標是可行的。

3)未來15年通過節水灌溉技術、雨水利用技術和非傳統水資源開發利用技術的研發與大面積應用,可以實現新增農業用水量1290億m3,滿足農業生產用水需求。

4)建議將現代生物節水技術、非傳統水高效安全利用技術、節水灌溉技術與裝備、旱作高效用水技術與新材料、區域高效節水農業綜合技術等作為今后我國節水農業技術研發重點。