水稻节水灌溉及其影响研究进展
[论文关键词]：水稻；节水灌溉；影响；研究；进展
一、引言
当前，我国正致力于两型社会和社会主义新农村建设。其中一项重要的任务就是和谐灌区建设。一个和谐的灌区应该实现：水土资源供需平衡，灌区水利基础建筑物和渠系运行良好，管理体制合乎时代要求，运行机制满足社会主义市场经济要求，有很强的自我运行能力；此外，灌区农民生活富足，社会安定，生态环境适合人民生活和动植物生长；灌区灌溉水利用效率相对较高，节水灌溉技术得到普遍采用，并发挥巨大作用，从而保证灌区内的资源、环境、经济和谐发展。只有这样，才能保证我国的粮食安全和人民的安居乐业，才会促进我国在和平崛起的道路上稳步向前。和谐的灌区建设离不开农业节水灌溉，而农业节水灌溉的关键是实行水稻节水灌溉。因此，开展节水灌溉及其影响研究是十分必要的。
中国是世界上最主要的种稻国家之一，水稻面积为世界第二，水稻的总产量在世界各国中居首位。水稻是中国最主要的粮食作物之一，其种植面积约占全国种植面积的30%，产量约占全国粮食种植面积40%，水稻的灌溉用水量占1/3以上。但中国水资源紧缺，且时空分布不均，特别是工业用水、城镇供水大幅度增长，农业用水紧缺问题日益严重。农业是我国第一用水大户，发展高效节水型农业是我国的基本国策[1]。
二、水稻节水灌溉研究进展
在全球用水量中，农业灌溉占到了72%，在发展中国家，这一比例更高达87%。随着非农业用水（包括城镇供水、工业用水和环境用水）需求的不断增加，Barker(1998)等人预计，到2020年，发达国家的农业用水量将下降到62%而发展中国家为73%。20世纪70年代，随着水资源紧缺的矛盾越来越突出，水稻节水灌溉的研究必要性越来越明显。Tabbal等人(1992)和Bhuiyan等人(1995)分析大量关于亚洲水稻灌溉水管理的研究表明，由于缺乏有效管理和工程配套，相当多的一部分灌溉用水在渠道输配以及田间灌水过程中损失掉了。在许多大型灌区，每生产1kg的稻谷要消耗大约4～5m3的水，其中只有25～30%是作物生长必须的，而大部分的水是通过无效蒸发和渗漏损失了。Guerra等人（1998）指出水量损失主要表现在两个方面：（a）泡田期农户的灌水量常常要比作物实际需水量（150～250mm）高好几倍；（b）作物生长阶段农户的灌水量也常比作物实际需水量大，从而导致地表径流和深层渗漏。Tuong等人（1996）的试验发现，泡田期浸泡干燥得开裂的土地时，41～57%的水形成地表径流，其中有66-74%的地表径流通过排水设施损失了。IWMI（国际水管理研究所）Seckler(1998)的一项研究表明，世界上越来越多的国家和地区面临用水短缺，不单是西亚和北非，还包括像印度彭加木（Punjab）地区和我国华北平原这样的粮食主产区，用水都越来越紧张。Dawe(1998)等人的调查认为亚洲拥有世界上大约60%的灌溉土地，其中有一半种植水稻，而水稻的用水量最大[2]。
国外在水稻节水灌溉研究方面起步较早，20世纪90年代以来更是受到普遍重视。但是，对水稻节水灌溉研究多集中在采用土地激光平整、喷微滴灌、直播以及田间土壤墒情监测等先进技术领域，大多还停留在试验阶段，目前还很难在水稻生产中加以推广应用（更多有关节水灌溉资料请参考：《浅谈节水灌溉》）。
目前在我国开展了形式多样的水稻节水灌溉技术的研究，取得了很多成功的经验。根据我国多年的试验研究与实践，符合水稻节水、丰产的田间水分控制方式,基本可归纳为以下4类模式，亚洲许多国家的实践与试验结果也与此类似[1]。
（1）“浅、湿、晒”模式：该模式是我国应用地域最广，时间较久的节水灌溉模式。如广西壮族自治区大面积推广的“薄、浅、湿、晒”灌溉，北方推广的“浅湿”灌溉。（2）“间歇淹水”模式：又称水稻“间歇式灌溉”，目前在我国南方的湖北、安徽、浙江等省成功地采用了这种模式。（3）“半旱栽培”模式：这一模式与前述两类模式有较大差别，除在返青期建立水层，或是返青与分蘖前期建立水层外，其余时间则不建立水层。（4）蓄雨型节水灌溉模式：
为了充分地利用降雨，在不影响水稻高产的前提下尽可能多蓄雨水以提高降雨利用率。
三、水稻节水灌溉影响研究现状
3.1水稻节水灌溉经济及环境影响研究
节水灌溉包括水资源的合理开发利用、输配水系统节水、田间灌溉系统节水、管理节水以及农艺节水技术措施等方面，社会和国民经济效益显着，但是影响因素众多、计算复杂、难于精确定量。而水稻节水灌溉又是节水的关键，必须加以深入研究。另外，水稻节水灌溉的影响分析与一般节水灌溉影响分析不同，除了经济影响外，更多地涉及到资源、环境、生态、政策、技术和工程等多方面影响，必须依据其特点加以分析。
节水灌溉的目的是：在不危及作物产量的前提下，通过优化作物的灌水次数、灌水定额和灌水延续时间，减少总的灌溉用水量。水稻间歇式灌溉（ＡlternateWetandDry，简称AWD）正是基于这个目的而研发的节水灌溉技术。与传统的持续淹灌方式不同，水稻间歇式灌溉要求农户在水田田面无水层甚至土壤不饱和时才灌溉。VanderHoek等（2000）的调查发现，在中国和日本已经有许多农户使用了间歇式灌溉技术，应用结果表明：中期晒田能够促进水稻有效分蘖，提高产量。但是，采用这种技术要求有供水可靠的灌溉系统[3]。
Guerra等人（1998）、Bouman等人（2000）所做的水稻节水灌溉田间试验结果显示：
即使减少20～70%的灌溉用水，也可能不会引起水稻产量的显着下降[4]。不过在试验中，研究人员可以及时得到灌溉供水，以保证作物正常生长。但是，如果没有及时、可靠的灌溉供水保证，农户就很难实施间歇式灌溉技术。这是因为：如果农户不能及时灌溉，作物将面临水分亏缺，导致作物减产。在使用间歇式灌溉时，还必须调整其他方面的管理措施。例如，由于田间水分状态的改变而导致水田杂草滋生，农民就要增加除草用工或使用除草剂，由此而增加农民的投入。事实上，尽管很多研究成果表明间歇式灌溉可以增加产量，但是由于农户传统的种植观念和种植习惯影响，又缺乏适当的培训和指导，目前间歇式灌溉的推广还很慢，中国的许多农户还在延续传统的持续淹灌的灌水模式[5~7]。即使在节水程度比较高的灌区，例如湖北漳河灌区，更多的农户采用的是间歇式灌溉与传统的持续淹灌相结合的混合式灌溉模式，而不是纯粹的节水灌溉模式，这样农民可以根据水源的情况灵活地控制灌溉过程[8]。
邓莉等人（2000）通过对节水灌溉与非节水灌溉两试验区农民各种投入与产出的问卷调查，并作定量分析比较得到：在田间尺度，在施肥水平大致相同、产量不减少的情况下，节水灌溉区比非节水灌溉区灌水量减少了1170m3/hm2，节水率32%，杀虫剂、除草剂方面费用减少了28%，机耕雇工费用虽增加了20%，但农民的产出还是增加了8.5%[9]。
在此基础上，时训柳等（2001）在湖北漳河灌区系统尺度开展农户调查，分析灌溉系统（分别为三干渠和四干渠）采用不同的节水灌溉程度对农户投入产出影响，得出了节水灌溉程度不同，农户投入产出也有所不同，但是节水程度的提高可以大大减少灌溉成本，同时不会显着影响产量[10]。
Hong等人（2000）从分析湖北漳河灌区水量分配、种植面积及农业产量变化入手，分析了湖北漳河灌区节水灌溉的影响[11]。李远华等人（2001）对湖北省漳河灌区高效用水情况进行分析，总结了湖北漳河灌区几十年来坚持以提高灌溉水利用率和水分生产率为目标，不断改进和完善蓄水、取水、输水、配水和灌溉水系统，逐步形成了大、中、小，蓄、引、提相结合的灌溉体系的节水经验，得出了：科学的管理、合理的调度，可使水资源的综合利用率和单位水量的产值大幅度提高的启示[12]。崔远来等人（2002）对湖北漳河灌区灌溉用水量及水分生产率变化进行分析，根据历史资料，揭示了由于灌溉系统和灌区尺度水的重复利用程度逐渐提高,使从田间、灌溉系统到灌区灌溉水分生产率逐渐提高的规律。此外，通过分析灌溉水利用率及水分生产率提高的原因,得出了湖北漳河灌区节水效应中节水灌溉技术的推广应用以及通过各类调蓄设施提高水的重复利用率等占一半,农业结构的调整及作物品种改进使粮食单产提高等占另一半的结论[13]。Hong等（2007）对河南省开封市柳园口引黄灌区农户利用地下水的经济效益和水分生产率进行了调查研究，通过分析灌区农业生产投入和产出，将地下水利用的经济效益和水分生产率与地表水进行比较。研究结果表明：相对于地表水灌溉，地下水灌溉的运行成本较高。因此井灌区农户采用节水灌溉，可以大大降低灌溉成本，提高灌溉水分生产率[14]。
上述研究结果表明：采用节水灌溉技术不仅能够节约灌溉用水量，还可以大大减少农民投入，增加农民收入[9~14]。通过研究节水灌溉对农户投入产出的影响，将节水与农业经济联系起来。从而了解：节水灌溉如何与农民的意愿相一致？发展节水灌溉应该如何考虑农民增收？发展节水灌溉应该如何考虑农民的生产生活习惯？
在节水灌溉对环境的影响方面也有很多学者进行了大量研究。茆智（2002）的田间试验研究结果表明：推广节水灌溉模式，特别是推广间歇式灌溉，由于田间无水层的时间较长，对稻田水土环境有较大改变，须注意并防治其带来的不利影响。与深水条件相比，土壤干干湿湿条件下养分挥发损失加大，宜用多次追肥来降低这种影响。此外，要注意解决的主要问题还有：防虫除草，在无水层条件下的追肥、补肥，防低温或高温危害等。这些都会直接或间接地影响水稻的投入产出[1]。此后，尤小涛等（2006）以常规粳稻品种9325为材料,研究了大田条件下不同灌溉方式和氮素水平对水稻氮素利用及稻米产量和品质的影响。节水灌溉显着降低了单位面积有效穗数、整精米率、粗蛋白含量以及胶稠度,提高了垩白性状指标和直链淀粉含量,中高氮水平对产量影响不显着;同一灌溉方式下增施氮肥,显着提高了稻米整精米率、粗蛋白含量、垩白米率及垩白度,增加了胶稠度,减少了直链淀粉含量。节水灌溉下氮素干物质生产效率和氮素运转效率提高,氮素产谷效率则对水分反应不敏感;施氮量增加,水稻氮素积累总量及氮素转运效率与施氮量呈单峰曲线关系,随施氮量提高,氮素干物质生产效率、氮素产谷效率及氮素收获指数下降[15]。
彭世彰等（2007）基于水稻节水灌溉技术和密闭静态箱技术田间原位采集甲烷气样,试验研究了水稻节水控制灌溉模式对稻田CH4排放规律的影响。结果表明,控制灌溉稻田CH4排放呈现明显的下午极大值型日变化,CH4排放高峰主要出现在下午13:00,淹水处理CH4排放峰值在1d中各个时刻的出现具有一定的随机性。控制灌溉稻田CH4排放呈现明显的单峰型季节排放规律,排放高峰发生在分蘖前期,比淹水处理提前了10d。由此说明：控制灌溉模式在水稻返青期后的水分调控及生产性用水等水管理措施对稻田CH4排放的影响至关重要。控制灌溉水稻全生育期的稻田CH4排放总量为24146g?m-2,比淹水稻田减少了39%,平均排放率为7196mg?(m2?h)-1,但返青期和分蘖前期的CH4平均排放率比淹水稻田高,在以后的各个生育阶段均低于淹水稻田[16]。
3.2农业政策及灌溉水管理对水稻节水灌溉的影响AndreuJ,等（1996）进行了水资源规划与管理综合决策支持系统的研究,分析了改善水资源规划与管理的策略对水资源利用效率的提高作用[17]。JeanClaudeMailhol等（1999）通过考虑入渗过程的空间和时间变异性，建立了田间灌水优化模型，并以此分析了不同参数的变化对田间灌水效率的影响[18]。Hong等（2000）对湖北漳河灌区节水灌溉的主要影响因素进行分析的结果表明：实行按方收费等农业政策，可以促进灌区农业节水，说明了农业政策对灌区节水的推动作用[11]。D.F.Tabbal等（2002）在进行大量田间试验的基础上，探索了节水高产的农业技术及其相应的水管理措施[19]。谌芸等（2005）在对某灌区的主要农业作物--水稻生产实行费改税前后灌溉成本和产量的变化情况进行调查的基础上，分析了农业政策的改变给灌区农业生产带来的正面和负面影响，说明了农业政策对灌区节水及农业经济的影响[20]。EnriquePlayan等（2006）分析了一系列优化灌水措施，提出了相对于改善灌排设施，改善灌溉水管理能够带来更大的经济效益[21]。谌芸等（2005）还对某灌区的干渠范围内36口塘堰所在的村组、管理员、农户分别进行了问卷调查，并对调查结果进行了统计分析。结果表明：税费改革后，塘堰在灌溉中发挥着越来越重要的作用。充分利用塘堰水可以减少渠系渗漏、降低灌溉成本。既能节约灌溉成本，又能提高灌区抗旱能力[22]。此外，ShahbazMushtaq等(2007)还对农民在塘堰水管理中的作用进行分析，结果表明：塘堰容量大小、位置和水源条件是影响农户参与灌溉水管理的重要因素，而塘堰的管理权限和农户对塘堰的依赖程度是影响农户参与塘堰水管理积极性的前提条件[23]。
蔡守华,张展羽（2007）对节水灌溉发展现状与管理模式研究加以综合分析。指出：中国在节水灌溉发展方面取得了巨大的成绩,然而也存在重建轻管、农业土地制度僵化、产业结构调整滞后、产权不清晰、管理模式粗放等问题。综述了节水灌溉工程管理领域的研究进展,提出节水灌溉工程管理中迫切需要研究的农业土地制度改革、建立激励机制、建立科学管理模式和制定规范化管理方法等关键问题[24]。
3.3喷微灌和塘堰工程及渠道防渗对水稻节水灌溉影响研究J.Nogues等（2003）研究表明：从传统的灌溉模式转变为节水灌溉（喷灌），虽然节约的水量不多（7%），但是可以大大提高农业产量，改善生态环境[25]。N.Maisiri等（2005）将滴灌与传统的灌溉方式加以比较，得出：与传统的地面灌溉相比，滴灌可以节约65%的灌溉用水；另外，滴灌与合理施肥结合可以大大增加蔬菜产量，增加农民收入[26]。MuhammadAkramKahlown等（2007）对水稻和小麦采用喷灌的用水效率和经济可行性进行了分析。结果表明：相对于传统的畦灌，水稻喷灌可以增加18%的产量，节约35%的灌溉用水量；并且，小麦采用喷灌可以大大提高灌溉用水效率，使得灌溉水分生产率从1.38kg/m3提高到5.21kg/m3[27]。
ShahbazMushtaq等(2006)对影响塘堰工程的节水效果的主要因素进行分析，得出如下结论：农户耕地面积、塘堰与农田距离远近、塘堰的高低位置和水源条件是影响农户采用节水灌溉程度的最主要的因素；随着水资源矛盾加剧，农户越来越依靠塘堰进行灌溉，塘堰的灌溉作用越来越重要[28]。
宋伟等（2007）对渠道防渗的节水效果进行研究，结果表明：渠道采用混凝土防渗，可以大大节约灌溉用水量。以北方某水稻灌区为例，该灌区在渠道防渗后可以节水60万~100多万m3，而相应的工程造价为10万~31万元。按照10年运行期计算，节水平均造价只有0.2~0.3元/m3；如果按照30年运行期计算，节水平均造价还可以大大降低。由此可见，渠道防渗年节水量相当可观，效益极为明显[29]（另外，关于更多节水灌溉的模式可参考：《哈尼族梯田灌溉管理系统探析》）。
四、展望
目前，节水灌溉的蓬勃发展对缓解我国水资源紧缺、扩大灌溉而积、推动社会经济发展等方面发挥了巨大作用。但是只有对节水灌溉的发展给社会、环境带来的影响给以精确定量评估，才能揭示制约节水灌溉发展的主要因素和发展节水灌溉过程中存在的主要问题，正确客观评价节水灌溉综合效益，探索适合我国不同地区的节水灌溉模式，为节水灌溉的科学决策和节水型社会的建立产生积极作用[30]。
由于节水灌溉的影响因素众多、机制复杂，今后在如下几方面有待开展进一步的研究：
(1)节水灌溉条件下农田排水模拟理论和技术；(2)节水灌溉条件下水肥联合调控作物补偿效应、矿质营养与同化物分配转移规律、光能截获转化效率的影响机理及最优的水肥光调控模式；(3)节水灌溉模式下稻田温室排放规律及机理；(4)农业高效灌溉一农田生态环境一水环境效应综合评价理论和技术[31]。
五、结语
本文对国内外节水灌溉影响及其进展进行分析，并指出今后的发展方向：为了适应节水灌溉不断发展需要，在节水灌溉影响的模拟理论和技术、节水灌溉综合评价等方面有待开展进一步的研究。
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