西北地区农业节水与水资源持续利用

　　内容提要发展节水农业作为缓解中国水资源供需矛盾的一项根本性措施，受到了社会各界的广泛重视。本书共分九章，包括总论，农业节水机理，作物需水量与节水型灌溉制度，土壤与作物水分监测与预报技术，农田节水灌溉技术，输水系统节水技术，灌区水量流量调配技术，黄土高原雨水、浑水资源高效利用技术，西北地区地面水地下水资源持续高效利用技术等。本书内容系统完整，资料丰富，理论联系实际，突出西北农业大学农业水土工程研究所的研究成果，可供农田水利、土壤物理、农业气象、植物水分生理、农田生态、农业水文与水资源、农业水土工程、节水农业、水环境、水土保持等方面的科技人员阅读，也可作为有关专业研究生和大学本科生的教学参考书。片断：第一章总论第一节西北地区水资源供需状况及对发展节水农业的要求一、节水农业在中国国民经济可持续发展中的地位水资源紧缺已是一个全球性的问题。中国水资源总量2.8万亿m3，居世界第六位。但按现有人口计算，人均年占有水资源量2200m3，不足世界人均水平的1/4，居世界109位，属13个贫水国之一。耕地每公顷平均水量为28050m3，也仅为世界平均水平的4/5。而且，中国水资源的地区分布很不均衡，81％的水资源集中分布在长江流域及以南地区；长江以北地区人口占全国的45.3％，耕地占全国的64.1％，而水资源量却仅占全国的19％，人均占有量为517m3，相当于全国人均量的1/5和世界人均量的1/20。因此，中国北方地区的水资源问题更为突出。联合国粮农组织近年也特别指出中国北方、印度南方和墨西哥部分地区缺水的严重性。由于缺水，全国有7000万人和6000万头牲畜饮水困难。600多个城市中有300多个城市处于缺水状态，其中严重缺水城市110多个。缺水还导致过量引用地表水和超采地下水，致使旱季常发生河流干涸断流、地下水位大幅度下降，产生严重的生态环境问题。80年代以来，全球气候变暖趋势明显，中国北方干旱加剧。在中国自然灾害中，旱灾对农业产量影响最大，进入90年代以来，每年受旱面积0.27亿hm2左右，比50年代增加1.5倍以上，成灾面积增加3倍。1994年，全国受旱面积0.3亿hm2，成灾面积0.173亿hm2，减产粮食260亿kg。今后，随着工农业生产和城市的发展，水的供需矛盾将进一步加剧。除了开源以外，而节约用水则应是解决当前水资源紧缺的首要途径。农业是用水大户，主要消耗于灌溉。中国目前灌溉面积已达0.5亿hm2，居世界首位，占全国耕地面积的1/2左右。中国农业灌溉年用水量约4000亿m3，占总用水量的80％。但农业用水的有效利用率很低，渠灌区只有30％～40％，井灌区也只有60％左右。而一些发达国家可达到80％以上。另一方面，中国灌溉水利用效率也很低，每立方米水生产粮食不足1kg，而以色列已达到2.32kg，一些发达国家大体都在2kg以上。这说明我们还远未做到节约用水和科学用水。因此，发展节水农业势在必行，它是缓解中国水资源紧缺状况，促进水资源持续利用和农业持续发展的一项根本性措施。二、西北地区水资源供需状况与发展节水农业的紧迫性（一）干旱少雨、水资源不足，水土流失严重、生态环境脆弱是西北地区的主要自然特征，但农业生产的发展还有巨大潜力西北干旱半干旱地区包括陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆和内蒙古西南部等区域，总土地面积400多万km2，占全国总面积的42％左右，人口占全国总人口的8％。现已利用的耕地1333.3万hm2，可能开发利用的耕地还有2666.7万～3333.3万hm2，人均占有耕地居中国之首。煤、石油、天然气、矿产资源都十分丰富。西北地区农业发展具有悠久的历史，大约在6000年前，中华民族就开始在黄河流域的渭河河谷等肥沃的土地上定居。西周和春秋战国时代，黄河流域已经成了全国农业的中心。公元前121年，霍去病率10多万士兵在河西走廊建署兴陲，发展农业，当时所有河流中、上游地区都发展了灌溉农业，黑河中下游灌溉农业闻名当时，曾有金张掖、银武威之称。新中国成立以来，通过兴建蓄水、引水、提水灌溉工程，治理水土流失和改良盐碱地，农业生产得到了很大的发展。关中平原、河西走廊、新疆内陆河地区、青海湟水流域与柴达木盆地，以及黄河流域沿岸发展的许多高扬程提水灌区成为了中国的重要粮、棉产区。但是，由于本身的自然条件和长期的人为活动的不良影响，使植被破坏，生产力下降，生态系统退化，自然灾害频敏。目前，这一地区是全国生态最为脆弱的地区，也是全国贫困人口较集中的地区之一。降水稀少、气候干旱、水资源不足、水土流失严重、生态环境脆弱是该地区的主要自然特征。该地区大部分区域的年降水量在400mm以下，其中有200万km2面积的年降水不足200mm，南疆东部、河西西部和柴达木中西部不足50mm，荒漠戈壁在20mm以下。蒸发量超过1000mm。西北黄土高原区强烈的土壤侵蚀不仅使区内生态环境恶化，更由于大量泥沙注入黄河，从而使其成为世界上一条多泥沙河流。据统计，黄河的年平均输沙量为16.0亿t，约有1/4淤积于下游河床。陕北、陇东、定西等地是黄河中游水土流失最严重的地区，河流洪水含沙量高达900kg/m3，土壤侵蚀模数达6000～10000t/km2。个别强烈侵蚀地带达20000t/km2以上。在南疆、河西走廊及宁夏等地的干旱春季，大风常形成沙暴，飞沙走石、漫天蔽日、沙丘移动，淹没农田，吞噬绿洲。这对发展农牧业生产和维护生态环境造成了严重的不利影响。水资源短缺是西北地区工农业生产发展和恢复生态平衡最重要的制约因素。西北五省（自治区）面积占全国的1/3，水资源量为2230亿m3，仅占全国的1/12。如西北黄土高原（包括河套）其土地面积占全国土地面积的6.9％，耕地面积占全国总量的12.2％，而水量仅占1.8％，每公顷耕地水量3720m3，人均水量654m3，单位耕地面积与人均水量分别仅占全国平均水平的14％和24.1％；西北内陆区土地面积占全国土地面积的25.8％，耕地占全国总量的3.9％，水资源量占全国的4.0％。一些局部地区的缺水更为严重。如河西石羊河流域水资源总量17.28亿m3，而该地区总的水资源耗用量20.142亿m3，占可用水资源量的116.6％，地下水严重超采。但是，西北地区光照丰富、日温差大，适于粮棉和一些特作的生产，农业生产的发展还有着巨大的潜力。本书前言前言西北农业大学农业水土工程研究所是1992年经农业部正式批准成立的。它的前身可以追溯到1941年原西北农学院设立的农田水利研究部。该研究部是中国近代较早进行农田水利科学研究和培养研究生的机构。农田水利研究部成立后即着手进行浑水灌溉、泥沙问题等方面的理论与实验研究，其成果主要有《黄土及黄水之认识》、《黄河治本探讨》、《黄土区域之潜水问题》、《流水挟运泥沙之通式》等，并于当年11月开始招收研究生，至新中国成立时共招收研究生20名。1949年后，由于学校面临院系调整、教学改革等重大问题，无暇顾及研究部的工作，其活动自行中止。但原有人员对农田水利科学的研究工作仍在继续进行，并取得了大量研究成果。1979年以后，在熊运章、朱凤书教授的积极努力下，重新进行研究室的恢复工作，1981年开始建设灌溉试验站。1982年经学校批准成立了农业水资源与灌溉研究室。同年，以该研究室为基础，申报并获准成立了中国第一个农田灌溉专业（即现在的农业水土工程专业）硕士点，1986年该专业点经国务院学位委员会批准获博士授予权。1992年，在原研究室的基础上经农业部（1992）农（教）函字第50号文件批准正式成立该研究所。1993年，以该研究所为基础的农业水土工程学科被批准为农业部部级重点学科。1996年经评审批准成立了农业部农业水土工程重点开放实验室。西北农业大学农业水土工程研究所和农业水土工程学科在几代人的开拓、创建和努力下，克服种种困难和挫折，不断发展壮大。目前，农业水土工程研究所下设农田灌溉、农业水资源、水土保持、农田水利工程等4个研究室和1个灌溉试验站。研究所实行院所合一的管理体制，现有专职科研编制16人，兼职研究人员30余人。其规模和承担科研项目的能力不断增强。今天，正逢祖国经济高速腾飞之时，综合国力不断增强，开发中西部地区和大西北的呼声愈来愈高，国家主席江泽民同志曾在1997年亲自批示“再造一个山川秀美的西北地区”，国家又于1997年开始建设杨凌农业高新技术产业示范区，这些均为我们提供了良好的机遇。在研究所的发展历史上，几代人一直致力于中国西北地区农业可持续发展中的水土问题研究。早在30年代，中国近代水利先驱、原西北农林专科学校第一任水利组主任李仪祉先生就曾倡导要在当时的西北农林专科学校设立灌溉试验场，以便进行水、土、作物关系实验。特别是90年代以来，我们在深入分析西北地区水土资源特点和农业可持续发展制约因素的基础上，力求立足西北、面向全国，探索采用先进节水技术，提高农业水资源利用率、维持稳定的土地生产力、保持有限的水土资源和环境，促进农业可持续发展的方法与途径，特别是在农业节水、农业水资源持续高效利用、水土保持等领域内就一些对中国农业可持续发展有重大影响的关键科技问题进行了攻关，取得了一批富有创新性的成果。为了告慰奠定我们事业基础的老专家、老教授，感谢各级领导和国内外广大同行对我们工作的关心、帮助与支持，加强和国内外的学术交流，研究所决定对近10余年的有关成果在系统总结的基础上，出版《西北地区农业节水与水资源持续利用》一书，这是研究所近10余年，经共同努力完成成果的结晶。农业节水不是一个简单的灌溉节水问题，而是一个包括提高灌溉水和天然降水利用率，提高单方水的产粮数和满足“生态用水”需求，促进农业持续发展的综合技术体系。进行农业节水研究是旱区农业持续发展的需要，是满足2030年中国人口高峰期16亿人口粮食需求的需要。因此，农业节水已作为缓解中国北方地区水资源供需矛盾和促进农业持续发展的一条根本措施得到了各方面的高度重视。西北地区的水资源供需矛盾尤为突出，水资源短缺已严重影响到了该地区工农业生产的发展，并导致了严重的生态环境问题。如陕西关中平原有效灌溉面积97.73万hm2，保灌面积仅58.29万hm2；青海全省的保灌面积仅占68％；新疆春灌期实际缺水量20亿m3，受此影响的灌溉面积达66.7万hm2以上；河西石羊河流域的民勤绿洲，在超采地下水的情况下，保灌率仍只有63.36％，河西石羊河流域、黑河流域、新疆塔里木河流域因水资源紧缺，地下水严重超采，导致了地下水位的急剧下降。地下水漏斗的发展，直接导致了沙生植物的枯蔫死亡，防风固沙林带急剧衰败，沙丘活化，沙漠不断向绿洲推进，使昔日内陆河流域下游数千年来“碧波荡漾，野鸭成群、游鱼无数”的流域终端湖泊，逐渐演变成了一片片浩大的盐碱化荒漠，部分地区因缺水，昔日的“粮仓”今日已成为干旱化、沙漠化、盐碱化、贫困化交加的地区。有的地区饮水困难，人心不安。因此，西北地区的缺水更为突出。另一方面，为了缓解人口增长对粮食需求增加的矛盾，开垦新的耕地和开发新的灌区（西北将是开发的重点，如宁蒙“第二河套”的开发、南疆的开发、陕西“两北三区”的开发），未来矿产资源和城市工业及乡镇企业的发展，将会使水量供需矛盾更加突出。而农业用水的有效利用率目前仅在40％左右，节水还有很大潜力。大力发展节水农业是西北地区农业能否可持续发展？粮食问题能否可解决？农村生活能否安定以及生态环境能否向良性转化的关键问题。西北农业大学农业水土工程研究所对农业节水与水资源持续利用问题的系统研究是从70年代中期开始的，近20a来，对农业节水的应用基础、关键技术、示范推广以及农业水资源的持续利用进行了系统、深入地研究工作。其研究过程大致可以划分为3个阶段：（1）70年代中后期，在水利部科技司、陕西省科委、陕西省水利厅等有关部门的支持下，开展了以自压喷灌技术、高含沙浑水利用、黄土高原辐射井和地下水调灌利用为主的研究，其中自压喷灌技术成果获陕西省科技进步二等奖和陕西省科学大会奖，以及陕西省农业科技推广一等奖；高含沙量引水淤灌获全国科学大会奖、陕西省农业科技推广一等奖和国家科委、国家农委技术成果推广奖；渠道高含沙浑水运输问题的研究成果获陕西省科技进步三等奖；黄土地区辐射井研究成果获全国科学大会奖。（2）80年代，在国家自然科学基金、高等学校博士点基金、水利部水利技术开发基金、农业部重点科研计划、水利部农水司、陕西省水利厅、内蒙古自治区水利厅、甘肃省水利厅的资助下，主要围绕作物需水量与节水灌溉制度、灌区量水技术、地面灌水技术的改进、低压管道输水灌溉技术、灌区动态配水技术、作物水分生产函数与非充分灌溉、灌区用水管理信息系统、土壤墒情监测技术、旱区农业水资源持续高效利用决策、利用地下水的轻型井技术等方面进行了较系统的研究。其中陕西省作物需水量及其分区灌溉模式的成果获陕西省水利科技进步二等奖；洛惠渠灌溉用水的计算机管理研究成果获陕西省科技进步三等奖；土壤—植物一大气连续系统水分运行力能关系的理论分析成果获陕西省科技进步二等奖；U形渠道平底抛物线型无喉段量水槽及闸前短管量水技术被国家科委、水利部、农业部联合召开的全国节水技术评估会上评定为可大面积推广项目；轻型井技术成果获国家发明奖。（3）进入90年代以来，我们先后承担了国家杰出青年基金项目“黄土区土壤—植物—大气系统中水分溶质迁移与转化规律及其最优调控原理的研究”，中国科学院“百人计划”资助项目“黄土区土—植一气连续体水分运转与调控及其对土壤生产力和作物产量影响的研究”，国家“九五”重点科技攻关项目“作物调亏灌溉技术的研究与示范”，国家自然科学基金面上项目“SPAC水分运移理论及其应用的研究”、“以节水高产为目标的田间土壤水分最优调控机理的研究”、“黄土区农田水分微循环理论及其应用的研究”、“干旱缺水条件下作物调亏灌溉机理与指标的研究”、“作物缺水诊断指标及有限水量在作物生育期内的最优分配”、“水平畦灌理论与技术要素的试验研究”、“灌溉实践中土壤空气阻力减渗效应及机理的研究”，霍英东教育基金会高校青年教师基金与水利部水利水电科学基金项目“农田水量转化规律及其节水调控原理”、“农业节水中作物适度缺水效应及缺水诊断指标研究”，中华农业科教基金项目“雨水聚集与节水灌溉技术”，中华农业科教人才基金和水利部技术开发基金项目“控制性分根交替灌溉新技术的研究与开发”，高校博士点基金项目“西北半干旱区非充分灌溉原理研究”、“黄土塬区三水转化机理及水资源最佳调控技术研究”、“渠道水量流量调控技术的研究”，新疆自治区“九五”重点科技攻关项目“主要农作物节水、优产、高效灌溉技术的研究与示范”，水利部农水司项目“灌溉用水管理数据库系统通用化软件开发和土壤湿度监测系统研制”，国家“九五”科技攻关项目子专题“关中平原水资源承载力的研究”，陕西省水利厅项目“双壁波纹塑料井管试验研究”、“泾惠渠、交口抽渭灌区用水管理微机应用”、“旱情评估指标体系及旱情信息系统”，甘肃省科委、水利厅项目“干旱缺水的民勤沙漠绿洲区主要农作物节水高产灌溉制度研究”、“甘肃河西地区块灌理论与技术的研究”、“太阳能咸水淡化技术研究”等30余项。其中“农田水分微循环规律及其节水调控原理的研究”成果获水利部科技进步（理论成果）一等奖，“SPAC水分运移理论及其应用的研究”成果获陕西省教委科技进步一等奖和陕西省科技进步二等奖，“甘肃省河西地区块灌理论与技术研究”成果获甘肃省水利厅科技进步一等奖和甘肃省科技进步三等奖，“干旱缺水的民勤沙漠绿洲区主要农作物节水高产灌溉制度研究”获甘肃省武威地区科技进步一等奖和甘肃省星火科技二等奖。除此之外，在其它一些领域也取得了重要进展。结合这些研究工作，先后在《水利学报》、《土壤学报》、《生态学报》、《地理学报》、《农业工程学报》、《水利水电技术》、《灌溉排水》、《水科学进展》、《AgriculturalWaterManagement》等科技期刊上发表有关农业节水与水资源利用方面的学术论文200余篇，先后出版了《土壤—植物一大气连续体水分传输理论及其应用》、《农业水管理学》、《陕西省作物需水量及其分区灌溉模式》、《旱区水—土—作物关系及其最优调控原理》等10余部学术著作。在农业节水中发挥了重要的作用。多年来，我们一直把旱区农业节水应用基础与关键技术的试验研究、技术示范与推广以及技术培训作为一个整体，除了把校内灌溉试验站作为试验研究和技术示范的基地外，还先后在渭北旱原、甘肃河西、宁蒙河套、新疆、山西等省（自治区）建立了一些试验示范区。研究的节水灌溉制度已在陕西全省、甘肃河西等地推广；U形渠道平底抛物线型无喉段量水槽和闸前短管量水技术已在陕西东雷抽黄、交口抽渭、泾惠渠、宝鸡峡灌区，甘肃河西黄羊灌区、金塔河灌区、南营灌区、兰州永登引大入秦工程，新疆、湖南等地大范围推广采用；自压喷灌技术、动态配水技术、调亏灌溉和控制性分根交替灌溉新技术等亦有较大面积的推广与应用。而且先后受水利部、农业部及陕西、内蒙古、山西、甘肃等省（区）的委托，举办了全国性和地区性的农业节水技术方面的高研班、研讨班、学习班、培训班30多期，普及和推广农业节水技术。我们力求通过该书的出版，不断改进我们在农业节水与水资源利用方面的研究与开发工作，为中国西北地区农业节水与水资源持续利用做出应有的贡献。本书由西北农业大学农业水土工程研究所组织撰写，由康绍忠总策划并任主编，其内容基本概括了近10余年的研究成果，参加撰写的主要有：康绍忠（第一章，第二章，第三章第一、三节，第四章第三节，第八章第二节），朱凤书（第五章第二、四节，第六章第三节、第七章第二节），林性粹（第五章第一节、三节，第六章第一节，第八章第一节），蔡焕杰（第三章第二节、第四章第三节、第九章第三节），汪志农（第七章第一、三五节），贺缠许（第九章第四、五节），马孝义（第四章第一、二节），迟耀瑜（第八章第三节），于志秋（第六章第二节），胡炜（第二章第二、三、四节，第三章第三节），冯国章（第九章第一节），王纪科、魏晓妹、刘俊民（第九章第二节），包忠谟、宋孝玉（第八章第二节），梁宗锁（第二章第一、三节），李明思（第七章第四节），王智（第五章第二节，第七章第二节），苏德荣（第五章第四节），胡笑涛（第三章第一节），史文娟（第二章第四节），王鸣周（第九章第四、五节），高军省（第九章第五节）等。全书由康绍忠制定编写大纲并统稿。西北农业大学农业水土工程研究所名誉所长熊运章教授不仅对编写大纲提出了宝贵的意见，而且审核了全部书稿。马孝义、宋孝玉、胡笑涛、史文娟、郝新梅等协助主编进行了部分统稿和审核校对工作。在本书的撰写过程中，得到了中国科学院、水利部水土保持研究所山仑院士和蒋定生研究员的大力支持和指导，他们对编写大纲提出了宝贵的意见，在此表示感谢！由于作者水平有限，书中还存在许多不足之外，恳请同行专家批评指正。西北农业大学农业水土工程研究所所长农业部农业水土工程重点开放实验室主任康绍忠1997年11月26日于杨凌农科城

暂缺《西北地区农业节水与水资源持续利用》作者简介