2020年9月25日，首都科学讲堂线上开讲，本次首都科学讲堂邀请了中国水利水电科学研究院水利研究所所长，博士生导师李益农，为大家带来题为 《节水灌溉，守护粮食安全“命脉”》的精彩讲座。     

　　节水灌溉，守护粮食安全“命脉”

　　当前，保障粮食安全已成为全社会日益关注的重大政治、经济和社会问题。人口增长，耕地减少，水资源紧缺，对我国未来的粮食安全产生直接影响。我国水资源现状如何？农业节水灌溉技术有哪些？为何说节水灌溉是守护粮食安全的“命脉”？

　　第一讲 水资源短缺，农业必须节水灌溉

　　“民以食为天”,人类的发展与粮食生产密切相关。人类文明的每一次进步都代表了粮食生产能力显著的提升。所以说“手中有粮，心中不慌”。在粮食生产中还有一句俗话，“食以水为先”。也就是说离开了水，粮食生产是难以保障的。中国古代历史也是一个灌溉技术进步发展历史，灌溉技术的每一次进步都带来了社会的一次飞跃。很多古代的灌溉工程到现在依然在发挥着作用。比如秦朝时候，李冰父子支持修建的都江堰工程，直到今天仍然在发挥着巨大的作用，它仍然是我国最大的，超过1000万亩的灌区之一。

　　我国的水资源总量是2.8万亿立方米，居世界第六位，但是我国的人均水资源量仅为世界人均占有量的28%。作为主要粮食生产基地的北方地区，拥有全国64%的耕地，但水资源量却仅占全国总量的19%。农业用水占全国总用水量的60%，是第一用水大户。我国的水资源非常短缺，而且分配不平衡，耕地多的地方水资源量反而很少。

　　从我国粮食主产区的空间格局图可以看出，灌溉使我国原本水资源不多，但最适宜耕种的土地变成了粮食的主产区。比如新疆、甘肃、青海、宁夏，包括内蒙古的东部，在这些地区加上灌溉设施可以成为一个比较好的农业耕作区。灌溉对农业生产的作用是巨大的，没有灌溉，我国的粮食产量不可能有一个稳定的增长，也就难以满足人们对于粮食的需求。

　　由于我国水土资源匮乏，各行各业都有一个用水红线，农业是用水大户，要求必须进行节水灌溉。这样才能满足灌溉对农业生产的支撑作用。每年农业用水量基本上是在3600亿方左右。为了达到这个总量控制，同时又保证我国的粮食生产有一个稳步的增长，也同样需要采用节水灌溉。

　　实际上，节水灌溉本身也是灌区可持续发展的一个要求，灌区作为一个公共服务的单位，它通过采纳节水灌溉技术，可以不断地提高灌区自身的管理水平以及服务能力。

　　第二讲 灌区节水灌溉的“四张网”

　　节水灌溉不仅要知道有多少水可供使用，还要知道农作物到底需要多少水。在这个基础上才能制定科学的配水方案，把水送到需要灌溉的农田里。以往农业输配水的管理基本上是靠人力，凭经验。这种灌溉方式的节水效果不好。从技术发展来说，摆脱传统的管理模式，要靠科技，要凭数据，强调灌溉工程的整体作用，以及工程的服务管理能力。国外一些先进国家和地区基本上能达到测控一体化，而且用水量测控设备可以做到系列化。在供需匹配方面，也能做到合理的匹配，能够达到一个水资源的最优调控。

　　节水灌溉技术的第一张网称之为物理网，也就是实体的一些工程，包括各级的渠道、各种各样的闸门、控制建筑物。灌区节水还可以形成一个数据网，也就是说我们采集的各种各样的信息，包括天上采集的、地上采集的，在不同的部位，土壤中的、作物的、水流的，这些所有的信息形成了一个数据网。有了数据网以后，就可以构建一个模拟网，把灌区的管理过程，它的物理机制，变成一个数学的模型。通过这些模型可以对整个灌区的运行状况进行一个合理的预测，合理的评估，进而能够为各级领导作管理决策的时候提供相应的场景分析，提供决策的一个依据。在模拟的基础上，灌区管理的最后一个环节是决策网。在一张图上，可以演示各种不同的情况，这样能够比较直观地供决策者对灌区水资源调度控制来做决策。通过物理网、数据网、模拟网和决策网就可以形成一个灌区管理、节水的技术体系，形成节水灌溉的科学化、业务化、智慧化。物理网相当于人体的骨骼系统，支撑起整个灌区的管理体系；数据网相当于人体的神经系统，布满了整个灌区的每一个角落；模拟网好像是人体的血脉系统，能够把整个灌区的一些实时状态展示出来；决策网就相当于人体的大脑，能够决定现在系统的运行是不是高效，是不是合理，是不是最优化的。所以说这四网合一，就基本上构成了灌区管理节水的技术体系。

　　第三讲 滴灌技术是最节水的技术   

　　节水灌溉技术的两种方式是喷灌和滴灌。喷灌是一种通过压力把管道中的水流送到田间，经过喷头喷射到空中，形成非常细小的水滴，近似天然降雨一样浇灌到作物身上。

　　喷灌大概分为两种，一种是管道式喷灌系统，也就是通过输水干管，借助于喷洒支管上的喷头，将有压力的水喷到空中，均匀地撒洒在田间，能够适时适量地灌溉农作物。管道式喷灌系统，根据管道的布置形式，基本上有三种类型。一种是固定管道式的喷灌系统，主要适用于劳动力贫乏的地区，或者管道移动不方便的地区。一般在园艺灌溉中应用相对多一些。

　　第二种是半固定式管道灌溉系统，它的供水主管道是固定的，但它的喷洒支管是可以移动的，这样就能节省管道。相对来说，它的投资应该比全固定的管道系统要便宜，也比较适合于大田作物或者是果园喷灌。

　　第三种是完全移动的管道喷灌系统，它所有的管道都能移动，可以在不同的地块使用，在一些经济欠发达的地区和劳动力便宜的地区比较常见。

　　除了管道式的喷灌系统以外，目前使用最多的还是机组式喷灌系统。其整个系统的动力机械、水泵、管道、喷头等所有的设备都配套集成到一个可以移动的整体上面，或者说喷灌的机组。

　　机组式喷灌系统也分几种。第一种是轻小型的喷灌机组。可以是手提式、手推式，手提式的三种，基本上适用于自己家庭的一个小菜园，或者是一个小果园。在丘陵地区和地块比较小的范围内有比较广泛的应用。

　　第二种是卷盘式喷灌机组。一种是固定的卷盘式喷灌机组，一种是钢索牵引的移动绞盘车。相对来说，卷盘式喷灌机能够实现自动化的操作，适合大型农场或者集约化作业，维护也比较简单，这种机组在国内也有很多的应用。

　　第三种是圆形喷灌机。它是一种自动化程度非常高的节水灌溉技术，最早在欧美得到了广泛应用，是一个比较适用于集约化作业、现代化作业的灌溉系统。随着我国农田的规模化经营，更加高效节水、自动化程度更高的圆形喷灌机会不断普及。

　　第四种是平移式的机组。机组一边在移动，一边在灌溉农田。相应来说，其灌溉的均匀性应该会更高一些，也比较适用于牧草、谷类、蔬菜，各种作物。

　　另外一种节水灌溉技术是滴灌。与喷灌不一样，滴灌是通过设置在最末一级管道的滴头，将水流滴入农作物，形成了非常细小的，一滴一滴的水流去滋润土壤。滴灌变成了一种局部的灌溉，它可以把水放到最需要去的地方。根据灌水器放在不同的位置，滴灌分为地表滴灌和地下滴灌。作为一种局部灌溉，通过滴灌技术的用水量，可以更精确地计算出作物的需水量。从这个意义上说，滴灌技术是最节水的技术，也是最有可能达到在适当的时间，以适当的量，把水供给作物。滴灌技术的应用是非常广泛的，棉花的滴灌在我国新疆得到了推广应用。由于当地光热条件非常好，蒸发量非常大，采用这种局部的灌溉，节水效果是最有效的。

　　当地在实际应用中，还发明了覆膜技术，在地面铺了一层塑料薄膜，这层薄膜不仅起到保墒作用，还能避免水分蒸发损失。这两种技术的叠加，能够使棉花的滴灌技术在新疆得到大面积的推广使用。

　　对滴灌技术来说，最现代化的应用是工厂化农业。它可以通过滴灌技术，完全实现无土栽培、立体栽培，单位面积上作物的产量、品质都会比普通的农田有大幅的提高。

　　第四讲 精准地面灌溉的效果不亚于滴灌  

　　地面灌溉是水流利用重力，也就是地面的自然落差覆盖了整个田块的过程。相对喷灌和滴灌技术来说，它使用工程机械的需要较少，是目前应用最广泛的一种灌溉技术。即使是在欧美等发达国家，仍然有大量的农田是采用地面灌溉技术。

　　地面灌溉技术尽管很古老很传统，而且在人们的认识中，觉得它可能是一种比较浪费水的灌溉技术。但是，经过科研人员合理的设计、精准的管理条件下，地面灌溉也能够取得比较好的灌溉效果。

　　其实，地面灌溉不能简单地等同于“大水漫灌”。实际上，精细地面灌溉技术可以达到节水灌溉的效果。但是，实施精细地面灌溉技术需要有两个前提条件。第一个条件是土地必须经过精细地、精确地平整。土地的平整为地面灌溉创造了一个最优的条件；然后对灌溉过程能施加精准的控制。把这两者结合起来，就构成了精细地面灌溉技术。它能够达到的效果不亚于喷灌，甚至滴灌。

　　作为精细地面灌溉技术的条件，土地要做到精细平整。土地精平技术目前有两大类，第一类叫激光控制土地平整技术。它的原理是在地块中放置激光发生器，通过一个旋转的棱镜，将激光束辐射出来，做为土地精细平整的控制基准面。拖拉机上装载有激光接收器，可以感应出激光束。把平地的要求、平地的设计输进控制器以后，通过土地平整设备上的激光接收装置感应激光束，就会使平地铲上下运动，直到把地面平整到设想的地面跟激光基准面是完全平行的。

　　还有一种卫星定位智能化土地平整技术。它使用卫星定位GPS的信号，在拖拉机上安装有GPS天线，能够实时地感知地面的状态。因为平地的要求，它是需要达到厘米级，也就是说最大平地的误差可能在1厘米或者是2厘米这么一个级上。

　　土地精细平整需要一个良好的设计，也就是说在平地之前需要对地块做一个高程的测量，然后进行土地平整的方案设计，对高的地块挖掉，对低的地块要填平，形成一个土地挖填的方案。然后，将方案输到计算机里，形成一个控制方案。最后，通过拖拉机的往复运动，逐渐地把高低起伏不平的地块平整到需要的平整状态。这个平整的状态可以是一个零坡度的，也就是一个水平的地面，也可以根据需要设置成一定的坡度，比如说千分之一，或者是千分之五，这个地面坡度也同样是可以通过设计，通过平地的控制系统能够完成的。土地精细平整以后，还要对灌溉过程进行精准控制。为了达到精准控制，需要实时地获得地面灌溉的水流运动信息。也就是要知道水一旦被引入到地块以后，5分钟以后水到哪了，10分钟以后水又到哪了，在这个田块内它有不同的位置，所以要能实时地了解水流的运动信息。为了配合水肥一体化的应用，为了和施肥相结合，也需要有适合于地面灌溉的施肥装置。这都是为了能够精确地感知在地面灌溉条件下，水流跟肥料，也就是溶质的运动信息。获得水流的运动信息以后，就可以对地面灌溉的过程进行一种实时的反馈控制。水流的前锋在地面不停地从一头推进到另一头，相应的感应信息就会被感知，然后传送到计算机，就可以描绘出水流在农田表面所处的位置。通过实测的位置与计算机里模拟出来的最优位置，进行对比，可以实时地调整灌溉过程。也就是说，当理论上的灌溉水流在田块内的推进过程如果与设计中的不相符，可以通过对灌溉的控制方案进行相应的调整，最后还是能够达到预期的灌溉水平。

　　随着技术的进步，社会经济的发展，我国节水灌溉技术也在不断更新，先进、实用、高效的技术不断地被科技人员去发现，去掌握，然后变成一个实用的技术模式去示范，去推广，从而确保我国粮食稳定增产。