河套灌区（精选九篇）
河套灌区 篇1
关键词：河套灌区,灌溉管理,节水增效
一、灌区概况
黄河内蒙古河套灌区位于内蒙古自治区西部, 地处黄河河套平原, 灌区北抵阴山山脉, 南临黄河, 东接包头市, 西至乌兰布和沙漠。东西长200余km, 南北宽40~60km, 总土地面积1679.31万亩, 现灌面积861.54万亩, 是我国最大的一首制自流引黄灌溉区。
河套灌区地处干旱、半干旱地区, 属于典型的温带大陆性气候, 因自然条件和气候条件的影响, 当地水资源十分缺乏, 经济社会发展主要依赖引黄河水, 可以说没有黄河就没有河套农业, 更没有灌区目前的生态环境和经济社会的快速发展。随着工农业生产的发展, 灌区供需水矛盾将日益突出, 如何在灌溉管理中做到节水增效, 并加快节水工程建设步伐, 是保障灌区可持续发展的根本。
二、灌区工程建设概况
经过解放以来的建设, 河套灌区已形成灌排配套的七级灌排工程体系, 现有总干渠1条全长180.85km;干渠13条, 全长779.74km;分干渠48条, 全长1069km;支渠339条, 长2218.5km;斗、农、毛渠85861条, 全长4.61万km。排水系统有总排干沟1条全长228km, 干沟12条, 全长523km, 分干沟59条, 全长925km;支、斗、农、毛、沟17619条, 全长12211km。共有各类灌排建筑物13.25万座。
三、灌溉管理中节水增效的必要性和措施
由于黄河水资源日趋紧缺, 灌溉用水缺口越来越大, 灌区引水保证率越来越低, 甚至会发生引水量很小或根本引不出水的现象。在这种情形下, 河套灌区灌溉管理中如何做到节水增效, 就显得尤为重要。下面就灌溉管理中如何做到节水增效谈几点建议:
(一) 首先要有完善的工程设施
工程是灌溉的保证, 没有工程就没有灌溉。良好的工程设施, 才能防止灌溉输水中的跑、冒、滴、漏现象。近年来河套灌区进行的干渠节水改造衬砌工程, 支、斗、农、毛渠的衬砌、节制闸、直口渠口闸的重建, 都是为了节水增效, 只是由于资金缺乏, 衬砌渠道、节制闸、直口渠口闸的重建还未达到100%的改造, 严重制约着工程节水。
(二) 要加强农田水利工程配套建设
近年来进行的农田水利工程配套建设, 渠、沟、路、农田的重新规划, 渠道衬砌、平地缩块, 低产田改造, 田口小型预制闸门的安装, 也有利于灌溉管理、节水增效。
(三) 要科学合理地配置水资源
随着水资源日益紧缺, 如何科学地配置水资源, 就显得特别重要。1) 首先要进行种植结构意向调查、干地、热水地调查, 对全年的土地保墒用水、林地用水、生态湿地补水、农作物需水有全面的了解和掌握, 根据需水决定用水计划。2) 每轮水放水前要有用水计划, 然后根据用水计划科学合理地安排供水计划;且用水户要递交用水申请书, 管理单位批准后发放配水要知单, 做到管用双方协调配合。3) 在调水过程中要勤问、勤看, 深入田间地头, 调查了解实际情况, 及时、准确掌握灌溉效率与灌溉进度, 做到合理用水, 科学调水。
(四) 要有完善的测流量水监督体系
目前, 河套灌区灌溉实行的是量水收费制度。1) 要建立健全测流量水管理制度。比如要制定《测流人员量水人员工作纪律》、《直口渠管理办法》;严格执行五日用水申报制度, 水量要做到日清轮结等等。2) 要配备完善的测流设施。以干渠为例, 现在的干渠每座节制闸下都有测流桥, 每座直口渠口闸下都有测流担, 且节制闸下大断面测流实行同测互监, 这样在行水期间, 便于每天计算渠道水利用系数, 可以做到上下制约、互相监督。3) 加大监察力度。测流量水要进行不定期抽查, 防止人情水的发生。测流资料要做到完整、准确, 管用双方要进行签字认可。
(五) 利用水价进行节水增效
水作为一种商品, 包含着大量的物化劳动和活劳动, 也有价值和使用价值。河套灌区农业用水实行计划内水价、计划外水价、以及水资源费实行超计划累进加价制度, 利用经济杠杆作用, 促进节约用水以及水资源的合理开发利用。实行不同的水价后, 河套灌区开始用凌汛水补充海子、湿地。以错开农业用水高峰, 缓解后期供水压力, 灌区内的井渠双灌也是缓解用水紧张矛盾的有效手段。有计划的预留少部分秋浇干地, 来年夏灌, 争取多用计划内的平价水, 少用计划外的高价水, 达到节水增效的目的。
(六) 调整种植结构
种什么最省水, 种什么最赚钱, 已经成为河套灌区农民种植结构调整的取向。由于近年来种植小麦成本高、价格低, 且需水量大 (一年至少浇三次水) , 因此, 灌域内小麦种植面积逐年减少, 而逐渐增加种植价格高且需水量小的葵花、玉米、番茄、葫芦等农作物的面积, 从而达到节水增效的目的。
(七) 控制秋浇质量, 加强灌溉用水管理
一年一度的秋浇是河套灌区用水量最多的一水, 控制秋浇深度, 坚持“一把锹”浇地制度, 严禁深浇漫灌, 严禁灌路壕、跑荒滩、退排干等现象的发生。严格管理, 把好秋浇质量关。通过建立健全科学的用水管理体系, 避免了管理上的用水浪费, 促进节约用水, 达到灌区农民节水增效。
总之, 河套灌区是我国水资源分配较少的灌区之一, 农业灌溉主要依靠黄河水, 当地水资源日益短缺, 如何将有限的水资源效益最大化, 即在灌溉管理中如何做到节水增效, 是经济社会可持续发展的必然要求, 也是水利事业可持续发展的必然要求。
参考文献
[1]文峰, 王秀君.关于河套灌区小型农田水利工程建设的几点建议.
河套灌区 篇2
河套灌区排退水质变化及对乌梁素海湿地的影响
摘要：通过对河套灌区总排干沟建设历程的回顾,分析灌区排退水(即总排干沟)水盐变化情况,了解排水工程在灌区发展中的作用以及排退水对乌梁素海湿地的影响,探讨加快排水工程建设的`途径,寻找解决影响排水工程发展的办法和加强湿地保护的措施.作 者：赵宇霞 赵宇红 武石军 作者单位：内蒙古河套灌区排水事业管理局,内蒙古,巴彦淖尔,014400 期 刊：水利发展研究 Journal：WATER RESOURCES DEVELOPMENT RESEARCH 年，卷(期)：, 10(2) 分类号：X52(226) 关键词：排水建设 水质变化 湿地保护 乌粱素海湿地 河套灌区内蒙古河套灌区建设现代水利的思考 篇3
【摘 要】内蒙古河套地区由于其独特的地理位置，导致其长期受盐碱化的危害，因此，灌区水利和农业有着很大的发展潜力，本文主要根据内蒙古河套地区的地域特点，对灌区建设现代水利进行讨论。
【关键词】内蒙古；河套灌区；建设；现代水利
内蒙古河套灌区现有灌溉面积为57.3万hm2，每年用来灌溉的面积需要引用黄河水量50多亿m3，是自治区中最稳定、最大的菜、粮、油、糖生产基地。河套灌区的发展关系着自治区的经济社会协调发展，因此，河套灌区当前面临着良好的发展机遇，但同时也面临着严峻的挑战。
“十二五”以后更加确定了水利的重要战略地位，更加凸显出了河套灌区水利建设的重要性和紧迫性。但当前内蒙古河套灌区的水利问题仍然存在障碍，因此需要对内蒙古河套灌区的水利发展进行改革。
1.河套灌区水利改革发展的战略目标与战略任务
1.1战略目标
内蒙古河套灌区的建设是一个长远的过程，近期要采用“低潮”战略，在排水治碱方面加强力度，把内蒙古河套灌区建设成优质、高产、节水型的农业基地，在发展自身的同时，还能够起到带动作用，对同行业的发展造成积极影响，最终使整个灌区的生态环境都焕然一新；近期目标实现后，要致力于推广集约化管水用水，实现排水的“管网”化，长远实现“低潮”的战略目标。
1.2战略任务
（1）河套地区因为其干燥的气候条件，导致在农业的发展中，必须要有丰富的灌溉，因此，维护并管理好现有的灌溉工程，并对计划工程进行发展并完成是近期最重要的战略任务。
（2）河套地区地形多平坦，因此地下水的排泄并不畅通，少降雨的气候条件导致土壤次生盐碱化，这种土壤严重制约着河套灌区的农业发展，因此，要对水利进行改革，就要把排水治碱列为战略任务。其中，乌海的高水位对灌区的排水造成了很大的阻碍，必须要对这种情况做出改变，才能从根本上发展起灌区的水利工程。
（3）河套地区的黄河水资源根本不足以满足当地的水需求，必须要加强灌区的管水治理，倡导人们节约用水、计划用水，根据灌溉的流程和农作物的需求对农作物的品种进行优化，适度种植。
2.建立防洪抗旱减灾体系
2.1监控预警系统
在灌区内，布置全面的防洪抗旱监控预警系统，沿黄河一线，对山洪口和水库安装全自动电子感应观测监控设备，并同市内的防洪抗旱指挥部进行联网，在汛期对整个灌区进行监控，及时发展汛情并作出防洪处理。非汛期时，可以观测并收集气象信息，为农牧业的生产和人民的生活提供帮助。
2.2应急处理系统
对不同形式、不同条件下的防洪抗旱应急作全面、科学的应急预案，把城镇和乡村的人口密集处、重要防水区和重点设施等都同应急处理系统结合起来，做到有备无患、防微杜渐。在做应急处理的同时，还要成立起应急联防组织，在日常生活中加强预备役民兵和群众的应急培训，对后勤人员和指挥人员也要做好强化培训。
2.3充足的物资储备
准备好充足的物资系统，调动社会、政府中各个部门对抗旱减灾体系投入抢险、救灾等物资，储备充足并及时更新。
3.建立水资源协调利用体系
3.1加快水权体系建设，建立水权水市场，实行水权转让
根据内蒙古河套灌区当前的水资源利用情况，本着优先性、公益性、效益性、均衡性的原则，建立起具有优化配置的水资源体系。根据水功能区划的不同和水权的不同，对需要用水的项目进行增加，并以相关的政策为依据，对水权进行置换，并根据市场机制建立起相应的补偿机制。在农业灌溉方面，要明晰水权和责权，在保证经济效益的前提下，对水权机制进行创新，在总量的约束下，根据水权确定定额的指标，再运用经济、法律、管理、工程等手段进行水利工程的建设，保障水权的实施。
3.2完善农业供水体系
完善农业水资源的供管收一体化机制，按照科学依据将黄河供水量分配给各灌区，进行总量控制。用包干到渠的方式控制用水，减少农业灌溉定额，由管理部门对水量进行分配，同时，对灌区的土壤做测定，开展研究微观用水定额管理指标体系，为河套灌区的宏观控制指标体系的建立奠定基础。实行“以水定播”，对用水加以强化，对水流量加以细化，根据农作物的特点，对其种植结构加以强化，维护农作物的正常用水，抓好调水、输水、配水等环节，要更加完善群管支以下渠道的测流量水配套设施控制灌溉用水量。
4.建立水利工程建设管理体系
水利部提出“两改一提高”以后，河套灌区也要按照这个精神，积极争取国家投资，这样才能从根本上解决灌区水利灌溉和超标用水的问题，加快灌区的水利建设。对水利前期的建设时，要重点围绕节水改造、综合治理等项目。
对水利建设要根据保灌溉、保安全、保水质水量的原则，对渠道病险段落、渠堤标准化建设和建筑物配套进行重点治理，积极开展灌区水资源调蓄工程的可行性研究，对输水配水的问题加以解决。新建工程要分工明确，谁受益谁管理。
双重性质和非经营性的建设项目要向中央、自治区积极争取建设投资，并利用政策激励单位对建设投资。而经营性的建设项目，可以采取筹资、贷款等方式。
5.对水利设备改造创新
建立水利科技研究体系，就要围绕灌区水利发展的实际形式，对一些具有代表性和实用性的问题进行研究，及时解决问题，为生产实践的长远发展做技术推动，为灌区的现代化水利体系的发展构建框架，对主要内容做可行性研究之后再配备最佳的配水方案，用新材料、新工艺、新设备提高灌区的水利科技水平。
当前河套灌区的工程标准普遍偏低，设备普遍老化失修，因此，要对新工艺和新装备重新改造，提高水利工程的科技含量。
6.结语
要做好河套灌区建设的现代水利工程，要根据其地域特点，做出相应的调整。灌区的水利管理体系反映了村民自治、民主化管理的进步，更加具有科学性。河套灌区水利的发展是关乎国计民生的重大项目，其发展战略和发展规划应该集思广益，借鉴他人经验，为把河套灌区建设成为先进的现代化灌区而努力。
【参考文献】
[1]周子华.试论内蒙古河套灌区水利改革发展之道[J].水利改革，2011（06）：101-102.
[2]吕广仁.内蒙古河套灌区建设与改革的几点思考——大型灌区水利改制考察报告[J].内蒙古水利，2010（03）：62-63.
河套灌区 篇4
河套灌区是我国3个特大型灌区之一,也是亚洲最大的一首制自流灌区,地处干旱、半荒漠地区,多年平均降水量130～215 mm,多年平均蒸发量达2 100～2 300 mm。河套灌区现有灌溉面积57.4万hm2,年均引黄河水量约50亿m3,而灌区引黄水量指标为40亿m3,每年超指标引水10亿m3。2006年,内蒙古自治区根据灌区经济发展和区域水资源供需情况,将河套灌区年度用水指标调整为36.4亿m3[1]。为应对灌区限额引水情势,使有限的水资源得到科学合理的配置,近年来灌区加快续建配套与节水改造速度,积极发展高效节水型农业,保证河套灌区经济社会可持续发展。
1 节水农业发展现状
河套灌区农业用水量大,水资源利用率低,水量浪费严重,与严峻的用水形势不相符。近年来灌区积极发展节水农业,提高水资源利用率和水分生产效益,保证农业持续稳定发展。节水农业的技术体系主要有节水灌溉技术、节水农业技术和节水管理技术组成。
1.1 节水灌溉技术
1.1.1 实施渠道衬砌,提高渠系水利用系数
河套灌区主要输水方式是明渠输水,传统的土渠输水渗漏损失约占输水量的40%～50%,是灌溉水损失的重要方面。灌区现设有总干渠、干渠、分干渠、支渠、斗渠、农渠和毛渠7级。1999年由内蒙古水利水电勘察设计院完成的《黄河内蒙古河套灌区续建配套与节水改造规划报告》中提出的对干渠、分干渠、支渠、斗渠、农渠全部衬砌后,6级渠系的渠系水利用率由0.525提高至0.817,各级渠道的损失水量由24.7亿m3减少至9.5亿m3,在输水过程中可节约水量15.2亿m3。
1998年以来,灌区积极争取国家资金进行续建配套与节水改造,隆胜节水示范区对干、支、斗、农4级渠道实行防渗衬砌,4级渠系水利用系数由原来的0.571提高到0.884[2];杨家河干渠衬砌段渠道水利用系数由0.74提高到0.94,每年可减少引黄河水量3 150万m3[3]。故发展渠道防渗技术,是缓解灌区水资源紧缺的重要途径。
1.1.2 改进地面灌水技术,实现田间节水
河套灌区为平原灌区,渠道纵坡小,地面灌溉是灌区主要灌溉方式,由于普遍采取大水漫灌的方式,田间水利用系数低,灌溉水浪费十分严重。因此,应对改进地面灌水技术给予高度重视,强化先进的地面灌溉技术研究推广,显得格外重要。
杜占宽等人[4]研究认为灌区引进激光控制平地技术,发展水平畦田灌水技术等先进的地面灌溉技术都具有较好的节水增产效益,给农民带来了实实在在的好处。杜占宽[5]提出了一维水平坡面的土地精准平整方式,重点论述了水平畦田灌水技术与其他地面灌溉系统相比具有改善灌溉均匀度、提高田间水利用系数和有利于防止土壤盐渍化等优点。郝和平等人[6]研究认为适宜于河套灌区的节水型地面灌溉技术有:小畦灌灌水技术、水平畦田灌水技术、沟灌灌水技术和地膜覆盖灌水技术。
1.1.3 实施低压管道输水技术,提高水的有效利用率
低压管道输水技术一般管道都采用地埋式,基本上消除了水的渗漏损失和蒸发损失,水有效利用率可达95%,还可减少渠道占地,提高输水速度,缩短轮灌周期,可很好的控制灌水量。管道灌溉比土渠灌溉可节水45%左右,比混凝土板衬砌渠道节水7%,比石砌防渗渠道节水15%左右[7]。低压管道输水灌溉不仅节水效果显著,并且比喷灌、滴灌等一次性投资少,要求的设备较简单,管理维护较方便,农民易掌握,在河套灌区井灌区发展较快。
1.1.4 适当发展先进灌水技术
喷灌、滴灌等技术具有节水效果好、灌水质量高的优点,是较为先进的灌水方法。由于喷灌可做到对作物进行适时适量灌溉,与传统地面灌溉相比可节水30%～50%,且灌溉均匀、质量高,有利于灌溉自动化管理[8]。李炜等人[9]选取耗水量大的小麦做试材,采取喷灌、管灌、井灌和渠灌等方式,研究表明喷灌用水量最小,灌溉水的生产效率高,但是管灌的能耗比喷灌小,而喷、管结合灌溉比渠灌节水32%,比管灌节水16.3%,比喷灌节能35%,且水分生产效率较高。
河套灌区地表水资源为含沙量较高的黄河水,严重制约着喷灌、滴灌的发展应用。但是,近年来随着黄河来水量的衰减,灌区配水额度不断减少,为保证灌溉用水需求,各地积极开发地下水资源进行井渠双灌,如2003年灌区就现打抗旱应急水源井20 855眼,这无疑为喷灌、滴灌的应用创造了条件。
1.1.5 利用地下水灌溉,合理调配水资源
黄河水量归流域管理后,灌区农业用水形势十分严峻,单靠引黄水量已不能满足要求,合理的开发地下水资源弥补地表来水不足,已成为今后保障灌溉用水安全的必然抉择。李继超等人[10]认为灌区开发地下水是可行的,要遵循地表水、地下水、土壤水“三水”转化规律,以“以补定采,以渠保井,以井补渠”为原则,推行井灌和渠灌相结合的开发模式。杨路华等人[11]研究认为灌区引黄水和地下水联合利用,地下水利用要做到“三亩补给,一亩开采”,开采量以1 100～1 500 m3/hm2为宜。王康等人[12]研究表明井渠结合区每年开采1 200 m3/hm2,连续多年均能保持采补平衡,并且最好局部集中布井。
灌区可用地下水资源为17.386亿m3,至2015年,引黄水量减少到39.39亿m3时,地下水可供水量为6.61 m3,其中矿化度<2 g/L的水量为4.38亿m3[13]。灌区有着丰富的地下水资源,地下水的补给来源广,补给量大,且埋藏浅,开采容易,实行井渠双灌是切实可行的。灌区内井灌区面积12.34万hm2,大部分地区均采用黄河水灌溉,与当前日益紧张的供需水矛盾极不适应。
1.2 节水农业技术
工程节水与农艺节水相结合,具有显著的节水增产效益,且非工程节水措施相对投资较少。河套灌区近年来在农艺节水上做了很多工作,取得了一定的成绩。
1.2.1 调整种植结构,选种耐旱低耗水作物
灌区面积大,受土地家庭承包经营的决定,种植结构混乱,作物需水不同步,造成水资源的大量浪费。因此,应积极引导农民调整种植结构、合理增加抗旱作物和抗旱品种的种植面积,减少高耗水作物种植面积。尹慧等人[14]认为调整种植结构,逐步推行按渠道、按区域种植需水同步的作物,避免重复灌水。郭彦芬[15]研究认为,因小麦用水量偏高,应适当减少种植面积;夏秋杂粮、油料用水量偏少,应增加耗水量低的作物种类或品种的种植面积,实现节水型种植结构的优化。
随着灌区经济的发展和社会的进步,在国家各种节水改造示范区、节水灌溉示范区和农业示范区等的影响下,农民的科技意识和经济意识不断转变,逐步改变了原有的种植模式。灌区单一作物的种植比例逐年下降,粮食作物间作成为灌区的重要种植模式,并且紧随市场的变化,不断调整作物种植结构,良种种植面积达38.9万hm2,主要品种有小麦、玉米和葵花,分别为11.5万hm2、13.2万hm2和14.2万hm2。
1.2.2 缩小田块,平整土地,减少用水量
灌区灌水技术仍较为落后,土地平整度差,灌溉地块大,田块面积基本都在1 333 m2左右,需要进一步缩小地块,平整土地,增施有机肥,以达到节水增产目的。根据近年来节水灌溉示范项目区的经验,短畦、窄畦灌水速度快、均匀度好。刘琛等人[1]研究认为渠灌区选择畦长50 m,畦宽3 m的畦田为宜,井灌选择畦长25 m,畦宽2 m为宜。郝和平等人[6]根据灌区治丰试验区的初步试验,表明 0.067 hm2、0.034 hm2、和0.02 hm2的畦田较0.1 hm2畦田分别节水25%、35%和45%。
灌区平整土地主要是依靠人工或常规机械,与国外普遍采用的激光平地技术有很大差异,田块起伏不平,局部倒坡,影响水流前行速度和灌水均匀度[16]。灌区田间节水(平地、缩畦等)仅9.67万hm2,管理部门应将激光平地等先进的平地机械列入节水改造投资预算,积极争取国家投资,尽快提高平整土地设备的能力。
1.3 节水管理技术
实践证明,灌溉节水的潜力50%是在管理上。世界上节水发达国家,如以色列、日本、美国等,之所以节水工作搞得好,一半归功于管理工作。也只有科学的管理才能使其他节水措施得以顺利实施。河套灌区农业用水之所以浪费严重,其中管理薄弱是主要原因之一, 为此必须加大农业节水管理力度。
1.3.1 合理制定节水灌溉制度
灌区农业沿袭大水漫灌的灌溉方法,既浪费水又不利于农作物高产。通过对灌区现阶段实行的灌溉定额与节水示范项目区内的作物灌溉定额的比较,发现修定灌溉定额的节水潜力较大,因此应该合理的制定节水灌溉制度。贾德彬等人[17]应用FAO-56双作物系数法计算春小麦的实际需水量,并以水分利用效率最大为原则确定春小麦的高效用水灌溉制度,该灌溉制度下作物的产量比用“报酬递减”阶段需水量确定的灌溉制度的作物产量虽低一些,但十分有利于水资源短缺地区水资源高效利用。
1.3.2 提高灌溉管理水平,充分调动农民节水灌溉的积极性
科学而有效的灌溉管理能大量的减少灌溉用水的浪费,每年灌区因管理不善而造成的水资源浪费约有2亿多m3。提高农业用水效率,离不开农民参与,因此要充分调动农民节水的积极性。1999年以来,灌区组建了农民用水者协会,斗渠以下自己管理,基本形成了灌溉管理、工程养护、水费征收一体化的群管体系。农民用水者协会组建以来,积极推广水票制和按亩次计费,细化了测流量水,节水效果显著,收到了良好的社会效益和经济效益。目前全灌区已成立357个农民用水者协会,管理面积28.15万hm2,灌溉用水管理水平明显提高,但需进一步加强技术培训。
2 节水农业科技发展近期重点
2.1 重点发展大型渠道防渗,研发防渗新材料
河套灌区渠道衬砌完成536 km,其中骨干渠道衬砌155 km,控制面积25.35万hm2。在近几年的灌区节水改造中,渠道防渗主要以支渠、斗渠等小型渠道为主。内蒙古水利水电勘察设计院1999年完成的《黄河内蒙古河套灌区续建配套与节水改造规划报告》研究表明,仅干渠衬砌节水量占渠系改造节水量的48.7%,干渠、分干渠衬砌节水量占渠系改造节水量的77.6%,干渠、分干渠、支渠衬砌节水量占总节水量的93.4%。由此可见,大型渠道应该是节水改造的重点,但因技术、材料的制约却难以实施。
目前灌区大多采用的是浆砌块石或混凝土护面防渗,成本高,适应冻胀及不均匀沉陷能力差。近年来土工膜、合成橡胶等柔性材料因节水效果显著、成本低,在冻胀区渠道防渗中发展很快。国外普遍将高分子材料应用于渠道防渗中,尤其是在高分子膜料的应用上取得不少实用性研究成果。如土工合成材料膨润土垫(GCL)是近年来国外发展起来的一种新型的主要用于防渗工程的土工复合材料[18]。灌区应积极引进、消化、吸收,从材料的膨胀性、抗冻性、抗老化以及受离子影响等方面评价材料的性能,研究与分析不同外护材料、衬砌结构及施工工艺下新材料的防水性能,优选出适合灌区的防渗新材料,为灌区大断面渠道防渗提供技术支撑。
2.2 合理利用抗旱水源井,积极开展井渠双灌
2003年河套灌区遇到了特殊枯水年,黄河来水极少,灌区积极采取措施,打了一批抗旱水源井,实行井渠双灌,有效缓解了水资源供需矛盾。之后黄河来水量增多,灌区引水量虽不能很好满足需水要求,但供需矛盾相对较小,致使大量抗旱水源井停用。近年来,灌区的引黄河水量呈逐年减少态势,最终将达到年引水36.4亿m3的分水指标,而灌区地下水资源开发利用潜力很大,应根据现有条件,通过转移支付,对井灌用水、用电给予必要的补贴,促进抗旱水源井的应用,有效增加地下水利用能力,在减少引黄河水量的同时,进一步控制地下水位,减轻土壤盐碱化危害。
2.3 加大渠道量水技术的研究
测流量水工作是灌区实现科学配水、合理用水、公平计费的重要手段和前提条件,在灌溉管理中具有重要作用。灌区内的干渠、分干渠断面宽,采用流速仪量水较合适,而灌区中小渠道具有数量多、断面小、坡降缓、易淤积和行水时间短等特点,选择精确又经济的量水技术很困难。随着新水价政策的实施,采用精度高、操作方便、便于用水户监督的量水设备显得极为迫切。
在田间渠道量水技术研究与示范中,引进适合支、斗渠使用的自动化量水设备极为重要。研究认为,适合在平原灌区末级渠道使用的有“仪表化量水系统”和“文丘里自动化量水系统”;除此之外,应参考其他灌区以及国外经验,优选适宜的量水设施,并积极示范推广具有重要意义。
农、毛渠在灌区具有量大、使用时间短等特点。引进适合农、毛渠使用的自动化量水设备,筛选出适合于小型渠道的全自动量水设备,并加以示范推广也不容忽视。
田口量水是测定农户用水量的关键,引进适合田块口部的量水设备,优选出施工简单、观测方便、造价低廉、易于被农户接受的田口量水设施,并加以示范推广也至关重要。
2.4 发展非充分灌溉技术
目前灌区水资源短缺形势日益严峻,由传统的丰水高产向节水高效的非充分灌溉转变大势所趋。已有研究表明,作物适度的水分亏缺可以提高其在遭受干旱逆境时生长发育能力,不一定降低产量反而能使作物水分利用效率明显提高。
作物-水模型是非充分灌溉研究中的核心内容,对于非充分灌溉技术应用具有重要指导意义。以往的研究虽建立有大量的作物-水模型,但局限于为数不多的几个试验站,且其时空变异性尚未研究,因此,应在河套灌区内选择不同的典型代表站点,针对不同区域的自然气候特点和不同作物的需水特性开展这方面的研究,要特别注意尺度效应的研究。灌区对玉米和向日葵[19,20]已进行过非充分灌溉研究,但研究使用的均为数理统计模型,参数应用范围有限,影响计算的准确性。应该在现有研究的基础上,进一步加强不同地区、不同水文年型、主要农作物水分生产函数的研究,尤其应重视时空变异性研究,以便全面推广应用。
2.5 大力推广墒情监测和灌溉预报技术
墒情监测和灌溉预报,是实现作物适时适量灌溉的基础,是灌区节水灌溉管理与精准灌溉技术决策的依据[21]。在灌区发展墒情监测和灌溉预报技术,对于指导农业抗旱减灾和适时适量灌溉具有重要作用。
气象条件、土壤物理特性与土壤水分状态、作物种类及生长发育状况是墒情和旱情监测的4大要素[22]。正确的墒情预报需对上述要素进行实时监测。灌区因面积大,灌溉预报应考虑土壤、地下水、气候的空间变异性[23]。灌区现有墒情监测分布在西部、中部、东部,每个地区设2个监测点,根据不同植物不同时段进行,主要设小型气象站和地下水位观测井,分别对小气候条件、地下水位变化进行动态监测[24]。但是,存在监测点少,技术手段差,人员不足等问题,难以满足灌溉预报需要,尚需加强。
3 结 语
河套灌区是国家重要的商品粮基地,受国家政策的拉动以及农民增收意识驱动,灌溉面积呈逐年增加之势,需水量增长态势十分明显,随着黄河来水的逐年减少和分水指标的下调,水资源供需矛盾日益尖锐。水资源的高效利用与优化配置将成为强化灌区管理的永恒主题,它不仅关系农民增收和地区社会经济的稳定发展,而且关乎国家粮食安全、生态安全。
农业节水将是缓解灌区水资源供需矛盾的主要途径。河套灌区所面临的问题,在北方大中型灌区中虽有一定特殊性,但更多的是广泛的代表性。经当地水利科技工作者和所有关心灌区持续健康发展的专家、学者不断努力,目前河套灌区在节水型农业技术体系各方面都有相当的技术支撑与储备,但应用面积与范围尚小,建议国家和地方政府继续加大对灌区节水的投入力度。
河套灌区节水改造与配套工作任重而道远,依托现有节水技术,在进一步深化相关科学技术研究的同时,结合灌区社会经济发展现状,促进节水农业更好、更快发展,最终实现灌区农业的高效节水和水资源的高效利用,能够为灌区持续健康发展以及国家粮食安全做出应有的贡献。
摘要：我国水资源短缺,农业用水形势严峻,发展节水农业是唯一的选择。河套灌区是我国3个特大型灌区之一,灌区总面积119.03万hm2,近年来实际引黄灌溉用水量在4045亿m3,引黄灌溉面积57.4万hm2,灌溉用水在流域用水总量占有较大比例。通过研究河套灌区节水农业科技发展现状,意在寻找灌区节水薄弱环节,结合灌区实际情况和经济水平,提出节水农业近期发展重点,以促进灌区的可持续发展。
河套灌区 篇5
巴彦淖尔市是内蒙古自治区玉米主产区之一, 2015年种植面积达28.05万hm2, 占农作物总播种面积的40.6%, 其中, 乌拉特前旗种植面积最大, 超过7.86万hm2, 其次为临河、杭锦后旗、五原县、乌拉特中旗和磴口县, 乌拉特后旗最少, 仅0.21万hm2。全市玉米平均单产10 500 kg/hm2左右, 近年来随着种植密度增大, 单产也越来越高, 高产田一般都在15 000 kg/hm2以上。玉米产业已成为巴彦淖尔市一项重要的农业发展战略资源, 为了进一步促进内蒙古河套灌区玉米种植产业的发展, 笔者对该区玉米种植气候条件进行了分析。
1 巴彦淖尔市河套灌区玉米种植的气候条件分析
1.1 温度
热量是一个地区温度高低、极端温度大小和积温分布及其变化特点的标志, 是一个地区所能提供给作物生长、新陈代谢、转化能量的基础。内蒙古巴彦淖尔市河套灌区年平均气温7.8~8.8℃, 全年≥10℃积温为3 053~3 339℃·d, 热量条件可完全满足玉米生育期需求。巴彦淖尔市河套灌区春季气温回升快, 日平均气温稳定通过10℃的初日出现在4月20日, 玉米通常在4月中、下旬播种, 5月平均气温为17.0~18.0℃, 有利于玉米苗期生长, 进入6月气温迅速回升, 热量条件较好, 玉米生长进程加快。夏季 (6—8月) 平均气温较高, 7月为一年中最热月, 平均气温23.6~24.7℃, 年极端最高气温出现在7月下旬、8月上旬, 最高气温40.1℃。适宜的温度条件对种植玉米十分有利, 要注意个别年份出现的高温天气。
1.2 水分
水是生命之源, 是植物生长不可缺少的重要自然资源, 也是巴彦淖尔市河套灌区生态的关键。植物都是在一定的光温条件下, 通过水分的循环进行干物质积累, 没有水, 再优越的光热条件也不可能发挥作用。巴彦淖尔市河套灌区地处大陆深处的干旱、极干旱地区, 年降水量在136~216 mm, 其中70%的降水主要集中在6—8月, 雨热同季, 但也呈现变化率大、保证率低的特点。5月年平均降水量偏少, 仅11.1~18.1 mm, 9月年平均降水量为21.5~30.6 mm。就农业需水量而言, 河套地区的天然降水远不能满足作物生长的需要, 可以进行旱地耕作的地区基本没有, 主要依靠黄河水和地下水灌溉进行农业生产。巴彦淖尔市河套灌区是亚洲最大的一首制自流引水灌区, 水利资源丰富, 有着得天独厚的灌溉条件, 符合玉米生育期对水分的需求特点。
1.3 光照
玉米属于喜光的短日照作物, 整个发育期需要充足的光照才能正常生长发育, 促进玉米进行光合作用, 有利于玉米内部各种有机质快速转换, 缩短发育期。玉米出苗后, 日照时数达到8~12 h有利于玉米生长发育, 光照不足则延长玉米营养生长期。由于玉米光饱和点较高, 故不耐阴, 适宜的种植密度可使玉米生长过程中保持充足的透光度, 获取玉米稳产、高产。巴彦淖尔市河套灌区光照充足, 全年日照时数在3 131.0~3 360.0 h, 为全国日照时数较高的地区之一, 完全满足玉米生长的需要。
2 影响巴彦淖尔市河套灌区玉米产量和质量的气象灾害
玉米种植过程中经常会出现一些气象灾害对玉米产量和质量造成不良影响。巴彦淖尔市河套灌区属于气象灾害多发区, 霜冻、板结雨、高温干旱、冰雹、暴雨、大风等是当地常见的灾害性天气, 其中板结雨、霜冻、高温、冰雹对玉米影响较大。
2.1 板结雨
河套灌区春季降水较多, 由于河套灌区土壤中盐分含量较大, 降水将土壤毛细管疏通, 随强烈的田间蒸发, 大量盐碱聚于地表, 形成板结层, 影响玉米出苗, 由于表土层含盐量较大, 还会使幼苗出现生理干旱, 导致幼苗死亡或长势较弱;由于目前玉米基本采用地膜覆盖, 覆盖土与土壤间有地膜相隔, 加快了板结速度, 加重了板结程度, 一些种子在土壤中不能及时出苗, 会造成粉种, 危害增大。
2.2 霜冻
霜冻是指在玉米生长季节里, 由于气温下降使植株茎、叶温度下降到0℃以下, 使正在生长发育的植物受到冻伤, 从而导致减产、品质下降或绝收。植物霜冻灾害是农业气象学概念, 是一种农业气象灾害。春霜冻出现在玉米出苗之后, 而秋霜冻发生在玉米成熟之前。
2.3 高温
玉米抽雄开花吐丝期间, 出现的气温高于35℃, 严重影响玉米正常开花授粉。高温灾害主要发生在7月中下旬至8月下旬, 以7月下旬为主。影响玉米雄穗开花散粉的主要因素是温度和湿度。玉米开花适宜温度为25~28℃, 适宜相对湿度为65%~90%。在温湿度均适宜的条件下, 玉米雄穗全天都有花朵开放, 一般以上午7:00—9:00开花最多, 下午逐渐减少, 夜间更少。高温最不易防范, 由于高温直接影响花粉, 出现2~3 d就会对作物开花授粉造成危害, 即使浇水, 仍不能解除危害。
2.4 冰雹
冰雹是巴彦淖尔市河套灌区常见的一种强对流天气现象, 是玉米生长期主要灾害性天气之一, 尽管冰雹天气持续时间短, 影响范围小, 但其来势凶猛、强度大、危害重。巴彦淖尔市河套灌区的冰雹出现日期最早在3月20日, 最晚在10月中旬。一年中7—9月降雹日数最多, 其中8月降雹日数最多, 占总雹日数的23.9%, 此阶段正是巴彦淖尔市河套灌区春玉米生长旺季, 冰雹灾害可对玉米造成不同程度的危害。
3 种植建议
3.1 适期播种, 采用新技术
巴彦淖尔市河套灌区冬季漫长, 多大风天气, 蒸发量较大, 失墒快, 因此要抓住有利时机和现有墒情抢墒播种, 及早采取保墒措施, 适墒播种。春玉米生育期较长, 籽粒灌浆较慢, 中后期温度偏低, 不利于玉米正常成熟, 影响其产量和品质。因此, 适期早播是延长生长季节, 实现高产的关键措施之一。巴彦淖尔市河套灌区一般在土壤5~10 cm温度稳定在10~12℃时播种为宜。
近年来播种玉米采用玉米宽覆膜高密度栽培技术, 是在玉米“一增四改”综合技术的基础上, 通过技术创新形成的。该技术针对常规地膜玉米地膜覆盖率低 (40%) , 土壤保温、保湿率 (地膜效应) 差的缺陷, 实行宽膜覆盖, 地膜覆盖率提高到80%。
3.2 做好气象为农服务, 有效预防气象灾害
玉米是喜温高水肥作物, 对气象条件要求较高, 为此, 巴彦淖尔市从20世纪80年代开始, 开展了农业气象服务, 促进了玉米产业的发展。近年来, 国家不断加大对“三农”的支持力度, 开展专项农业气象服务成为趋势, 原有单一、分散的气象服务已不能适应新常态下气象服务的需求, 开展多元化、精细化、全程化、系列化专项农业气象服务, 已成为趋势。
巴彦淖尔市各级气象部门做好气象为农服务, 加强干旱、冰雹、高温等灾害性天气监测预报预警, 争取第一时间将气象灾害信息发送至农民手中, 确保农民及时有效地采取防御措施, 并积极开展人工防雹作业, 为玉米等农作物增产增收提供专业气象服务保障。
摘要：根据玉米生长发育所需的环境条件, 利用内蒙古河套灌区近30年气候整编资料, 对巴彦淖尔市河套灌区玉米生育期光、热、水等气候因素进行分析, 发现河套灌区温度、水分、光照条件适宜玉米生长发育。指出加强农业气象服务, 进行科学种植管理, 合理规避及防御霜冻、冰雹等灾害影响, 有利于促进玉米产业增产增收。
关键词：玉米,种植,气候条件,防御对策
参考文献
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河套灌区 篇6
耕地为人类提供生存和发展的宝贵物质基础, 是工、农业生产的基石。我国的基本国情是人口众多而土地有限, 随着人口基数的继续扩大, 人均耕地面积在未来相当长的时期内还会进一步减少。人口的增长使得人类对居住面积的需求也相应增长, 因此每年都有大量的耕地被非法开发、私用滥用。实时科学获取准确的耕地数据就成为实现保护耕地目标的有效措施。
利用传统的野外测量方法能快速而准确地获得耕地信息, 目前获得耕地信息最高效、快速的手段就是利用卫星影像进行提取。21世纪以来由于遥感技术的不断拓新, 高分辨率卫星影像在军用和民用领域的应用有了飞速发展。高分辨率卫星影像在光谱特征、空间特征、纹理特征等方面较一般卫星影像更具优势。所以利用高分辨率卫星影像提取耕地的方法应运而生, 并以成为一个重要的研究领域。
二、研究区域概况
内蒙古河套灌区因农业灌溉发达有“塞上江南”的美誉, 其位于北纬40°19'~41°18', 东经106°20'~109°19', 被列为我国三大灌区之一[1]。南临黄河, 北接阴山山脉西段狼山山麓, 东起乌拉山西山嘴, 西至乌兰布和沙漠, 灌区地形平坦, 西南高, 东北低, 东西长270km, 南北宽40~75km。海拔1, 007~1, 050m[2]。灌区土地1.16×104km2。设计灌溉面积73.7×104hm2, 整个灌区分为乌兰布和、解放闸、永济、义长、乌拉特五个灌域[3]。
三、数据准备及研究手段
(一) 卫星影像及时相的选取。
本研究选用了覆盖整个河套灌域的高分一号和资源三号卫星遥感影像, 其中高分一号影像的空间分辨率为全色2m/多光谱波段8m, 资源三号影像空间分辨率全色波段2.1m/多光谱波段5.8m。根据该地区气候及农作物生长情况选取了2014年5~9月的卫片, 按照光谱特征和纹理特征利用监督分类可以较为方便地提取耕地, 并且获得满意的结果。
(二) 数据准备。
高分一号和资源三号都是我国近年来自主研发的基于光学传输型高分辨率对地观测卫星, 二者在处理方法上基本相同。本研究使用ENVI5.1利用卫片提供的RPC参数文件分别对全色影像和多光谱影像进行正射校正, 将处理好的全色与多光谱影像进行图像融合, 使最终的影像取二者之长, 既包含丰富的色彩, 又具有细致的纹理, 并对所得影像根据情况进行图像镶嵌处理。将河套灌区的相关行政规划图在Arc Map10.2中配准, 通过矢量化获得河套灌区界线及五大灌区界线, 并导出矢量格式, 对前面处理好的影像进行掩膜裁剪, 最后采用Histogram equalization方法进行图像增强处理, 达到削弱细小噪声的目的。
(三) 耕地提取。
1. 定义分类样本。
根据河套灌区地表覆盖的特点, 将该区的土地利用分为耕地、道路、水体、居民地、林地、裸地六大类。利用GPS定位, 通过实地踏查选取分类样本, 并在EN-VI5.1中的ROI Tool完成分类样本及检验样本的选取, 并使用Computer ROI Separability工具计算任意两种类别的可分离性, 通过对分离性值小于1.8的分类样本根据情况进行调整, 得到样本的分离性几乎在1.8~2之间。
2. 监督分类。
本研究选择监督分类, 分类器选择的是支持向量机 (SVM) , SVM是一种通过统计学方法建立的基于模式识别的过滤器, 可以自动搜索拥有更大的分离特性分类支持向量, 进而建立一个基本面, 使分开的数据点距离基本面最远, 由此构造出来的筛选器, 可以将不同类之间的间隔最大化, 达到优化分类效果的目的。高分辨率遥感图像纹理复杂, 能够提供几乎连续的地物波谱曲线, 并且具有维数高、数据量大、数据不确定性等特点。使用核函数的支持向量机算法通过高维特征空间的非线性映射构造线性判别函数求出高维空间的原始非线性判别函数, 从而解决了维数过高的问题[4]。大量的遥感影像分类实验表明SVM较平行六面体、最小距离、马氏距离、最大似然、神经网络等方法具有更高的稳定性与精度[5]。目前常用的SVM监督分类的核函数有四种, 分别是:线性函数:K (m, n) =mTn+C;多项式核函数:K (m, n) = (αmTn+C) d;RBF核函数:K (m, n) =exp (-γ‖m-n‖2) ;Sigmoid核函数:K (m, n) =tanh (αmT+C) 。本研究选择高分一号影像取1024*1024像素大小的研究区域, 分别使用以上四种常用核函数进行SVM监督分类, 其中多项式核函数的级数 (Degree of Polynomial Kernel) 设定范围为 (1, 6) , 该值描绘不同类别边界的准确度, 随着取值的增大, 准确度越高, 但是太大会增大分类变成噪声的危险, 根据经验设置为3;内核函数 (Gamma in kernel Function) 的值根据输入影像为高分一号, 其波段数为4取倒数为0.25;惩罚参数 (Penalty Parameter) 反映对误差的宽容度, 这个值设置越高, 说明越不能容忍出现误差, 但是将造成负面影响产生严重的“椒盐”现象, 根据经验该值设置为100。
将以上四种核函数SVM监督分类的结果结合实地踏查的数据计算混淆矩阵, 得到不同核函数SVM分类的错分误差 (Commission Errors) 、漏分误差 (Omission Errors) 、制图精度 (Mapping Acc) 、用户精度 (User's Acc) 、总精度 (Overall Acc) 、Kappa系数。四种核函数SVM监督分类的精度比较如表1, 通过比较发现采用径向基SVM监督分类的精度最高, 总精度达到87.8587%, Kappa系数为0.81333。因此, 河套灌区的土地利用分类采用径向基SVM监督分类, 并重点考虑提高耕地的分类精度。
3. 分类后处理。
通过使用SVM监督分类得到河套灌区的耕地信息, 在分类结果中不可避免地产生“椒盐”现象, 从实际应用和专题制图两方面考量, 都应剔除或重新分类这些细小斑块[7]。目前较为有效地去除“椒盐”现象提高提取精度的方法是基于SVM法, 用变换核中占主要地位的像元类别代替中心像元的类别, 变换核窗口为奇数, 本研究选择窗口大小为3×3、5×5、7×7、9×9、11×11、13×13的变换核, 得到不同窗口纹理的分类图及不同窗口纹理下的分类精度 (如表2) , 通过分析对比六种窗口对分类精度的影响, 当选用变换核窗口为3×3时总精度最高、Kappa系数最大, 当选用变换核窗口为13×13时总精度最低、Kappa系数最小。因此, 在分类后处理时选用变换核窗口为3×3。
4. 人工编辑。
为保证更加准确地获得河套灌区耕地总面积, 最后在ENVI5.1中将上面的分类结果转换为evf矢量格式, 然后保存成shp格式, 将分类后的耕地shp、五大灌区界线的矢量文件及灌区卫星影像在Arc Map10.2中打开, 对比Google Earth上覆盖该灌区的分辨率0.5m的影像, 结合实地踏查, 对分类结果进行人工修改, 剔除错分区域, 补充漏分区域, 对于提取结果中所提取区域与实际灌区内耕地相差较大的区域, 则需要手工勾绘耕地边界。该过程工作量非常庞大, 但却是提高耕地提取精度最有效的途径, 最终得到河套灌区耕地分布图 (如图1) 。
四、精度评价
精度评估是土地利用分类中非常重要的环节, 本研究采用的是目前比较科学, 并且被广泛使用的误差混淆矩阵。通过实地踏查及对比Google Earth的高分辨率影像, 选定250, 000个点, 其中耕地208, 076个点、居民地12, 292个点、道路3, 594个点、水体1, 311个点、林地21, 982个点、裸地2, 745个点, 通过统计正确分类的个数及误分到其他类中的个数, 构成分类误差混淆矩阵 (如表3) , 最终得到总精度为96.9656%、Kappa系数为0.8979, 分类精度较高。
五、结论与讨论
提取过程中产生误差的原因及改进措施讨论:一是虽然高分辨率遥感具有良好的纹理特征, 但从成像原理角度来讲, 其是建立在光学散射特性基础上的, 因此不可避免地产生“同物异谱”和“同谱异物”现象, 影响了分类结果。二是本研究主要结合了遥感影像的纹理特征和光谱信息利用SVM分类器提取了河套灌区的耕地信息, 以后研究中将引入ND-VI结合不同时相农作物生长特点, 将是提高提取精度的有效办法。
参考文献
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河套灌区 篇7
河套灌区位于我国内蒙古自治区巴彦淖尔盟南部,西接乌兰布和沙漠,东至包头市郊区,南临黄河,北抵阴山(图1)。灌区土地面积1.16万km2,年平均降水量130~215 mm,年平均蒸发量2lOO~2300 mm,无霜期135~150 d,土地冰冻期120 d左右。灌区内共有大小湖泊208处,其中,乌梁素海面积最大,为290 km2,是河套地区山洪和灌溉退水的主要容泄区[3]。河套灌区常采用大水漫灌的灌溉方式,导致其面源污染严重,通过地下水入渗黄河,对河流水体造成污染。因此,该研究以河套灌区为调查研究对象,根据当地实际情况和农村农业面源污染特征进行分析,以期为非点源管理、水污染控制、农村生态环境治理等提供参考依据。
1 面源污染现状
1.1 种植业污染
1.1.1 化肥
河套灌区耕地面积为1.16万km2,整个灌区全年使用各种化学肥料0.69万t,单位播种面积平均使用化肥量860 kg/hm2。其中,纯N 209kg/hm2、P2O5113 kg/hm2、K2O 73 kg/hm2,是发达国家设定水体污染上限用量(225 kg/hm2)的近4倍。据测算,我国氮肥施用量中,至少有50%在被作物吸收之前就以气体形态散失到大气中或从排水沟渠流失到水环境中,总利用率只有30%左右。河套灌区通过地表径流和淋溶流失进入水体的总氮约400t/年、P2O5约160 t/年,流失的N和P污染了地表水和地下水,造成湖泊、河流等水域生态系统富营养化,最终形成农业生产系统中水体、土壤、生物和大气的立体交叉污染。
1.1.2 农药
河套灌区常年病虫草害发生面积0.04万km2。其中,病虫发生面积0.03万km2,草害0.01万km2。化学防治仍是河套灌区防治病虫草害最主要的手段和措施。据调查,该区域全年共使用农药制剂约145 t,平均13.1kg/hm2,高于全国和全世界的平均水平。据估算,农药施用后仅有0.1%左右的药物可作用于靶标病虫,而其余99.9%将进入土壤、水体、生物组织和大气等生态系统中,其中50%~60%残留于土壤,30%~40%被作物组织吸收[4,5]。虽然农药流失总量较化肥少,但其有毒因子多,污染能力强,对环境影响大。
1.1.3 农用地膜
由于种植结构调整和设施农业的发展,河套灌区农用塑料使用量逐年增多。据估算,河套灌区年使用农用地膜约120 t,其中约20%的农用地膜丢弃在农田,其他的则进行了焚烧。在自然条件下,目前使用的农用地膜绝大多数可在土壤中残存数10年而不被降解,由此造成土壤结构被破坏,土壤的通透性和保水、保肥能力降低,水分和养分运移受阻,影响作物根系的生长发育和对水分、养分的正常吸收[5]。同时,农用地膜生产中添加的增塑剂和添加剂渗出不仅会导致地下水污染,且对农作物也有一定毒性,而导致作物减产,品质下降,影响食品安全。
1.1.4 秸秆
河套灌区共有各种作物秸秆资源98万t,其中约65%的被丢弃或焚烧。秸秆燃烧后产生多种有害气体和物质,如二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物,其中二氧化硫的浓度比平时高出1倍,二氧化氮和可吸入颗粒物的浓度比平时高出10倍。当吸入颗粒物浓度达到一定程度时,对人的眼睛、鼻子和咽喉有较大的刺激,轻则造成咳嗽、胸闷、流泪,严重时可能导致支气管炎的发生[6]。同时,秸秆焚烧引起的烟雾,不仅污染空气,还影响车辆行驶、飞机起降。
1.2 养殖业污染
河套灌区畜禽水产养殖业发展迅速,但养殖区域广,规模化养殖及养殖小区的数量较少,而分散式畜禽养殖,即养殖专业户占绝大部分。一方面由于广大农村养殖户环保意识不高,另一方面因资金缺乏,绝大部分养殖户都未办理环评手续且无污染防治设施,故在养殖过程中,畜禽排放的污染物未得到有效治理,对环境造成的污染很普遍。统计数据显示,河套灌区年饲肉鸡136.50万只、蛋鸡4.30万只、生猪0.85万头、羊0.56万只、牛(驴、马)0.16万头;全年粪便产生量约6.4万t,仅利用2.7万t;产生化学需氧量(COD)0.6万t、总氮197 t、总磷83 t。特别是近几年实施封山禁牧以来,养殖集中,由于条件有限,粪便、尿液等处理不及时或随意排放,很容易造成污染。
1.3 生活污水与生活垃圾污染
河套灌区生活垃圾来源途径较多,可分为有机垃圾(剩菜饭、菜帮菜叶、瓜果皮核、杂草树叶等)、无机垃圾(炉灰、煤渣、扫地土、废弃砖瓦等)、塑料垃圾(各类食品包装袋、破旧塑料膜等)及有害垃圾(农药瓶、废旧电池、旧灯管灯泡等)。受地区生活条件限制和一些陋习影响,河套灌区的生活污水及生活垃圾基本不经处理就直接排放。目前,该地区年生活污水排放量约8.6万t,COD排放量48.9 t,总磷排放量0.56 t,总氮排放量0.63 t。生活垃圾产生量约1.35万t,有0.25万t未经处理排放到环境中,其中有机垃圾排放量0.12万t。
生活污水和生活垃圾进一步扩散,最终导致面源污染。一些有机固体废弃物在适宜的温度和湿度下可发生生物降解,释放出沼气,在一定程度上消耗上层空间的氧气,从而影响了河套灌区植被的生长;随着生活垃圾的腐烂,其渗滤液随地表径流或自然下渗进入地下污染地下水或直接进入河流、湖泊等;生活垃圾随意堆放导致土地资源减少,污染土壤环境,残留毒害物质难以挥发降解,而杀死土壤中的微生物,破坏土壤的腐解能力,改变土壤的性质和结构,阻碍植物根系的生长和发育;一些持续性有机污染物进入水体或渗入土壤中,其残留毒害物质积蓄在动植物体内,当人们食用这些动植物时,毒害物质则积累在人体内,而生活垃圾中的微小颗粒、粉尘及长期露天堆放的垃圾腐烂后散发出的有毒气体,随风扩散到大气中,也会影响人体健康[7];在炎热的夏天,生活垃圾会吸引大量蚊蝇、老鼠等,严重影响生态环境及居民的健康。
2 面源污染的特点
河套灌区农村面源污染是指农村生活和农业生产活动中,溶解的或固体的污染物,如农田中的土粒、氮素、磷素、农药重金属、农村禽畜粪便与生活垃圾等有机或无机物质,从非特定的地域,在降水和径流冲刷作用下,通过农田地表径流、农田排水和地下渗漏,使大量污染物进入受纳水体(河流、湖泊、水库、海湾)所引起的污染。由于地理环境、治理力度、经济、人们生活习惯等方面的特殊性,该区域农村面源污染具有以下几个方面的特点。
2.1 污染源分散
与点源污染的集中性相反,面源污染具有分散性的特征,其随流域内土地利用状况、地形地貌、水文特征、气候、天气等的不同,而具有空间异质性和时间上的不均匀性。特别是农村污水与生活垃圾排放、堆放方式散乱,导致其地理边界和空间位置的不易识别。
2.2 污染成分复杂
农村面源污染成分主要包括农村居民生活污水、畜禽养殖废水、水产养殖废水、农田排水、化肥农药沉降和垃圾冲刷污水等,往往难以分开处理,且各种污水的水质、水量变化极大。
2.3 污染过程随机
多数面源污染问题,包括农业面源污染,涉及随机变量和随机影响。如农作物的生产会受到自然的影响(天气等),因为降雨量的大小和密度、温度、湿度的变化会直接影响化学制品(农药、化肥等)对水体的污染情况。
2.4 广泛性和不易监测性
由于面源污染涉及多个污染者,在给定的区域内其排放是相互交叉的,加之不同的地理、气象和水文条件对污染物的迁移转化影响很大,因此很难具体监测。
2.5 管理水平不足
由于农村居民受教育程度不高及经济上的制约,难以对随机倾倒的生活垃圾进行有效管理,一些地区新农村建设中建立的垃圾处理设施往往因管理不善而被闲置。
3 面源污染的防控措施
对河套灌区而言,农村经济条件相对落后,地形崎岖、高差较大,难以适应以县域为单元的集中处理模式。因此,需依据该区域的特点,结合实际情况,对当地的面源污染进行有效控制。
3.1 加大农村环保管理与引导
加大与农业面源污染有关的环境保护知识、技术、政策和法律的宣传力度,通过宣传教育与技术培训,不仅可提高农户专业技能,更重要的是使农民自觉意识到传统的生产方式不仅对自身的生产和生活环境造成污染,同时从长远来看也不利于农业的可持续发展,阻碍其最终经济效益的提高,从而促使农民自觉将生产模式向环境保护型的农业生产模式转变。
3.2 强化科技支撑
加强农业科技推广体系建设,为农业面源污染防治提供技术保障。依据当地的实际情况,确定适合本地区情况的技术,如①测土配方施肥技术。该项技术是解决滥用化肥、减轻化肥污染、降低生产成本,提高作物产量和品质的最有效办法。②病虫害综合防治技术。主要包括利用耕作、栽培、育种等农事措施来防治农作物病虫害,利用生物技术和基因技术防治农业有害生物,应用光、电、微波、超声波、辐射等物理措施来控制病虫害。③畜禽规模养殖废弃物处理技术。主要包括干清粪技术、干燥处理技术、生物发酵技术以及综合利用技术等。④可降解农膜技术。降解膜是一种新型环保农膜,自然条件下,经26~40 d即会自行降解破裂,不会残留于土壤,推广使用该农膜可消除农膜污染。
3.3 深化生态示范建设,推动农村污染防治示范工程建设
以创建环境优美的乡镇、生态村作为加强农村环境保护工作的重要载体,建立农村环境保护长效机制,推广生态示范创建的典型成功经验,发挥以点带面的示范效应,推动农村污染防治示范工程建设。主要包括建设农村饮用水水源地环境保护示范工程,村庄生活垃圾和污水处理设施建设示范工程,畜禽养殖污染防治示范工程,土壤污染修复示范工程,有机食品生产基地建设示范工程。
3.4 加强法制约束
要进一步加强农业环保立法,农业环保执法和强制性技术规范推广力度。将畜禽养殖业纳入日常环境管理,严格执行环境影响评价、排污收费等制度。农业部门要强化对规模养殖场建设的审批管理,加强对农药市场的监管力度,对于国家明令禁止的高毒、高残留农药应加大查禁力度。
4 结论
随着人们生活水平的提高及生活方式的转变,农村面源污染产生量越来越多,对大气、水体和生态环境等都造成了十分严重的危害,河套灌区农村面源污染的处理已相当迫切。综合考虑河套灌区农村自然、经济和技术等条件的限制,客观地分析农户经营行为与农业面源污染的关系,准确把握农户对农村面源污染的认知程度,充分调动广大农户参与农村面源污染防控的积极性,制定被广大农户接受的治理农村面源污染的政策措施,确保农业面源污染防控工作效果,具有十分重要的现实意义。
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河套灌区 篇8
大量研究表明,目前湖泊的富营养化和农业生产地区浅层地下水中污染物浓度的提高与大量施用氮肥及灌溉有直接的关系[1,2,3]。据张玉良[4]估计,全世界施入土壤中的肥料大约30%～50%经土壤淋溶而进入地下水。内蒙古河套灌区是中国三大灌区之一,大量使用化肥而造成的污染也日益严重。秋浇是河套灌区传统的秋后淋盐、春季保墒的一种特有的灌溉方式,一般在10月中旬至11月中下旬进行,是河套灌区一年来灌水量最大的一次灌溉(约1 800～2 000 m3/hm2)。
秋浇是在作物收获后的一次非生长季灌溉,土壤N素更易被淋移至土壤深层从而进入地下水,对当地地下水水环境造成一定程度的污染。因此,研究农业生产过程中N素流失对水环境的影响,对于防治农业面源污染和改善地下水环境具有十分重要的意义。
目前对于农田面源污染主要是针对地表径流的研究,如张乃明[5]等采用模拟试验的方法,研究了人工降雨和自然降雨条件下坡度、表土质地、降雨强度和地表状况等因素对农田土壤径流中N污染物输出浓度和输出总量的影响。而对于农田地下水以及地下与地表水系统的研究还较少。本文以河套灌区北场试验区为研究区,研究秋浇前后地下水与地表系统中N的迁移规律,初步估算氨态氮流失量,为河套灌区农田面源污染的深入研究奠定基础。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于内蒙河套灌区乌拉特前旗北圪堵乡的北场试验区,试验区东至110国道(人民干斗渠),南至河套灌区塔布干渠,西至四支渠,北至乌拉特前旗北圪堵乡公路。其中在人民干斗渠和左四支渠之间有一南北向排水沟(北场支沟),北场支沟北接湿地,如图1。
1.2 实验内容与方法
试验区布置了43眼地下水观测孔,并在北场支沟分别设置4个断面,观测地下水与排水沟退水中N的变化。采用分光光度法测定总氮TN浓度,对水样采取过滤措施后,再用该法测定氨态氮(NH3-N)浓度。试验区的观测孔与沟渠平面布置见图1所示。
2 结果与分析
2.1 秋浇前后田间退水中N素变化规律
该试验区退水系统从东侧和西侧各自向北场支沟为中心汇聚。从北场支沟(总退水沟)取4个断面,断面标记为D1 4(为北场支沟由北向南等距离分割的4个断面),秋浇前后N素变化如图2、3。
注:TN为总氮,NH3-N为氨态氮
由图2、3可知:秋浇前后北场支沟各断面N素含量有明显的差别,总体表现出秋浇后N素含量比秋浇前大, NH3-N变化更加明显。秋浇前后沟道断面TN含量相差0.11 mg/L,NH3-N含量相差0.55 mg/L。从图2可看出, D1～D4断面 TN浓度逐渐增大。结合图1,断面D4～D1沿线分布退水沟道,退水沿途不断汇集,水量逐渐增大,浓度逐渐减小。秋浇前D3断面TN含量小,由于D3断面与左一斗沟连接,在以前的退水结束时D3断面周围水量会相对较大,TN浓度较小。图3中秋浇前后NH3-N浓度相差明显,D1～D4随水量减小浓度逐渐增大。D3断面的NH3-N浓度较小也是由于退水沟的影响。秋浇前北场支沟中的排水长时间受蒸发的影响N素浓度较大,但和秋浇后相比,浓度相对较小。秋浇对于沟道水中的N素含量影响较大。
2.2 秋浇前后N素在地下水中的时空变化
选取地下水观测孔:东西向下游SW1 11和南北向N1 14,研究秋浇退水前后地下水中的N素变化规律。
图4所示,秋浇后观测孔TN含量高于秋浇前3倍以上,10号高达8倍左右,秋浇灌水量较大,N素随大量灌水渗入地下水中,使秋浇后地下水中TN含量急剧升高。秋浇前后观测孔TN浓度相差1.72 mg/L。两曲线4号都为峰值,4号处于两块农田之间小沟道,地势低洼,农田排水聚集并大量渗入,TN浓度较大。5号周围没有种植区土壤也未盐碱化,受秋浇影响不大。6号地势较高,没有灌水影响下地水位较低,秋浇后地下水位上升,含水增大,TN含量也增大。
北场支沟东侧7号～11号沿一退水沟布置,秋浇前后TN浓度差别明显。秋浇前各观测孔TN浓度较小而且基本相同,秋浇后TN浓度都迅速增大,其中以9号变化最大。从图4秋浇后变化曲线可知,1号～6号和11号～7号TN浓度有一个增大的趋势。东西两侧的退水都要汇总到北场支沟,随水流方向融入农田退水越多, 随水渗入地下的N素也越多,故TN浓度也增大。
图5所示,秋浇后沿南北向观测孔TN含量要比秋浇前大2倍以上,最大相差4倍左右。秋浇前后地下水总氮浓度相差0.69 mg/L。1～14号观测井位置见图1,其中1号、3号、7号,8号,10号,14号处于荒地,受农田灌溉影响小,TN浓度不受退水影响较稳定。2号、5号、6号,8号,11号都处于农田中,沟渠较多,TN随灌溉排水下渗量也较大,TN浓度也较大。4号位于退水沟道旁,TN浓度秋浇前后变化幅度较大。12号,13号在农田中,并有多条排水沟道经过,受秋浇影响很大。以北场支沟为中心,同一断面观测井变化规律基本相同。
南北向观测井选取不同的地理位置布置。其中一部分离田地有一定距离,没有渠道经过,所布置的观测井没有退水影响时,TN变化很微小,各井TN含量相差很小,但秋浇后浓度增加。说明退水不止影响农田而对整个区域的地下水影响也较大。
2.3 试验区秋浇期N素残留与输出浓度变化动态
该试验区10月7日左四支渠灌水,10月15日关闭;10月15日人民渠灌水,10月28日关闭。在10月1、7、21、28日取样4次,取水点选在两条渠道和北场支沟,测定其NH3-N浓度。试验区秋浇期进出水量中NH3-NN含量变化动态如图6。
由图6所示,秋浇灌水量远大于排水量,灌溉水输入的NH3-N浓度在0.2 mg/L左右。排水NH3-N浓度与进水渠道NH3-N浓度相差0.44 mg/L。试验区退水汇入北场支沟,退水过程中,农田未被利用的NH3-N随排水迁移,排水中的NH3-N含量较大。由图6知,排水NH3-N的浓度与进水量、排水量都成反比例关系,灌水量越大,排水量也大,排水NH3-N浓度越小,反之依然。经计算10月28日NH3-N的排出量为37.64 kg,10月21日NH3-N的排出量为28.95 kg。可见灌水量越大NH3-N的排出量越小,土壤NH3-N残留与NH3-N随水渗入地下总量越大。10月1日没进行灌水,沟渠中的水为前几次灌水剩余,水量很小,沟道NH3-N浓度较大;10月28日为秋浇末期灌水量小,排水量很小,排水NH3-N浓度较大。
2.4 试验区秋浇期N素残留与输出量估算
秋浇为农作物收割以后,故农作物对N素吸收量忽略不计。秋浇时气温较低,忽略蒸发水量。农田中NH3-N在灌溉水中溶解后分为两部分,一部分随排水排出,一部分会残留土壤中与渗入地下水中。在农田各沟道及北场支沟取水样,测定NH3-N排水与灌水平均浓度差为0. 44 g/m3。
试验区秋浇输入水量为0.99 m3/s,灌溉延续时间为20 d,则秋浇期NH3-N存在试验区的总量为752.7 kg。
试验区秋浇期平均排水流量为0.14 m3/s,排水延续时间为25 d,则秋浇期NH3-N输出量为133.1 kg。土壤NH3-N残留与NH3-N水渗入地下水总量估算值为752.7-133.1=619.6 kg。土壤NH3-N残留与NH3-N水渗入地下水总量是地表排水的6倍。可知,N素流失量大部分损失于土壤NH3-N残留与NH3-N水渗入地下水,所以对土壤和地下水的污染较严重。
3 结果与讨论
由上分析可知,秋浇期试验区N素流失的途径主要是随农田退水流失和随灌溉水下渗流失。
(1)秋浇后沟道水中TN、NH3-N浓度明显增大。
(2)沟道周围地下水TN浓度变化明显,沿退水方向地下水TN浓度逐渐增大。
(3)整个试验区受秋浇影响地下水TN浓度增大,农田变化较大,荒地变化较小。以北场支沟为中心,同一断面观测孔变化规律基本相同。
(4)灌水量与排水中的NH3-N浓度呈反比,灌水量越大排水NH3-N浓度越小,残留农田环境中的NH3-N量越多。
(5)通过计算N素流失量:土壤NH3-N残留与NH3-N随水渗入地下水的总量是地表排水的6倍。
摘要：为了揭示农田灌溉过程中N素流失的原因以及对水环境的污染,以内蒙河套灌区北场试验区为研究对象,在田间试验结果分析的基础上,研究了秋浇退水前后农田排水N素流失的影响因子及其规律,分析了N素流失的过程。试验结果表明,灌水量、沟渠分布,地形地貌是农田N素流失的主要影响因素;N素流失对地表水与地下水环境造成一定影响;得出了其在地上、地下水环境中的迁移规律:秋浇后沟道水中TN、NH3-N浓度明显增大,沟道周围地下水TN浓度变沿退水方向逐渐增大。初步估算出试验区的NH3-N流失量、NH3-N残留量与输出量比例关系为6∶1。
关键词：秋浇期,氮素流失,水环境
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河套灌区 篇9
内蒙古河套灌区属于干旱半干旱地区,年蒸发量是年降水量的15倍,有限的降水远远不能满足灌区作物生长对水分的需求,灌区一直是靠黄河水灌溉补给来维持农业生产的可持续发展。内蒙古河套灌区是我国重要的商品粮基地,春小麦是灌区主要的粮食作物之一。进入20世纪90年代,面对大力调整农业种植结构,提高农民收入的农业发展要求,以及水资源严重短缺的实际情况,使得调整农业种植结构这一问题引起了人们的更多关注。河套灌区单一的种植结构模式也开始向套种模式转变。套种与单种相比,经济效益明显提高。近年来,粮食作物与耗水量比较少的经济作物的套种模式(主要是小麦套种向日葵)在灌区得到大面积推广与普及。
1 试验区及试验设计
1.1 试验区概况
田间试验在河套灌区社会经济基础条件比较好的临河区治丰试验站进行。试验区为典型大陆性气候区。无霜期短、温差大、降水稀少、蒸发强烈、夏季短促温热、冬季漫长寒冷。试验区种植模式为河套灌区农民普遍采用的春小麦套种向日葵,小麦带幅2 m,种植20行;向日葵带幅1.8 m,种植4行,宽行距65 mm,窄行距43 mm,亩留苗1754株,小麦带和向日葵带间距25 mm。小区长度15.7 m,宽度9 m,面积141.3 m2。作物播种时间及作物品种采用当地正常播期及常规品种,小麦:永良四号,3月28日播种;向日葵:杂交品种,抗逆性强,产量高,品种型号LD909,5月1日播种。
1.2 试验设计与方法
春小麦套种向日葵全生育期内共灌3次水,根据当地来水时间,试验田每次灌水由带水表的水泵从渠道内抽水定量灌溉,灌水日期分别为5月15日、6月1日、6月11日。不同试验处理每次灌水水平分别为75,90,105,115,120 mm。土壤水分由埋深为1 m的TDR监测,每周观测一次,灌水前后及较大降雨后加测。地下水埋深由观测井观测,每周观测一次,灌水前后及较大降雨后加测。
1.3 作物测产
小麦测产。在各小区选取典型1 m2×2样点,单独收获,晒干脱粒测产。同时在各试验处理小区选取具有代表性的50 cm典型样段带回室内进行考种。考种指标有穗长、穗粗、有效小穗数等穗部性状及穗粒数、千粒重等产量构成因子。
向日葵测产。在各小区选取典型1 m2×4样点,单独收获,晒干脱粒测产,最终换算成亩产量。
2 套种模式下的作物水分生产函数
2.1 水量平衡
作物生育期内的水量平衡式可写成:
式中:ΔW为土壤水分变化量,mm;I为灌水量,mm;P为降水,mm;G为地下水补给量,mm;D为土壤水渗漏量,mm;ETc为作物实际蒸发蒸腾量,mm;R为田面径流,mm。
据式(1)可以得出,当灌水量、降水量、地下水补给量、土壤水渗漏量和土壤水变化量已知时就可确定作物的实际蒸发蒸腾量。其中灌水量、降水量和土壤储水变化量通过田间试验实测。地下水补给量和土壤水渗漏量通过土壤水动力学原理计算确定。
2.2 灌水量与小麦套种向日葵总产量的关系
在河套灌区,没有灌溉就没有农业,灌溉与作物产量密切相关。在灌区降雨和自然地理条件一致时,小麦套种向日葵总耗水量和总产量之间的关系较大程度上可以用灌水量或耗水量与产量之间的关系反映出来。
灌水量对套种作物产量的影响可以分成两种情况,一种是两种作物总产量由于灌水量不足存在一定程度的亏损,另一种是有限的水资源在小麦与向日葵套种模式下的分配方式。在研究区域现行灌溉制度条件下,针对小麦-向日葵套种模式,最佳灌水量与产量之间的关系可以通过水资源投入与产量关系来确定。根据田间试验条件,在两种作物整个生育期内,只有灌水量是变量,其他资源例如:田间管理方式、气象等外界不可控制因素对所有的试验处理都是一致的。
套种作物总产量和作物生育期内的总耗水量大致可以表示为线性和非线性两种关系:
大量研究表明,只有灌水量在一定范围内变化时,Y随ET呈线性增加,当Y增加到一定水平后,再增加灌水量对产量的增加并没有促进作用,而是应该采取其他农业措施来提高作物总产量。
在分析整理灌水试验资料的基础上,通过对套种作物耗水资料的分析得出,抛物线关系比较符合实际情况。用最小二乘法拟合的水分生产函数模型y=ax2+bx+c能够较好地表达灌水量与两种作物总产量之间的关系,因此采用式(3)所表达的小麦套种向日葵水分生产函数模型比较合理。
2.3 水分利用效率
水分利用效率(water use efficiency,WUE)表达形式有如下几种,一是用作物耗水量(ET),这是普遍所指的水分利用效率;二是用灌溉水量(I),这是指灌溉水利用效率;三是用天然降水(P),这样得到的是天然降水利用效率。春小麦套种向日葵水分利用效率可表示为:
式中:WUE为小麦和向日葵水分利用效率;Y为小麦和向日葵总产量;ET为小麦和向日葵在全生育期内耗水量;I为小麦和向日葵在生育期内灌水量。
2.4 小麦套种向日葵边际效益
在灌溉农业生产中,水的边际效益,是指在其他影响作物生长因素不变的情况下,给作物增加一单位水的投入,给作物生产带来产值的增加量。边际值MC是边际函数曲线的倒数,即:
式中:MC为边际效益;ΔY为产值变化量;ΔX为投入要素变化量。
在农业生产中,根据经济学理论,假设以水作为灌溉试验投入要素,随着用水量的增加,水的边际效益是递减的。
净收益是以价值形式表现的总产量与资源用量之间的关系,即:
式中:P为净收益,元;R为总产值,元;C为资源消耗价值,元。
求净收益最大时的灌水量或耗水量的目标函数为:
对式(7)求一阶倒数,并令其等于0,得到:
3 河套灌区春小麦套种向日葵灌溉试验
春小麦套种向日葵灌溉试验研究资料以2008年田间实测资料为基础。
根据公式(1)的分析,结合灌区实际情况,在小麦套种向日葵作物生育期内,当降雨量、灌溉水渗漏量、地下水补给量和土壤水储存量已知时,作物需水量是随着灌水量的变化而变化的。通过对资料的整理,分析了研究区域当前比较典型的灌溉制度条件下,春小麦套种向日葵作物耗水量与总产量的关系,列于表1。
由试验结果可以显示,当耗水量由340.55 mm增至542.95 mm时,春小麦套种向日葵两种作物总产量呈递增趋势,即在其他生产要素大概一致的条件下,增加灌水量,提高作物耗水量,可以实现作物高产的目标。当作物耗水量增加202.40 mm时,产量增加96.74 g/m2。随着目前水资源短缺形势的加剧,更关注的是如何提高单方水的利用价值,在提高作物总产量的同时尽可能提高单方水粮食生产率,以尽可能少的水资源消耗量产生更大的经济效益。
根据表1统计分析资料,将试验数据运用最小二乘法原理进行数值曲线拟合,求得研究区域春小麦套种向日葵水分生产函数(Y-ET)关系、水分利用效率(WUE-ET)关系、边际产量(ΔY/ΔET-ET)关系,见图1、图2和图3所示。
根据图1数值曲线拟合结果,获得小麦套种向日葵水分生产函数的数学表达式如下:
对式(10)式求一阶倒数,求得研究区域灌溉条件下最大产量为680.46 g/m2时的作物耗水量为620.53 mm和相应的水分利用效率为1.26 kg/m3。
4 结果分析
4.1 产量与耗水量关系分析
(1)春小麦套种向日葵耗水量ET和产量Y及边际产量ΔY/ΔET的关系。
从图1、图3可以看出,在研究区域灌溉条件下,随着灌水量的增加,春小麦和向日葵的总产量也逐渐增加,并呈二次函数关系。由抛物线理论知识分析可知,当耗水量达到620.53 mm时,产量达到最大值为680.46 g/m2。同时,从表1还可知,当灌水量由412.35 mm增至434.84 mm时,产量仅增加26.09 g/m2,相应的边际产量为1.16;当灌水量由434.84 mm增至479.82 mm时,产量减小14.36 g/m2,相应的边际产量为-0.32。对河套灌区研究区域春小麦套种向日葵典型灌溉制度进行分析,从提高产量与边际产量考虑,推荐的灌溉水量应以434.84 mm为宜。
(2)耗水量ET与水分利用效率WUE的关系。
从图2可以看出,水分利用效率与耗水量的关系也近似呈二次函数关系曲线。在灌溉水量较小的情况下,水分利用效率值较大,当灌水量达到344.89 mm时,水分利用效率达到最大,为1.45 kg/m3。显然,从提高水资源利用效率角度,春小麦套种向日葵总的灌溉水量以达到344.89 mm为宜。而产量是当灌水量为412.35 mm时的91.64%,是灌水量为434.84 mm时的88.07%,是灌水量为479.82 mm时的90.00%。
(3)春小麦套种向日葵作物产量与水分利用效率的关系。
从图1、图2可以看出,当总耗水量由340.55 mm增至542.95 mm时,春小麦和向日葵总产量由476.77 g/m2上升到655.21 g/m2,但是水资源利用效率却呈先增长然后下降的趋势。由1.40增加到1.45,然后下降到1.21。说明两种作物总产量与水资源利用效率并非同步变化,二者存在差异。当水资源利用效率处于较高水平时,春小麦和向日葵总产量远未达到最大,例如水分利用效率较高时,作物产量只有589.66 g/m2,距最高产量相差约90.80 g/m2,说明这时水资源投入潜力尚未充分发挥。
在生产实践中,若以资源利用效率指标最高为追求目标,必然造成水资源的隐性浪费。而如果单纯追求产量目标却忽视灌溉水利用效率,同样会造成灌溉水利用不经济。因此,应以全流域或全灌区为研究对象,以水资源利用效益为目标,确定水资源的最佳利用准则。
4.2 春小麦套种向日葵灌水边际效益分析
由前述分析可知,虽然边际效益Mc=0时的方案是最优方案,但不是最经济方案,当水量投入增加的产出大于或等于水量投入本身的价值时,即边际收益不小于边际成本时的方案是经济方案。
根据研究区域实测和调查资料,分析小麦套种向日葵灌水的边际效益,见表2和图4所示。
从表2和图4中可以得到以下几点认识:
(1)随着灌水量的增加,春小麦套种向日葵灌水的边际效益是递减的,从1.11减小到0.13,当灌水量增至479.82 mm时,灌水的边际效益已经成为负值。
(2)对于边际成本,当试验田其他投入要素一致,只有灌水量是变量时,且水价恒定,所以边际成本不变,为定值0.10元/m3。
(3)当灌水量为434.84 mm时,边际效益接近边际成本,此时净收益约达到最大,为10 869.3元/hm2,毫米灌水净收益为25.05元/hm2。如果继续增加灌水量,小麦套种向日葵的净收益将减小,当灌水量增至边际效益小于边际成本时,成本的增加大于收入的增加,由增大灌水量所带来的净效益是亏损的。
(4)边际收益最接近边际成本时的灌水量为434.84 mm,较产量最大时的灌水量543.4 mm节约用水108.56 mm,对比产量最大时的灌水量和边际效益接近于边际成本时的灌水量可以看出,每毫米灌水产量由1.25 g/m2增加到1.54 g/m2,每毫米灌水净收益由20.7元/hm2增加到25.05元/hm2,水分利用效率提高0.09 kg/m3,产量仅降低10.89 g/m2。
通过以上对春小麦套种向日葵灌水试验产量、耗水量和水分利用效率的分析可知,春小麦套种向日葵灌水的最佳效益点并非水分利用效率最高点和产量最高点,春小麦套种向日葵灌水的经济合理区间存在于水分利用效率递减到产量达到最高的生产阶段。对河套灌区小麦套种向日葵而言,水资源利用的最佳效益点即产量、水分利用效率和净收益达到有效统一的灌水量也一定存在于这一区间。
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