水肥資源高效利用（簡體書）

《水肥資源高效利用》圍繞農業生產條件變化下農田水分養分運移及其產量環境效應，以節水、省肥、高產、減排、控污為目標，闡述了近些年南方灌區水肥高效利用及環境效應試驗與理論研究成果，提出了集田問節灌控排一溝渠塘堰濕地生態處理一排水再利用于一體的水肥高效利用與減排控污技術體系及其多目標適應調控方法、農業面源污染物控制與排水再利用技術等。以上方法、技術經灌區多年應用，得到了復雜條件下農田水肥運移及流失規律、不同尺度水分氮素利用效率與稻田水肥管理臨界指標等實用性成果，發展了農業水資源高效利用理論，為現代灌區規劃設計與水肥管理提供了依據。
《水肥資源高效利用》可供農業水利、資源環境、系統工程及管理科學等領域科研、教學、工程規劃設計與管理人員及大專院校相關專業師生參考。

前言
第1章　綜述
1.1　水肥資源利用現狀
1.1.1 農業水資源利用現狀
1.1.2　化肥利用現狀
1.1.3　農業面源污染現狀
1.2　水肥利用研究進展
1.2.1 水肥耦合灌溉研究進展
1.2.2　控制排水研究進展
1.2.3　排水再利用研究進展
1.2.4　農業面源污染研究進展
1.2.5 農業水資源系統分析研究進展
1.3 水肥資源高效利用技術體系
1.3.1 水肥資源高效利用內涵與特征
1.3.2 水肥資源高效利用關鍵技術
1.3.3 主要成果與結論

第2章　水肥資源高效利用理論基礎
2.1　水平衡原理
2.1.1 水量平衡方程
2.1.2　區域水平衡匡算
2.2　氮平衡原理
2.3　水肥耦合灌溉技術
2.3.1 水肥耦合效應
2.3.2 水肥耦合灌溉技術
2.4　控制排水技術

第3章　水肥利用試驗區概況與設計方法
3.1　漳河水庫灌區基本情況
3.1.1　地理位置
3.1.2　漳河水庫概況
......;
第4章　坡地農田氮、磷運移流失試驗
第5章　稻田節灌控排下水肥運移及產量效應試驗
第6章　稻田氮平衡模擬模型及其利用效率
第7章　水肥耦合下水稻生長模擬模型及效應
第8章　稻田排水模擬模型及水氮流失分析
第9章　稻田水肥高效利用灌排綜合調控模擬
第10章　稻田水肥高效利用多維臨界調控模式
第11章　農業面源污染模擬模型
第12章　生態溝渠修復技術
第13章　灌排-濕地系統生態處理技術
第14章　農田排水再利用模式及效應
參考文獻
彩圖

第1章 綜 述
本章闡述我國水肥資源利用現狀，分析水肥耦合灌溉、控制排水、農業面 源污染及水資源系統分析等方面的國內外研究發展趨勢，指出農業水肥資源高 效利用的內涵特征及其對';資源節約型與環境友好型';社會建設的作用，構建 農業水肥資源高效利用理論技術體系，綜述近些年主要研究成果與結論。
1.1 水肥資源利用現狀
1.1.1 農業水資源利用現狀
灌溉是保證農作物穩產高產的重要途徑。我國是一個農業大國，現已建成 萬畝以上灌區 6414 處，農田有效灌溉面積達 0.58 億 hm2，占世界總量的 20%， 居世界首位。在占全國耕地面積 48%的灌溉面積上生產了占全國總量 75%的糧 食作物和 90%以上的經濟作物。但農業水資源十分短缺，耕地畝均水資源量僅 28 500m3/hm2，是世界平均水平的 4/5。我國以占全球約 6%的淡水資源和 9% 的耕地，生產了世界 19%的谷物、49%的瓜果蔬菜和 19%的水果，保障了占全 球 21%的人口的溫飽和經濟發展。農業灌溉對保障糧食安全和國家安全發揮了 極其重要的作用。
近些年，隨著國家對節水型社會建設的重視，產業結構和農業種植結構的 調整以及節水灌溉技術的普及推廣，我國農業節水灌溉面積已占全國有效灌溉 面積的 36%，灌溉水利用率提高了 10%左右，灌溉用水量占全國總用水量的比 例已降至 65%左右。在耕地面積不斷減少條件下，依靠用水效率的提高以及農 業種植結構與方式的調整等多種因素作用，全國糧食總產量由1983年的3.8728 億 t 增加到 2010 年的 5.4641 億 t。
但隨著城市化的快速發展，日益增強的人類活動所導致的用水需求在繼續 增長，干旱與洪澇等極端氣候變化頻繁，水環境惡化與水生態退化趨勢依然存 在，這使得我國本已嚴峻的農業水資源供需矛盾變得更加尖銳。近 20 年來， 海河、黃河、淮河流域水資源總量分別減少了 25%、10.1%和 8.7%。我國每年 受旱面積達 2000 萬～2700 萬 hm2，約 670 萬 hm2灌溉面積得不到灌溉；在全國 每年所缺的約 400 億 m3水量中，農業缺水量達 300 億 m3。
受灌溉技術落後、管理粗放等因素影響，我國農業用水總量所占比重(65% 左右)仍遠大于發達國家，如法國農業用水只占總用水量的 42.5%，美國占 48.7%。而且，我國灌溉用水效率相當低，灌溉水利用系數不足 0.5，水分生產 率僅 1kg/m3左右，而先進國家農業灌溉水利用系數達 0.7～0.8，水分生產率達 2kg/m3，以色列更高達 2.35kg/m3。大量灌溉和降雨的余水被當做廢水而不加利 用即排出農田，形成農田排水流入溝道、河湖，既增加了農業灌溉生產成本， 且加重了區域防洪排澇負擔，最終匯入大海、沼澤、咸水體或其他無法利用或 不易利用的區域，造成嚴重的淡水資源浪費。如果農田排水能夠為灌區內下游 農田或下游灌區所用，則將節約 37%左右的灌溉水。
因此，合理地控制灌溉，優化調配降水、土壤水、地表水與地下水等多種 水源，實行排水再生利用，大力提高農業灌溉用水效率，對緩解農業水資源危 機具有重要意義。深入開展農業節水理論和技術的研究與推廣，提高灌溉水利 用效率，將是我國農業水資源管理中面臨的一項長期艱巨任務。
1.1.2 化肥利用現狀
肥料是農業生產的基本要素和提高作物產量的有效措施。1961～2001 年的 40 年間，世界化肥用量從 0.31 億 t 增長到 1.38 億 t，同期糧食總產量從 8.77 億 t 增加到 21.06 億 t，單位面積產量從 1.35t/hm2增加到 3.11t/hm2，施用每公 斤化肥增產糧食 5～10kg。由此可見農業施肥對保證世界糧食安全發揮了極其重 要的作用。
2010 年，我國化肥產量達到 6620 萬 t，化肥使用量 4124 萬 t，化肥總產 量和消費量均占世界 1/3 以上；單位面積農用化肥施用量 434.3kg/hm2，是國際 公認的化肥施用安全上限 225kg/hm2的 1.93 倍。我國在占世界 9%的耕地上以 消費世界 35%的化肥保證糧食作物的增產。試驗表明，合理的氮、磷、鉀化肥 配合，可使水稻增產 40.8%，玉米增產 46.1%，小麥增產 56.6%，棉花增產 48.6%， 油菜子增產 64.4%；每公斤氮肥可增產稻谷 9.1kg，小麥 10.0kg，玉米 13.4kg； 每公斤磷肥可增產稻谷 4.7kg，小麥 8.1kg，玉米 9.7kg；每公斤鉀肥可增產稻 谷 4.9kg。化肥對我國糧食增產的貢獻率在 40%左右。隨著對資源約束進一步 加劇，維持一定的化肥投入和科學施肥，對保持種植業穩定發展，促進農業增 產、農民增收和農村經濟持續增長，具有不可替代的重要作用。
但是，氮、磷、鉀化肥總用量很大，化肥利用率卻仍然偏低，肥料投入品 種結構不合理，施用方法粗獷等一直是我國農業生產中面臨的主要問題之一。 當季氮肥利用率僅 35%、氮素化肥的損失高達 45%；農田磷肥利用率 10%～ 25%，低于發達國家 15%～20%。這不僅造成化肥資源浪費，還加重了水環境 污染的負荷。據調查，過量氮、磷的輸入是導致我國 50%以上湖泊富營養化的 主要原因。山東南四湖來自農田的氮、磷分別為 35%和 68%；巢湖來自農田的 氮、磷分別為 33.1%和 40.3%，TP、TCl 濃度平均高達 0.185mg/L 和 2.76mg/L， 分別超標 6.4 倍和 8.2 倍。
2005 年，我國針對部分地區過量施肥、盲目施肥、化肥利用率偏低等問題， 啟動實施了測土配方施肥補貼項目，推廣面積達 11 億畝以上，每畝平均增產 糧食 6%～10%，減少不合理施肥 1～2kg，對促進糧食穩定增產、農民持續增收 和農業節能減排發揮了重要作用。今後相當長時期內，我國農業發展仍將依賴 于化肥消費的增長。以無機肥料為主，充分利用有機肥料是我國農業生產的根 本出路。如何結合灌溉、施肥，充分利用有機養分，實現地區間、作物間與養 分間的施肥平衡，節約肥料資源，提高施肥效益與作物品質，減少環境污染風 險，則是我國農業生產中面臨的一項艱巨任務。
1.1.3 農業面源污染現狀
不合理地施用化肥，容易導致部分未被利用的氮、磷等化學元素通過地表 徑流、地下淋溶進入水體，由此形成農業面源污染。受農業生產活動的廣泛性 和普遍性影響，農業面源污染已被認為是目前水體污染中最大的問題之一。在 美國，農業面源污染占環境污染總量的 66.7%，約 40%的河流和湖泊水體質量 不合格是由農業面源污染引起。瑞典不同流域來自農業的氮占流域總輸入量的 60%～87%。芬蘭有 20%的湖泊水質惡化，其中，農業面源排放的磷和氮占各種 污染源排放總量的 50%以上。此外，農業面源污染還是造成地下水污染和濕地 退化的主要因素。歐洲地下水硝酸鹽污染的首要來源是農業面源污染，而農業 面源排放的磷為地表水污染總負荷的 24%～71%。
在我國農業生產活動中，施撒過量化肥、使用劇毒農藥、將不可降解農膜 棄于田間、露天焚燒秸稈、隨意堆放大型養殖場禽畜糞便等落後生產管理方式， 是導致農業面源污染的重要因素。據統計，目前我國 60%～80%的河流和湖泊富 營養化問題都是由農業面源污染造成的，太湖流域農業面源排放的 TP、TN 分 別占其總排放量的約 20%和 30%。在中國環境與發展國際合作委員會 2004 年 年會上，中外專家指出我國農民濫用化肥和農藥(尤其由其引起的氮污染)已嚴 重危害到人體健康和環境質量，其農業面源污染影響了農業的可持續發展，但 尚未找到如何在短期內解決農業面源污染的行之有效的方法。國際合作委員會 農業面源污染控制課題組研究得出：我國氮肥施用量的一半在被農作物吸收之前就以氣體形態逸失到大氣中或從排水溝渠流失到水體環境中。其中，累積于 飲用水源特別是井水中的化肥和農藥直接威脅到人民的健康，并引起湖泊、河 流的富營養化，導致水藻瘋長、赤潮以及魚類等水生動物因缺氧而數量減少甚 至死亡。
';九五';以來，我國開展了大規模的水環境保護與水污染治理，環境污染 治理投資占 GDP 比重從 2000 年的 1.02%提高到 2008 年的 1.49%，';十一五'; 期間環境污染治理投資已達 6400 億元，但主要集中在城市點源污染防治上， 對農業面源污染治理投入甚少。
隨著點源污染的治理及其負荷的下降，面源污染治理開始受到關注。但是， 現有農業面源污染的治理模式，仍是參照點源污染的治理模式，試圖通過建設 一些河口、河岸地帶示范工程獲得成效，效果并不理想。受農業面源污染產生 于區域乃至流域的影響，區域或流域內不同地點上發生的面源污染負荷強度因 降雨、土壤類型、土地利用類型和地形條件而變化。區域或流域內農田、畜禽 養殖業、城鄉結合部污染物類型不同，因此農業面源污染控制模式與技術應存 在差異，需要對區域甚至流域內各類型水源涵養地的污染源總量控制進行統一 規劃布局與綜合治理。
為此，近些年國家雖然制定了不少農業環境方面的污水排放法規和技術標 準，但大多數標準依然停留在污染物的末端控制上，缺少面向面源污染控制的 灌區農作物種植結構與技術標準、畜禽場農田最低配置標準以及固液廢棄物監 管規定，使得一些地區單位面積農田上的農村人畜排出有機氮、磷養分承載量 已分別達到 1000kg/hm2和 600kg/hm2，嚴重威脅到水域水環境健康。如何科學 規劃農業種植結構與水肥耦合灌溉利用方式，將農村土地利用規劃與灌區節水 改造規劃、水肥綜合管理、生態環境保護等有機結合，從田間.灌區.流域不同 層面上建立農業面源污染控制體系與減排模式，則是今後農業面源污染防治中 需要解決的重要現實問題之一。
1.2 水肥利用研究進展
1.2.1 水肥耦合灌溉研究進展
水和肥是影響作物生長與產量、品質的重要因子。20 世紀 50 年代以來， 世界各國建立了許多灌溉試驗站和土壤肥料試驗站，分別開展了許多';三水';、 ';四水';轉換及溶質運移、作物需水量與節水灌溉、施肥技術與養分利用等試驗研究，取得大量研究成果。然而，受專業、管理體制與運行機制等復雜因素 影響，現有研究成果大多是針對水和肥獨立展開的。實際上，水分和養分對作 物生長的作用不是孤立的，它們之間存在明顯的相互作用。在農田系統中，水 分和養分之間、各養分之間、作物與水肥之間這種相互激勵的動態平衡機制及 其對作物生長發育和產量形成的影響機理，一直是水肥耦合效應的研究重點。
研究表明，不同水肥耦合灌溉調控方式條件下氮、磷元素的運移轉化及化 肥流失規律差異明顯。據調查，由于施肥、灌排方式不當，30%～70%氮肥經各 種途徑損失于環境之中，其中通過水循環損失的氮相當于氮肥施用量的 6%， 且隨著排水量的增大而增大。而節水灌溉模式(如間歇灌溉、濕潤灌溉)可使稻 田滲漏量降低 30%～70%，使氮、磷元素的流失量大幅度減少。濕潤灌溉可比 充分灌溉減少總氮流失量 35.09%～54.22%。中、低氮處理的總氮損失量比高氮 處理減少 0.59%～23.22%。但稻田節水也會對農田生態環境帶來一些不利影響， 如間歇灌溉下，當土水勢低于?10～?20kPa 時，會引起土壤嚴重滲漏，稻田土壤 物理性狀發生改變；水稻旱種等一些使稻田偏旱的高效節水灌溉技術，可能導 致土壤肥力下降；稻田干濕交替灌溉下更易引起氮素揮發，同時導致近地面大 氣的水、熱狀況變異，稻田周圍生物多樣性變化，旱作稻田還引起病蟲害的加 劇，N2O 排放量增加等。因此，深入研究不同地域氣候、土壤和作物條件下水 肥耦合灌溉對農田水分養分運移流失的影響機制及其空間變異特性，優化調控 復雜條件下的區域水肥運移流失過程，減少農業面源污染，提高水肥資源利用 率，已成為最具前景的研究方向之一。
在水肥耦合灌溉條件下，適度的水分虧缺可以使作物更有效地利用深層土 壤的水分，減少無效耗水，提高水分養分利用效率，維持較高的產量。例如， 淺濕灌溉可以提高水稻吸收利用氮素養分的有效性，而在間歇灌溉下高氮可以 大幅度提高水分生產率和水稻產量，同時使氮肥利用率提高 5.17%。但施肥水 平與方式也會影響作物養分利用效率與作物產量。不施氮時植株的吸收效率、 利用效率與作物產量呈顯著相關；高氮情況下則只有氮利用效率與作物產量的 相關性顯著。稻田氮肥深施 6～10cm，能減少無固氮能力的藻類在田面滋生， 誘使稻根深扎，增加其根系活力，擴大根系營養面積，提高氮肥利用效率 50% 左右。但是，傳統的能量平衡估算方法以及在充分濕潤條件下獲得的作物系數 并不適用于非充分濕潤條件下的作物需水量估算與水肥高效利用管理。為此， 人們一直試圖建立高效用水和精準灌溉條件下的作物需水量計算模型與水肥 一體化管理模型。迄今，已建立基于彭曼.蒙蒂斯公式的水分脅迫下不同作物 種類參數化模型，水分限制條件下的ORYZA_W模型，養分限制下的ORYZA_N 模型，水分養分一體化管理的 ORYZA 2000 模型，以及引入肥料因子構造了水肥生產函數的 Jensen 模型和人工神經網絡模型等；并對作物產量動態變化與水 肥相互關系、季節蒸發、蒸騰量和水分利用率的關系、邊際水利用率和水生產 彈性指數、節水灌溉條件下稻田的氮經濟和水分生產率等進行了研究，提出了 淺濕溥曬灌、交替灌溉、調虧灌溉等不同作物水分調控模式，以及底肥、種肥、 追肥、深施肥、測土配方、適量施肥等肥料管理模式。
然而，現有的一些水肥耦合模型，基本上是以水分和肥料為自變量，以 產量為因變量建立的二次回歸方程。這種模型的優點是所需的實驗數據比較 簡單，只要試驗設計完善、數據可靠，模型也容易建立，但缺點是模型通用 性不強。此外，在目前所建立的水肥耦合模型中，作物最佳施肥量的確定主 要以作物產量和經濟效益為指標，肥的因素一般主要考慮施肥量，忽視了土 壤基礎肥力因子的影響。而作物從土壤中攝取的養分占 50%以上，若不考慮 土壤供應養分的情況，得出的水分和肥料的耦合模型就缺乏共性，難以在不 同肥力水平的田塊上推廣應用。今後除進一步考慮建立作物產量與土壤水分 養分的非線性響應關系模型外，還應綜合考慮土壤植物系統內的質流、蒸騰、 光合、同化作用及其環境效應，建立作物生長機理模型與農田生態系統模擬 模型，根據模型計算不同土壤水分、養分、生物作用條件下的作物產量及其 環境響應規律。近些年來，隨著人們對作物品質與生態環境保護的不斷重視， 國內外開始關注化肥使用對水土環境及農產品品質的影響，并根據不同地區 養分狀況和不同作物需肥規律，以土壤地力定位監測點測定數據為依據，研 究建立各種農作物優質高產的標準施肥體系。但總的來說，施肥對農田生態 環境的影響以及農產品品質方面的研究還不多見。今後，水肥耦合灌溉技術 將與節水高效作物栽培技術相結合，進一步研究不同區域、種植制度、地力 基礎和水資源狀況下主要作物農田養分供應與利用模式、不同水分條件下能 獲得最高水分利用效率的水分與養分最佳參數組合技術；適應不同節水灌溉 方式下作物根區水分養分遷移、轉化和吸收的動力學過程的作物根際水肥耦 合循環與調控模型技術，獲得以提高水肥耦合利用效率為目標的田間水肥耦 合灌溉技術參數的最優組合技術等。
農業節水潛力及其水肥流失尺度效應是當前研究的熱點和難點問題之一。 研究表明，在農田尺度上的節水潛力和水分養分利用效率與灌溉系統及流域尺 度上的節水潛力和水分養分利用效率并非完全一致。內蒙古河套灌區干渠、支 渠、斗渠、農渠渠道全部防滲後，渠系水利用系數可由 0.42 提高到 0.7，灌溉 水利用系數由 0.35 提高到 0.6，但去掉渠水蒸發、尾水排泄、渠旁側滲潛水蒸 發後，補給地下水水量甚微。埃及某灌區經多年調查與試驗發現田間灌溉效率 只有 40%～50%，但由于水在系統內部的重復利用使整個系統的灌溉效率接近
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