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中国农业大学严海军教授访问美国农业——密西西比州Delta地区农业灌溉情况分享

发布时间:2016年08月26日来源:灌溉网 作者:严海军

导语:2016年7月31日-8月6日,应美国农业部农业研究组织(USDA-ARS)东南区主任Dr. Brennan女士的邀请,笔者访问了USDA-ARS东南区总部及几个所属研究所:作物生产系统研究所(密西西比州Stoneville)、基因和可持续农业研究所(密西西比州Starkville)、水管理研究所(阿肯色州Jonesboro)、作物系统与水质研究所(密苏里州Portageville和Colombia),与灌溉专家Riuxiu Sui和Earl Vories、土壤物理专家Gary Feng、土壤化学专家Ardeshir Adeli、农艺专家Joseph Massey和Haile Tewolde、水文专家Michele Reba、气候专家Edward John Sadler等科学家进行了深入交流,对美国密西西比州、阿肯色州、密苏里州的农业灌溉情况有了初步了解。现将访问过程看到的密西西比州Delta地区农业灌溉情况以及与美国专家交流最新灌溉研究进行了简单梳理,介绍给大家。

文/中国农业大学水利与土木工程学院 严海军院长

图1 行程路线图

图2 与美国同行交流中国圆形喷灌机水肥一体化研究进展

密西西比州Delta地区概况

密西西比州Delta地区位于美国密西西比州西北部,是密西西比河(西侧)和亚祖河(东侧)洪水形成的冲击平原。密西西比州Delta土地平坦肥沃,有320公里长,112公里宽(最宽的地方),形成181.3万公顷的冲击平原。美国南北战争时期是全美最大的棉花种植面积。Delta地区降雨丰富,年降雨量达1100-1500毫米,但5~7月份降雨量仅占30%左右,无法满足作物生育期的需水要求,由于降雨时间不均匀分布,补充灌溉往往成为满足作物水分需求、获得作物高产的必要手段。

图3 密西西比州地图(阴影区为Delta地区)

密西西比州超过80%的作物种植在密西西比Delta地区,目前主要种植的作物有棉花、大豆、玉米和水稻。密西西比河是三角洲地区地下水的主要补给源,当地农民通过抽取地下水进行灌溉和鲶鱼养殖。根据亚祖-密西西比河水资源联合管理委员会2010年统计,棉花、玉米和大豆的灌溉面积分别占三种作物种植面积的60%左右,水稻100%进行灌溉。据估计,Delta地区水稻灌水量达到606立方米/亩,约为其他几种作物的6倍。由于地下水大量开采,密西西比Delta地区的地下水位较过去20年出现了明显下降,每年蓄水层透支3.7亿立方米。过量灌溉导致农田产生了大量径流,伴随着农田养分流入密西西比河,对密西西比河水质和生态环境产生潜在影响。

图4 对排水河道进行水质监测分析

现有灌溉方式

沟灌和喷灌(以圆形喷灌机为主)是密西西比州的主要灌溉手段,沟灌占全部灌溉面积的75%,其余是圆形喷灌机。根据亚祖-密西西比河水资源联合管理委员会2005-2009的统计资料显示,Delta地区85%的棉花和玉米、50%的大豆采用沟灌方式,圆形喷灌机灌溉面积占10%左右。Delta地区采用沟灌时,通过水泵抽取地下水,通过白色PE软管输送到田间,PE软管上打孔,出水顺着垄沟流进地里。由于局部地势不平坦,沟灌可能产生灌水不均、产生径流,而且灌溉效率不高。

图5 正在进行玉米沟灌

逐渐推广圆形喷灌机

据调查,应用圆形喷灌机灌溉玉米、棉花、大豆的灌水量分别是100、100和120立方米/亩,分别比沟灌省水55.9%、16.7%和25%,节水效果明显,而且灌溉效率总体提高50%以上。最近几年,USDA-ARS专家开始研究圆形喷灌机的变量灌溉技术,对圆形喷灌机灌溉面积内不同特性土壤进行分区,实现特定的灌溉或施肥,最终实现省水、省肥、增产的目的。这种技术适合于土壤空间变异大、同一地块种植不同作物、地势不平地块等场合。

图6 与Dr. Ruixiu Sui交流圆形喷灌机变量灌溉技术

优化设计沟灌输水软管

总体而言,沟灌是密西西比州Delta地区最主要的灌溉方式,如何提高沟灌灌溉效率、减少灌水量受到普遍关注。USDA-ARS和密西西比州立大学专家联合开发了管网优化设计工具PipePlanner(www.pipeplanner.com)帮助农民优化软管设计,可以调整孔口间距和孔口尺寸,田间应用表明,可省水20%-50%,而且应用间歇供水可以提高灌溉效率。

研究制定作物灌溉制度

访问中了解到,美国农民也最关心什么时候灌溉和每次灌多少水。但是,当地农民灌溉时仍普遍依靠经验。根据USDA-NASS的调查,密西西比州、阿肯色州以及路易斯安娜州不足5%的农民在田间安装土壤水分传感器,绝大部分农民采用目测(约50%)和用手感觉(约20%)土壤水分状况决定是否需要灌溉。尽管有许多灌溉制度的研究成果,而且在线工具还可以在网站查到,但使用的农民仍然寥寥无几。

一般而言,优化灌溉制度方法通过基于作物、土壤和气象条件三种方法。常用的研究方法是计算作物蒸发蒸腾量、测量土壤含水率,或两种方法结合来估算灌溉时间和灌水量。访问中发现美国农业部农业研究组织与密西西比州立大学的研究人员所采用的研究方法和手段与国内基本相同,但美国研究机构使用的测试仪器更为先进,测试指标更为齐全,试验数据更为全面。如在作物生产系统研究所的试验基地内共布置了三套涡度相关系统,除可以测定基本气象参数外,还可以测定农田二氧化碳和甲烷含量,在美国的每套售价达到12万美金,在国内极少有单位可以买得起。

图7 涡度相关系统

结语

通过考察密西西比州Delta地区,有几点思考:(1)美国圆形喷灌机的使用开始从中西部地区(内布拉斯加州、堪萨斯州等)向降雨更为充沛的中南部密西西比等州辐射。2000年以来,密西西比州地下水位的持续下降,引起政府、专家和农民的关心,开始推广圆形喷灌机、优化灌溉管道设计方法,以提高灌溉效率,以能增产、省水,这是圆形喷灌机面积不断扩大的主要原因。(2)过量灌溉可能引发的生态环境问题是研究热点。近年来,有关专家对过量灌溉和强降雨产生地表径流引发的农业面源污染非常关心,长期密切监测农田排水沟、河道内的水质变化情况。(3)圆形喷灌机变量灌溉技术研究逐渐兴起。最近五年,美国主要圆形喷灌机生产厂家、大学及研究所的相关专家开始开展变量灌溉技术研究,试图提供针对特定土壤、气候、作物等条件下的差异化灌溉或施肥方案,但与实际应用还有一定距离。(4)大学及科研机构应重视农业推广服务。美国各州立大学非常重视农业技术的推广,设置专门的推广岗位,设立由教授和技术人员组成的推广中心(Extension Center),专门帮助农民使用最新的农业节水技术。虽然我国也开始逐渐重视农业技术的推广,但是仍缺乏专业化的技术推广队伍,许多灌溉装备制造企业、灌溉工程公司缺少懂栽培的农艺师,否则“农机农艺结合”只能是句空话。(5)推广节水灌溉任重而道远。按理说,美国有优质的灌溉装备、先进的科研成果、专业的技术推广队伍,但是绝大多数美国农民还沿用习惯或经验进行灌溉,仍追求高产而忽略节水,并不按科学的灌溉制度进行灌溉,这点与中国农民类似。

转载请注明作者(中国农业大学水利与土木工程学院院长 严海军)及来源(灌溉网)

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