集水農業

西北地區（主要指黃土高原）是中華民族農業的發祥地，具有悠久的農耕文明。然而在農業文明發展的過程中，以雨養旱作農業為特徵的農業承載能力逐漸不能滿足人口日益增加所產生的需求，促使了不適當的農業生產方式的出現，導致了生態環境的極大破壞。儘管如此，西北地區仍然承擔著供養1億人口和我國中、東部的生態屏障的雙重任務。

西北地區乾旱少雨，水土流失嚴重，生態環境非常脆弱。除自然因素外，人類活動不當的干預，必定會在很大程度上加劇生態環境的脆弱化和惡化。如陡坡墾種、毀林開荒、超載放牧，使森林、草場資源遭到嚴重破壞，許多地區森林覆蓋率已減少到10%以下，土地失去了涵養水源的生態基礎，進而導致水土流失加劇、耕地肥力降低。該區降水和黃土自身的特點，加上四季多強風的氣候特點，引發了對農業和生態環境極其不利的摧殘作用，主要是嚴重的土壤侵蝕。半乾旱區65%以上的耕地為山坡旱地，頻繁的水土流失還造成土壤中有限的植物礦質養分大部分丟失，形不成穩定的、相對肥沃的表土層。而貧瘠的土壤對形成良好植被則極為不利。

對西北半乾旱地區農業生產而言，生態要素中最主要的是水資源，它對於作物產量的增加和穩定具有其它因素不可替代的作用。頻繁的乾旱和水土流失不僅制約著當地農業生產和社會經濟的發展，而且加劇了廣大農村的貧困程度。農村貧困人口90%以上生活在生態環境比較惡劣的地區。

由於西北半乾旱區黃土的基質條件與地形特點，水的地表徑流和滲流嚴重，因而表現出比相同降雨量地區更加乾旱，且時空分配極不均衡。水成為該區農林牧業生產和人民生活的限制性因素，也是該區生態治理最關鍵的要素。

面對貧窮落後、生態環境極其脆弱的西北農村，80年代中期，以趙松齡教授為代表的專家們就開始了集水型生態農業的研究。趙松嶺教授認為，“影響農業生產的主要生態因子不外乎光、溫、水、土，半乾旱地區光溫條件適宜，肥力可調，唯水分條件是限制農業生產最根本的因素。”實驗研究表明，在土壤水分含水量到達全年最低值之前每畝補充30 m3-60m3水，就可解決作物關鍵時期的需水，作物產量就可大幅度增加。以水窖儲雨水以備在需要時使用幾乎成為黃土高原農業補充灌溉的唯一來源。黃土高原半乾旱區的人民早有修水窖集雨水供人畜飲水的經驗和傳統，但農民根本沒有想到用水窖收集的雨水進行灌溉，更沒有認識到用這些水灌溉對農業生產的巨大作用。正是觀念的更新才使這種古老的水窖發揮出潛在的功能，如甘肅省的“121工程”、“集流補灌”工程，陝西的“甘露工程”、內蒙古的“112集雨節灌工程”、四川的“川北微水工程”等，使集水農業在西北地區迅速發展起來，被稱為“黃土高原農業上的一項革命性措施”，是使農業免於顆粒無收的關鍵和救急措施。

集水型生態農業的技術體系由三部分組成：集水工程子系統、農藝工程子系統和社會經濟與管理子系統，這3個方面互相銜接，組成完整的雨水集蓄利用系統。雨水彙集儲存，其目的是為了利用，而充分高效、經濟合理利用雨水是保證整個雨水集蓄利用技術體系取得最大效益的關鍵一環。在此基礎上，建立植被恢復體系，通過人工植被和自然植被的有機結合，以及調動農民的積極性，使其成為生態建設的主體，最終建立生態環境良好的農村生態環境，實現農業的可持續發展，這是集水型生態農業的另一個主要目標。截止到2000年底，甘肅省榆中縣共建成水窖82639眼，總容量172.77萬m3，集流面積593.7m2，實現節灌面積66687畝。2000年開始了退耕還林水窖建設試點，共修建水窖933眼，實現退耕還林面積2820畝。

甘肅省黃土高原半乾旱區包括隴東黃土殘塬丘陵溝壑區和隴中黃土丘陵溝壑區兩部分，總面積11.39萬hm2，地表水和地下水極其匱乏，無外來水資源補充，僅靠250～550mm的自然降水發展農業生產。本區年水資源總量227億m3，人均616.6m3，耕地每公頃水量4950m3，分別為全國平均的26%和18%。85%的耕地是旱坡地，大部分位於旱農生態的下極限地區，水資源緊缺、生態環境脆弱、低產貧困、農民素質低下是農業生產發展的主要障礙因子。

自然降水作為本區旱地農業唯一可利用的潛在水資源，由於降水量有限，且時空分面不均，多集中於雨季佔56%，常與作物間供需錯位。7～8月份降水高峰期常與5～6月份土壤水分含量的低值槽期交替出現，作物生產常處於一種不良的土壤供水環境中，使已接近旱農界定下限的現有旱農技術潛力的進一步開發受到極大的限制，水的問題日益尖銳化。但另一方面，雨季高峰期在作物收穫后才到來，又使大量的水資源白白流失，如甘肅隴中地區年降水量約400mm，雨季降水量就達260mm以上，且高峰期是在8月份，此時，夏糧作物已收穫，秋糧也接近成熟。這種矛盾導致作物的降水利用率不足30%，水分利用效率僅6～9kg/mm·hm2，致使乾旱成為常駐性的自然現象。

水資源從總量上講又相對豐富，甘肅省黃土高原半乾旱區多年平均降水量473.6mm，降水總量就有577.1億m3，相當於黃河年徑流總量的87.3%和9個劉家峽水庫的庫容。若將其降水徑流1/10收集起來，就有近60億m3的水分可供利用，每hm2補灌300m3，就可使16.7萬hm2的土地變成穩定高產田。可大大緩解水分虧缺現象，顯著提高作物產量。

集蓄旱農地區相對穩定的自然降水徑流，時空調控、高效利用；通過改善和開發旱地作物生長發育的微生境，解決旱地農田水分嚴重虧缺問題，使之與作物和農藝技術合理配套，提高旱地作物生產力和水分利用效率，實現自然降水的資源化、產業化，就成為集流補灌技術產業的技術路線。通過自然降水——土壤水分——作物生長關係的研究分析表明，由於降水的隨機性、不確定性和難預測性，作物生產需水關鍵期與土壤水分低值槽期相吻合，以及降水高峰期與土壤水分蒸發高峰期的同步，導致了作物生產的不穩定性和全部降水就地攔蓄入滲技術效果的有限性。水分虧缺需補償。通過數十年的研究和實踐，甘肅省業已建成以“梯田、品種、施肥、地膜、水窖、微灌”為硬體特徵的雨水彙集、貯存及高效利用系列集水補灌技術體系。在集流面選擇、作物種類及品種的配套、種植制度、覆蓋栽培技術、水肥連供技術、微集水種植技術、點澆、注水播種抗旱保苗技術等方面均取得了重要進展。

沿公路集中出水口處的梯田片，沿水路線修建集流渠，並在兩側梯田角制高點修建連環水窖群和高位水窖群，集蓄來自公路的降雨徑流並配以滴灌、微噴灌、滲灌為主的現代節灌技術，進行大田作物的補灌和節灌試驗示範，並與地膜覆蓋結合，建設高效種植業樣板。

在完善庭院集雨工程的基礎上，沿庭院道路集中來水處和與公路集中出水口水路線銜接處農路兩側繼續新建水窖，以充分利用村莊、道路高效集流面和對公路來水進行二次攔蓄，配以節灌措施補灌果園、菜地、日光溫室、暖棚養畜和供人畜飲水，建設經濟作物和畜牧養殖的高效示範樣板。

在主溝道下游修建連環澇池、塘、壩，用以攔蓄降雨徑流和春末消凍水，並埋設低壓管道把較高位澇池集蓄的雨水輸送到低位農田進行補灌，或把攔蓄的消凍水提到農田或村莊道路區的水窖內，作為節灌的水源。

選擇有一定坡度的閑散地以4:1的比例興建集流場，即以1畝集流面集存的雨水灌4畝田。

沿村莊水窖群選擇光、溫、水都適宜的地方興建日光溫室配以節灌措施發展設施農業。

集流補灌技術體系是雨水集、蓄及高效利用的高度集成。

降雨的聚集技術包括傳統的水保耕作技術和現代人工富集技術。傳統的水保耕作技術主要有等高耕作、壟種耕作、糧草輪作、帶狀間作、滲水孔耕作、溝壟種植、微地形耕作、截流蓄水種植耕作和覆蓋耕作(殘茬覆蓋、地膜覆蓋(包括黑色膜覆蓋)、滲水膜覆蓋)。強調雨水的就地攔蓄入滲利用，即人工創造一種微集水面，使雨水徑流疊加到作物種植區，造成局部水分優勢，利用覆蓋來保蓄水分，調節氣溫，改善土壤理化性能，促進土壤微生物活動，消滅病蟲雜草，防止土壤鹽鹼化，避免雨水徑流、土壤沖刷和風蝕，保持水土促進作物生長。據研究，傳統水保耕作技術一般可增加局部農田土壤水分供應25～40mm，相當於作物生長期間多降1～2次透雨，約增產10%～15%。

現代人工富集雨水技術又分大田富集和工程富集兩種類型。大田富集是通過對集水面和受水面的修築，使集水面的雨水徑流疊加到受水面上，貯存於土壤水庫中，形成局部土壤水分優勢。常見的富集方式有水平梯田、隔坡梯田、魚鱗坑、水平階、反坡台、水平溝，包括壩地和條田。其中，梯田被證明是最有效的大田集雨方式，而魚鱗坑、水平階、反坡台、水平溝則是有效的荒山坡截流蓄水種草種樹的治理措施。甘肅省農科院旱農所在隴中黃土高原區的高泉溝小流域9.168km2的土地上，共興修梯田427.7hm2，農田梯田化率達88.66%，興建土、柳谷坊494道，修建隔坡水平溝21.1萬米，改良和新種灌草242.9hm2，改造治理面積400hm2，水保治理度89.57%，使林草覆蓋度比1985年的22.9%提高了一倍，達45.2%，減少聚水率達95%，實現梯田全蓄降水，水不下山，泥不出溝，約增加林草地水分供應60%，增加農田水分供應40%。僅梯田的攔水效率就達90%以上，最高達100%，雨季每公頃約增加農田水分供應406.8～452m3。

工程富集是通過人造集水面來聚集雨水的，其核心是地面硬化處理。地面硬化處理包括混凝土板、水泥抹面、塑料灌膜、橡膠、三七灰土、原土夯實、道路整理等。混凝土板、水泥抹面一般用於庭院集水。一般以混凝土集水面集水效率在55～86%之間，平均為70%；原夯實集水效率在19～32%之間，平均為26%；塑膜集水面集水效率在36%～90%，平均為63%；公路的集水效率在63～85%以上。

適宜的集雨技術

(1)“梯田土壤水庫”集水。這裡土層深厚，達100～200m，疏鬆多孔，總孔隙度佔55%，土壤以輕壤為主，田間持水量在19%左右，兩米土層摺合可貯水494mm，本區年降水418.6mm，兩米土層即可全部蓄存起來。另一方面，土壤有效水多在12%～15%之間，兩米土層摺合312～388mm，本區6～9月份雨季降水一般為256.2mm，兩米土層一次性都可貯存下來。我們在高泉溝小流域梯田建設研究表明，梯田的聚水效率可達92%～100%，可實現雨水徑流的全攔入滲。

(2)公路瀝青路面溝渠+水窖集水。沿公路修建引水渠收集路面雨水徑流並引至集中出水口，沿出水口水路線修建水窖群集蓄雨水。水窖的窖容一般按20年一遇的最大暴雨產流量來計算。隴中黃土高原區定西試驗結果表明，公路路面集流效率可達到63%～85%左右；平均約75%，基本上可收集集雨徑流的95%以上。本區典型代表高泉小流域有過境公路集流面約64188m2，可利用44419m2，按多年雨季產流降水量計算的可集流量為0.16m3/m2，共可集流7107m3。實際上降水特徵年際變化較大，主要表現在大於5mm有效產流降水量的變化比較大，從而使可集流量年際變化也較大。據我們對沿公路集中出水口建造的94眼4700m3窖容的水窖集水效率的監測，復蓄指數變化在0.3～3之間。因此，使集蓄雨水的季節間、年際間調配使用成為可能。

(3)水泥硬化庭院、瓦屋面+水窖集水。我們的研究結果是每戶平均建集水面200m2，其中硬化院面130m2，瓦屋面70m2。監測表明兩者集成集水效率91.5%，正常降水年份可集水160m3，可使一個50m3水窖復蓄三次。

(4)混凝土夯實村路、瓦屋面+水窖集水。研究結果是戶均建集流場150m2，包括房屋周圍的道路和用作打碾、堆放糧食、雜物的場地，收集來自路面和瓦屋面流向院外的降水徑流。集水效率52%，正常年份可集水約90m3，可使一個30m3水窖復蓄三次。

(5)場院水泥硬化+水窖集水。用水泥硬化用作打碾的場，一場兩用，來集水。一般打碾場至少150～200m2，硬化後集水效率平均為70%，一般降水年份，可集水約50～60m3。

(6)農路三七灰土夯實+水窖集水。集流效率可達19%～32%。隴中黃土高原區高泉小流域研究表明，區內共有農路集流面9855m2，可利用面積5913m2，按多年雨季產流降水量計算的可集流量為0.08m3/m2，共可集水467.7m3。

(7)閑散地、荒地、退耕地塑膜覆蓋+水窖集水。選擇有集水條件的荒坡、閑散地覆膜集水。監測表明集水效率為55%～99%，一畝集流場所集的水可供4畝地補灌。包括夏閑期耕地覆蓋集水，定西試驗結果表明，各種覆蓋(地膜、秸稈等)措施可使土壤貯水量增加35～66mm。

雨水的貯存技術

研究表明，雨水的貯存常見的有水庫、塘壩、澇池、蓄水池、水窖和水窯。水窖已被證明是甘肅黃土高原區最適用最有效的儲水設施，分為紅膠泥、球形、砼薄殼和塑膜水窖。砼薄殼水窖是集流補灌首選貯水容器，常見的水窖容積一般為30～50m3，以50m3居多。一般一窖可控制補灌3畝農田。

雨水的高效利用技術

雨水的高效利用是通過現代農藝措施、現代生物節水技術、現代節水農業技術和現代節水灌溉技術的緊密結合來實現的。農藝措施包括選育抗旱作物品種、高效施肥、適時補肥、配方施肥、培肥地力、水肥連供與水肥耦合等；節水農業措施包括節水增產的水肥綜合管理技術、蓄水保墒的耕作技術、適雨種植的作物合理布局、提高作物抗旱能力的栽培技術、秸稈地膜覆蓋的增溫保墒技術、採用化學藥劑抗旱保墒技術、保水劑的應用技術等；節灌技術包括以渠道襯砌防滲處理技術、低壓管道輸水技術、地面管帶輸水技術、小管出流供水、利用自然落差自壓供水、倒虹吸式供水組成的田間供水工程，以灌溉作物為目的的滴灌、微噴灌、滲灌組成的節灌技術，以膜上灌、細流溝灌、擔水點澆、坐水種等組成的地面灌溉技術。另外雨水的高效利用還應包括土壤墒性監測、灌水預報技術、灌區輸配水系統水的量測與自動監控技術。