水分是影響農業產量的重要因素。植物體含水量一般為70%～80%，有些植物則可達 90%以上；而種子含水量小于10%；細胞壁的含水量為8%左右（Stamm，1944）。水不僅是光合作用的原料，還是各種化學反應發生的必要條件。生物的一切代謝活動都必須以水為介質，而所有的物質只有處在溶解狀態才能進出細胞，所以植物與環境之間時時刻刻都在進行著水分交換；水分還控制氣孔開合、物質吸收與運輸。合理的水分關系在生態農田管理中具有十分重要的作用。水利是農業的命脈，水分不足容易造成干旱脅迫，水分過多會造成澇害。生態農田水分管理就是要做到“旱能澆、澇能排”，滿足作物對水分的生理生態需求。

　　3.1.1 雨養農業

　　降雨是指從天空降落到地面上的雨水，其來源為大氣中凝結的水蒸氣。未經蒸發、滲透、流失，在水面上積聚的水層深度即為降雨量，一般以毫米為單位，它可以直觀地表示降雨大小。降雨量是區域水資源量計算的重要依據，也是生態農田水分管理的重要內容。在氣象部門發布的天氣預報中，經常聽到小雨、中雨、暴雨等專業術語，它們之間的區別是：小雨是指 24 小時內降雨量不超過 10 毫米的雨，小到中雨為 5～16.9 毫米，中雨為 10～24.9 毫米，中到大雨為 17～37.9 毫米，大雨為 25～49.9毫米，大到暴雨為 38～74.9 毫米。24 小時內雨量超過 50 毫米的稱為暴雨，超過100 毫米的稱為大暴雨，超過 250 毫米的稱為特大暴雨。零星小雨是指降雨時間很短，降雨量不超過 0.1 毫米；有時有小雨是指天氣陰沉，有時會有短時降雨出現；陣雨雨時短促、降雨開始和終止都很突然，降雨強度變化很大的雨；雷陣雨則是指下陣雨時伴著雷鳴電閃；局部地區有雨是指小范圍地區有降雨發生，分布沒有規律。在農業中，小到中雨對作物有較好的呵護作用，而大到暴雨則會造成作物損害，如淹沒、吹倒等；零星小雨對于干旱情況下的作物效益較小。

　　氣象預報把下雨、下雪都稱為降水，降水的多少稱為降水量，表示降水量的單位通常用毫米。1 毫米降水量是指單位面積上水深1 毫米。1 毫米降水落到田地里有多少?每畝地面積是666.7 平方米，因此，1 毫米降水量就等于每畝地里增加0.667 立方米的水。每立方米水為 1 000 千克，這樣，1 毫米降水量也就等于向每畝地澆了約 667 千克水。據測定，降 5 毫米的雨，可使旱地浸透 3～6 厘米，這些降水是保持一定土壤墑情的重要水分來源。

　　雨養農業最早定義的是一種單純以天然降水為水源的農業生產方式。隨著科技發展，在原有基礎上人工匯集雨水，實行補償灌溉的農業生產方式也稱為雨養農業。在人類開展人工灌溉之前，農業都是依靠天然降水的，至今這一做法在干旱區或半干旱區還存在。我國的雨養農業早在公元前4500 年已形成，在精耕細作的小農經濟時代能夠實現“自給自足”模式的農業生產活動（Frasier，1985；Lavee et al.，1997）。當前，我國的雨養農業在北方干旱半干旱地區和西南季節性干旱地區都有分布，一些缺水地區的植物在長期的雨養農業實踐中具備了階段抗旱的特點。盡管產量不高，但在發展優質農作物方面依然具備優勢。除此之外，還有一大部分地區由于地下水超采、土地超負荷利用等不合理利用造成農田減產、農田生態系統破壞等現象（黃偉和郭燕枝，2014）。

　　雨養農業區域在自然因素和人為因素作用下存在一定的旱災風險，有人利用地理信息系統對雨養農業區進行的研究表明，我國中北區、華北區、東北區和西南區為雨養農業旱災防御和抗御的重點區域，應因地制宜地實施防旱抗旱措施，在實踐中只有同時實施多種措施才能收到良好的抗旱增產效果（梁書民，2011）。早在 20 世紀 80～90 年代，一種由雨水收集系統、節水灌溉系統和高效農作物生產系統組成的水資源綜合管理的雨養農業被科學家提出，并在甘肅和西北其他半干旱地區進行實踐、取得成功（Li et al.，2000）。

　　3.1.2 雨水管理

　　相對于傳統雨養農業“靠天吃飯”的做法，現代雨養農業的內涵有所發展，包括人工匯集雨水，實行補償灌溉、節水灌溉等。它不僅出現在半干旱或半濕潤易旱區，還出現在雨量充沛的濕潤地區。根據雨量多少，雨養農業可分為旱區雨養農業和濕潤區雨養農業。旱作農業僅是雨養農業的一種，且僅指旱地農田作物種植生產。天然降水是雨養農業區水資源的主要來源，該來源面臨全球氣候變化的挑戰。隨著氣溫不斷上升，土地干旱程度日益嚴重，雨水資源開發利用就變得格外重要。雨養農業因為有一定降水量濕潤農田，灌溉具有補償農田水分不足的性質，灌溉水量較小，水源主要靠當地降水形成的徑流蓄積，表現為小型工程。因此，雨養農業是農業的基礎，灌溉是對雨養農業的有效補充。隨著干旱加劇和農業灌溉用水在整個水資源分配中比例減少，雨養農業在未來農業中的地位將越來越重要。圍繞雨水有效利用，人們研發或改進的主要技術措施包括保水、蓄水和用水3 個方面。

　　保水與水土保持和環境治理緊密結合，蓄水與降低蒸發和發揮“土壤水庫”作用的農田耕作緊密結合，用水則與農田栽培管理緊密結合。保水與蓄水技術是雨養農業的基礎，也是水土保持和綜合治理的重點。無論是多雨地區還是干旱缺雨地區，水土流失都是造成農田干旱缺水的重要因素。因此，水土保持是提高雨水有效利用的重要保證，其措施包括庫、壩、塘、窖攔蓄雨水，以及梯田建設等水土保持工程措施；也包括水土保持耕作技術和覆蓋保墑技術。在坡耕地上，由于水、土、肥的流失量隨著坡度的增加而增加，尤以雨量集中又多暴雨的半干旱地區為甚，常在緩坡地和溝谷修筑梯田、壩地或集水溝等保持水土。在風蝕地區則營造農田防護林、植樹種草以防風固沙。農田休閑期間的深耕、耙和春季播種前的淺耕也有利于保蓄部分降水，避免土壤水分散失。

　　高效用水技術是雨養農業的關鍵，核心是提高農用植物的用水效率，其措施包括節水抗旱的植物種類、品種選育及其有效的栽培耕作管理。在栽培耕作管理中，培肥地力尤為重要。雨養農業地區的土壤一般比較瘠薄，增施有機肥和種植豆科牧草，是提高土壤水分的有效措施。據測定，在年降水量為 300～500 毫米的地區，如果能采用抗旱耕作培肥土壤，1 米深的土層可接納雨水 200～300 毫米，2 米厚的土層可蓄 300～600 毫米的雨水。從土壤生產能力看，有機質含量 1%以上的旱地麥田，每毫米降水可生產小麥 0.68 千克，而瘠地麥田每毫米降水僅能生產小麥 0.26 千克。

　　常見的雨水集流系統包括集流面、輸水渠、沉沙池、攔污柵、進水管、蓄水設施、放水口、田間節水灌溉系統，而常見的集流面有庭院、層面、瀝青路面、公路面、塑膜覆蓋、原土夯實等多種形式，面積一般為 100 平方米以上。蓄水設施有水窖、水窯、水池、澇池四大類，用于解決人畜飲水的蓄水設施，其容積多為 20～30 立方米，而用于發展節水灌溉或補充灌溉的蓄水設施容積較大，多為50～100 立方米。田間雨水灌溉技術多采用噴灌、滴灌或微噴灌（張光輝 等，1997）。

　　3.1.3 內蒙古有機農業水分管理案例

　　在半干旱區開展傳統農業耕作方式導致土地嚴重退化，這是因為草原原本是不適合耕作的，而是傳統的畜牧區。要修復草原，發揮草原生態屏障作用，一方面要開展退耕還牧試點，另一方面要發展有機雨養農業，盡量不動用地下水而提高經濟價值。在半干旱區，改變當地傳統生產方式，提高單位土地面積產出是解決該問題的重要途徑。鑒于此，美國大自然保護協會與本團隊合作，于 2012～2014年在內蒙古開展了半干旱區有機農業生產關鍵技術研發項目，旨在通過嚴謹的科學試驗設計，探討生態修復與經濟發展相平衡的高效生態旱作生產方式。科研人員通過設計、指導、監測和結果評估，與內蒙古和盛生態育林有限公司合作開展生態旱作農業試驗示范工程，開發了土壤生物碳改良、有機肥合理施用、農林廢棄物綜合利用、生態防蟲與除草、節水農藝、種養結合等生態旱作雨養農業技術體系。

　　研究發現，在半干旱區采取用生物碳截獲雨水，可保持土壤墑情，延緩干旱。該成果是在有機模式下實現的，即利用有機肥替代化肥，用物理＋生物方法替代農藥，生產有機食品。見表 3-1，玉米收獲后 0～120 厘米土層土壤質量含水量基本上較播種前出現下降，因為進入旱季，而施用生物碳有一定的緩解作用，含水量下降 20.9%，而未施生物碳的處理下降了 21.5%。從其土層表現來看，在種植前后與收獲前后，施入生物碳處理的土壤含水量大體上高于未施入生物碳處理，可見施用生物碳有一定的保墑效果。

　　項目區 0～40 厘米耕作層土壤種植前及收獲期間均屬于重旱或極旱水平，除了施用生物碳，還需應用其他旱作技術，如納雨蓄墑、深松蓄墑、壟蓋溝播、梯田保墑、秸稈覆蓋等，從而實現“蓄水保墑、高效用水”的目標。試驗區位于內蒙古半干旱區，水資源缺乏是限制當地農業生產力發展的重要因素。施用生物碳在一定程度上降低了作物播種至收獲期間土壤質量含水量的下降幅度。為進一步改善土壤墑情，提高產出，在不利用地下水的前提下，仍需要采用一些輔助措施將雨水利用效率最大化。采取的其他主要措施有：①納雨蓄墑，即作物收獲后及時深耕滅茬，耕后立土曬垡，以便熟化土壤和攔截徑流；②深松蓄墑，即作物收獲后及時深松不翻土，深松機深松一般需達到 30～35 厘米，播前再旋耕一次，然后耙平。深松蓄墑和納雨蓄墑可隔年交替使用；③秸稈覆蓋技術，即通過收割機對作物秸稈高茬收割（留茬高度為 30 厘米左右），粉碎的秸稈均勻鋪撒地表，高留茬利于固定碎稈，并和碎稈交織形成攔水網絡，在多風地塊，秸稈覆蓋后用石磙碾壓 1～2 次，使秸稈緊貼地表；④在選用以上旱作技術的同時，選擇抗旱品種。

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