灌溉种植系统

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全球配有灌溉系统的土地面积目前总计3亿多公顷6，由于某些作物是一年二熟或三熟，所以实际收获面积预计更大。亚洲的灌溉发展较为迅速，大约8000万公顷农田进行水稻生产，平均每公顷产出5吨（与之相比，5400万公顷雨养低地的水稻平均每公顷产出2.3吨）。相较而言，非洲的灌溉农业只占耕地面积的4%，主要原因是财政投资不足。
灌溉是实施集约化的一个常用平台，因为它提供了一个集中投入的地方。然而，这种可持续集约化的实施将取决于取水位置还有生态系统方法的应用，如土壤保护、品种改良和病虫害综合治理，而它们都是作物生产可持续集约化实施的基础。灌溉分布的均匀程度和利用效率因输水技术、土壤类型和坡度（最重要的是它的渗透性）、管理水平而不同。
地面灌溉，包括畦灌、盆灌或沟灌，通常会比喷灌（如淋灌、滴灌、滴灌带）的效率低，且不够均匀。在土地灌溉效果不佳的情况下，微灌一直被视作固定的应对技术，用以节水。尽管它的资金成本高，但越来越多发达国家和发展中国家的商业园艺师还是采用了这种技术。
亏缺灌溉和其变型如调亏灌溉经常应用于果树的商业化种植和一些在关键生长期极易受到水分胁迫影响的田间作物。调亏灌溉往往与微灌和“灌溉施肥”结合使用，“灌溉施肥”，是在微灌中直接向植物根系最发达的区域施肥。中国已经把这种方法运用于更加简单的沟灌。从减少供水而言，这种方法的益处显而易见，但是这只有在供水十分可靠的情况下才能实现。
以知识为基础的精准化灌溉可以为农民提供灵活可靠的用水方式，因此将会成为作物生产可持续集约化的一个重要平台。通过使用固定喷水器和微灌，包括利用土壤水分遥感技术和作物冠层温度来确定农田不同部分所施的灌溉深度，进行了自动化系统的试验。对园艺和田间作物来说，利用灌溉水进行精准化灌溉和精准施肥在未来都可能成为现实，只是目前还存在一些潜在的漏洞。最近的计算机模拟表明，盐害控制是影响园艺业可持续性的一个重要因素。
农业灌溉的经济状况问题比较突出。喷水器和微灌技术的使用，以及地面灌溉的自动化配置，都需要长期的资本开支和运营预算。喷雨枪对大面积覆盖式喷灌来说，是资金需要最少的选项之一，但运营成本往往很高。其他喷灌系统需要的资金成本高，如果没有生产补贴的支持，不适合小农生产者的耕作系统。
由于设计、维护和管理方面存在不足，许多公共灌溉系统提供的服务不很理想。通过制度改革，将提供灌溉服务从更广泛的水资源监督和管理中分离出来，灌溉系统及其管理的现代化都将具有相当好的发展空间。
排水系统是灌溉的一个重要补充，尤其是在地下水位高、土壤受盐渍化约束情况下，但往往被忽视。为了提高生产率和灌溉系统的可持续性，确保对农业投入的良好管理，需要增加排水系统的投入。然而，增加排水系统会加大污染物流出的风险，有可能导致水道和相邻水生生态系统的退化。
保护性种植，主要在遮荫棚中进行，在包括中国和印度在内的许多国家日益普及，主要是用于水果、蔬菜和花卉的生产。从长远来看，结合使用常规灌溉或水培、雾培法，高集约度的封闭循环生产系统将会变得日趋普及，尤其是在市场广阔和水资源日趋紧缺的城市周边地区。
用水进行灌溉会减少河道内流量，改变汛期，并滋生危害，如造成有毒藻类大量繁殖。次生影响包括盐碱化、营养物及农药对河道、水体的污染。灌溉系统还存在一些其它需要权衡利弊的环境问题，如较之旱地土壤，稻田能隔离较多的有机物，使得硝酸盐径流减少，一氧化二氮（N2O）的排放量较低。然而，与此相对的是，甲烷排放量却相对较高（占全球排放量的3%-10%），氨排放量也同样较高。
作物在正常情况下只吸收它所获得灌溉水的50%以下，而且位于全流域或超载流域内的灌溉系统效率又较低。用会计术语来说，有必要区分有多少水属于有益性消耗，有多少水是非生产性消耗。作物的有益性消耗－蒸散量，是灌溉的目的：理想状态下，蒸腾作用包括了所有的水分消耗，而土壤和水面的蒸发损耗为零。通过减少非生产性的蒸发损耗来提高水分生产力的做法具有一定的潜力。
因此，提高流域水分生产力的重点在于，要使无益消耗最小化7。然而，农业水分消耗的增加对下游的影响并不是公平的：有证据表明，在印度半岛的一些地区，由于“改良后的”上游集水区大面积集水，下游河流的年径流量大幅减少8。
水管理是使农田氮素损失和流失最小化的关键因素。在自由排水的土壤中，硝化作用部分中断，造成了N2O的排放，而在饱和（缺氧）情况下，铵化合物和尿素部分转化为氨，尤其是在水稻种植中。因此，像氨和N2O会在灌溉的干湿周期循环中释放一样，尿素也会在大气中损耗掉。氮需要以硝酸盐的形式为根区吸收，但是氮也能容易地通过溶解而移动到别处。目前，正在开发许多能适用于不同情况的保护性缓释复合肥料（见第三章：土壤健康）。
磷酸盐在排水渠及水道流动和转移的动态变化情况较为复杂。如果在沟灌中采用侵蚀性流速，或者含钠土壤扩散，灌溉系统中就会出现农业中的磷酸盐流失。磷酸盐比硝酸盐稍容易被位于农田两端和沿河的缓冲带困住，防止其流入水道中。因此，将良好的灌溉管理、尾水的循环再利用，以及磷酸盐更好地渗入土壤中相结合，就能将灌溉地的磷酸盐流失减少至接近于零的水平。
集约化灌溉农业的可持续性，有赖于使非农外部性降至最低，如盐碱化和污染物排放，还有赖于维护土壤健康和作物生长条件。这应该成为农业实践、技术和决策的首要关注点，同时也需要加强流域和集水区水消耗的核算，更加合理地进行水分配，还需要更好地了解不同生产系统之间水文的相互作用。