灌溉

鳥瞰撒哈拉沙漠中的灌溉系統
美國堪薩斯州衛星照片，顯示由於時針式噴灌設施造成的圓形農田
灌溉就是人為方式使用天然降水（雨水）以外的其他水源供給土地或土壤水份，多半是用來種植農作物或其他植物，也可以用來維持地貌景觀，或在乾燥地帶或是在過度降雨後的地區進行revegetation，灌溉對農作物也有其他的好處，包括保護植物免於霜害、在糧食區抑制雜草成長，並且抑制土壤固結。不用灌溉而以雨水為唯一水源的農業稱為旱田。
灌溉系統也會用來抑制灰塵、排放汙水以及礦物的heap leaching。灌溉系統常會和排水系統一起研究，後者是用天然或人工的方式除去某一區域地表或是地表以下的水份。
灌溉是五千多年來農業的中心特徵，也是許多文化的成果，是許多國家經濟及社會的基礎。

**概論**
灌溉所需的水源可以是附近也可以是距離比較遠的水體甚至冰雪，例如河流、泉水、湖泊、地下水、井、積雪等，可以直接引入農田或先儲存在水庫或蓄水池中，取決於是否是季節性降雨或水源的遠近，也可以將建築屋頂或沒有農田的山區雨水儲存起來，為以後灌溉使用。
如何從水源引入水，並將水引入農田，有多種灌溉技術，主要目的是將水不多不少地平均分配給整個田地中的每一株植物。

**歷史**
從公元前60世紀在埃及和美索不達米亞平原，人類已經採用灌溉技術，在古埃及12王朝的法老已經將湖泊當作灌溉用的貯水庫，貯存每年尼羅河氾濫的水用於乾旱季節灌溉農田。
在秘魯的安第斯山中，考古學家發現了3條水渠，是公元前4000年、3000年和9世紀的，是美洲已知最早的灌溉系統，在公元前4000年的那條水渠下面可能還有一條公元前5000年的水渠。
古代波斯（今伊朗）亦有灌溉技術，可追溯到前6千紀，公元前800年的古代波斯所使用的坎兒井是現在還在使用的最古老的灌溉技術，用一系列的豎井打通地下的渠道，從水源地引水使水渠比水源地低可以自流，同時防止在地上蒸發。現在，坎兒井也應用於亞洲、中東和北非乾旱地區。
古代斯里蘭卡的灌溉系統是當時世界上最複雜的系統，發明了帶閘門的水渠，12世紀時國王在33年內就主持建造了165個堤壩、3910條水渠、163個大型蓄水池和2376個小型蓄水池，以支持繁榮的農業。
在巴基斯坦和北印度也有前2600年的灌溉水渠。
在中國，公元前250年左右建成的著名的都江堰水利系統也是為灌溉修建的。
從20世紀起，柴油和電力運轉的機械，可以幫助人們抽取地下水用於灌溉。

**水源**

**地下水和地表水**
灌溉水可以來自地下水（從泉水或井中提取）、地表水（從河流、湖泊或水庫提取）或非傳統來源，如處理後的廢水、淡化水、排水或霧收集。雖然洪水收集屬於公認的灌溉方法，但雨水收集通常不被視為灌溉的一種形式。雨水收集是從屋頂或未使用的土地收集徑流水並將其濃縮。

**經處理或未經處理的廢水**
如果回收的都市廢水含有氮、磷和鉀等營養物質，那麼它還可以為植物施肥。使用再生水進行灌溉有許多好處，包括與其他水源相比成本較低，並且無論季節、氣候條件和相關用水限制如何，都能確保供應的一致性。當再生水用於農業灌溉時，處理後的廢水中的養分（氮和磷）含量具有充當肥料的好處。這使得汙水中排洩物的再利用具有吸引力。
灌溉用水可以以不同的方式用於不同的作物，例如用於生吃的糧食作物或用於生吃或未加工的供人類食用的作物。對於加工糧食作物：供人類食用但不生吃而是經過食品加工（即煮熟、工業加工）的作物。它也可用於不供人類消費的作物（例如牧場、飼料、纖維、觀賞植物、種子、森林和草坪作物）。
在發展中國家，農業越來越多地使用未經處理的城市廢水進行灌溉通常是以不安全的方式。城市為新鮮農產品提供了利潤豐厚的市場，因此對農民很有吸引力。然而，由於農業必須與工業和市政用戶爭奪日益稀缺的水資源，農民往往別無選擇，只能直接使用被城市廢物汙染的水來澆灌農作物。
在農業中使用未經處理的廢水可能會帶來嚴重的健康危害。都市廢水可能含有化學和生物汙染物的混合物。在低收入國家，排洩物中的病原體含量通常很高。在工業發展速度超過環境監管速度的新興國家，無機和有機化學品帶來的風險日益增加。世界衛生組織於 2006 年制定了廢水安全使用指南，提倡採用「多重屏障」方法廢水利用，例如鼓勵農民採取各種降低風險的行為。其中包括在收穫前幾天停止灌溉，讓病原體在陽光下死亡；小心澆水，以免汙染可能生吃的葉子；用消毒劑清洗蔬菜；或將農業中使用的糞便汙泥乾燥後再用作人類糞便。
經常被提及的缺點或風險包括潛在有害物質的含量，例如細菌、重金屬或有機汙染物（包括藥品、個人護理產品和殺蟲劑）。廢水灌溉對土壤和植物既有正面的影響，也有負面的影響，取決於廢水的成分以及土壤或植物的特性。

**其他來源**
灌溉水也可以來自非傳統來源，如處理過的廢水、淡化水、排水或霧收集。
在夜間潮濕空氣席捲的國家，可以透過在寒冷的表面上凝結來獲得水。這是在蘭薩羅特島的葡萄園中使用石頭來冷凝水的做法。集霧器也由帆布或箔片製成。在大城市地區，使用空調機組的冷凝水作為水源也越來越流行。
截至 2019 年 11 月，一家總部位於格拉斯哥的新創公司已幫助蘇格蘭的一位農民種植用海水灌溉的可食用鹽沼作物。一英畝以前貧瘠的土地被用來種植海蓬子、海蓼和海紫菀；這些植物的利潤比馬鈴薯高。每天對土地進行兩次洪水灌溉，以模擬潮汐洪水；利用風力從海中抽水。其他好處包括土壤修復和碳封存。

**爭奪水資源**
直到 20 世紀 60 年代，截至 2024 年，地球上的人口數量還不到一半。他們需要人類目前從河流取水量的三分之一。如今，對水資源的競爭更加激烈，因為地球上有超過 70 億人口，這增加了因耗水的畜牧業和集約化農業生產而過度消耗糧食的可能性。這導致工業、城市化和生物燃料作物對水的競爭日益激烈。農民必須努力提高生產力，以滿足日益增長的糧食需求，而工業和城市則必須找到更有效利用水的方法。
成功的農業取決於農民能否獲得充足的水。然而，水資源短缺已成為世界許多地區農業的關鍵限制因素。

**形式**
美國懷俄明州山區草地的有控制閥的管道灌溉 

**漫灌**
漫灌要挖溝渠，以前用人工，後來用牲畜、拖拉機，後來最先進的用激光測距的先進機械，取決於 經濟和地理條件，例如需要灌溉的地域面積大小，有什麼可用的技術，人工費用等。植物在畦和隴溝中排成行或在苗床上生長，水沿著渠道進入農田，順著隴溝或苗床邊沿流入。也可以在田中用硬塑料管或鋁管引水，在管上間隔距離開孔灌溉，用虹吸管連接渠道。

應用管道可以控制水流量，由於溫度、風速、土壤、滲透能力等不同，漫灌容易造成有的地方水多，有的地方水不足的現象，管道可以移動，因此可以控制不產生這種不均的現象。尤其是如果採用自動閥門更可以增加效率。
但由於漫灌比較浪費水資源，需要較多的勞動力，並且容易造成地下水位抬高，因此使土壤鹽鹼化，在發達國家已經逐漸被淘汰。但由於只需要少量的資金和技術，在多數發展中國家中仍然被廣泛使用。

**噴灌**
噴灌是由管道將水送到位於田地中的噴頭中噴出，有高壓和低壓的區別，也可以分為固定式和移動式。固定式噴頭安裝在固定的地方，有的噴頭安裝在地表面高度，主要用於需要美觀的地方，如高爾夫球場、跑馬場草地灌溉、公園、墓地等。
噴頭的壓力一般不能超過200巴，過高會產生水霧，影響灌溉效益，噴頭有可以轉動的，轉動可以是360度迴轉也可以是轉動一定角度。也有噴槍式。可以在275-900巴的壓力下工作，噴射較遠，流量達到3-76升/秒。噴槍還可以用於工業防塵。

如果將噴頭和水源用管子連接，使得噴頭可以移動，為移動式噴灌，將塑料管捲到一個捲筒上，可以隨著噴頭移動放出，也可以人工移動噴頭。
噴灌的缺點是由於蒸發也會損失許多水，尤其在有風的天氣時，而且不容易均勻地灌溉整個灌溉面積，水存流在葉面上容易造成黴菌的繁殖，如果灌溉水中有化肥的話，在炎熱陽光強烈的天氣會造成葉面灼傷。

**時針式噴灌機**
時針式噴灌機的樞軸 
時針式噴灌機是一種移動式噴灌機，噴灌頭安裝在有輪子支撐的電鍍鋼管或鋁管上，圍繞一箇中心旋轉，從中心樞軸輸送水，整個噴灌機噴灌面積形成一個圓。這種噴灌機械在美國使用的很普遍。
時針式噴灌機
這種機械噴頭可以吊在鋼管上，只在植物上面噴撒，有的可以幾乎吊到地面上，直接在植物之間的地面上噴灑，因此可以節約由於蒸發損失的水。
時針式噴灌機的旋轉可以由水力推動，也可以由電機推動，目前大多數都使用電機。這種機械灌溉面積是一個圓形，因此在每個圓形之間的空檔不能被灌溉利用，只適合在耕地面積充分的地區使用。
美國愛達荷州的平移式噴灌機

**平移式噴灌機**
也叫連續直線移動式噴灌機，是一個長管道，每隔一定間隔有一個支架，支架上有輪子，噴頭在管子上，整個管道平行移動噴灑，水由管道一頭輸入，所以噴灌面積可以大到幾千公頃。

**微噴灌**
微噴灌是利用折射、旋轉、或輻射式微型噴頭將水均勻地噴灑到作物枝葉等區域的灌水形式，隸屬於微灌範疇。
微噴灌的工作壓力低，流量小，既可以定時定量的增加土壤水分，又能提高空氣溼度，調節局部小氣候，廣泛應用於蔬菜、花卉、果園、藥材種植場所，以及扦插育苗、飼養場所等區域的加溼降溫。

**滴灌**
滴灌頭
滴灌是將水一滴一滴地、均勻而又緩慢地滴入植物根系附近土壤中的灌溉形式，滴水流量小，水滴緩慢入土，可以最大限度地減少蒸發損失，如果再加上地膜覆蓋，可以進一步減少蒸發，滴灌條件下除緊靠滴頭下面的土壤水分處於飽和狀態外，其它部位的土壤水分均處於非飽和狀態，土壤水分主要藉助毛管張力作用入滲和擴散。
但如果滴灌時間太長，根系下面可能發生浸透現象，因此目前滴灌都是由高技術的計算機操縱完成，也有由人工操作的。滴灌水壓低，節水，可以用於對生長不同植物的地區，對每棵植物分別灌溉，但對坡地需要有壓力補償，用計算機可以依靠調節不同地段的閥門來控制，關鍵是控制調節壓力和從水中去除顆粒物，以防堵塞滴灌孔。水的輸送一般用塑料管，應該是黑色的，或覆蓋在地膜下面，防止生長藻類，也防止管道由於紫外線的照射而老化。滴灌也可以用埋在地下的多孔陶瓷管完成，但費用較高，只有時用於草皮和高爾夫球場。

**滲灌**
滲灌技術已經在地下水位較高的地方應用許多年了，是人工將地下水位抬高，直接從底下為植物根系供水的方法。
滲灌常用於商業溫室產品，如對盆花進行灌溉，還可以施肥，用含有肥料的水溶液從底部浸泡花盆10 到20分鐘，然後水可以回收，這種運作需要高技術自動操作，設備費用貴，但節省人力、水和化肥，同時維護和操作費用也很低，原理和地下滴灌一樣。

**井灌**
井灌是中國大陸防治土地鹽鹼化的重要手段。井灌抽取深層的地下淡水用作灌溉，同時淋溼地表鹽分。同時並用「井排」，即抽去淺層的鹹水使得地下水位下降。

**技術挑戰**
土地鹽鹼化過程示意圖
灌溉技術要解決許多技術上及經濟上的問題，同時又要使對環境的負面影響減到最小。- 對地表水權的爭奪- 地下aquifers過度使用（枯竭）- 地層下陷（例如路易斯安那州的新奧爾良、臺灣的嘉南平原）- 灌溉不足或是隻夠植物使用的灌溉方式（滴水線灌溉）會造成土壤鹽化，在高蒸發率的土壤中產生有毒的鹽類，需要用leaching (agriculture)方式將鹽類溶於水中，再排水使鹽類排掉。若利用滴水線灌溉，最好定期進行瀝濾（水量只需要略多一些），因此鹽類可以沖洗到植物根部以下。- 由於distribution uniformity不佳或是灌溉管理問題造成的過度灌溉，會浪費水、農藥，也可能會造成水汙染。- 過度灌溉產生的深排水會帶來Water table的上昇，有時會產生土壤鹽化的問題，需要某種水系進行Watertable control。- 若用鹽水或是高鈉的水灌溉，會形成鹽鹼地，破壞土壤結構。- 過濾器堵塞：多半是因為藻類繁殖而堵塞過濾器，滴水裝置和噴嘴，紫外線及超音波可以控制灌溉系統中的藻類生長。

**另見**
 各國土地灌溉面積列表- Deficit irrigation- Environmental impact of irrigation- 農業用水- Gezira Scheme- Irrigation district- Irrigation management- Irrigation statistics- Leaf sensor- Lift irrigation- 各國土地灌溉面積列表- 稻田- 坎兒井- Surface irrigation- Tidal irrigation

**參考資料**

**外部鏈接**
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