武慧芳，劉學(xué)軍，陸立國(guó)

(寧夏水利科學(xué)研究院，銀川 750021)

0 引 言

痕量灌溉是一種按照作物需求進(jìn)行持續(xù)、緩慢的小流量灌溉技術(shù)。它的原理是：作物、土壤毛細(xì)管與灌水系統(tǒng)組成一個(gè)水勢(shì)平衡系統(tǒng)[1,2]，當(dāng)作物缺水時(shí)根系吸收水分，使得周圍土體水勢(shì)減小，此時(shí)灌溉水由毛管流至灌水器，首先由設(shè)置在灌水器前端的過濾膜將灌溉水中的大顆粒雜質(zhì)過濾掉，水流及小分子物質(zhì)流經(jīng)灌水器，與土壤顆粒接觸，受到土壤毛細(xì)管力的作用，灌溉水以微小的速度流向作物根系附近周圍土體，直到滲透土體與灌溉系統(tǒng)達(dá)到水勢(shì)平衡[3-6]。由于痕量灌溉技術(shù)是將灌溉水與營(yíng)養(yǎng)液直接輸送至作物根系附近土壤，從而減少了裸露于地面的棵間蒸發(fā)，達(dá)到了節(jié)水節(jié)肥的目的[7,8]。與此同時(shí)，痕量灌溉技術(shù)獨(dú)特的膜過濾技術(shù)，具有顯著的抗堵塞性能。

理論表明痕量灌溉適用于寧夏中部干旱帶灌溉水多泥沙的特性，在實(shí)際引進(jìn)應(yīng)用方面，2012年寧夏水科院劉學(xué)軍等人[9]在寧夏首次將痕量灌溉技術(shù)應(yīng)用于葡萄種植中，研究表明痕量灌溉具有優(yōu)越的節(jié)水效果，灌溉均勻度較滴灌高，并提出了葡萄痕量灌溉制度；2015年，寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院沈富等人[10]，將痕量灌溉技術(shù)應(yīng)用于日光溫室辣椒栽培上，研究了痕量灌溉管不同埋深對(duì)辣椒生長(zhǎng)和生理指標(biāo)的影響，當(dāng)痕量灌溉管埋深20 cm時(shí)，有利于辣椒的生長(zhǎng)發(fā)育；2016年，沈富等人[11]又將痕量灌溉技術(shù)應(yīng)用于日光溫室西葫蘆的栽培上，與噴灌進(jìn)行對(duì)比分析，研究痕量灌溉管不同埋深對(duì)日光溫室春季西葫蘆生長(zhǎng)、產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率的影響，研究表明西葫蘆基質(zhì)栽培的痕量管埋深以6 cm為宜。

痕量灌溉作為一項(xiàng)新興高效節(jié)水灌溉技術(shù)，應(yīng)用時(shí)間較短，缺乏在北方干旱地區(qū)大面積的大田試驗(yàn)檢驗(yàn)，在不同作物應(yīng)用的針對(duì)性研究尚不深入，且采用的膜過濾和特制控水頭技術(shù)與噴、微灌技術(shù)存在差異，現(xiàn)有地下節(jié)水灌溉技術(shù)參數(shù)也已不適用于痕量灌溉技術(shù)。本文選取寧夏中部干旱帶枸杞種植基地，開展痕量灌溉關(guān)鍵技術(shù)的規(guī)模示范應(yīng)用評(píng)價(jià)及在特色林果(枸杞)中的應(yīng)用相關(guān)參數(shù)研究，研究成果將為痕量灌溉技術(shù)的應(yīng)用、推廣提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

示范區(qū)位于同心縣河西鎮(zhèn)菊花臺(tái)村寧夏菊花臺(tái)莊園枸杞種植有限公司，距同心縣城約7.4 km，地理位置介于東經(jīng)105°55′16″～105°55′49″，北緯37°05′37″～37°55′50″之間。示范區(qū)屬于典型的大陸性干旱氣候區(qū)，多年平均降雨量270 mm左右，多年平均蒸發(fā)量2 300 mm左右，多年平均氣溫8.4 ℃，最高氣溫出現(xiàn)在7月，晝夜溫差大，平均日照時(shí)數(shù)達(dá)2 881 h，全年無霜期140～170 d。地下水埋藏較深，量少質(zhì)差，分布不均，礦化度高。土壤以淡灰鈣土為主，表層土壤質(zhì)地為壤土和沙壤土，土層深厚，土壤無鹽化、夾黏、夾沙礫層等障礙。

示范區(qū)種植多年生枸杞，樹齡為4 a，品種為寧杞7號(hào)，株行距為1 m×3 m。痕量管埋深0.25 m，鋪設(shè)長(zhǎng)度60～120 m不等，距離樹干25 cm左右，設(shè)計(jì)滴頭流量0.9 L/h，壁厚0.45 mm，直徑16 mm，灌水器間距33 cm，水源為黃河水。

2 痕量灌溉應(yīng)用效果監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

2.1 灌水均勻度監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)

由于同一根毛管距離支管不同距離部位的壓力是不同的，為準(zhǔn)確合理評(píng)價(jià)灌水均勻度，選取試驗(yàn)小區(qū)單根毛管首、中、尾3個(gè)部位，且每個(gè)部位選取相鄰兩個(gè)灌水器，在同一時(shí)間對(duì)不同部位的相鄰灌水器同時(shí)進(jìn)行出水量測(cè)試，利用均勻度計(jì)算公式：

Cu=-Δq/q

(1)

(2)

式中：Cu為灌水均勻系數(shù)；Δq為灌水器流量的平均偏差，L/h；qi為田間實(shí)測(cè)的各灌水器流量，L/h；q平為灌水器平均流量，L/h；n為所測(cè)灌水器個(gè)數(shù)。

分別計(jì)算同一毛管不同部位、不同毛管同一部位的灌溉均勻度，評(píng)價(jià)整個(gè)灌溉單元的灌水均勻度，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 痕量灌溉不同毛管長(zhǎng)度試驗(yàn)區(qū)灌溉均勻度計(jì)算表 L/h

60 m長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)小區(qū)，各毛管的灌溉均勻度在0.94～0.99，不同毛管、同一部位的灌溉均勻度在0.96～0.97,整個(gè)灌溉系統(tǒng)綜合均勻度在0.961；120 m長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)小區(qū)，各毛管的灌溉均勻度在0.94～0.99，不同毛管、同一部位的灌溉均勻度在0.92～0.97，整個(gè)灌溉系統(tǒng)綜合均勻度在0.944。兩次監(jiān)測(cè)結(jié)果均表明，痕量灌溉系統(tǒng)灌水均勻度良好，灌溉均勻度達(dá)到微灌均勻度要求。

2.2 不同供水壓力下痕量灌溉控水頭流量變化監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)

統(tǒng)計(jì)多次監(jiān)測(cè)小區(qū)的毛管平均流量與毛管尾部壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，測(cè)定結(jié)果見表2。菊花臺(tái)大田野外監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：痕量灌溉灌水器流量與毛管尾部壓力呈多項(xiàng)式關(guān)系:

q=-39.629P2+11.434P+0.169 6

(3)

式中：q為痕量灌溉灌水器流量，L/h；P為毛管尾部壓力，MPa。

分析：痕量灌溉系統(tǒng)灌水器在管道內(nèi)壁設(shè)有一層過濾膜，起到抗堵塞的性能，隨著供水壓力的升高，痕量灌溉灌水器流量提高[12]，當(dāng)壓力升高到一定程度(大于20 m),水壓將過濾膜緊緊壓貼于灌水器上，痕量灌溉灌水器的流量隨著壓力的提高灌水器流量迅速降低，隨著壓力的繼續(xù)升高(大于25～30 m)部分灌水器開始不出水，隨著部分灌水器的損壞，毛管壓力逐步上升，出現(xiàn)惡性循環(huán)，直至毛管爆管、灌水器全面損壞，導(dǎo)致整個(gè)地埋灌溉系統(tǒng)破壞、報(bào)廢，此時(shí)需配置減壓閥。并且當(dāng)管道內(nèi)水壓下降后，被壓貼于內(nèi)壁上的過濾膜無法恢復(fù)(見圖1)。

表2 痕量灌溉滴頭出水量與毛管尾部壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.2 Drip head water output and capillary tail pressure monitoring results

圖1 痕量灌溉毛管尾部壓力與滴頭流量關(guān)系曲線Fig.1 Curve of tail tube pressure and dripper flow rate

2.3 痕量灌溉痕量灌溉縱橫剖面濕潤(rùn)范圍監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)

選取兩個(gè)痕量灌溉小區(qū)，與對(duì)毛管垂直剖面距離毛管5、20、35、50 cm不同距離的土壤含水率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，繪制土壤含水率等值線圖，見圖2。從土壤含水率空間變化監(jiān)測(cè)等值線圖可明顯看出，在縱向方向，痕量灌溉管以上10 cm、痕量灌溉管以下20 cm土壤含水率最高，在60 cm深度處土壤濕潤(rùn)多在8.5%左右，隨著深度的繼續(xù)增加，土壤含水率逐步減小，土壤的最大濕潤(rùn)深度在80 cm左右；在水平方向，毛管單側(cè)土壤最大濕潤(rùn)寬度40～50 cm，從深度10 cm左右開始，隨著土層深度的增加，濕潤(rùn)的寬度增加，在土層深度30～40 cm處、出現(xiàn)最大寬度，單側(cè)最大寬度35～50 cm，隨著土層深度的繼續(xù)增加，土壤的濕潤(rùn)寬度逐步減??；灌溉水主要儲(chǔ)存在深度10～60 cm、痕量灌溉管兩側(cè)50～70 cm寬度范圍內(nèi)。根據(jù)植物(枸杞)根系分布范圍判斷，枸杞痕量灌溉鋪設(shè)1根毛管基本可滿足作物灌水要求，其濕潤(rùn)范圍與作物根系范圍基本重合，能夠較好的補(bǔ)充枸杞生長(zhǎng)所需的水分，盡可能減少土壤蒸發(fā)和深層滲漏，從而達(dá)到節(jié)水目標(biāo)。

2.4 痕量灌溉技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能與運(yùn)行管理評(píng)價(jià)

(1)毛管造價(jià)評(píng)價(jià)：痕量毛管單價(jià)達(dá)到6 元/m，現(xiàn)市場(chǎng)質(zhì)量較好的滴灌管單價(jià)在1.0～1.2 元/m，痕量灌溉管是滴灌管單價(jià)的5～6 倍。痕量灌溉管屬地埋管道，埋深0.2～0.3 m，增加了管道的地埋土方挖填工作，增加土方挖、填工程量0.09 m3/m，增加投資0.8～1.0 元/m。痕量灌溉較滴灌增加毛管投資6 元/m，枸杞痕量灌溉每公頃毛管用量3 330 m，增加投資1.998 萬(wàn)元/hm2，征集土方工程投資3 300 元/hm2，較滴灌增加投資較多。

圖2 痕量灌溉監(jiān)測(cè)小區(qū)土壤含水率空間分布圖Fig.2 Monitoring the spatial distribution of soil moisture content in the community

(2)痕量灌溉系統(tǒng)增加減壓閥：痕量灌溉對(duì)管道壓力的變化十分敏感，壓力超過20 m會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的破壞，對(duì)于地形變化較大的區(qū)域，必須認(rèn)真進(jìn)行水力計(jì)算，在適宜的位置配套減壓閥。根據(jù)菊花臺(tái)22 500 hm2痕量灌溉示范區(qū)建設(shè)，配套減壓閥17臺(tái)，單價(jià)在5 000～10 000 元/臺(tái)不等，購(gòu)置安裝減壓閥平均0.6 萬(wàn)元/臺(tái)，增加費(fèi)用10.2 萬(wàn)元；增加減壓閥井17 座，單價(jià)1 800 元/座，增加費(fèi)用3.06 萬(wàn)元。共增加建設(shè)費(fèi)用13.26 萬(wàn)元，增加建設(shè)費(fèi)用1 326 元/hm2。

(3)增加運(yùn)行管理費(fèi)用：痕量灌溉為地下滴灌，毛管埋設(shè)在地下。隨著人工工資的逐步提高，除草、施肥多采用機(jī)械，在除草、挖除分蘗根的過程中，由于地勢(shì)變化大，極易造成毛管破壞。根據(jù)菊花臺(tái)痕量灌溉示范區(qū)1年多的運(yùn)行，1次除草每公頃破壞痕量灌溉毛管30～45 處以上，全年除草3次以上，年每公頃破壞毛管90～135 處，增加了維修材料和維修人工，增加費(fèi)用較多，且由于維修影響灌溉進(jìn)度、造成水量浪費(fèi)。

2.5 痕量灌溉技術(shù)綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)菊花臺(tái)2年痕量灌溉試驗(yàn)對(duì)比監(jiān)測(cè)結(jié)果，將痕量灌溉與滴灌的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，見表3。通過對(duì)灌水器抗堵塞性能、灌水均勻度、濕潤(rùn)剖面、灌溉定額、毛管供水壓力、灌水器流量、最大毛管長(zhǎng)度、節(jié)水潛力、使用條件等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較，痕量灌溉較地面灌溉各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)越，具有推廣的前景。但是也存在一定的問題，毛管購(gòu)置費(fèi)用高，管道埋設(shè)與增設(shè)減壓閥建設(shè)投資大，同時(shí)由于其運(yùn)行過程中容易被破壞，造成維修材料與維修人工費(fèi)用的增加。

表3 痕量灌溉、滴灌技術(shù)指標(biāo)對(duì)比Tab.3 Comparison of trace irrigation and drip irrigation technical indicators

3 結(jié) 語(yǔ)

選取寧夏灌區(qū)中部干旱帶典型枸杞種植區(qū)，對(duì)痕量灌溉運(yùn)行效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：

(1)痕量灌溉技術(shù)能夠有效的節(jié)約水資源，同時(shí)具有較高的灌溉均勻度。痕量灌溉單根毛管長(zhǎng)度達(dá)到120 m，灌水均勻度在0.92以上，具有較高的均勻度；當(dāng)痕量灌溉管埋深20～30 cm時(shí)，毛管縱橫剖面濕潤(rùn)范圍縱向?yàn)?0～60 cm、痕量灌溉管兩側(cè)50～70 cm范圍與枸杞植株根系范圍重合，水分得到高效利用。

(2)供水壓力與灌水器出水量成正比關(guān)系，當(dāng)供水壓力超過20 m水頭的時(shí)候，滴頭流量驟減，從而導(dǎo)致灌水器損壞，且當(dāng)供水壓力恢復(fù)后已損壞灌水器無法恢復(fù)出水，造成永久性損壞。

(3)痕量灌溉毛管造價(jià)較滴灌高5～6倍，且當(dāng)供水小區(qū)壓力過高時(shí)需增設(shè)減壓閥，增加建設(shè)費(fèi)用1 326 元/hm2，從而加大投資；由于痕量灌溉管道鋪設(shè)與地下，田間作業(yè)容易造成破壞，從而增加維修材料與人工投入。

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