王周奇

(泰安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 泰安 271000)

1 研究背景

現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要緊緊圍繞市場的變化調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整就使得輪作倒茬成為必然。根據(jù)全國農(nóng)作物重大病蟲測報(bào)網(wǎng)(植物病蟲情報(bào)(第一期)昌吉州農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心2012年2月29日)昌吉州2012年主要農(nóng)作物病蟲蝗害長期發(fā)生趨勢分析中指出，重茬是導(dǎo)致棉花病蟲害發(fā)生的重要原因之一。根據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市2013年農(nóng)作物主要病蟲害發(fā)生趨勢預(yù)報(bào)分析指出，重茬是導(dǎo)致馬鈴薯病蟲害發(fā)生的重要原因(馬鈴薯是烏蘭察布市的大宗作物)。國內(nèi)外研究結(jié)果表明，連作可使土壤惡化、病蟲害增加、有毒物質(zhì)危害嚴(yán)重。連作會(huì)造成某種或幾種大量元素或微量元素缺乏。合理輪作倒茬是用地與養(yǎng)地相結(jié)合，保證持續(xù)、全面增產(chǎn)的有效農(nóng)業(yè)技術(shù)措施。

眾所周知，滴灌是迄今為止世界上最先進(jìn)的工程節(jié)水技術(shù)之一[1]。目前，在輪作倒茬條件下滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)研究甚少，或是空白，只在相關(guān)文獻(xiàn)研究中提出了要注意輪作倒茬，包括微灌工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[2]均沒有說明該如何來做。因此，開展輪作倒茶條件下滴灌系統(tǒng)適用性研究并針對(duì)已經(jīng)建設(shè)實(shí)施的滴灌系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行分析，旨在推出輪作倒茬地塊中滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念—保持系統(tǒng)所屬單根支管流量的基本穩(wěn)定性，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

2 輪作倒茬地塊中滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

滴灌相對(duì)是一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)而且比較復(fù)雜的工程。滴灌工程的主體，輸配水管網(wǎng)占了整個(gè)工程投資的大部分。管網(wǎng)布置就相當(dāng)于人體血管，對(duì)于整個(gè)工程來說至關(guān)重要，不僅要達(dá)到管路短、投資省、效果好、結(jié)構(gòu)簡單、利于管理操作的要求，還要適應(yīng)農(nóng)作物的種植生長需水要求，而且要保證運(yùn)行安全。同時(shí)管網(wǎng)布置要因地制宜進(jìn)行鋪設(shè)，要考慮地塊形狀、坡度、水源位置，以及作物種植結(jié)構(gòu)、氣候條件等因素，因此，其優(yōu)化設(shè)計(jì)頗為復(fù)雜。滴灌系統(tǒng)一旦建成，必須保證在生命周期內(nèi)的正常運(yùn)行。地埋管道的折舊年限較長，根據(jù)水利建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)規(guī)范[3]附錄C，塑料管、PVC管的折舊年限一般為20年。高新節(jié)水技術(shù)，不能適應(yīng)變化著的作物栽培模式的灌水要求，將影響著高新技術(shù)的應(yīng)用推廣和效益的充分發(fā)揮。尤其在輪作倒茬地塊中，使得高新節(jié)水灌溉適應(yīng)農(nóng)業(yè)種植技術(shù)的問題成了擺在技術(shù)人員的面前一道難題。

2.1 滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

輪作倒茬的作物滴灌輸水管網(wǎng)設(shè)計(jì)與連續(xù)種植單一作物滴灌管網(wǎng)不完全相同，需滿足不同作物的灌水需求，而不同作物種植模式不同。對(duì)輪灌倒茬的作物進(jìn)行滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要分析可能進(jìn)行輪作倒茬的作物種類，并按重要性進(jìn)行排序。不同作物高峰耗水期的設(shè)計(jì)灌溉補(bǔ)充強(qiáng)度可能不同，株、行距也可能不同。原則上應(yīng)按灌溉補(bǔ)充強(qiáng)度的最大值和重要作物的栽培模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，適當(dāng)照顧其他作物的栽培模式。即按照常規(guī)滴灌的做法，根據(jù)所有參與輪作作物的種植模式，土壤性質(zhì)和擬采用的毛管，計(jì)算出所有參與輪作作物的輪灌組數(shù)，選出輪灌組數(shù)較少的作物進(jìn)行計(jì)算。通過對(duì)幾種作物的分析計(jì)算，輪灌組增加的時(shí)間不會(huì)超過三天，并不影響作物的生長。這樣可以基本滿足所有參與輪作作物的灌水需求，然后根據(jù)所有參與輪作作物選擇出輪灌組數(shù)較接近切較少的重要作物來確定出單根支管及滴灌系統(tǒng)的流量，再通過適當(dāng)調(diào)節(jié)毛管的相關(guān)參數(shù)及作物的種植模式，來實(shí)現(xiàn)支管流量的基本穩(wěn)定，從而保證系統(tǒng)流量的基本穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了不同作物的灌溉需求。

在輪作倒茬的模式下，影響滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有以下2種情況[4]：

(1)設(shè)計(jì)灌溉補(bǔ)充強(qiáng)度不一致。

(2)作物株行距不同，要求的滴頭和毛管的布設(shè)方式可能不同。

在輪作倒茬的模式下，滴灌系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程要解決好以下2個(gè)問題[4]：

(1)重要作物的耗水強(qiáng)度。設(shè)計(jì)灌溉補(bǔ)充強(qiáng)度應(yīng)取重要作物的耗水強(qiáng)度。

(2)作物的株行距不同。不同作物種植模式不盡相同，因而所設(shè)計(jì)的滴灌系統(tǒng)盡可能滿足所有輪作倒茬作物的灌水需求。

2.2 保持系統(tǒng)所屬單根支管流量基本穩(wěn)定

滴灌系統(tǒng)的規(guī)模一般都是依據(jù)水源條件確定的，也就是說滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量一般情況都是確定的。滴灌系統(tǒng)一般來說有自壓系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)之分，兩種系統(tǒng)都需要保持系統(tǒng)的穩(wěn)定和系統(tǒng)流量的接近，因此提出了保持單根支管流量基本穩(wěn)定的設(shè)計(jì)理念。簡述如下：

(1)自壓滴灌系統(tǒng)一般都是大型的，且不需要附加能源，因此保持單個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定對(duì)與整個(gè)滴灌系統(tǒng)才是有利的。對(duì)于單個(gè)系統(tǒng)，不管種植任何一種作物，包括輪作倒茬時(shí)，只有單個(gè)系統(tǒng)的流量基本接近，才能保證整個(gè)滴灌系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)加壓滴灌系統(tǒng)一般來說都是單個(gè)的，而且需要附加能源，加壓滴灌系統(tǒng)一般都是更要保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。對(duì)于加壓滴灌系統(tǒng)，不管在輪作倒茬任何一種作物時(shí)，該系統(tǒng)的流量都要基本接近。因?yàn)榧訅旱喂嘞到y(tǒng)在按某一種作物(重要作物)設(shè)計(jì)時(shí)，水泵的揚(yáng)程和流量已經(jīng)確定，而且在設(shè)計(jì)工況下，水泵基本處于高效工作區(qū)。如果不能保持輪作倒茬作物的系統(tǒng)流量相接近的話，將會(huì)使設(shè)備長期不處于其高效工作區(qū)之內(nèi)，對(duì)于設(shè)備的使用壽命和能耗都是不利的。

通過以上分析，在設(shè)計(jì)輪作倒茬滴灌系統(tǒng)時(shí)，必須分別計(jì)算出可能進(jìn)行輪作倒茬的作物的輪灌組數(shù)，以輪灌組數(shù)最少作物為例，根據(jù)管道經(jīng)濟(jì)流速進(jìn)行系統(tǒng)支管流量的選擇，然后根據(jù)輪灌組的劃分，進(jìn)行滴灌系統(tǒng)流量的計(jì)算。即以輪灌組數(shù)最少的作物所需要的系統(tǒng)流量來滿足其他輪灌組數(shù)較多的作物的所需要的系統(tǒng)流量。例如，小麥?zhǔn)崭詈蠓N植玉米，由于小麥毛管間距為0.6m，玉米毛管間距為1.0m，單位面積小麥所需流量較大，因此通常以小麥為典型作物進(jìn)行滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)玉米也要做完整的設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)參數(shù)、灌溉制度、工作制度、灌水小區(qū)水力計(jì)算接點(diǎn)壓力驗(yàn)算等，如果玉米滴灌所需流量和壓力遠(yuǎn)小于小麥滴灌系統(tǒng)所需流量和壓力，對(duì)于已選定的水泵設(shè)備，就需要配備變頻設(shè)備，但是增加設(shè)備倒不如采取簡單的工程措施而保障設(shè)備的正常運(yùn)行來的實(shí)惠。

根據(jù)本文所推薦的設(shè)計(jì)理念，通過篩選出適合不同作物輪作倒茬生產(chǎn)的滴灌帶鋪設(shè)方式[5]來調(diào)節(jié)玉米滴灌的毛管參數(shù)來保證系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行?？追庇頪6]通過開展不同滴灌帶和不同鋪設(shè)間距的滴灌效果試驗(yàn)，確定在新疆地區(qū)的壤土條件下，滴灌帶鋪設(shè)間距為1.2m以內(nèi)，可在地下形成一個(gè)濕潤層，無論地面上采用何種播種方式，播種行無需和滴灌帶吻合，也可滿足作物需水要求。張秀捷[7]的研究表明，水條件相同的情況下，滴灌帶間距和滴頭間距耦合作用對(duì)黃瓜沒有顯著影響。根據(jù)趙鶴等人的研究結(jié)果表明[5]：不同滴灌帶間距對(duì)作物產(chǎn)量影響不大，同時(shí)可保證土壤水分均勻度，滿足作物灌水需求。對(duì)于大型的自壓滴灌系統(tǒng)，這時(shí)就可以通過調(diào)節(jié)其他作物采用毛管的滴頭流量和滴頭間距來適當(dāng)調(diào)整其他作物的輪灌組數(shù)，使其盡量與設(shè)計(jì)工況下的系統(tǒng)流量和壓力盡量想接近，以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。也就是說不管在種植那種作物的情況下，通過調(diào)整滴灌帶鋪設(shè)方式等相關(guān)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)輪灌組數(shù)的調(diào)整和保持支管流量的穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流量的穩(wěn)定性，使得所設(shè)計(jì)的滴灌系統(tǒng)最大可能的發(fā)揮效益。

3 現(xiàn)有滴灌系統(tǒng)存在的問題

以新疆為例，棉花是新疆農(nóng)業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，目前滴灌系統(tǒng)中主要用于棉花灌溉[8]，節(jié)水滴灌技術(shù)為新疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)作物的生產(chǎn)帶來了不小的效益。新疆地區(qū)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上具有不斷改革創(chuàng)新的科研精神，在節(jié)水灌溉領(lǐng)域走出了自己的一片天空。但是在新疆主要用于棉花的滴灌系統(tǒng)，在作物倒茬輪作時(shí)無法實(shí)行，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)及生態(tài)環(huán)境造成了一定的負(fù)而影響[8]。前期在做滴灌工程設(shè)計(jì)時(shí)，往往只考慮了單種或連種一種作物，從而導(dǎo)致已實(shí)施滴灌工程在當(dāng)年的工程運(yùn)行情況較好，而到下年由于種植倒茬原因，種植模式的變化由稀植作物變成密植作物就會(huì)出現(xiàn)很多問題，比如爆管和壓力不均衡等，以至于影響了工程的正常使用。

同時(shí)由于多年種植棉花，棉花連作年限的的增加，也產(chǎn)生了土壤肥力下降作物產(chǎn)量降低、品質(zhì)變劣、病蟲害加劇等現(xiàn)象[8]。同時(shí)單一的種植作物對(duì)土壤結(jié)構(gòu)及生態(tài)環(huán)境造成了一定的負(fù)面影響，不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

上述問題的出現(xiàn)，是由于微灌工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[2]存在的缺陷或設(shè)計(jì)人員的習(xí)慣問題，未能將滴灌工程設(shè)計(jì)與農(nóng)業(yè)增產(chǎn)技術(shù)上可能出現(xiàn)的輪作倒茬措施考慮進(jìn)去。對(duì)這一問題解決具有普遍意義，各地區(qū)都在尋求好的解決方法。

4 設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用及驗(yàn)證

在伊犁河南岸干渠灌區(qū)第四師部分揚(yáng)水灌區(qū)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中考慮了6種作物的輪作倒茬，分別是冬小麥、甜菜、玉米、油葵、青貯玉米和苜蓿。首先根據(jù)不同作物的耗水強(qiáng)度及種植模式和經(jīng)驗(yàn)，幾種作物常用的毛管，分別計(jì)算出了幾種作物的輪灌組數(shù)，通過計(jì)算，在所選擇的參數(shù)情況下，苜蓿的輪灌組數(shù)最少，小麥的輪灌組數(shù)最多，其他幾種作物與苜蓿的比較靠近，因此，按照苜蓿計(jì)算出，支管的流量以及系統(tǒng)的流量，從而確定系統(tǒng)的常用流量，然后通過調(diào)整小麥所用的毛管參數(shù)和毛管的布設(shè)方式，來調(diào)整小麥的輪灌組數(shù)，讓小麥在灌溉時(shí)，輪灌組數(shù)與苜蓿接近或相同，從而使得支管的流量比較接近，同時(shí)系統(tǒng)的流量和壓力盡量與苜蓿灌溉時(shí)比較接近，以滿足整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.1 基于輪作的滴灌技術(shù)應(yīng)用

作者根據(jù)自己的多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為在每幅窄膜70cm下，鋪設(shè)一根滴頭流量為1.8～2.6L/h、滴頭間距為30cm的滴灌帶，同時(shí)根據(jù)地形及與水源壓力合理布局支管，每根支管間距以75～80m為宜，分干管間距以150～160m為宜，也就是說每根支管控制面積為80m×80m左右，即單根支管的過流量控制在50～60m3/h左右，最好采用φ110的支管算出來的支管經(jīng)濟(jì)流速在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)。灌溉排水與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[9]6.3.3管道設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)流速應(yīng)控制在0.9～1.5m/s，不能一邊加壓一邊又在把支管的水頭損失取得太大，過多的消耗能量，使得灌水小區(qū)的水頭偏差與規(guī)范不符。同時(shí)這種布置方式，計(jì)算出來的支管水頭損失，只有1m左右，毛管的水頭損失只有0.5m左右，對(duì)于支管輪灌的方式而言，一條支管為一個(gè)灌水小區(qū)，只需要保持同時(shí)輪灌的支管入口處的水頭基本穩(wěn)定，這樣就完全可以省去穩(wěn)流三通，用普通的承插三通或直通就可以了，而且滿足灌水小區(qū)所允許的水頭偏差率。

4.2 應(yīng)用效果

采用上述方法布置φ110的支管，毛管的鋪設(shè)長度和計(jì)算的極限長度相差較大，出水栓之間的距離偏小，但灌水小區(qū)水頭偏差遠(yuǎn)小于按規(guī)范推薦的公式計(jì)算出來的水頭偏差，可以不考慮穩(wěn)流三通的水頭損失(通常計(jì)算按4.0m)，對(duì)于后期的運(yùn)行費(fèi)用及節(jié)能方面的貢獻(xiàn)較大。

如采用φ90的支管如此布置，計(jì)算出來的支管水頭損失，只有3.0m左右，毛管的水頭損失只有0.5m左右，只計(jì)算出來的就已經(jīng)超出了灌水小區(qū)所允許的水頭偏差率。這種情況下就必須采用穩(wěn)流三通了，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，穩(wěn)流三通的水頭損失約在4.0m，對(duì)于后期的運(yùn)行費(fèi)用及節(jié)能方面的而言，與φ110的支管相比較而言，差別較大。

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第七師在2006—2008年間實(shí)施了6.67×104hm2滴灌工程，由于當(dāng)時(shí)種植模式單一等諸多原因，毛管鋪設(shè)較長，分干管間距240m左右，導(dǎo)致種植模式變化后灌水均勻度不好，相關(guān)團(tuán)場已經(jīng)對(duì)原設(shè)計(jì)做了相關(guān)的更改，或采用長短管即雙支管滴灌系統(tǒng)[10]或增加出地樁，一條支管控制10畝地左右。根據(jù)理論計(jì)算，此布置偏于保守，但是使用方便。同時(shí)加壓滴灌系統(tǒng)，根據(jù)支管的過流量和經(jīng)濟(jì)流速的要求，不能一邊加壓一邊又在把支管的水頭損失取得太大，過多的消耗能量，使得灌水小區(qū)的水頭偏差與微灌工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[2]5.2.4條規(guī)定計(jì)算出來的不符。

5 應(yīng)用分析

通過近幾年基層運(yùn)行單位的實(shí)際做法，照以上這種布置滴灌系統(tǒng)中的管網(wǎng)，基本上可適用于任何一種種植作物，可以滿足不同時(shí)期輪作任何作物的灌水需求。比如，這種布置管網(wǎng)形式，滴灌棉花時(shí)，毛管間距為76cm，滴頭流量為2.1L/h，單根支管的流量為57624.0L/h；滴灌玉米時(shí)將膜上行距由常規(guī)地膜玉米的40～45cm，縮至30～35cm，將膜間距增加至60～65cm，株距24cm，毛管間距1.0m，滴頭流量為2.8L/h；單根支管的流量為58800.0L/h；基本上保證了單根支管系統(tǒng)流量的穩(wěn)定，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)流量的穩(wěn)定性。

目前長久不變和分散的土地承包政策不適宜滴灌技術(shù)的推廣，若要實(shí)施，必須統(tǒng)一運(yùn)行管理、統(tǒng)一作物種類、統(tǒng)一施肥標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一種植時(shí)間、統(tǒng)一田間農(nóng)作、統(tǒng)一安裝和拆卸滴灌管道。為了強(qiáng)化棉田輪作倒茬，有效遏制生態(tài)環(huán)境惡化，減少投資并充分利用現(xiàn)有棉區(qū)滴灌設(shè)施推廣輪作倒茬，可以對(duì)已建成的滴灌系統(tǒng)進(jìn)行改造。對(duì)現(xiàn)已建成的滴灌系統(tǒng)而言，要做到適應(yīng)輪作倒茬，主要有以下幾種方法：①將同一種作物盡可能連片種植在同一個(gè)輪灌組上；②采用長短支管，與短支管等長的長支管部分為盲管即輸水管，長出的部分上面敷設(shè)毛管，或改造成為雙支管滴灌系統(tǒng)[10]的方法；③增加出地管，即縮短已建成系統(tǒng)的支管間距。目前，按本文所推廣的管網(wǎng)布置形式成功改造了原有滴灌系統(tǒng)的，都已實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)作物之間進(jìn)行倒茬輪作，如棉花和辣椒倒茬、棉花和瓜類倒茬、棉花和葵花倒茬、辣椒和葵花倒茬等；不僅有效緩解了旱情，而且省工、節(jié)水、節(jié)地，肥料利用率高，病蟲害為輕害。

6 結(jié)語

現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要緊緊圍繞市場的變化調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整就使得輪作倒茬成為必然。對(duì)輪作倒茬的地塊中的作物實(shí)施高新節(jié)水灌溉進(jìn)行研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。作者僅通過多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和對(duì)管網(wǎng)布置的處理，提出了在輪作倒茬地塊中滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，供同行借鑒參考，不足之處在于沒有具體效益數(shù)據(jù)的支撐，乞求相關(guān)理論研究不斷完善補(bǔ)充。建議在今后的規(guī)范修訂時(shí)能于農(nóng)業(yè)增產(chǎn)技術(shù)完美結(jié)合，同時(shí)在新建滴灌工程設(shè)計(jì)中必須合理處理作物的輪作倒茬問題，將節(jié)水灌溉技術(shù)與農(nóng)業(yè)增產(chǎn)技術(shù)有機(jī)緊密結(jié)合起來，發(fā)揮綜合的節(jié)水增產(chǎn)效益，從而達(dá)到促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，更好地推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。