太原市城區(qū)草坪微潤灌溉試驗(yàn)研究

王新生

（山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002）

近年來，隨著太原市城市化改造工程的逐步加快，城中村逐漸地消失，交通立交橋拔地而起，城中的綠地公園和人工濕地明顯增多，特別是自北向南橫貫太原市境內(nèi)的汾河，其兩岸的綠化工程快速延伸，建植了大面積的草坪。城市草坪具有美化環(huán)境、凈化空氣、調(diào)節(jié)氣溫、保持水土，為人們提供休閑娛樂場地等多種功能[1]。草坪綠地覆蓋面積的大小，已經(jīng)成為衡量一個(gè)城市環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)代化的重要指標(biāo)之一[2]。草坪也以其特殊的美學(xué)和生態(tài)價(jià)值日益受到廣大市民的青睞[3]。

大面積的草坪持續(xù)生長需水量很大，太原市長期以來嚴(yán)重缺水，屬于水資源相對(duì)嚴(yán)重短缺的城市，隨著近年來太原市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不斷提速，更是加劇了這種水資源供需的矛盾。發(fā)展草坪節(jié)水灌溉技術(shù)變得十分必要。目前，太原市草坪灌溉的灌溉模式主要有地面灌溉和地下灌溉，其中地面灌溉主要包括大水漫灌、噴灌、滴灌，地下灌溉主要是滲灌。微潤灌溉是近年來開發(fā)的一種新型高效的節(jié)水灌溉技術(shù)，是國家“863”和水利部“948”項(xiàng)目重點(diǎn)支持和推廣的技術(shù)，本文通過對(duì)太原地區(qū)草坪微潤灌試驗(yàn)研究，為該技術(shù)在山西的推廣應(yīng)用提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)自然概況

試驗(yàn)區(qū)在山西省水利水電科學(xué)研究院節(jié)水示范基地，該基地地里位置位于太原市小店區(qū)西溫莊鄉(xiāng)，屬于溫帶季風(fēng)性氣候，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，晝夜溫差大，無霜期長，日照充足。年均氣溫9.5℃，年均降水量約為440 mm，降水主要集中在6-9月。土壤質(zhì)地為黏壤土，0～160 cm平均容重1.4g/cm3。試驗(yàn)區(qū)土壤0～20 cm基本性狀見下表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤0～20 cm深度基本性狀

1.2 試驗(yàn)區(qū)選用的節(jié)水灌溉產(chǎn)品

（1）微潤管。選用深圳微潤灌溉技術(shù)有限公司生產(chǎn)的，一種以半透膜為核心材料制成的軟管狀給水器，該技術(shù)充分利用功能性納米半透膜材料對(duì)膜兩側(cè)能差的“感知-反饋”功能，以地下供水方式向植物根部24h緩慢、連續(xù)地直接供水，以膜內(nèi)外水勢梯度為驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)實(shí)時(shí)灌溉。

（2）滴灌帶。選用杭州奧特普灌溉設(shè)備有限公司生產(chǎn)的流延式滴灌帶，選用的產(chǎn)品型號(hào)ATP-DGD16-0.15-10-500，該產(chǎn)品在工作壓力范圍內(nèi)，100 m滴灌帶90%均勻度狀況下，每小時(shí)流量500 L/（100 m·h）。

（3）噴灌。選用美國陀螺公司生產(chǎn)的TORO670Z標(biāo)準(zhǔn)型系列地埋散射噴頭，射程：-5.5m，工作流量：0.01～0.02m3/h，工作壓力范圍：1.4～3.5kg/cm2。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

草坪草種選用冷季型草坪草高羊茅，該草坪已經(jīng)建植5年，灌溉方法選用微潤灌、滴灌、噴灌3種灌溉方式，為了便于在試驗(yàn)小區(qū)控制灌水量的精準(zhǔn)度，用8L的噴壺替代選用的地埋式噴灌。試驗(yàn)的時(shí)間段選取草坪的一個(gè)生育期，即從每年的3月澆返青水開始，至11月澆冬水為止。根據(jù)已有的研究結(jié)果表明：該草種6-8月份為日耗水量最大的時(shí)間段，土壤含水率在田間持水率的70%～90%之間，是草坪正?？焖偕L的區(qū)間段[4]。試驗(yàn)地塊的田間持水率為21%（重量含水率），0～25cm土壤平均容重為1.4g/cm3。設(shè)計(jì)最大含水率為田間持水率的90%，最小含水率為田間持水率的70%。設(shè)計(jì)的灌溉濕潤層深度為25cm。

試驗(yàn)小區(qū)共9個(gè)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積為6.67m2，每個(gè)小區(qū)周圍用塑料布隔開，塑料布的埋深為1m，每種灌溉方式3次重復(fù)，每種灌溉方式之間用保護(hù)行分隔，防止土壤水分的地下交換。

1.3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測取

土壤含水率采用土鉆法測定，每隔7天測取一次土樣，在小區(qū)的不同位置選點(diǎn)打鉆取樣，土鉆取樣的深度為10 cm和25cm。每個(gè)小區(qū)選取3個(gè)點(diǎn)測定草的生長高度，每周測一次，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 三種灌溉方式的灌水量、綜合灌溉成本對(duì)比分析

三種灌溉方式的灌水量及綜合灌溉成本見表2。

微潤灌溉管的給水方式是24h連續(xù)不間斷地供水，灌溉系統(tǒng)中不含動(dòng)力設(shè)備，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)能量是水位能和土壤勢能。只要水源的水位能保持在微潤灌溉管的設(shè)計(jì)承壓范圍之內(nèi)，灌溉水就會(huì)通過微潤管半透膜緩緩地向植物提供正常生長的需水量，在作物的全生育期實(shí)現(xiàn)同步供需水。從表中得知，在草坪的整個(gè)生育期內(nèi)，每天·次的灌水量，微潤灌溉相比較噴、滴灌，分別節(jié)水93.8%和95.8%，一個(gè)生育期內(nèi)，累計(jì)總灌水量，微潤灌溉相比較噴、滴灌，分別節(jié)水69.4%、74.2%。顯然，這種灌溉狀態(tài)是一種精準(zhǔn)灌溉，也是一種革命性的節(jié)水灌溉方式。

表2 3種灌溉方式的平均灌水量、綜合灌溉成本對(duì)比分析

微潤灌溉相比較噴、滴灌，后兩者要實(shí)現(xiàn)24h不間斷供水，將無法承受自身高額的動(dòng)力運(yùn)行費(fèi)用。微潤灌溉是地下灌溉，一般埋深至少在地表10 cm以下，濕潤體距離地表的干土層至少還有3～5cm的距離，相比較噴、滴灌的地面灌溉，有效地抑制了地面徑流損失、蒸發(fā)損失，灌溉水在濕潤體中以毛管水的狀態(tài)存在，也不會(huì)發(fā)生滲漏損失，微潤管灌溉避免或者大幅度降低了農(nóng)田水分的以上三種主要損失，減少了水分的浪費(fèi)。而且該灌溉模式不受地形和刮風(fēng)等氣候環(huán)境的影響，只要在工作壓力范圍內(nèi)，可以在坡地、丘陵、山地都可以方便使用。噴、滴灌在以上地形和刮風(fēng)天氣使用時(shí)，滴灌和噴灑的均勻度就會(huì)受到限制，嚴(yán)重的情況還會(huì)導(dǎo)致壓力不穩(wěn)定，損壞滴灌灌水器和地噴噴頭。

微潤灌溉同時(shí)也是水肥一體化的理想載體。微潤灌溉的施肥罐，由罐體、過濾芯、濾袋三部分組成，使用時(shí)，將計(jì)算量的肥料裝入濾袋內(nèi)，當(dāng)水流流經(jīng)施肥罐時(shí)，肥料在濾袋內(nèi)逐漸濾出，相比較滴灌，有充裕的時(shí)間使可溶部分肥料穿過濾袋進(jìn)入水中，并隨水直接到達(dá)植物根部。無效的殘?jiān)粤粼跒V袋內(nèi)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成不良影響。相比較地面施肥，可有效地避免或者減少揮發(fā)損失、淋溶損失和土壤固結(jié)損失，在施肥效果不減的前提下，大幅度地減少了肥料的使用量，同時(shí)也減輕了農(nóng)業(yè)面源污染。

微潤灌溉相比噴、滴灌，沒有水泵、水表、變頻柜、逆止閥、排氣閥等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，僅有自動(dòng)水位控制器和減壓閥的簡單裝置。按照目前山西草坪灌溉投資水平，從表2中的綜合成本可以看出微潤灌溉相比較噴、滴灌，同面積下平均綜合成本投資節(jié)省11.3%、15.5%。但是，目前微潤灌還沒有得到大面積的推廣應(yīng)用，主要是由于微潤灌溉技術(shù)比較噴、滴灌是新開發(fā)的高新技術(shù)，設(shè)備的初始投資價(jià)位偏高，隨著逐步的推廣使用，它的造價(jià)也會(huì)逐步降低。微潤灌溉系統(tǒng)灌溉過程中無需外加電力、機(jī)械動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和人為管理，在簡化灌溉系統(tǒng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)灌溉自動(dòng)化，從而相比較后兩者，節(jié)省了勞動(dòng)力的投入，在勞動(dòng)力價(jià)格日益增長的同時(shí)，無疑是節(jié)省了一筆可觀的日常系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用。

2.2 草坪土壤10 cm含水率變化情況

草坪土壤10 cm含水率變化情況見圖1。

圖1 草坪土壤10 cm含水率變化

由圖1可知，微潤灌溉的土壤含水率變化不明顯，而噴、滴灌的變化幅度比較大。這表明微潤灌溉濕潤體形成后，微潤管通過半透膜緩慢、持續(xù)地向土壤供水，草坪根部吸收水分后，通過草的葉片上升到地面蒸發(fā)，土壤濕潤體內(nèi)水分處于平衡狀態(tài)，土壤含水率不會(huì)隨時(shí)間上下波動(dòng)，而是長時(shí)間的穩(wěn)定在同一水平。

噴、滴灌的土壤含水率變化幅度大，是由于停止灌水后，地表水分會(huì)很快蒸發(fā)，強(qiáng)烈的蒸騰作用，地面以下10 cm以內(nèi)的土壤水分會(huì)以毛管水的狀態(tài)向上蒸發(fā)，進(jìn)而快速揮發(fā)到大氣中。

2.3 草坪土壤25cm含水率變化情況

草坪土壤25cm含水率變化情況見圖2。

圖2 草坪土壤25cm含水率

由圖2可知，這三種灌溉方式下，25cm深土層含水率變化趨于平緩，并無大幅度的跳躍，表明此深度草坪濕潤層內(nèi)土壤含水率基本達(dá)到供需平衡。

2.4 草坪草觀測期內(nèi)的生長情況

高羊茅草在三種不同的灌溉方式下，微潤灌溉條件下的平均生長速度為0.42cm/d，滴灌條件下0.40 cm/d，噴灌條件下0.45cm/d，距離高羊茅草坪0.35cm/d的良好標(biāo)準(zhǔn)有波動(dòng)，這可能是由于試驗(yàn)觀測期內(nèi)，灌溉水量相對(duì)充足，蒸發(fā)快，高羊茅草的相對(duì)生長速度快的原因造成。這三種灌溉方式下，草的顏色大致相同，長勢情況也基本差別不大。

3 結(jié)論

（1）高羊茅草在三種不同的灌溉方式下，在為期一個(gè)生育期的觀測時(shí)間段內(nèi)，草的長勢基本相同，微潤灌溉累計(jì)灌水量135m3/667 m2，滴灌累計(jì)灌水量264 m3/667 m2，噴灌累計(jì)灌水量396 m3/667 m2，微潤灌溉相比較噴、滴灌，分別節(jié)水48．9％、65．9％；在施肥方面，微潤灌溉相比較滴灌，施肥量更加精準(zhǔn)，過濾的更加充分。相比較地面施肥，大幅度地減少了肥料的使用量，同時(shí)也減輕了農(nóng)業(yè)面源污染；微潤灌溉相比噴、滴灌，同面積下平均綜合成本投資節(jié)省11．3％、15．5％。

（2）微潤管鋪設(shè)在草坪10 cm 處，土壤濕潤體的含水率變化趨于穩(wěn)定，濕潤體內(nèi)的水量供需達(dá)到平衡。微潤灌條件下，草坪的計(jì)劃濕潤層深度應(yīng)為10 cm。噴、滴灌條件下，草坪10 cm 處土壤含水率變化幅度大，不穩(wěn)定。在25 cm 土壤含水率變化幅度小，趨于穩(wěn)定。在噴、滴灌條件下，草坪的計(jì)劃濕潤層深度應(yīng)為25 cm。

[1] 王在升，黃頂，嚴(yán)學(xué)兵?，F(xiàn)代城市草坪節(jié)水技術(shù)初探［J］．草原與草坪，2005，113（6）：8－10.

[2] 楊芳，陳國菊。西寧地區(qū)草坪灌溉制度與灌水技術(shù)的確定［J］．節(jié)水灌溉2003，（5）：6－7.

[3] 張新民，孫新章，胡林，邊秀舉，趙炳祥.北京地區(qū)常用草坪草的耗水規(guī)律及適宜灌溉量研究．作物水肥耦合效應(yīng)的研究綜述［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（6）：77－80.

[4] 孫強(qiáng)，韓建國，蔣麗，李鵬.草坪蒸散量及水分管理的研究［J］．草地學(xué)報(bào)，2004，12（1）：51－55.