地下滴灌的應(yīng)用模式與啟示

仵峰, 宰松梅, 徐建新, 王華震

(1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院,河南 鄭州 450045; 2.河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450046)

表1 最不利種植時(shí)作物與毛管相對位置的變化

表2 滴灌毛管的使用年限與價(jià)格

表3 不同滴灌方式下棉花產(chǎn)量對比

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地下滴灌的應(yīng)用模式與啟示

仵峰, 宰松梅, 徐建新, 王華震

(1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院,河南 鄭州 450045; 2.河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450046)

地下滴灌是一種先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù),為發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)提供了一條可選之路。為了尋求合理的地下滴灌應(yīng)用模式,對新疆、甘肅和廣西3個(gè)示范區(qū)的地下滴灌系統(tǒng)的投入和效益進(jìn)行了對比分析,得出如下結(jié)論:地下滴灌系統(tǒng)的毛管采用一次鋪設(shè)、多年使用的方式;與每年更換田間毛管的地表滴灌系統(tǒng)相比,地下滴灌系統(tǒng)年靜態(tài)投資與地表滴灌相當(dāng)或減少,但地下滴灌更方便農(nóng)業(yè)管理;棉花、馬鈴薯和甘蔗3種作物的地下滴灌均取得了較好的效益,地下滴灌與膜下滴灌棉花產(chǎn)量相當(dāng)或略有增產(chǎn),甘蔗單產(chǎn)從52.5～63.0 t/hm2提高到117～130 t/hm2,增加了1倍以上,馬鈴薯地下滴灌在節(jié)水22%的同時(shí),增產(chǎn)了115%;變革作物種植模式,選擇與節(jié)水技術(shù)相適宜的作物種植與管理技術(shù),可以更好地發(fā)揮節(jié)水技術(shù)的效益。

地下滴灌;投資;效益;模式

地下滴灌是將各級管道一次性鋪設(shè)于地表以下,供多年使用的一種滴灌方式。它能將水分和養(yǎng)分均勻、準(zhǔn)確地輸送到作物根部,調(diào)節(jié)作物生長所需的水、肥、氣、熱等條件。與地表滴灌相比,地下滴灌系統(tǒng)以土壤水為媒介,將灌溉水與作物構(gòu)成了一個(gè)連續(xù)的有壓系統(tǒng),為直接改善作物根區(qū)生長環(huán)境創(chuàng)造了條件;地下滴灌可以保持地表干燥,減少地表的無效蒸發(fā)和雜草生長;在方便田間管理,防止毛管丟失、老化,延長毛管的使用壽命等方面具有顯著的優(yōu)勢[1]。

節(jié)水技術(shù)并不等于節(jié)水,關(guān)鍵在于如何應(yīng)用。由于地下滴灌的特殊性和復(fù)雜性,加上土質(zhì)、作物等的差異,確定不同土質(zhì)及作物的合理灌水技術(shù)要素還存在一定問題,盲目使用及不恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)行、管理等都會直接影響地下滴灌系統(tǒng)的效用。因而,需要深入、系統(tǒng)地研究地下滴灌技術(shù)的適宜條件,總結(jié)一套適宜于該技術(shù)的應(yīng)用模式。在國家“863”計(jì)劃等項(xiàng)目的資助下,課題組在新疆、甘肅、廣西等地進(jìn)行了“地下滴灌技術(shù)研究和示范”工作。本文從系統(tǒng)投入和效益兩個(gè)方面,對該研究工作加以總結(jié),并與每年更換毛管的滴灌系統(tǒng)進(jìn)行比較,以期提高地下滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性,加深對地下滴灌技術(shù)的認(rèn)識,促進(jìn)地下滴灌技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

1 地下滴灌試驗(yàn)示范區(qū)概況

1.1 新疆棉花地下滴灌試驗(yàn)示范區(qū)

新疆棉花地下滴灌試驗(yàn)示范區(qū)設(shè)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)五師九十團(tuán),地處新疆維吾爾自治區(qū)博樂市,位于我國的最西邊,阿拉山口前沿。當(dāng)?shù)貧夂驐l件惡劣,年最高氣溫42.6 ℃,年最低氣溫-35 ℃,蒸發(fā)比1∶15.6,年平均八級以上大風(fēng)180 d,屬沙漠氣候,農(nóng)業(yè)灌溉主要依靠地下水。2002年,九十團(tuán)開始棉花地下滴灌試驗(yàn)并獲得成功,種植面積13.33 hm2,此后開始推廣。到2008年,在地下滴灌的規(guī)劃設(shè)計(jì)、灌溉技術(shù)管理、農(nóng)作物栽培管理等方面都取得了一些經(jīng)驗(yàn),已初步形成了地下滴灌棉花種植模式。

1.2 甘肅馬鈴薯地下滴灌試驗(yàn)示范區(qū)

甘肅馬鈴薯地下滴灌試驗(yàn)區(qū)位于甘肅省河西走廊西端的肅州市,是我國重要的馬鈴薯生產(chǎn)基地之一。當(dāng)?shù)爻Ｄ旮珊瞪儆?風(fēng)大沙多,年降水量約280 mm,蒸發(fā)量約2 100 mm,屬典型的大陸性季風(fēng)氣候,自然條件比較惡劣。干旱、大風(fēng)和沙塵暴的頻發(fā),嚴(yán)重影響著馬鈴薯的生產(chǎn)。

1.3 廣西甘蔗地下滴灌試驗(yàn)示范區(qū)

廣西甘蔗地下滴灌試驗(yàn)示范區(qū)設(shè)在廣西壯族自治區(qū)來賓市武宣縣境內(nèi),甘蔗生產(chǎn)為當(dāng)?shù)氐闹еa(chǎn)業(yè)。示范區(qū)地處北回歸線兩旁,屬亞熱帶季風(fēng)氣侯，陽光充足,雨量充沛,夏長冬短,無霜期長。年降雨時(shí)空分配不均勻,集中在4—9月,春、秋、冬季降雨偏少,季節(jié)性干旱頻繁?！笆昃藕?一年多旱”,干旱指數(shù)高(1.07),是當(dāng)?shù)睾禐?zāi)的突出特點(diǎn)。

2 地下滴灌系統(tǒng)組成與毛管布設(shè)

2.1 地下滴灌系統(tǒng)組成

與常規(guī)滴灌一樣,地下滴灌系統(tǒng)也由水源、首部樞紐、輸配水管網(wǎng)和灌水器等幾部分組成。其中管網(wǎng)由干、支、毛三級管道組成。大面積推廣應(yīng)用時(shí),田間供水管網(wǎng)常采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),即支管為φ110 mm PVC管,沖洗管采用φ75 mm PVC管,毛管內(nèi)徑均為16 mm,鋪設(shè)長度控制在100 m左右,鋪設(shè)間距1.00～1.50 m,埋深0.10～0.45 m。采用內(nèi)鑲式滴灌帶,滴頭間距0.33～0.40 m,滴頭流量為1.09～2.60 L/h。

2.2 毛管布設(shè)

2.2.1 毛管間距

1)棉花地下滴灌的毛管布設(shè)。結(jié)合新疆棉花地下滴灌的生產(chǎn)實(shí)踐,設(shè)定3種不同的種植模式:“1膜2管、1管2行”,“1膜1管、1管4行”和“1膜1管、1管2行”。對應(yīng)毛管間距分別為0.90 m、1.10 m和1.52 m。其中前2種間距應(yīng)用較多[4]。

毛管鋪設(shè)的間距主要取決于當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、土壤質(zhì)地、作物種植模式。較小的毛管間距有助于田間土壤水量的均勻分布,但間距太小會使投資增加?？紤]農(nóng)作物結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)作物倒茬,毛管的間距為0.80～1.10 m。若采用固定位置的種植模式,毛管的間距可增加到1.40～1.52 m,可節(jié)約滴灌帶3 000 m/hm2左右。

2)馬鈴薯地下滴灌的毛管布設(shè)。根據(jù)甘肅省肅州市馬鈴薯的生產(chǎn)條件和種植習(xí)慣,采用淺埋式地下滴灌系統(tǒng)。一般采用1管2行或1管4行的種植模式,選用使用壽命為1～2 a的滴灌帶,與馬鈴薯同種(鋪)同收。

3)甘蔗地下滴灌的毛管布設(shè)。傳統(tǒng)的甘蔗種植采用0.90～1.10 m等間距種植,每行甘蔗需鋪設(shè)1條滴灌帶。采用地下滴灌時(shí),為了充分發(fā)揮灌溉設(shè)備的效益,采用寬、窄行種植模式。寬行方便甘蔗的通風(fēng)透氣和植后田間管理;窄行增加甘蔗的種植密度。一般寬行可達(dá)到1.3 m,窄行0.5～0.6 m,滴灌帶埋設(shè)在窄行中間,符合甘蔗種植“寬行、密植”高產(chǎn)栽培要點(diǎn)。

4)毛管位置與作物的對應(yīng)關(guān)系。由于地下滴灌的毛管埋在地表以下,種植時(shí)雖然完全按照上述種植模式進(jìn)行,但對于復(fù)種指數(shù)較高的地區(qū),作物與毛管的相對位置也可能發(fā)生錯(cuò)位。以棉花種植為例,在3種種植模式下,種植行與毛管相對位置最不利時(shí),對應(yīng)的最大水平距離見表1。

表1 最不利種植時(shí)作物與毛管相對位置的變化

種植模式毛管間距/m設(shè)計(jì)水平距離/m最大水平距離/m1膜2管、1管2行0.900.150.301膜1管、1管4行1.100.300.501膜1管、1管2行1.520.430.72

從表1可以看出,最不利種植時(shí)，作物與毛管的最大水平距離增加為設(shè)計(jì)值的1.5～2.0倍。一旦出現(xiàn)這種情況,作物生長將受到影響,嚴(yán)重時(shí)還將導(dǎo)致作物減產(chǎn)。

2.2.2 毛管埋深

確定毛管埋深通常需考慮耕作深度、土壤導(dǎo)水性能及作物需水規(guī)律(尤其是作物在苗期的需水規(guī)律)。綜合考慮上述因素,地下滴灌的毛管埋深應(yīng)滿足2個(gè)條件:足夠深,以避免耕作或其他設(shè)備破壞;足夠淺,既能夠濕潤根區(qū)又避免表土濕潤。因此,毛管埋深多為0.02～0.70 m。

棉花為單季種植作物,每年均需重新耕種,因而新疆棉花地下滴灌時(shí),將滴灌帶埋設(shè)在農(nóng)作物耕作深度以下,避免耕作時(shí)對滴灌帶造成破壞。按照新疆棉花地下滴灌示范區(qū)的農(nóng)機(jī)作業(yè)習(xí)慣,地下滴灌的毛管埋設(shè)深度控制為0.35～0.40 m。

馬鈴薯根系分布較淺,主要收獲地下塊莖,進(jìn)行一年生或一年兩季栽培。結(jié)合甘肅省肅州市的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和種植習(xí)慣,地下滴灌時(shí),將滴灌帶與馬鈴薯同種(鋪)同收,在種(鋪)后對其進(jìn)行覆土,形成馬鈴薯淺埋式地下滴灌系統(tǒng)。

甘蔗為多年生作物,一次種植,可連收5～6 a,雖根系龐大,但入土較淺。甘蔗采用蔗溝種植,溝深約0.20 m,溝底寬0.20～0.25 m;蔗種要平放在蔗溝內(nèi),芽向兩側(cè);回土蓋種厚度一般約0.05 m。結(jié)合上述甘蔗種植的特點(diǎn),采用使用年限與甘蔗生長周期相同的滴灌帶,放種后將滴灌帶鋪于蔗種旁,然后回土覆蓋,形成甘蔗地下滴灌系統(tǒng)。

3 投資與效益

3.1 投資分析

膜下滴灌解決了滴灌投資高、易堵塞的難題,推動(dòng)了滴灌的快速發(fā)展。膜下滴灌投資低的一個(gè)重要原因是采用一次性滴灌帶,毛管壁較薄。地下滴灌系統(tǒng)通常采用多年用滴灌帶,毛管壁較厚。根據(jù)市場調(diào)查,不同壁厚毛管的使用年限和價(jià)格見表2。

表2 滴灌毛管的使用年限與價(jià)格

毛管壁厚/mm推薦使用年限/a市場價(jià)格/(元/m)0.21～20.18～0.230.43～50.32～0.381.08～100.85～1.10

從表2可以看出,隨著毛管壁厚的增加,推薦使用年限加長,價(jià)格也隨之上漲。但價(jià)格的上漲與建議使用年限并非呈簡單的線性關(guān)系。滴灌帶的使用壽命從1～2 a增加到3～5 a,增加了1.5～2.5倍,而滴灌帶的售價(jià)僅增加了65%～77%。由此可見,從應(yīng)用角度講,選用多年使用的滴灌帶,年靜態(tài)投資相對較低。此外,與每年更換田間毛管的一次性滴灌相比,一年鋪設(shè)多年使用,還可節(jié)省鋪設(shè)毛管所需的人工和費(fèi)用。

3.2 效益分析

以新疆棉花地下滴灌為例,對地下滴灌的效益進(jìn)行分析。田間調(diào)查表明,生育前期(6月15日—20日),膜下滴灌棉苗長勢優(yōu)于地下滴灌,棉花株高高于地下滴灌;此后,地下滴灌棉田快速生長,在7月上、中旬已與膜下滴灌無異。地下滴灌棉花生育期植株生長穩(wěn)健,主莖節(jié)間均勻,無旺長節(jié)位出現(xiàn),單株結(jié)鈴多;膜下滴灌棉田平均單株有2.1個(gè)旺長節(jié)位,單株結(jié)鈴低于地下滴灌。不同滴灌方式下棉花產(chǎn)量對比見表3。

表3 不同滴灌方式下棉花產(chǎn)量對比

年份地號灌水方式地塊面積/hm2品種單產(chǎn)/(kg/hm2)20041地下滴灌7.43遼棉-175105.72地下滴灌7.50遼棉-175160.03膜下滴灌6.67遼棉-175070.020051地下滴灌7.43新陸早125461.22地下滴灌7.50新陸早245967.73膜下滴灌6.67新陸早125764.4

從表3可以看出,地下滴灌棉花產(chǎn)量與膜下滴灌相當(dāng)或略有增產(chǎn)。田間實(shí)測數(shù)據(jù)表明[3],與膜下滴灌相比,地下滴灌可節(jié)水15%～25%,節(jié)約支出約600元/hm2,平均增產(chǎn)幅度達(dá)2%～5%,肥料利用率提高6%～8%。

4 地下滴灌模式

通過地下滴灌的示范研究,集成了一年生或季生作物淺埋式地下滴灌模式與多年生宿根作物深埋式地下滴灌模式,形成了適用于不同氣候區(qū)、不同作物的地下滴灌系統(tǒng),在新疆、甘肅、廣西等不同的氣候區(qū)分別進(jìn)行了棉花、馬鈴薯、甘蔗等作物的地下滴灌技術(shù)的集成和示范,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。地下滴灌系統(tǒng)的抗堵塞率、自潔凈率、滴水均勻度等技術(shù)性能指標(biāo)分別達(dá)到了85.0%、98.0%和96.2%,水、肥、農(nóng)藥成本和人工費(fèi)用等的節(jié)約量高達(dá)60%～85%[2]。

4.1 棉花地下滴灌模式

根據(jù)新疆棉花一年一季的矮密種植生產(chǎn)模式,采用深埋式地下滴灌系統(tǒng)。地下滴灌的毛管埋設(shè)于耕作層以下,以免耕作時(shí)破壞毛管,一次鋪設(shè),多年使用。根據(jù)設(shè)計(jì)使用年限,研發(fā)了具有不同使用壽命(3、5、8 a)的地下滴灌毛管。地下滴灌系統(tǒng)的折算年均投資低于現(xiàn)行的地表滴灌系統(tǒng),田間毛管系統(tǒng)的折算投資相當(dāng)于每年更換田間毛管的地表滴灌系統(tǒng)的60%左右。根據(jù)作物根系生長規(guī)律和土壤水分運(yùn)動(dòng)狀況,提出并實(shí)施了相應(yīng)的地下滴灌運(yùn)行和管理措施。

地下滴灌在棉花生產(chǎn)中的應(yīng)用表明[3]:與膜下滴灌相比,地下滴灌的使用年限長;更節(jié)省成本,單位投資降低146.25元;節(jié)水效果更好,灌水定額為3 700 m3/hm2左右;病蟲害發(fā)生少;更節(jié)省勞力;更有利于提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。存在的突出問題是棉花出苗時(shí)水分不足。由于滴灌帶埋于地下,春天播種后,如果表層土壤墑情達(dá)不到出苗的要求,采用地下滴灌無法保證供水。因此必須進(jìn)行冬灌或播前灌,以便春季出全苗。

4.2 馬鈴薯地下滴灌模式

馬鈴薯采用寬、窄行交替的高壟栽培種植模式,并覆蓋塑料薄膜,株距0.6 m,寬行0.7 m、窄行0.4 m,平均折合約3×104株/hm2。按照馬鈴薯的生育階段進(jìn)行供水,系統(tǒng)主要采用課題組新研制的多級網(wǎng)式過濾器、自適應(yīng)灌水器等產(chǎn)品,組合形成淺埋、低壓地下滴灌系統(tǒng),利用研制的鋪收機(jī)具在種植作物時(shí)將滴灌管鋪設(shè)于作物根系層上部,收獲時(shí)采用研制的機(jī)械化自動(dòng)布設(shè)機(jī)具將毛管收回,有效地解決了斷管、折管、卷管、扭曲、劃傷管壁和耕層深度不均勻等技術(shù)問題,機(jī)械設(shè)備性能更加趨于完善。系統(tǒng)的投資與現(xiàn)行的每年更換田間毛管的滴灌系統(tǒng)相當(dāng),但節(jié)水、增產(chǎn)效果明顯,分別為原來的78%、115%。該系統(tǒng)可以用于土豆、蔬菜等淺根作物灌溉。

4.3 甘蔗地下滴灌模式

甘蔗為多年生宿根作物,采用根際地下滴灌系統(tǒng),毛管與蔗種同位鋪設(shè)。根據(jù)甘蔗的宿生年限,地下滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用年限分為3 a和5 a。運(yùn)行中采用水肥同步的管理措施,根據(jù)甘蔗的作物騰發(fā)量和需肥規(guī)律制定灌溉施肥制度。旱天時(shí),以2 d為周期進(jìn)行水、肥供給;遇雨時(shí),減水不減肥,并適當(dāng)降低工作壓力,延長灌水時(shí)間。

地下滴灌在甘蔗生產(chǎn)中的應(yīng)用表明:與其他灌水方法相比,地下滴灌具有節(jié)水、抑制棵間蒸發(fā)、減少雜草生長、降低費(fèi)用、節(jié)省勞力、肥料利用率高、保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)和環(huán)境、優(yōu)化農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量等突出優(yōu)點(diǎn)。采用地下滴灌后,甘蔗產(chǎn)量從52.5～63.0 t/hm2提高到117～130 t/hm2,增加了1倍以上;甘蔗中糖分含量也大大提高;宿生年限從2 a延長到5～8 a;原料甘蔗的綜合成本大幅度下降。

5 結(jié) 語

通過對地下滴灌的示范性試驗(yàn),初步掌握了地下滴灌的特點(diǎn),集成了一年生或季生作物淺埋式地下滴灌以及多年生宿根作物深埋式地下滴灌等不同的地下滴灌模式。形成了適用于不同氣候區(qū)、不同作物的地下滴灌系統(tǒng),在新疆、甘肅、廣西等不同的氣候區(qū),分別進(jìn)行了棉花、馬鈴薯、甘蔗等作物的地下滴灌技術(shù)集成和示范,取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。得到如下啟示:

一方面,節(jié)水灌溉應(yīng)與作物種植相適應(yīng)。這就要求在設(shè)計(jì)任何一種節(jié)水技術(shù)之前,一定要掌握該技術(shù)的特點(diǎn)和適用條件,需到項(xiàng)目實(shí)施地點(diǎn)了解田間的地形、土壤質(zhì)地、作物種類、水源、水質(zhì)、水量、作物栽種模式等具體情況,科學(xué)合理地設(shè)計(jì)灌溉系統(tǒng)的首部、管線布局、滴灌帶間距、流量、灌水周期等,這是節(jié)水技術(shù)設(shè)計(jì)成功的基礎(chǔ)。

另一方面,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要配合節(jié)水技術(shù)要求。采用某一節(jié)水技術(shù)后,為更好地發(fā)揮節(jié)水設(shè)備的利用率和利用效益,提升節(jié)水技術(shù)的綜合效益,要更新相應(yīng)的作物種植模式,如調(diào)整作物的株距、行距等,這是保證節(jié)水技術(shù)生命力的一個(gè)重要措施。

[1]仵峰,宰松梅,叢佩娟.國內(nèi)外地下滴灌研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].節(jié)水灌溉,2004(1):25-28.

[2]仵峰,宰松梅.地下滴灌技術(shù)與產(chǎn)品研究新進(jìn)展[C]∥中國水利學(xué)會農(nóng)田水利專業(yè)委員會微灌工作組.第八屆全國微灌大會論文集.[出版地不詳]：[出版社不詳]，2009.

[3]段守明,仵峰,李富強(qiáng).淺談對新疆棉花地下滴灌的認(rèn)識[J].節(jié)水灌溉,2007(1):38-40.

[4]王振華,鄭旭榮,安俊波,等.新疆棉花地下滴灌應(yīng)用發(fā)展對策[J].節(jié)水灌溉,2008(10):16-18.

(責(zé)任編輯：陳海濤)

Application Modes and Inspiration of Subsurface Drip Irrigation

WU Feng1,2, ZAI Songmei1,2, XU Jianxin1,2, WANG Huazhen1,2

(1.Shool of Water Conservancy, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045,China; 2.Henan Key Laboratory of Water-saving Agriculture, Zhengzhou 450046, China)

Subsurface drip irrigation (SDI) is an advanced water-saving irrigation technology for developing water-saving agriculture. In order to find a reasonable SDI application mode, the investment and benefit of SDI systems in three demonstration zones of Xinjiang, Gansu and Guangxi, were compared and analyzed, and the following conclusions were obtained:compared with the disposable surface drip irrigation with annual changed laterals in the field, the laterals of SDI were installed once and used for many years, the static investment of SDI was lesser or equal to the surface drip irrigation systems, and SDI was more convenient for agricultural management, SDI system for three kinds crops of cotton, potatoes and sugarcane achieved better benefit, the cotton yield of SDI are slightly higher or equal to that of filmed drip irrigation system, the single yield of sugarcane increased from 52.5～63.0 t/hm2to 117～130 t/hm2, and the single yield was more twice, the yield of potato of SDI increased by 115% while SDI saved water by 22%. Changing proper cropping patterns and selecting appropriate planting modes and management techniques of crops, water-saving technologies would get higher benefits.

subsurface drip irrigation; investment; benefit; mode

2016-03-22

國家“863”計(jì)劃課題(2011AA100507);華北水利水電大學(xué)高層次人才科研啟動(dòng)費(fèi)資助項(xiàng)目;水資源高效利用與保障工程河南省協(xié)同創(chuàng)新中心資助項(xiàng)目。

仵峰(1969—),男,河南南陽人,教授,博導(dǎo),博士，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)及相關(guān)理論方面的研究。E-mail:wufeng@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.03.003

TV933;S275.4

A

1002-5634(2016)03-0019-04