民勤綠洲灌區(qū)精細(xì)壟膜溝灌技術(shù)參數(shù)研究

丁 林，王文娟，王以兵(甘肅省水利科學(xué)研究院，蘭州 730000)

壟作是在耕作形成的壟面或壟溝內(nèi)種植作物的一種耕作方式，是通過改變地表微地形，減少耕種面積，協(xié)調(diào)水、肥、氣、熱關(guān)系，促進(jìn)作物生長，降低耕作對農(nóng)田環(huán)境影響的一種保護(hù)性耕作措施[1]。平作改為壟作后，田間灌溉方式由畦灌改為溝灌，灌水定額減少，提高降水和灌溉水利用率，壟作比平作節(jié)水40%[2,3]。在壟作溝灌對作物影響方面已有專家學(xué)者作了大量的研究[4-6]，在壟溝水分入滲方面也有大量研究[7-11]，上述研究均在無膜覆蓋條件下進(jìn)行。隨著地膜覆蓋措施的應(yīng)用，由于壟溝下墊面發(fā)生了變化，已有的灌水技術(shù)參數(shù)需要通過現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行修正。針對壟膜溝灌技術(shù)目前研究較多的是壟膜溝灌對作物產(chǎn)量、水分利用、肥料利用的影響等方面[12-18]，而對壟膜溝灌技術(shù)參數(shù)的研究較少。本研究針對以上實(shí)際，在地膜覆蓋條件下開展精細(xì)壟膜溝灌技術(shù)參數(shù)研究，進(jìn)而提出適宜的壟膜溝灌技術(shù)參數(shù)，為技術(shù)推廣應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015年9月在甘肅省水利科學(xué)研究院民勤灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)地處民勤綠洲和騰格里沙漠交界地帶，地理坐標(biāo)東經(jīng)130°05′，北緯38°37′，屬典型的大陸性荒漠氣候，氣候干燥，降水稀少，蒸發(fā)量大，風(fēng)沙多。多年平均氣溫7.8 ℃，極端最高氣溫39.5 ℃，極端最低氣溫-27.3 ℃，平均濕度45%，多年平均降水110 mm，多年平均蒸發(fā)量2 644 mm。研究區(qū)光熱資源豐富，年日照時數(shù)3 028 h，≥0 ℃積溫3 550 ℃，≥10 ℃積溫3 145 ℃，無霜期150 d，最大凍土深115 cm。試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)0～60 cm為黏壤土，60 cm以下逐漸由黏壤土變?yōu)樯橙劳?，土壤平均容重?.54 g/cm3，土壤飽和含水率0.43 cm3/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)根據(jù)不同壟溝坡度、入溝流量、灌水定額經(jīng)優(yōu)化選擇7個試驗(yàn)處理。試驗(yàn)地深耕、耙耱，按試驗(yàn)設(shè)計(jì)坡度平整起壟后覆膜，壟底寬100 cm，壟頂寬60 cm，溝寬40 cm，溝深20 cm，膜寬120 cm，在溝底按30 cm打好入滲孔，試驗(yàn)地規(guī)格為1×65 m，灌水定額為525 m3/hm2和375 m3/hm2兩種，每個處理重復(fù)3次，各處理隨機(jī)布置3個點(diǎn)用烘干法測定土壤含水量，試驗(yàn)田土壤為中透水性。具體參數(shù)設(shè)計(jì)見表1。

表1 壟膜溝灌技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 測定指標(biāo)與方法

土壤含水量：分別在試驗(yàn)田壟溝覆膜后、灌水前及灌水結(jié)束48h后，用土鉆取土烘干法測定試驗(yàn)區(qū)含水量，灌前土壤含水量每個小區(qū)測3個點(diǎn)，灌后從溝首到溝尾每隔20 m取一個點(diǎn)，每個點(diǎn)測定深度為0～100 cm，每隔20 cm取一個樣測定。

水流推進(jìn)：試驗(yàn)時沿試驗(yàn)田長度方向每隔10 m設(shè)一水尺，用秒表依次記錄水流到達(dá)各水尺的時間。

溝內(nèi)水深：在灌水期間每隔10 min讀一次水尺讀數(shù)，灌水結(jié)束時加讀一次，停灌后每隔10 min讀一次水尺讀數(shù)，直到水尺讀數(shù)為0。

灌水量：通過管道輸水，水表計(jì)量灌水量。

流量：通過安裝在灌溉系統(tǒng)首部的超聲波流量計(jì)測量。

灌水均勻度：田間灌水均勻度一般由克里斯琴森均勻度系數(shù)Cu表示：

(2)

2 結(jié)果分析

2.1 水流推進(jìn)分析

圖1描述了灌水時各處理的水流推進(jìn)過程。從圖1可以看出，當(dāng)灌水流量一定時，水流推進(jìn)速度與入溝流量和溝底坡度有關(guān)，且呈正相關(guān)關(guān)系。試驗(yàn)中除T5外，其余處理水流均能在灌水結(jié)束前達(dá)到溝尾，T5處理雖然耗用灌水時間最多，但由于坡度緩、入溝流量小，水流推進(jìn)速度慢，在灌水過程中過多水分滲入土壤，使水流到達(dá)不了溝尾。同樣，T1處理也因入溝流量小，水流推進(jìn)速度較為慢，只是T1處理坡度較大，最終使水流勉強(qiáng)推進(jìn)到了溝尾，但其均勻度較差，溝尾入滲水量較少。

圖1 各處理壟溝水流推進(jìn)過程線

表2為各處理水流推進(jìn)速率，從表2可以看出，各處理水流推進(jìn)速度隨溝長方向逐漸減小，主要是由于部分水量在推進(jìn)過程中滲入土壤，前進(jìn)水量減小所致。各處理中入溝流量越大，水流推進(jìn)速率越大，另外，壟溝坡度也對水流推進(jìn)速率有一定的影響。平均水流推進(jìn)速率最大的處理為T4處理，達(dá)到了0.098 m/s。僅從水流推進(jìn)速率及灌水時長來看，當(dāng)壟溝坡度為1/500時，和灌水定額525 m3/hm2相對應(yīng)的壟溝灌水參數(shù)為：入溝流量0.8 L/(s·m)，壟溝長度50～60 m；和灌水定額375 m3/hm2相對應(yīng)的壟溝灌水參數(shù)為：入溝流量1.0 L/(s·m)，壟溝長度50～60 m。當(dāng)壟溝坡度為1/1 000時，和灌水定額525 m3/hm2相對應(yīng)的壟溝灌水參數(shù)為：入溝流量0.8 L/(s·m)，壟溝長度50～60 m；和和灌水定額375 m3/hm2相對應(yīng)的壟溝灌水參數(shù)為：入溝流量1.0 L/(s·m), 壟溝長度50～60 m。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)入溝流量小于0.6 L/s 時，灌水定額應(yīng)大于525 m3/hm2，壟溝長度應(yīng)控制在40 m以內(nèi)。

表2 各處理壟溝水流推進(jìn)速率

2.2 灌水層深度分析

在灌溉過程中，水分隨水流推進(jìn)不斷入滲到土壤中，到灌水結(jié)束后，入滲到土壤中水分多少，與入溝流量和溝底坡度等因素有關(guān)，入溝流量越小和溝底坡度越緩的處理，因灌水時間相對較長，入滲水量大于其他處理，同時存留在溝內(nèi)的水層深度相應(yīng)較小。灌水結(jié)束后，地面坡度和灌水定額相同條件下，入溝流量大的處理溝內(nèi)水存留深度大于入溝流量小的處理。地面坡度和入溝流量相同條件下，灌水定額大的處理溝內(nèi)水存留深度大于灌水定額小的處理。 灌水定額和入溝流量相同條件下，溝底坡度大的處理溝內(nèi)水存留深度大于溝底坡度小的處理。這一結(jié)果與不同處理所需要的灌水時長是相一致的，與不同處理在灌水過程中水的入滲量多少有直接關(guān)系。灌水結(jié)束后,壟溝水層深度占溝深的比例達(dá)到2/3以上的處理有T2、T4、T7，說明這3個處理壟溝參數(shù)及灌水參數(shù)設(shè)計(jì)和較為合理，其他處理相對較為不合理，其中T5、T1處理最不合理，在實(shí)際應(yīng)用中不可取(見表3)。

表3 溝灌灌溉過程水尺深度與入滲速率

2.3 水流消退分析

由表4可知，灌水結(jié)束后，壟溝水層深度越深，入滲速率越快。雖然各處理水深下降速度隨時間均呈逐漸減小的趨勢，但各處理均能在60 min左右將水入滲完畢。主要原因是灌溉過程中入滲水量少的處理，則灌溉結(jié)束后水層深度大，入滲速度快；灌溉過程中入滲水量多的處理，則灌溉結(jié)束后水層深度小，入滲速度慢。各處理在灌水結(jié)束后30 min內(nèi)水層下降深度占總深度的比例額均在65%以上，其中最高的T3處理占89.2%，最低的T7占68.7%，由上說明各處理溝內(nèi)土壤水分在灌水后均未達(dá)到飽和狀態(tài)，灌水結(jié)束后逐漸達(dá)到飽和，飽和后溝內(nèi)水分入滲速率逐漸減緩。

2.4 灌水均勻度分析

根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測資料，利用公式(1)、(2)計(jì)算精細(xì)壟膜溝灌不同處理的灌水均勻度如表5和表6所示。由于T5處理入溝流量小，水流未推進(jìn)到壟溝末端，其灌水均勻度較差，其余6個處理灌水均勻度均在0.89以上，其中T4、T7處理灌水均勻度最高，分別達(dá)到0.98和0.94，同樣T2和T6灌水均勻度也達(dá)到了0.9以上。由此可以得出，在實(shí)際作物種植及灌溉中，當(dāng)壟溝坡度在1/500時，適宜的灌水定額為375～525 m3/hm2、入溝流量為0.8～1.0 L/s；當(dāng)壟溝坡度在1/1 000時，適宜的灌水定額為375～525 m3/hm2、入溝流量為0.8～1.0 L/s。與已有規(guī)范與研究成果相比[19]，入溝流量可減少0.2～0.5 L/s，溝長可延長20～30 m左右。

表4 溝灌灌水結(jié)束后水深下降分析

表5 田間各處理、各測點(diǎn)含水量實(shí)測值 %

表6 溝灌灌水均勻度計(jì)算

3 結(jié) 語

本研究針對地膜覆蓋后原有的溝灌技術(shù)參數(shù)已不能適應(yīng)現(xiàn)實(shí)要求，設(shè)定了不同單寬流量、地面坡度、灌水定額等參數(shù)，研究提出了不同精細(xì)灌溉條件下的適宜技術(shù)參數(shù)。在水流推進(jìn)方面得出，入溝流量是影響水流推進(jìn)速率的主要因素，流速越快，在灌水過程中入滲水量越少，灌水后均勻度較高；在適宜坡度及入溝流量方面得出，當(dāng)壟溝坡度在1/500左右，灌水定額為375～525 m3/hm2時、適宜入溝流量為0.8～1.0 L/s，壟溝長度60 m；灌水定額大于525 m3/hm2時、適宜入溝流量為0.6～0.8 L/s，壟溝長度60 m。當(dāng)壟溝坡度在1/1 000左右，灌水定額為375～525 m3/hm2時、入溝流量為1.0 L/s，壟溝長度60 m；灌水定額為大于525 m3/hm2時、入溝流量為0.8～1.0 L/s，壟溝長度60 m。在實(shí)際作物種植及灌溉中，應(yīng)根據(jù)不同自然條件、作物種類、播種方式、土壤質(zhì)地、土壤墑情、配套農(nóng)藝措施等選擇合適的入溝流量及灌水定額。

本研究結(jié)論是在民勤綠洲大田試驗(yàn)條件下完成的，不可避免受到研究區(qū)土壤質(zhì)地、自然條件的影響，所以試驗(yàn)得出的結(jié)論有一定的局限性，在不同自然條件下的精細(xì)壟膜溝灌技術(shù)參數(shù)還需進(jìn)一步研究，另外還需要研究二元覆蓋及其他覆蓋條件下的主要技術(shù)參數(shù)。

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