民勤綠洲地埋式滴灌關(guān)鍵技術(shù)研究

李 斌

(甘肅省水利科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

民勤綠洲位于石羊河下游，河西走廊東部，是武威盆地的主要天然屏障[1]。古時(shí)的民勤綠洲，水草豐美，物種繁多，植被郁郁蔥蔥，水鳥振翅飛翔，綠水青山，生機(jī)勃勃[2]。然而，隨著石羊河上游經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模急劇增長(zhǎng)，對(duì)水資源需求也急劇增加，導(dǎo)致下游來(lái)水量劇減，當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞[3-4]，對(duì)河西走廊甚至全西北五省的自然環(huán)境生態(tài)安全都有著直接或間接的影響。民勤水資源消耗主要是農(nóng)業(yè)用水，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展高效節(jié)水技術(shù)，建立高效節(jié)水型農(nóng)業(yè)是民勤發(fā)展的最終出路[5]。

近年來(lái)，噴、滴、管灌等高效節(jié)水技術(shù)在河西走廊得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好的節(jié)水增產(chǎn)效果。姚娟等人研究了三十多年來(lái)我國(guó)高效節(jié)水灌溉技術(shù)從無(wú)到有、從模仿到自主開(kāi)發(fā)的發(fā)展歷程，開(kāi)展了高效節(jié)水灌溉技術(shù)適應(yīng)區(qū)域評(píng)價(jià)和灌溉模式研究[6]，杜秀文分析了我國(guó)高效節(jié)水技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距，黃修橋、李英能等人論述高效節(jié)水技術(shù)與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系[7,8]，常規(guī)的高效節(jié)水技術(shù)已經(jīng)非常成熟，也沒(méi)有更大的發(fā)展空間。如此一來(lái)，微潤(rùn)灌溉、地埋式滴灌等新型高效節(jié)水灌溉技術(shù)的試驗(yàn)研究就顯得尤為重要了。陳小三等人在東北室內(nèi)開(kāi)展了地埋式滴灌水分運(yùn)移規(guī)律研究[9]；叢佩娟觀察了土壤對(duì)地埋式滴灌帶的壓縮情況，分析了管網(wǎng)水利特性，建立了優(yōu)化計(jì)算模型[10]；任杰、溫新明等人在新疆農(nóng)八師147團(tuán)開(kāi)展了棉花地下滴灌的水分入滲試驗(yàn)，探討了毛管的適宜埋深及間距[11]，程先軍等認(rèn)為土壤特性和當(dāng)?shù)馗髁?xí)慣是影響毛管埋深的最大因素[12]，何華通過(guò)對(duì)地埋式滴灌條件下小麥全生育期生長(zhǎng)狀況的研究，認(rèn)為小麥地埋式滴灌毛管埋深應(yīng)當(dāng)在40 cm左右[13]；莊千燕、蘇德榮探討了草坪地下滴灌的水分分布和生長(zhǎng)影響因素[14]，孔繁明研究了棉花在地埋式滴灌條件下的水分消耗和耗水規(guī)律，認(rèn)為地下滴灌對(duì)改善土壤生態(tài)、優(yōu)化農(nóng)業(yè)操作、降低水分蒸發(fā)損失有著明顯的作用[15]。以上學(xué)者的研究，對(duì)地埋式滴灌技術(shù)的發(fā)展、推廣起到了良好的技術(shù)支撐作用，但在甘肅河西內(nèi)陸區(qū)，尤其是石羊河流域的民勤綠洲，沒(méi)有開(kāi)展過(guò)地埋式滴灌技術(shù)應(yīng)用研究，并且以前的研究大多針對(duì)棉花、小麥，對(duì)河西地區(qū)廣泛種植的玉米沒(méi)有開(kāi)展過(guò)相應(yīng)研究，玉米地埋式滴灌的適宜滴頭流量、滴灌帶埋設(shè)深度、鋪設(shè)間距，是推廣應(yīng)用中急需研究攻克的技術(shù)難點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)于2016年在甘肅水科院民勤試驗(yàn)站進(jìn)行。該區(qū)多年平均降水量110 mm左右，多年平均蒸發(fā)量為2 600 mm，平均氣溫7.78 ℃，極端低溫-27.3 ℃，極端高溫達(dá)到39.5 ℃，年日照時(shí)間3 027 h。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

玉米試驗(yàn)品種選用當(dāng)?shù)剞r(nóng)民生產(chǎn)中常用品種“鄭單958”，播種前統(tǒng)一施肥(尿素、磷酸二銨分別按300 kg/hm2、225 kg/hm2標(biāo)準(zhǔn)施肥)。試驗(yàn)小區(qū)寬4.5 m，長(zhǎng)20 m，玉米種植時(shí)一膜三行，行距45 cm，株距30 cm。滴灌帶采用國(guó)產(chǎn)和以色列兩種類型的產(chǎn)品，其中，處理1～9采用國(guó)產(chǎn)滴灌帶，管徑Φ12，壁厚0.4 mm，滴頭流量1.2 L/h，滴頭間距0.4 m；處理10～18采用以色列滴灌帶，管徑Φ12，壁厚0.38 mm，滴頭流量1.6 L/h，滴頭間距0.4 m。滴灌帶埋深(a)和鋪設(shè)間距(b)各設(shè)三個(gè)水平，分別為30、35、40 cm和60、70、80 cm。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1，滴灌帶鋪設(shè)布置見(jiàn)圖1。

表1 玉米地埋式滴灌試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 滴灌帶埋設(shè)布置圖(單位：cm)

玉米地埋式滴灌試驗(yàn)于4月25日播種，4月28日灌出苗水，10月2日收獲，全生育期157 d。玉米生育階段灌水次數(shù)、灌水時(shí)間、灌水定額如表2所示。

表2 玉米地埋式滴灌生育期灌水表

1.3 試驗(yàn)觀測(cè)

(1)利用氣象站觀測(cè)并記錄全生育期溫度、降雨(雪)、蒸發(fā)、風(fēng)速等氣象因素，記載玉米的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，觀察、記錄玉米各個(gè)重要生育時(shí)期的特征和該時(shí)期高峰出現(xiàn)的時(shí)間。

(2)土壤含水量：玉米種植前及種植后每隔10 d采用TDR或烘干法測(cè)定作物根區(qū)土壤水分含量，灌水前后加測(cè)1次，雨后加測(cè)1次。測(cè)定深度在0～100 cm，每隔20 cm取樣一次。

(3)考種、測(cè)產(chǎn)：于玉米出苗后及重要生育期在每個(gè)小區(qū)中隨機(jī)選取5株，測(cè)定株高、莖粗、葉面積指數(shù)及干物質(zhì)(80 ℃烘干48 h)；作物收獲時(shí)每個(gè)小區(qū)任意選擇兩處1 m2區(qū)域進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米地埋式滴灌生育期土壤水分變化研究

圖2顯示了試驗(yàn)期間滴頭流量為1.2 L/h時(shí)各處理(處理1～9)0～100 cm 土層平均含水率在時(shí)間序列上的動(dòng)態(tài)變化?？梢钥吹?，玉米地埋式滴灌各處理在生育初期土壤水分含量相差不大，之后由于滴灌帶埋深和間距的不同，隨著生育期的推進(jìn)，各處理的土壤水分狀況開(kāi)始變化，并在6、7、8月份差異越來(lái)越明顯，最后在生育期末端各處理的土壤水分狀況穩(wěn)定在一個(gè)相近的水平。

圖3為試驗(yàn)期間滴頭流量為1.6 L/h時(shí)各處理(處理10～18)0～100 cm 土層平均含水率在時(shí)間序列上的動(dòng)態(tài)變化，其規(guī)律與處理1～9基本一致。與滴頭流量為1.2 L/h時(shí)的各處理相比，滴頭流量為1.6L/h時(shí)各處理生育期中期(6、7、8月份)土壤水分表現(xiàn)出偏低的現(xiàn)象，這與滴頭流量大導(dǎo)致水分滲漏強(qiáng)度大有關(guān)，也與玉米需水高峰期和蒸發(fā)量大有關(guān)。

圖2 滴頭流量為1.2 L/h時(shí)各處理土壤水分動(dòng)態(tài)變化

圖3 滴頭流量為1.6 L/h時(shí)各處理土壤水分動(dòng)態(tài)變化

2.2 玉米地埋式滴灌關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 滴頭流量研究

(1)土壤水分縱橫向遷移情況。試驗(yàn)在灌完出苗水(52.5 mm)第二天在各處理滴灌帶間挖出長(zhǎng)寬高為50 cm×50 cm×40 cm的測(cè)坑，進(jìn)行了簡(jiǎn)單的土壤水分縱向、橫向遷移規(guī)律觀察，詳見(jiàn)表3、4。其中表中所記錄的縱向遷移是指水分上升高度距地面的距離，橫向遷移是指各深度層土壤是否有濕潤(rùn)現(xiàn)象、濕潤(rùn)鋒間距及其有無(wú)交匯現(xiàn)象。

從表3可以看出，滴灌帶滴頭流量為1.2 L/h、鋪設(shè)間距為60 cm時(shí)，地表出現(xiàn)濕潤(rùn)現(xiàn)象，同時(shí)各處理隨著滴灌帶埋深增加、鋪設(shè)間距增大，地表濕潤(rùn)面積呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，滴灌帶埋設(shè)深度為40 cm時(shí)地表均無(wú)濕潤(rùn)現(xiàn)象出現(xiàn)。滴灌帶在同一埋設(shè)深度時(shí)，隨著鋪設(shè)間距的增大，其肉眼觀察到的橫向濕潤(rùn)鋒交匯深度也加深，如滴灌帶埋設(shè)深度為30 cm，間距為60、70、80 cm時(shí)，其濕潤(rùn)鋒交匯的深度土層分別為0～10、10～20、15～20 cm；滴灌帶埋設(shè)深度為35cm，間距為60、70、80 cm時(shí)，其濕潤(rùn)鋒交匯的深度土層分別為0～10、10～20、15～20 cm；滴灌帶埋設(shè)深度為40 cm，間距為60、70、80 cm 時(shí)，其濕潤(rùn)鋒交匯的深度土層分別為10～20、20～30、25～30 cm。

由表4可知，當(dāng)?shù)喂鄮У晤^流量為1.6 L/h時(shí)，無(wú)論滴灌帶埋深深度、間距為多少，地表均有濕潤(rùn)現(xiàn)象發(fā)生。也就是說(shuō)滴頭流量越大，水分縱向、橫向遷移的越快，地表濕潤(rùn)面積也越大，同時(shí)隨著滴灌帶埋深和鋪設(shè)間距的增加，地表濕潤(rùn)面積呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。

(2)滴頭流量確定。根據(jù)土壤水分縱橫向遷移規(guī)律可知，滴頭流量為1.2 L/h時(shí)，僅有部分處理地表出現(xiàn)濕潤(rùn)現(xiàn)象，而當(dāng)?shù)晤^流量為1.6 L/h時(shí)，無(wú)論滴灌帶埋深深度、間距為多少，地表均有濕潤(rùn)現(xiàn)象發(fā)生。這就意味著滴頭流量偏大時(shí)，會(huì)有相當(dāng)一部分水量會(huì)通過(guò)棵間土壤蒸發(fā)而損失掉，不符合地埋式滴灌降低土壤無(wú)效蒸發(fā)的初衷，因此滴頭流量建議選擇較小的值，本試驗(yàn)推薦選用1.2 L/h的滴頭流量。同時(shí)，出苗期地表有少量的濕潤(rùn)現(xiàn)象，有助于提高地埋式滴灌玉米的出苗率。

表3 滴頭流量1.2 L/h各處理出苗期土壤水分縱橫向濕潤(rùn)鋒變化狀況

表4 滴頭流量1.6 L/h各處理出苗期土壤水分縱橫向濕潤(rùn)鋒變化狀況

2.2.2 滴灌帶埋設(shè)深度研究

(1)不同滴灌帶埋深土壤水分分布。試驗(yàn)在玉米生育期灌水(30 mm)后挖測(cè)坑觀測(cè)各處理滴灌帶不同埋深條件下土壤濕潤(rùn)區(qū)的分布情況，詳見(jiàn)表5。

表5 滴灌帶不同埋深條件下土壤濕潤(rùn)范圍 cm

結(jié)果表明，滴灌帶埋深深度最小時(shí)(為30 cm)，土壤濕潤(rùn)層范圍在10～70 cm之間，干土層范圍分別在0～10 cm和70～100 cm之間，主要濕潤(rùn)范圍10～50 cm；滴灌帶埋深深度適中時(shí)(為35 cm)，土壤濕潤(rùn)層范圍在10～80 cm之間，干土層范圍分別在0～10 cm和80～100 cm之間，主要濕潤(rùn)范圍20～70 cm；滴灌帶埋深深度最大時(shí)(為40 cm)，土壤濕潤(rùn)層范圍在15～90 cm之間，干土層范圍分別在0～15 cm和90～100 cm之間，主要濕潤(rùn)范圍25～80 cm。

(2)滴灌帶埋設(shè)深度確定。根據(jù)滴灌帶不同埋深土壤濕潤(rùn)區(qū)分布范圍可知，地埋式滴灌滴灌帶埋設(shè)深度以35 cm為宜，此時(shí)土壤水分主要分布在20～70 cm之間，這樣既不會(huì)由于濕潤(rùn)層太淺，導(dǎo)致土壤棵間蒸發(fā)增大，也不會(huì)由于濕潤(rùn)層太深，導(dǎo)致產(chǎn)生深層滲漏，使水分不能有效被作物根系所吸收利用。

2.2.3 滴灌帶鋪設(shè)間距研究

根據(jù)土壤水分縱橫向遷移情況可知，滴頭流量為1.2 L/h條件下，滴灌帶間距為60 cm時(shí)，各處理表面均有濕潤(rùn)現(xiàn)象出現(xiàn)；滴灌帶間距為70 cm時(shí)，各處理表面僅有零星濕潤(rùn)現(xiàn)象，絕大部分無(wú)濕潤(rùn)現(xiàn)象，同時(shí)在土層深度10～20 cm處濕潤(rùn)鋒出現(xiàn)交匯現(xiàn)象；滴灌帶間距為80 cm時(shí)，各處理表面均無(wú)濕潤(rùn)現(xiàn)象出現(xiàn)，同時(shí)在土層深度20～30 cm處濕潤(rùn)鋒出現(xiàn)交匯現(xiàn)象。

由此可知，滴灌帶間距為70、80 cm時(shí)田間表面無(wú)明顯濕潤(rùn)現(xiàn)象，符合地埋式滴灌減少無(wú)效土面蒸發(fā)的要求。同時(shí)，滴灌帶間距70 cm時(shí)地下濕潤(rùn)鋒交匯層較間距80 cm時(shí)淺，在苗期、拔節(jié)期玉米根系較淺時(shí)有助于出苗率的提高及作物生長(zhǎng)發(fā)育，因此推薦滴灌帶鋪設(shè)間距為70 cm。

2.3 玉米地埋式滴灌產(chǎn)量分析

2.3.1 玉米穗物理指標(biāo)

地埋式滴灌各處理玉米穗長(zhǎng)差別不大，在16～18cm之間；穗行數(shù)基本在16～18行左右；行粒數(shù)差別較大，大部分在30粒左右；穗粗基本上為4 cm。需要注意的是禿尖長(zhǎng)，呈現(xiàn)出明顯規(guī)律：①埋深淺的處理禿尖長(zhǎng)明顯小于埋深大的處理；②滴灌帶間距小的處理禿尖長(zhǎng)明顯小于間距大的處理；③滴頭流量小的處理禿尖長(zhǎng)明顯小于流量大的處理。

說(shuō)明滴灌帶埋深淺、間距窄、流量小的處理水分、肥料更容易被作物吸收，有助于玉米生長(zhǎng)發(fā)育；埋深大、間距寬、流量大的處理水分、肥料相比較而言不易被作物吸收。

表6 地埋式滴灌玉米穗物理指標(biāo)

2.3.2 產(chǎn)量分析

玉米百粒重正常水平時(shí)為26～28 g，品種特性優(yōu)良、種植水平高的百粒重可超30 g。

由表7可知，玉米地埋式滴灌各處理百粒重均在26 g以上，滿足農(nóng)業(yè)技術(shù)要求。同時(shí)也可以看出，1.2 L/h滴頭流量各處理產(chǎn)量普遍高于1.6 L/h各處理產(chǎn)量，說(shuō)明低流量長(zhǎng)時(shí)間灌溉水肥更容易被作物吸收，同時(shí)可以看出處理5(滴頭流量1.2 L/h，滴灌帶埋深35 cm，間距70 cm)產(chǎn)量最高，為12 832.95 kg/hm2。

3 結(jié) 論

通過(guò)試驗(yàn)，得到了民勤綠洲地埋式滴灌推廣應(yīng)用中的三個(gè)重要技術(shù)參數(shù)：①滴頭流量推薦1.2 L/h滴頭流量，在滿足作物生長(zhǎng)發(fā)育的同時(shí)，避免了大流量滴頭產(chǎn)生的土壤表面積水現(xiàn)象，導(dǎo)致灌溉水分無(wú)效蒸發(fā)；②滴灌帶埋設(shè)深度推薦滴灌帶埋設(shè)深度為35 cm，避免了滴灌帶埋設(shè)較淺引起的土壤表面積水，也避免了滴灌帶埋設(shè)較深引起的深層滲漏現(xiàn)象，導(dǎo)致灌溉水分產(chǎn)生無(wú)謂的浪費(fèi)；③滴灌帶鋪設(shè)間距推薦滴灌帶鋪設(shè)間距為70 cm，既有利于減少無(wú)效的土壤棵間蒸發(fā)，同時(shí)在苗期、拔節(jié)期玉米根系較淺時(shí)有助于出苗率的提高及作物生長(zhǎng)發(fā)育。同時(shí)，處理5(滴頭流量1.2 L/h，滴灌帶埋深35 cm，間距70 cm)產(chǎn)量最高，與試驗(yàn)設(shè)定一致。

表7 地埋式滴灌玉米穗各處理產(chǎn)量分析

4 討 論

地埋式滴灌管網(wǎng)設(shè)計(jì)及水力計(jì)算還沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，暫按照《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50485-2009)執(zhí)行。同時(shí)管網(wǎng)鋪設(shè)時(shí)應(yīng)盡量做到平順，避免滴灌帶折疊彎曲的狀況出現(xiàn)，防止由于滴灌帶折疊而引起的過(guò)水不暢甚至不過(guò)水的現(xiàn)象出現(xiàn)，使水肥不能很好的被作物吸收。為避免這一現(xiàn)象，建議地埋式滴灌支管鋪設(shè)時(shí)埋入地下。

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