作物淺埋滴灌技術(shù)研究進(jìn)展

郭曉旭，楊恒山，邰繼承，李 銳，張明偉

（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028043；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)飼用作物工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古 通遼 028043）

我國是農(nóng)業(yè)大國，同時(shí)也是世界上水資源最為匱乏的十三個(gè)貧水國之一，人均水量不足世界人均的1/4.農(nóng)業(yè)是用水大戶，我國農(nóng)業(yè)用水總量占全國總用水量的60%以上，水資源嚴(yán)重匱乏的干旱地區(qū)甚至達(dá)到95%左右［1］.隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展，水資源供需矛盾在部分地區(qū)日益突出，灌溉水量缺口較大，水資源短缺已經(jīng)嚴(yán)重影響到了我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)［2-3］.與此同時(shí)，大水漫灌仍是我國很多地區(qū)農(nóng)田灌溉的主要方式，跑冒滴漏現(xiàn)象普遍，灌溉水浪費(fèi)嚴(yán)重.我國農(nóng)業(yè)灌溉用水的有效利用系數(shù)僅為0.52，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家0.70-0.80的水平［4］.2017年，《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃》中明確提出了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要實(shí)現(xiàn)“一控、兩減、三基本”的目標(biāo).其中“一控”，就是要控制農(nóng)業(yè)用水的總量，要?jiǎng)澏偭康募t線和利用系數(shù)的紅線.“規(guī)劃”要求，到2020年，農(nóng)業(yè)用水總量要保持在3 720億立方米，利用系數(shù)要從現(xiàn)在的0.52提高到0.55.轉(zhuǎn)變用水觀念，改變傳統(tǒng)灌溉模式，變大水漫灌為各種適合地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的高效節(jié)水灌溉模式，是實(shí)現(xiàn)水資源高效利用的重要途徑.在農(nóng)業(yè)用水紅線的限制下，全國各地相繼實(shí)施了節(jié)水增糧的農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，積極探索高效節(jié)水灌溉模式，以實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［5］.

1 淺埋滴灌技術(shù)的形成

早在上世紀(jì)50年代，以色列人就發(fā)明了滴灌技術(shù)，并建成全球首個(gè)滴灌系統(tǒng)［6］.滴灌技術(shù)是一種可提高水分利用效率的根系局部灌溉形式，可根據(jù)作物的生長發(fā)育需求對(duì)作物根系周圍進(jìn)行適時(shí)適量灌溉，提高地表溫度的同時(shí)也降低了灌溉水的多余消耗，保水效果顯著.我國從上世紀(jì)70年代開始引進(jìn)滴灌技術(shù)，并逐步發(fā)展與地膜覆蓋技術(shù)相融合，形成了膜下滴灌技術(shù).作物栽培過程中覆膜種植有減少土壤表層水分蒸發(fā)、抑制土壤中鹽分向地表運(yùn)移的顯著效果［7］.將滴灌技術(shù)與覆膜種植技術(shù)相結(jié)合的膜下滴灌方式，開始在我國北方地區(qū)有了大面積推廣應(yīng)用［8］.隨著膜下滴灌的連年使用，殘膜回收困難，污染問題凸顯.新疆典型綠洲區(qū)棉田膜下滴灌，土壤中殘膜的數(shù)量和密度均呈逐年上升趨勢(shì)，耕種5年土壤地膜殘留密度為127.11 kg/hm2，耕種19年達(dá)到了348.83 kg/hm2，且表土中較大殘膜在耕作過程中碎裂，并有向深層土壤下移的趨勢(shì)［9］.為有效避免膜下滴灌種植中土地殘膜污染的問題，一種更為環(huán)保的節(jié)水灌溉模式—淺埋滴灌技術(shù)被大力提倡并應(yīng)用到實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中.由淺埋替代了覆膜，形成作物淺埋滴灌技術(shù).其技術(shù)核心是利用壓力泵將水通過過濾器、管道和施肥設(shè)備直接輸送到植物根部以實(shí)現(xiàn)精確灌溉的技術(shù)［10］.淺埋滴灌技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)水肥一體化，有利于水肥利用效率的協(xié)同提高，在水資源緊缺的背景下，尤其是在北方干旱半干旱地區(qū)具有較大的應(yīng)用價(jià)值.

玉米淺埋滴灌技術(shù)基于上述優(yōu)點(diǎn)，在一些適宜地區(qū)示范推廣的面積正在不斷擴(kuò)大，甚至成為部分地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主推的灌溉模式.本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)近年來致力于西遼河平原玉米高產(chǎn)高效生產(chǎn)模式研究，在水肥一體化方面開展了一系列工作，作為技術(shù)研發(fā)單位，參與并制定了《玉米無膜淺埋滴灌水肥一體化技術(shù)規(guī)范》（DB15/T 1335—2018），由內(nèi)蒙古自治區(qū)技術(shù)監(jiān)督局頒布并實(shí)施，為大面積的應(yīng)用推廣奠定了基礎(chǔ).

2 淺埋滴灌技術(shù)的應(yīng)用

21世紀(jì)初期，在我國西北新疆地區(qū)就開展了地下滴灌栽培相關(guān)試驗(yàn)研究［11］.2011年中央一號(hào)文件中要求“穩(wěn)步發(fā)展牧區(qū)水利，建設(shè)節(jié)水高效灌溉飼草料地”.為此，2012年在我國常年水資源貧乏的西北新疆阿勒泰地區(qū)青河縣進(jìn)行了400畝飼草料地淺埋滴灌試驗(yàn)，通過改變局部田間管網(wǎng)鋪設(shè)方式，將滴灌支管毛管全部埋于土中，實(shí)現(xiàn)了有效節(jié)水，同時(shí)優(yōu)化了牧草種植技術(shù)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展［12］.自2013年起，在新疆阿葦灌區(qū)等地對(duì)淺埋滴灌技術(shù)進(jìn)行示范推廣，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)、新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)等也開展了有關(guān)淺埋滴灌牧草種植方面的更多研究工作［13-14］.此外，為解決種植過程中的殘膜污染問題，新疆地區(qū)在棉花種植中將無膜栽培與地下滴灌技術(shù)相結(jié)合，減輕地膜污染的同時(shí)降低灌溉水的無效消耗［15］.由于淺埋滴灌技術(shù)的不斷革新和完善，淺埋滴灌技術(shù)的優(yōu)勢(shì)愈加明顯，也逐漸被廣大農(nóng)牧民朋友所認(rèn)可和接受，該技術(shù)應(yīng)用面積不斷擴(kuò)大，應(yīng)用作物種類不斷增多，從最早的在我國西北新疆地區(qū)逐步發(fā)展到東北西部耕作區(qū)；應(yīng)用作物也從初期主要針對(duì)經(jīng)濟(jì)作物和牧草如棉花、苜蓿等，發(fā)展到現(xiàn)在開始應(yīng)用到玉米等主要糧食作物種植領(lǐng)域.有研究者在內(nèi)蒙西部［16-17］、遼寧［18］以及吉林［19］等地區(qū)均開展了淺埋滴灌相關(guān)研究工作，并取得較好的效果.

內(nèi)蒙古通遼地區(qū)作為自治區(qū)主要的糧食主產(chǎn)區(qū)，在保障自治區(qū)乃至國家糧食安全方面均發(fā)揮著積極作用；同時(shí)，該地區(qū)水資源匱乏，發(fā)展節(jié)水灌溉是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇.2004年，在內(nèi)蒙古通遼敖包蘇木豐元慶嘎查就開始進(jìn)行淺埋滴灌青貯玉米種植試驗(yàn)并取得成功［16］.2016年以來，通遼市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站將玉米淺埋滴灌技術(shù)列為農(nóng)業(yè)主推技術(shù)在全市范圍內(nèi)推廣；到2018年，累計(jì)推廣面積達(dá)到50.82 萬hm2；同年，內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站將該項(xiàng)技術(shù)列為自治區(qū)農(nóng)業(yè)主推技術(shù)，在全區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行示范推廣；2019年該項(xiàng)技術(shù)被全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站列為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主推技術(shù).

3 淺埋滴灌灌溉水利用效率及影響因素

3.1 灌溉定額對(duì)水分利用效率的影響

淺埋滴灌技術(shù)更適用于干旱風(fēng)沙區(qū)，但不同干旱風(fēng)沙地區(qū)灌水定額可能會(huì)存在顯著差異，適宜的或者最佳的灌水定額的研究則顯得尤為重要.不少學(xué)者開展了有關(guān)灌溉定額的研究工作，如在新疆石河子地區(qū)應(yīng)用淺埋滴灌技術(shù)種植苜蓿過程中得出，灌溉定額為450-525 m3/hm2為宜，隨水施肥有利于牧草生長［10］；而洪明等［20］在新疆阿勒泰地區(qū)對(duì)苜蓿種植進(jìn)行不同灌水定額的淺埋滴灌試驗(yàn)得出，在淺埋滴灌條件下灌水定額450 m3/hm2處理的苜蓿干草產(chǎn)量顯著高于其他處理，同時(shí)水分利用效率達(dá)到最大值0.94 kg/m3，并進(jìn)一步得出其研究條件下的灌水周期為7-10天.這種灌水定額的差異，在不同作物上則更為顯著.在內(nèi)蒙古通遼、赤峰等地，采用淺埋滴灌均勻定量灌溉，保水保肥好的地區(qū)全生育期灌溉定額為1 950-2 400 m3/hm2，保水保肥差的地區(qū)全生育期灌溉定額為2 400-2 700 m3/hm2，可保證玉米適時(shí)得到足夠的水肥補(bǔ)充［21］.灌水定額并不是越大越好，有研究表明灌水定額與產(chǎn)量間呈拋物線變化趨勢(shì)［22］.在遼西半干旱區(qū)開展遮雨棚微區(qū)控制灌溉試驗(yàn)結(jié)果表明隨著灌溉定額的增加不同處理間春玉米籽粒產(chǎn)量顯著提高，淺埋滴灌與常規(guī)溝灌相比，灌溉定額為2 908 m3/hm2時(shí)節(jié)水30%，籽粒產(chǎn)量?jī)H下降3.40%，但水分利用效率和灌溉水利用效率顯著提高了22.10%和27.50%；當(dāng)灌溉定額小于3 816.40 m3/hm2時(shí)，籽粒產(chǎn)量隨灌溉定額的增加而顯著增加，并達(dá)到最大產(chǎn)量12 161.90 kg/hm2，但灌溉定額繼續(xù)增加則產(chǎn)量下降［22］.需要明確的是灌水定額的問題，與作物生長季內(nèi)土壤實(shí)際含水量直接相關(guān)，而土壤含水量又受年降水量、蒸發(fā)量等因素影響，因此，灌溉定額的研究主要也是在一般年份基礎(chǔ)上得出的大致范圍，可以作為指導(dǎo)生產(chǎn)的參考.

3.2 灌溉頻率對(duì)水分利用效率的影響

在灌溉定額一定的條件下，灌溉頻率及其單次灌水量成為影響滴灌效果的關(guān)鍵因素.滴灌方式下，灌溉頻率直接影響作物根部周圍土壤的水、熱分布狀況，因此，灌溉頻率對(duì)作物水分利用效率的影響尤為突出.淺埋滴灌屬于典型局部灌溉，用水量相對(duì)較小，土壤水分運(yùn)移不同于常規(guī)灌溉.低頻灌溉時(shí)，由于單次灌水量大，水分滲漏較為劇烈，利用效率降低；高頻滴灌時(shí)，由于土壤長期處于較高含水量狀態(tài)，蒸散損失水量增加，使得水分利用效率同樣偏低.竇超銀等［23］在風(fēng)沙土地區(qū)的研究結(jié)果也表明，水分利用效率隨著灌溉頻率的增加呈“拋物線”型變化趨勢(shì)，灌溉頻率太低或太高均不利于提高水分利用效率，其研究最佳滴灌頻率為1次/9 d.灌溉定額相同時(shí)，隨著灌溉頻率變化，單次灌水量必然隨之發(fā)生變化，也影響水分利用效率.符崇梅等［24］研究表明，同一灌溉量水平下，隨著滴灌頻率減少土壤含水量下降；低水量水平下通過增加滴灌頻率，減少土壤水分向深層下滲，可提高水分利用效率，以滿足根系較淺作物的生長需求.另外，梁萌帆等［25］進(jìn)行土柱試驗(yàn)對(duì)研究微咸地下水淺埋下滴灌頻率對(duì)土壤鹽分運(yùn)移過程的變化中得出，滴灌頻率越低，土壤出現(xiàn)穩(wěn)定蒸發(fā)的現(xiàn)象越早，且低頻率的滴灌因單次滴灌量較大從而對(duì)上層土壤的鹽分起到了淋洗作用.當(dāng)然，上述不同的研究都是基于特定地區(qū)土壤類型，研究結(jié)果實(shí)際上還受年際間降水變率等的影響；受作物需水規(guī)律影響，同一灌溉定額、相同灌溉頻次下，灌水量的分配比例也會(huì)影響作物產(chǎn)量和水分利用效率，這還需要進(jìn)一步研究.

3.3 管帶埋深對(duì)水分利用效率的影響

淺埋滴灌在水分保持上與膜下滴灌有本質(zhì)區(qū)別，從保水的機(jī)制上看，淺埋滴灌主要通過滴管上部土壤發(fā)揮作用，因此，滴管埋深在土壤水運(yùn)移和作物對(duì)水分的吸收等方面影響顯著.有不少學(xué)者對(duì)滴管埋深有所研究，認(rèn)為淺埋滴灌技術(shù)可適用于所有類型的耕地，但不同地區(qū)由于土壤類型以及種植作物等差異，滴管適宜埋深存在差異.例如在內(nèi)蒙古科爾沁左翼中旗玉米大小壟種植模式下淺埋滴灌帶埋深5-7 cm為宜，能改善玉米行間的通風(fēng)透光條件，還能使水肥資源的利用率盡可能的達(dá)到最大［26］.李守明［27］在苜蓿栽培采用地埋滴灌不同埋深處理對(duì)土壤含水量和苜蓿產(chǎn)量等進(jìn)行對(duì)比分析，研究結(jié)果表明，采用管帶埋深20-40 cm時(shí)，兩三年內(nèi)苜蓿產(chǎn)量可達(dá)到正常水平.不同滴管埋深涉及水分通過管路進(jìn)入土壤后的移動(dòng)和分布.劉子尚［28］設(shè)置5 cm、10 cm、15 cm3個(gè)滴頭埋深處理觀察深度對(duì)苜蓿滴灌濕潤體的影響時(shí)指出，滴灌濕潤鋒水平與垂向運(yùn)移距離的比值隨滴頭深度的增加而增加，并且濕潤峰的水平和垂直運(yùn)移速率也會(huì)隨著滴頭埋深的增加逐漸增大，濕潤鋒的水平、垂向運(yùn)移距離分別隨入滲時(shí)間的增長而增大，且均與入滲時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系；這與姜濤［29］及李瑋［30］的研究相同.也有人對(duì)淺埋滴灌條件下調(diào)整毛管埋深對(duì)苜蓿生長的影響進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)毛管埋深10 cm時(shí)即可達(dá)到與傳統(tǒng)地埋滴灌的灌溉濕潤效果且對(duì)苜蓿產(chǎn)量影響不大，避免了埋深過淺水分蒸發(fā)量大的現(xiàn)象和埋深過深時(shí)毛管回收維修難的問題［31］.這與張營［32］的研究相同，即滴頭埋深為10 cm、流量1.7 L/h時(shí)，濕潤體深度適中，此條件下土壤含水率分布最均勻.因此，針對(duì)特定地區(qū)特定作物，研究適宜的滴管埋深，能夠防止地表干土層阻斷毛管水運(yùn)移通路，從而保持土壤水分，為高效節(jié)水助力.

4 淺埋滴灌技術(shù)的展望

淺埋滴灌作為一種灌溉模式的新技術(shù)，主要是體現(xiàn)在管道設(shè)施的田間配置上，屬于高效節(jié)水灌溉.然而，淺埋滴灌本質(zhì)上屬于水肥一體化技術(shù)，是將灌溉與施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)，通過水肥耦合，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效并通過減少勞動(dòng)力投入降低生產(chǎn)成本.同時(shí)，淺埋滴灌相比膜下滴灌，消除了殘膜污染問題，在生態(tài)治理方面具有較大優(yōu)勢(shì).淺埋滴灌技術(shù)是在膜下滴灌技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，在過去膜下滴灌的推廣地區(qū)，改用淺埋滴灌，農(nóng)民在技術(shù)上不存在障礙，機(jī)械只需簡(jiǎn)單改造就可以使用.因此，淺埋滴灌技術(shù)在干旱、半干旱地區(qū)應(yīng)用前景廣闊.

水氮耦合一直以來都是農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域中的熱點(diǎn)問題，淺埋滴灌下的水氮耦合同樣受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注.淺埋滴灌技術(shù)在節(jié)水的同時(shí)，如何最大可能的發(fā)揮水氮耦合效應(yīng)，進(jìn)一步提高肥料利用率，減少環(huán)境釋放，也將成為未來主要研究方向.常規(guī)漫灌下水量較大，當(dāng)進(jìn)入土壤的水分超過田間持水量后，一部分水沿著大孔隙受重力作用向下滲漏，有利于表層積鹽的淋洗.而在淺埋滴灌下灌水量顯著降低，灌溉水可能主要是以毛管水的形式分布在土壤淺剖面，水分的移動(dòng)沒有明顯重力下滲過程，土壤水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相對(duì)要復(fù)雜的多.同時(shí)，受土壤毛管力作用，灌溉平衡后深層土壤水向地表運(yùn)移的過程中，可能發(fā)生一定程度上的次生鹽漬化問題.這對(duì)于干旱半干旱地區(qū)來說，節(jié)水的同時(shí)，會(huì)帶來新的土壤生態(tài)退化問題.因此，在推廣淺埋滴灌技術(shù)的同時(shí)應(yīng)該關(guān)注此類問題.由于我國節(jié)水技術(shù)起步較晚，人們對(duì)節(jié)水灌溉技術(shù)認(rèn)識(shí)不到位，也因多數(shù)農(nóng)民經(jīng)濟(jì)條件不足等原因，制約了節(jié)水灌溉設(shè)備及技術(shù)的應(yīng)用推廣［33］.目前我國淺埋滴灌技術(shù)推廣應(yīng)用中還存在另一個(gè)主要問題，即是相應(yīng)農(nóng)機(jī)具和配套設(shè)備的開發(fā)問題.目前，從淺埋滴灌技術(shù)推廣地區(qū)來看，淺埋滴灌設(shè)備的自動(dòng)化控制水平與國外同類設(shè)備相比仍存在較大差距.因此，要鼓勵(lì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一線技術(shù)人員加強(qiáng)新一代設(shè)備產(chǎn)品改進(jìn)與開發(fā)，結(jié)合淺埋滴灌設(shè)備特點(diǎn)及作物水肥吸收特點(diǎn)，合理布置安裝設(shè)施，同時(shí)加強(qiáng)技術(shù)服務(wù)工作，建立完善的技術(shù)服務(wù)體系和專業(yè)的技術(shù)服務(wù)方案，充分發(fā)揮淺埋滴灌技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)助力.