灌排一體化工程對地下水埋深及作物生長影響的研究綜述

王天宇，王振華，陳 林，張金珠，李文昊

(1.新疆天業(yè)節(jié)水灌溉股份有限公司，新疆 石河子 832000；2.石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；3.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000)

1 研究背景

旱澇災害、土壤鹽漬化問題是限制我國許多地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要原因，通過建設完善田間水利工程、提高田間管理能力等方式，治理改良土壤，提高田間排水效率，增強抗旱能力，是保障農(nóng)業(yè)種植正常生產(chǎn)的常用措施[1-3]。人們認識到通過科學合理的灌溉方式，調(diào)控灌溉過程，可以有效促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，國內(nèi)外的許多學者針對節(jié)水灌溉技術做出了大量研究，滴灌、噴管、微潤灌等技術的推廣應用，改變了以往灌溉方式，減少了水肥浪費，起到了節(jié)水、節(jié)肥、增產(chǎn)、提質的效果[4-8]。尤其是在農(nóng)業(yè)用水資源短缺的地區(qū)，節(jié)水灌溉技術的應用還有效緩解了干旱脅迫、土壤鹽漬化對作物生長帶來的危害[9-11]。灌溉是農(nóng)田水利中的主要組成部分，排水同樣在農(nóng)業(yè)種植中起著十分重要的作用，若忽視排水的重要性，缺少田間排水工程，將會對農(nóng)田環(huán)境和作物生長帶來巨大危害：一方面，田間排水效率低，過量降雨或灌溉導致的澇害會使得作物根系受到澇害脅迫，抑制作物生長，導致作物減產(chǎn)，造成經(jīng)濟損失[12-14]；另一方面，在地下水水質礦化度較高或土壤含鹽量較大的干旱地區(qū)，若缺乏有效的排水措施而無法對土壤中過度累積的水分進行排疏，則高蒸發(fā)量會進一步加劇土壤鹽漬化程度[15-16]，使土壤返鹽問題難以控制，最終將導致土壤質量下降，甚至農(nóng)田退化。因此，研究人員開始意識到田間排水的重要性，關于田間排水的相關研究近年來也在不斷豐富，實踐結果表明，水泵抽水、修建排水渠、打豎井引水、建立暗管排水等措施可以提高農(nóng)田的排水效率，不同的排水措施均在控制土壤鹽分和促進作物生長方面取得了一定的成效[17-19]。

隨著對農(nóng)田灌溉排水方面的深入研究，許多學者開始認識到農(nóng)業(yè)灌溉與田間排水并不是兩個獨立的部分，協(xié)調(diào)灌溉與排水兩者間的聯(lián)系能起到相互促進的積極作用。張金龍等[20]利用漫灌淋洗與暗管排水協(xié)同調(diào)控，在改良鹽堿土方面取得了一定成果，合理的暗管布設間距與灌溉淋洗量可以提高鹽分淋洗效率，從而減少暗管布設成本和灌溉淋洗用水量。Peng等[21]采用節(jié)水灌溉與控制排水一體化系統(tǒng)(WSI-CD)調(diào)節(jié)田間排水與灌溉需求，提高了水分利用效率。同時，國內(nèi)外許多研究利用數(shù)值模擬，證實了灌排一體化工程的實施會對地下水水位、土壤水鹽運移產(chǎn)生影響[22-24]。眾多學者在關注灌排系統(tǒng)對土壤及地下水影響的基礎上，也開始逐漸探究灌排一體化系統(tǒng)對整個農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和作物本身生理生長的影響，以便更好地為灌排一體化工程的未來發(fā)展建設提供理論基礎和實踐經(jīng)驗。

2 灌溉排水系統(tǒng)研究發(fā)展概況

2.1 以提高灌溉排水效率為主的灌排工程

國外較早地就意識到控制田間排水對于農(nóng)業(yè)種植的重要性。捷克在20世紀70年代，便有農(nóng)戶開始嘗試使用瓷磚來建立農(nóng)田灌排系統(tǒng)，以達到灌溉和排水的效果，之后伴隨著相關法律以及技術的完善，捷克的排水農(nóng)田的總面積開始快速上升，促進了農(nóng)業(yè)的進一步發(fā)展[25]。印度作為農(nóng)業(yè)大國之一，為了解決農(nóng)田排水問題，也較早地開始探索地下排水工程在農(nóng)業(yè)工程中的應用，結果表明，農(nóng)田地下排水工程是一種十分高效的土地管理和水鹽平衡調(diào)控手段，雖然需要農(nóng)戶在排水系統(tǒng)的前期建設中投入一定的資金，但農(nóng)田排水工程可以有效地改善因內(nèi)澇造成的作物減產(chǎn)乃至停產(chǎn)現(xiàn)象，保障農(nóng)業(yè)種植的長期經(jīng)濟效益[26]。

我國在20世紀70年代，交口抽渭灌區(qū)因嚴重內(nèi)澇災害導致10萬畝土地有種無收，從而引起了人們對于灌區(qū)排水工程建設的重視，通過修建干、支溝，新建、改建排水站等方式，使得灌區(qū)每年可排出鹽堿水近8 000×104m3，帶走鹽分超40×104t，灌區(qū)土質得到極大改善，恢復了灌區(qū)的正常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[27]。閻冠宇等[28]在20世紀初提出，灌溉排水基礎設施是解決我國“三農(nóng)”問題的基礎，也是保障我國糧食安全的需要。曹偉等[29]研究了鹽堿地滴灌灌溉與明渠排水條件下的土壤水鹽運移規(guī)律，并通過土壤滲透系數(shù)、土壤給水度、區(qū)域地下水埋深條件等因素，確立了合理的斗排間距，為其他地區(qū)的排水渠修建提供了參考。

早期的排水工程多以修建完善明渠、暗渠、排水豎井等方式為主，該類排水工程施工較為簡單，為農(nóng)田積水提供了有效的排泄渠道，通過結合滴灌等節(jié)水灌溉方式，在控制土壤鹽分、減少旱澇災害等方面取得了一定的成效。

2.2 基于環(huán)境影響的灌排工程研究

田間排水在將多余水分排出的同時，也會將土壤中因施肥而累積的氮、磷、鉀等離子帶出，當化學肥料使用不合理時，過量的硝酸鹽、磷酸鹽等便會隨著農(nóng)田排水進入到地下水或農(nóng)田下游水體中，造成環(huán)境污染。因而，學者們開始不僅關注將多余水分排出農(nóng)田，也開始關注排水水質對于環(huán)境的影響。Castellano等[30]認為，排水雖然會促進作物的生長，但也會增加土壤中養(yǎng)分的流失，通過安裝合理的排水系統(tǒng)，可以避免肥料過度損失，減少溫室氣體的排放。Christianson等[31]利用木屑和反硝化生物反應器，結合排水工程設施，減少了農(nóng)業(yè)排水中硝酸鹽的含量，優(yōu)化了排水水質，緩解了因肥料過度使用造成的環(huán)境污染。高煥芝等[32]在水稻排水口設置閘門來控制排水溝水位，以起到調(diào)節(jié)田間水分、控制灌排的作用，試驗結果表明通過控制灌排，灌溉定額可減少15%以上，排水總量減少50%以上，作物未出現(xiàn)減產(chǎn)情況，并且有效減少了氮、磷等元素的流失。劉方平等[33]的研究結果也表明，通過排水溝生態(tài)改造，使排水溝同時具備排水和減污功能，在灌排系統(tǒng)與水肥調(diào)控的雙重作用下，整個稻田生態(tài)區(qū)的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益、生態(tài)效益均有所提高。

隨著對于灌排工程的進一步研究，灌排工程的作用不再只是控制田間水分，其對于整個農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響也引起人們越來越多的重視。

2.3 新型灌排工程發(fā)展建設現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術的不斷發(fā)展，許多新技術也開始應用在農(nóng)業(yè)灌排中。對于節(jié)水灌溉，滴灌、噴灌、微潤灌在不同地區(qū)和不同作物中的應用越來越廣泛；而以暗管為主的新型排水技術，因其顯著的排水排鹽效果，推廣應用范圍也在不斷擴大。周復雄等[34]針對設施農(nóng)業(yè)種植的排水做出了相關的研究，通過暗管進行排水控制，可以有效地控制大棚土壤的鹽分累積。也有研究表明，暗管控制排水條件不會對大棚作物的水分利用效率和氮肥利用效率產(chǎn)生影響，但不同的暗管間距和布設深度會對排水總量和排氮總量產(chǎn)生顯著影響[35]。通過排水工程進行排水回收循環(huán)利用也是人們關注的另一重點，Wahba[36]應用DRAINMOD-S水管理模擬模型，模擬了不同排水礦化度和淡水/排泄回收水循環(huán)方案，模擬結果表明，在灌排結合條件下，水質(電導率)為4～12 dS/m的虧缺灌溉方案，結合排泄回收水與淡水循環(huán)利用等方式，可以保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與作物產(chǎn)量。

在灌溉與排水技術進步的同時，灌溉與排水間的聯(lián)系也越來越緊密，灌排一體化程度越來越高。陳月慶[37]通過控制灌排水量和灌排頻率設計不同的灌排模式，探尋適宜鹽漬土地區(qū)稻田水-鹽調(diào)控的灌排技術，針對不同的土壤質地，提出了不同灌排模式的適用范圍。也有學者針對水田設計了灌排一體化方案，該方案可以起到減少灌溉定額、避免肥料過度使用、保障作物產(chǎn)量的效果[38]。灌排一體化工程在農(nóng)田生態(tài)與土壤環(huán)境方面均起到了有益效果，人們對于農(nóng)田灌排工程一體化的建設也越來越重視，灌排工程的形式也逐漸多樣化，提高了灌排工程對不同種植模式和種植作物的適用性。在此基礎上，關于灌排結合對于作物生長方面的研究目前也越來越多。

3 灌排工程對作物的影響

3.1 排水以及地下水埋深對作物生長的影響

地下水埋深的動態(tài)變化是影響一個地區(qū)土壤鹽堿化程度的重要因素之一[39]，尤其在干旱地區(qū)，持續(xù)的蒸發(fā)作用會導致土壤鹽漬化程度不斷加重[40-41]。田間灌溉會影響地下水埋深，灌溉前后地下水位會出現(xiàn)一定的波動，而地下水埋深的變化又會影響作物的生理生長。王曉紅等[42]發(fā)現(xiàn)，地下水埋深會對作物根系生長、株體本身生長以及作物騰發(fā)量產(chǎn)生影響，因此一個地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌水量不僅要考慮作物本身的需水規(guī)律，也應考慮地下水埋深。劉戰(zhàn)東等[43]的試驗結果也表明，不同的地下水埋深會對玉米的生長形態(tài)產(chǎn)生影響，同時，地下水還起到動態(tài)調(diào)節(jié)作物耗水的作用，夏玉米的生育期耗水量會隨著地下水埋深的增加而減少。有研究表明，當?shù)叵滤惶幱谳^淺狀態(tài)時，作物會增強對水的吸收能力，但過淺的地下水位會出現(xiàn)土壤返鹽的可能性，導致作物根系吸收水分受阻，抑制作物生長[44]。Barbeta等[45]利用同位素示蹤法估算了地下水對作物蒸騰的影響，結果表明在氣候干旱的地區(qū)，作物利用地下水補充自身水分需求的可能性會增大，旱季地下水對于作物吸水的貢獻率可以達到55.98%。因此，區(qū)域農(nóng)業(yè)種植的發(fā)展需要提高對地下水埋深變化的關注，隨著農(nóng)業(yè)節(jié)水意識的增強，節(jié)水灌溉技術的推廣和應用改變了以往的灌溉條件，對地下水埋深也產(chǎn)生了不同的影響。姜凌峰等[46]通過MIKE-SHE模型模擬了節(jié)水灌溉對地下水位的影響，結果表明隨著滴灌比例的增加，地下水補給量會有所下降，滴灌應用對地下水下降的貢獻比例為24.7%。Kaman等[47]在Akarsu灌區(qū)觀測灌溉對地下水埋深和地下水礦化度的影響，該區(qū)域由于土壤質地和排水系統(tǒng)不完善等原因，農(nóng)業(yè)灌溉對于地下水位以及礦化度的影響十分明顯，結果顯示在灌溉高峰的7月份，由于不合理的灌溉制度以及不完善的排水系統(tǒng)，土壤中鹽分會升至全年最高。由此可以看出，排水工程在調(diào)節(jié)地下水位、控制土壤含水率和含鹽量方面有著十分重要的作用，從而影響作物的種植與生長。在農(nóng)業(yè)種植中只關注灌溉，而忽略排水工程的建設，會對一個區(qū)域的地下水環(huán)境以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生諸多影響，排水工程的建設是未來農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中不可忽視的重要環(huán)節(jié)。

3.2 灌排結合對作物生長的影響

灌排一體化對土壤水分及土壤環(huán)境有著較為明顯的影響，作為作物根系生長、吸收養(yǎng)分的主要區(qū)域，土壤水分、養(yǎng)分及氣體條件的變化均會對作物的生長產(chǎn)生不同的影響。水稻一直是受旱澇災害影響較為嚴重的一種作物，有研究結果表明，稻田灌排耦合可以改變水稻的需水量，使得水稻不同生育期的需水規(guī)律發(fā)生改變[48]，控制灌排模式也可以提高灌溉水利用系數(shù)，起到節(jié)水、減排、增產(chǎn)的效果[49]。俞雙恩等[50]的研究結果表明，在分蘗期先旱后澇的情況下，水稻達到最大分蘗數(shù)的時間得到了提前，而莖孽數(shù)的增長速率則有所下降，因而使得水稻的生長受到了一定程度的抑制；而在拔節(jié)孕穗期對水稻進行先旱后澇處理，水稻的株高生長速率有所下降，因而顯著降低了水稻的株高；不同的灌排模式可以影響水稻株高和莖孽數(shù)的生長時間以及生長速率，從而最終影響水稻的株高和分蘗數(shù)。也有研究表示通過灌排耦合效應，水稻的灌溉水量顯著下降，較常規(guī)灌溉下降41.7%；灌排耦合調(diào)控還會顯著降低水稻的蒸發(fā)蒸騰量，較常規(guī)灌溉下降24.9%；灌排耦合調(diào)控下水稻產(chǎn)量較常規(guī)灌溉下降1.9%，水分生產(chǎn)效率提高30.5%，作物產(chǎn)量基本保持穩(wěn)定，作物水分利用效率有顯著的提高[51]。

對于其他作物的種植，控制灌排同樣會對作物的生長產(chǎn)生影響。邵光成等[52]評價了不同灌溉排水條件下的番茄品質，結果顯示在灌水下限為80%的前提下，灌溉量減為60%，且配合暗管排水埋深0.8 m，可以使得番茄的綜合品質達到最優(yōu)?？篆偩盏萚53]對番茄種植的研究也表明，通過灌排結合適當減少土壤含水率，可以提高番茄的各項營養(yǎng)品質指標，改善番茄品質。Wang等[54]的研究表明當排水水質礦化度在3～5 g/L范圍內(nèi)時，棉花的種子萌發(fā)率有所下降，當田間排水水質礦化度大于5 g/L時，種子的萌發(fā)收到嚴重的抑制。Matsuo等[55]在日本西南部通過地下灌溉與排水系統(tǒng)相結合的方法，促進了大豆的生長，緩解了大豆的倒伏問題。

通過灌排結合對土壤含水率進行調(diào)節(jié)，可以較為有效地改善作物的根系生長環(huán)境，對于增強作物的抗倒伏性、提高水肥利用效率、促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都可以起到積極的作用。

4 我國南北方灌排體系發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

我國南北方農(nóng)業(yè)種植存在著一定差異，南方以水田為主，主要種植農(nóng)作物為水稻，而北方則以旱田為主，農(nóng)業(yè)種植以小麥、玉米居多，兩者在灌溉排水發(fā)展中的側重點有所不同。南方地區(qū)的灌排系統(tǒng)更加重視田間排水除澇，同時也兼顧防滲措施。近年來，南方各省的農(nóng)業(yè)高效節(jié)水面積不斷增加，高標準農(nóng)田建設逐步實施，有效解決了水田的澇害問題，確保了農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展[56-58]。在我國北方地區(qū)，灌排系統(tǒng)則側重于提高抗旱能力，控制土壤鹽漬化，灌溉系統(tǒng)對地下水的開采較多，排水系統(tǒng)在排水的同時也起到將鹽分帶出土壤的作用，降低土壤中的含鹽量。黑龍江墾區(qū)大力發(fā)展機電排灌，至2012年末，灌區(qū)機電井建成數(shù)量超過20 104眼，機電排灌面積485.2×104hm2，伴隨著機電井建設，黑龍江墾區(qū)有效灌溉面積10年內(nèi)增長2.24倍，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)快速發(fā)展[59]。山東濱州地區(qū)自2008年提出“方田”建設方案，完善農(nóng)田渠道建設，優(yōu)化田間水閘分布，實現(xiàn)了“旱能澆、澇能排”[60]。另外，北方部分地區(qū)由于地表淡水水源有限，常開采地下微咸水用于農(nóng)業(yè)灌溉，合理的灌排工程可以更加安全合理地使用微咸水資源[61-62]。新疆自20世紀60年代便開始修建排水工程，排水工程對于新疆地下水位及地下水礦化度的調(diào)控作用十分明顯，灌溉后，排水工程可使地下水礦化度下降6.3 mS/cm，解決了因灌溉導致的地下水位過度抬升問題[63]。

南北方的灌溉排水工程建設中，也存在著許多共同的問題：

(1)額外成本較高。田間高效節(jié)水灌溉設施(滴灌、噴灌等)和田間排水設施(暗管、豎井等)的早期建設成本較高，部分地區(qū)缺少建設資金。灌排系統(tǒng)建成后，日常維護需要耗費額外的人力與財力，灌排系統(tǒng)損壞后維修難度大、費用高，額外增加的投入降低了農(nóng)戶對新型灌排設備的接受程度。

(2)重建設，輕管理。水利工程設施在建設時投入了大量資金與人員，而在水利工程建成運行時，田間灌溉排水系統(tǒng)缺少完善的管理制度，部分灌排工程缺乏有效的管理。同時，缺少對管理人員的培訓，日常管理人員人數(shù)少，水平參差不齊，增加了灌排系統(tǒng)的損壞率。

(3)缺乏科學的灌排系統(tǒng)使用指導。相較傳統(tǒng)灌溉，灌排一體化系統(tǒng)在使用和操作上存在一定的技術難度，對新型灌排設備的推廣培訓不夠普及，增加了農(nóng)戶的使用難度，從而使灌排系統(tǒng)難以發(fā)揮真正的作用。

針對以上問題，提出以下建議：

(1)適當加大財政扶持，減少農(nóng)戶對灌排工程前期投入的抵觸心理，為農(nóng)戶宣傳灌排工程在抗災、抗風險方面的必要性，提高農(nóng)戶對灌排工程的接受程度。

(2)建立完善灌排系統(tǒng)管理規(guī)章制度，對灌排系統(tǒng)管理人員進行理論知識和實踐操作上的全面培訓，提高管理人員的日常維護意識和水平，對潛在故障做到及時排查檢修，重視灌排系統(tǒng)的日常維護。

(3)在灌排系統(tǒng)建立初期，灌排系統(tǒng)設計建設方應先派專業(yè)人員進站操作，主持舉辦灌排系統(tǒng)操作培訓，通過專業(yè)人員引導操作和日常培訓，提高農(nóng)戶的操作水平。

5 對灌排一體化未來發(fā)展的思考

有關灌排一體化工程設計、數(shù)值模擬、設備研發(fā)等相關的研究目前越來越多[64-66]，人們對于灌排結合也越來越重視。越來越多灌排工程的建成也不斷促進著農(nóng)業(yè)的進一步發(fā)展，未來灌排工程的發(fā)展應朝著更加集約管網(wǎng)化和智能化的方向發(fā)展。

(1)推進田間灌排系統(tǒng)管網(wǎng)化建設。發(fā)展地面管網(wǎng)化灌溉系統(tǒng)(滴灌、噴灌、微潤灌)，進一步提高灌溉水利用效率，同時，加快對地下排水系統(tǒng)管網(wǎng)化建設，加大暗管排水工程設施的推廣。通過全面管網(wǎng)化的灌排一體化建設，實現(xiàn)地面系統(tǒng)與地下系統(tǒng)的全面協(xié)同調(diào)控，增加排水循環(huán)利用率，增強灌排系統(tǒng)排鹽效果，進一步提高水的利用效率，灌排一體化協(xié)同調(diào)控如圖1所示。

圖1 灌排一體化協(xié)同調(diào)控示意圖

(2)逐步實施田間灌排系統(tǒng)信息化和自動化建設。通過田間監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測氣候條件、土壤墑情、作物生長情況等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)地面灌溉系統(tǒng)的全面數(shù)據(jù)化，為灌溉決策以及相關研究提供數(shù)據(jù)基礎。在田間監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上，建立自動化灌溉系統(tǒng)，做到灌溉、施肥、排水、排鹽的自動化控制，達到精確灌溉、精準灌溉，提高灌溉現(xiàn)代化水平。

6 結 論

(1)灌排系統(tǒng)的發(fā)展從早期提高排水效率，到注重控制環(huán)境影響，最終發(fā)展為高效節(jié)水灌溉與新型排水技術相結合的灌排一體化系統(tǒng)，新型灌排系統(tǒng)加強了灌溉與排水之間的聯(lián)系，在多種種植條件適用性及協(xié)同調(diào)控田間水分方面取得了顯著成效。

(2)灌排工程會影響地下水埋深動態(tài)變化及地下水水質特征，進而改變作物的水分吸收情況，合理的灌排模式可以促進作物對水分和肥料的吸收，改善作物品質，增加作物產(chǎn)量。

(3)我國南北方灌排工程發(fā)展存在一定差異，南方灌排工程注重除澇防滲，而北方灌排工程則更側重于提高抗旱能力，控制土壤鹽分。我國的灌排工程目前還存在成本高、管理不完善、操作難度大等問題亟待解決。

(4)灌排一體化的未來應朝著管網(wǎng)化、信息化和自動化的方向發(fā)展，進一步提高水肥利用效率，提高灌溉排水技術水平，實現(xiàn)灌排現(xiàn)代化。