黃土丘陵區(qū)治溝造地新造地田間高效用水技術(shù)

楊金貴，馬理輝，王占禮，涂 雯，符素華，崔 樂

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；4.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875；5.黃河水利委員會(huì)綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，陜西 榆林 919000)

1 概況

治溝造地對(duì)于在黃土高原增加耕地面積、保障糧食安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)具有積極的意義[1]。黃土丘陵區(qū)治溝造地創(chuàng)造了集中連片的平整土地(見圖1)，平整的土地有利于降水就地入滲，進(jìn)而增加糧食單產(chǎn)。根據(jù)延安治溝造地辦的調(diào)查，延安平整土地種植玉米、大豆、糜子和馬鈴薯產(chǎn)量比坡耕地增加41%、60%、91%和130%。但是，調(diào)查還發(fā)現(xiàn)2013年完成的部分治溝造地示范工程，有的已經(jīng)荒蕪，演替成了灌叢草地。分析其原因，一方面是因?yàn)檗r(nóng)村青壯年勞動(dòng)力輸出，農(nóng)村空心化造成勞力不足，無暇顧及新造地的耕種。另一方面，新造地缺乏配套的水利設(shè)施、少有灌溉條件。黃土丘陵區(qū)地處干旱半干旱區(qū)，年降水量少(340～430 mm)、分布不均勻(集中降雨在7-9月)，而且多以暴雨的形式出現(xiàn)。干旱缺水是該區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸之一。沒有灌溉配套設(shè)施、沒有高效用水技術(shù)，新造地的規(guī)?；N植隨時(shí)會(huì)遇到障礙。因此治溝造地工程實(shí)施過程中，需要配置高效用水技術(shù)來支撐新造地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。2013年國(guó)土資源部、財(cái)政部等批準(zhǔn)延安市實(shí)施治溝造地重大工程，總規(guī)模50.67萬畝。如果幾十萬畝的新造地能配套高效用水設(shè)施和技術(shù)，那將大大提高新造地的生產(chǎn)力。

圖1 陜西省延安市安塞區(qū)杏樹窯子溝村治溝造地工程

治溝造地在黃土丘陵溝壑區(qū)形成了相對(duì)平整的土地，發(fā)展農(nóng)業(yè)需要解決水的問題。如何充分利用雨水資源發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是治溝造地水土資源高效利用的一個(gè)重要技術(shù)環(huán)節(jié)。目前，我國(guó)已經(jīng)初步形成了適合國(guó)情且具有一定先進(jìn)性的節(jié)水灌溉和配套農(nóng)業(yè)技術(shù)體系，也初步形成了發(fā)展節(jié)水灌溉和旱地農(nóng)業(yè)的支撐產(chǎn)業(yè)，保證了農(nóng)業(yè)高效用水事業(yè)的健康發(fā)展。在水資源的綜合開發(fā)和聯(lián)合應(yīng)用、渠道防滲、低壓管道輸水、噴灌、微灌、集雨灌溉、農(nóng)藝節(jié)水、生物節(jié)水等技術(shù)方面，形成了井灌類型區(qū)、渠灌類型區(qū)、天然降水富集灌溉區(qū)、干旱區(qū)、多灌溉水源聯(lián)網(wǎng)調(diào)度類型區(qū)、山丘雨水匯集貯存類型區(qū)農(nóng)藝高效用水模式與產(chǎn)業(yè)化示范，建立了一批有特色的水資源高效利用綜合技術(shù)體系[3，4]。因此本研究擬借鑒已有的農(nóng)業(yè)高效用水技術(shù)模式，針對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)的治溝造地流域，篩選出適宜的工程、農(nóng)藝、生物、管理等單項(xiàng)技術(shù)，科學(xué)進(jìn)行集成和組裝配套，最大限度地實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的水土資源高效利用，為黃土高原丘陵溝壑區(qū)的生態(tài)環(huán)境高質(zhì)量發(fā)展、鄉(xiāng)村振興提供保障。

2 高效用水技術(shù)集成

2.1 技術(shù)選擇的原則

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益普遍較低的情況下，治溝造地新造地使用高效用水技術(shù)時(shí)要把握兩個(gè)原則。一方面要減少額外的材料和勞力的投入；另一方面，盡可能地提高水資源的利用率。這兩個(gè)原則是互相沖突的，因而所選用的技術(shù)不僅僅是單一的技術(shù)，而是成套的系統(tǒng)技術(shù)。

2.2 適宜的技術(shù)類型

治溝造地新造地可利用的水源有兩類：降水和蓄水設(shè)施的水。首要的是雨水資源高效利用方面的技術(shù)，其次是減少土壤水分蒸發(fā)的技術(shù)。高效用水技術(shù)包括蓄水設(shè)施的設(shè)計(jì)與布設(shè)、灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與布設(shè)、以及田間雨水高效利用技術(shù)三部分。

2.2.1 蓄水設(shè)施的設(shè)計(jì)與布設(shè)

蓄水設(shè)施是治溝造地流域農(nóng)業(yè)用水和景觀用水的重要保障。蓄水設(shè)施興利庫容時(shí)須考慮投資、地形、灌溉面積及灌溉作物四因素。當(dāng)考慮灌溉作物需水量時(shí)，一般考慮最不利時(shí)(即枯水年，一般為75%所對(duì)應(yīng)代表年)的作物需水量作為蓄水池容積的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。因此流域內(nèi)主要作物灌溉制度的確定是流域蓄水設(shè)施興利庫容設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本研究根據(jù)黃土丘陵溝壑區(qū)的典型作物制定了其灌溉制度，可為興利庫容的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參數(shù)。

1)黃土丘陵溝壑區(qū)主要作物的灌溉制度

(1)典型年的確定

收集延安市安塞區(qū)1998-2017年的氣象資料，應(yīng)用Penman-Monteith 法計(jì)算參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)，參照文獻(xiàn)資料確定主要作物的作物系數(shù)，計(jì)算出作物需水量(Etc)。根據(jù)1998-2017年的降水量資料，以5 mm作為有效降雨量的界限，提取出有效降雨量。確定理論頻率曲線，根據(jù)偏差系數(shù)Cs查皮爾遜Ⅲ型曲線的離均系數(shù)Φp值表確定Φp值，用公式XP=X(CV*Φp+1)，取p為20%，50%，75%計(jì)算出豐水年，平水年，枯水年的有效降雨量(玉米的參數(shù)見表1，馬鈴薯的參數(shù)見表2)。

表1 玉米生育期需水量和有效降雨量

表2 馬鈴薯生育期需水量和有效降雨量

(2)灌溉需水量確定

由作物需水量與有效降雨量的差值，計(jì)算得水肥充分供應(yīng)條件下作物的灌溉需水量。將豐水年玉米灌溉需水量是460.5 mm，換算單位，每畝需要灌溉306 m3。依次類推得到不同水平年的灌溉需水量。實(shí)際上，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民在豐水年不灌溉，產(chǎn)量也有保障。最有可能的情況是，在播種時(shí)灌一次水，每畝滴灌情況下需要30 m3。按這樣推理分析，種植戶生產(chǎn)玉米和馬鈴薯的實(shí)際灌溉次數(shù)與實(shí)際灌溉需水量(見表3和表4)。

表3 玉米灌溉需水量和實(shí)際滴灌需水量

表4 馬鈴薯灌溉需水量和實(shí)際滴灌需水量

當(dāng)水量充足時(shí)，可以根據(jù)表3、表4中不同水平年的灌溉需水量，進(jìn)行全生育期的灌溉，滿足作物生長(zhǎng)對(duì)水分的充分需求。但是，絕大部分年份降雨量是不足的，種植戶只能在作物的不同生育階段，進(jìn)行選擇性地灌溉。

(3)灌溉制度的制定

生產(chǎn)實(shí)際中，我們提倡在作物關(guān)鍵需水期進(jìn)行灌溉[5]，主要作物的關(guān)鍵需水期[6]見表5。不同灌溉類型下主要作物的灌水次數(shù)和次灌水量見表6所示。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)的降雨情況，靈活調(diào)整灌水次數(shù)和灌水量。雨季時(shí)，利用蓄水設(shè)施蓄滿水，以備干旱時(shí)使用。

表5 主要作物的關(guān)鍵需水期(延安地區(qū))

2)蓄水設(shè)施的布設(shè)

新造地采用側(cè)向引水的方式，從排洪溝上游處修建引水渠。排洪溝和引水渠應(yīng)同時(shí)規(guī)劃、同時(shí)建設(shè)。蓄水設(shè)施可為水窖或蓄水池。蓄水設(shè)施盡可能修筑或安置在高位，便于自流灌溉，節(jié)省能源。但為了更好地蓄積洪水，供枯水期用水，在流域農(nóng)業(yè)需水量較大時(shí)可考慮在溝底建設(shè)蓄水池或塘壩。為保障蓄水設(shè)施的汛期安全，蓄水設(shè)施需設(shè)置溢洪道，使蓄水設(shè)施蓄滿后多余的水能從排洪溝流走。

在用水時(shí)，優(yōu)先采用自流的用水方式。地形高差較小時(shí)，須采用潛水泵或管道增壓泵抽水，動(dòng)力可選擇電力、柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電或太陽能動(dòng)力。

2.2.2 灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與布設(shè)

有了蓄水設(shè)施存蓄的水或可利用的地下水，就可以利用灌溉技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高效用水。考慮可利用的水量有限，不宜選用畦灌、溝灌等畝耗水量較大的灌溉類型，采用更為高效的地下暗管輸水、滴灌等灌溉類型。

地下暗管輸水按照《低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范SL/T 153-95》的要求，進(jìn)行田間干支管的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和安裝，選擇滿足灌溉質(zhì)量要求的管材、管件、以及附屬設(shè)施。一般情況下，采用耐壓等級(jí)為0.32 Mpa的U-PVC管，以自流的方式將蓄水池的水引到每個(gè)地塊，埋深0.5 m以下，低洼處設(shè)置排水，田間設(shè)置給水栓出水口，給水栓的間距為30～60 m之間。

滴灌按照《微灌工程技術(shù)規(guī)范GB/T 50485-2009》進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。果園根據(jù)樹齡和樹體大小，采用一行一管、一行兩管、環(huán)形等方式布置滴灌管。采用滴頭流量2～4 L/h、滴頭間距0.5 m、壁厚0.8 mm以上的滴灌管。支管一般采用φ50、耐壓0.63 Mpa的UPVC管。根據(jù)流量大小，每個(gè)灌水小區(qū)的總流量控制在5～10 m3之間；根據(jù)地形，每塊梯田設(shè)計(jì)為單獨(dú)的灌水小區(qū)；根據(jù)各家各戶，不同戶主地塊分開設(shè)計(jì)為單獨(dú)的灌水小區(qū)。灌水小區(qū)劃分的目的是，一方面，在水量不足時(shí)，灌水小區(qū)內(nèi)能進(jìn)行均勻地滴灌；另一方面，減小管道流量，減小干支管的口徑，從而降低管網(wǎng)造價(jià)。

2.2.3 田間雨水高效利用技術(shù)

適宜黃土丘陵區(qū)治溝造地田間雨水高效利用的技術(shù)類型包括：少免耕技術(shù)、壟溝種植技術(shù)、覆蓋技術(shù)、生化保水增滲技術(shù)等四大類。

少免耕技術(shù)，即在作物播種前少用、不用犁耙整理土地，播后作物生育期間少用、不使用農(nóng)具進(jìn)行土壤管理。壟溝種植技術(shù)，宜壟作種植的作物采取壟作方式，借助畜力、機(jī)械起壟。馬鈴薯宜單壟單作，壟距0.7～0.9 m，壟高0.2～0.4 m。覆蓋技術(shù)，覆蓋物可為地膜或秸稈。玉米可采用地膜覆蓋，寬行0.6 m、窄行0.4 m，膜側(cè)種植。秸稈覆蓋厚度建議為2～5 cm。生化保水增滲技術(shù)，高價(jià)值經(jīng)濟(jì)作物種植應(yīng)使用保水劑、土壤擴(kuò)蓄增容劑。

對(duì)平作、壟作、覆膜和秸稈覆蓋4種旱地高效用水技術(shù)種植春玉米的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，春玉米產(chǎn)量、水分利用效率和降雨利用效率均是覆膜>秸稈覆蓋>壟作>平作，這為田間雨水高效利用技術(shù)的選擇提供了一定的依據(jù)。

3 結(jié)語

黃土丘陵區(qū)治溝造地工程形成了大面積平整的土地，干旱的氣候條件限制了規(guī)?；r(nóng)業(yè)的發(fā)展。本文建議在減少投入的前提下，盡可能地應(yīng)用高效用水技術(shù)，一方面提高田間雨水的利用率、另一方面增加水利設(shè)施利用排洪渠的水進(jìn)行灌溉。盡力保障在作物關(guān)鍵需水期，能夠進(jìn)行灌溉，以獲得較高的產(chǎn)量。