地面節(jié)水灌溉技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

張繼偉

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150071)

0 引言

水資源短缺、水資源利用效率低是限制社會(huì)發(fā)展、工業(yè)進(jìn)步及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要條件，水資源在社會(huì)發(fā)展中起著決定性作用[1]。據(jù)2021年統(tǒng)計(jì)，我國(guó)水資源總量約為29 040億m3，其中，僅農(nóng)業(yè)灌溉用水量就高達(dá)302億m3，但是農(nóng)田水資源利用率僅為52.95%,而發(fā)達(dá)國(guó)家的農(nóng)業(yè)水資源利用率高達(dá)80.2%以上。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，我國(guó)人口在2030年將達(dá)到16億，糧食需求將增加到6.4億～7.3億t左右，根據(jù)我國(guó)目前農(nóng)業(yè)發(fā)展要求，為了滿足糧食需求，農(nóng)業(yè)灌溉面積應(yīng)該發(fā)展至0.6億hm2左右，根據(jù)現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)灌溉用水量，預(yù)計(jì)在2030年農(nóng)業(yè)灌溉用水量將達(dá)到6 500億m3[2]。水資源短缺、水資源利用效率低、水資源時(shí)空分布不均等都成為限制我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。因此，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)是保證農(nóng)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展及國(guó)家糧食安全的重要保證條件之一。

1 地面灌溉技術(shù)的發(fā)展要求

隨著目前水資源緊缺、能源利用率較低、技術(shù)水平受限、經(jīng)濟(jì)實(shí)力較弱及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)管理技術(shù)水平發(fā)展不完善等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，大面積推廣先進(jìn)的微灌技術(shù)、滴灌技術(shù)、加氣灌溉技術(shù)及再生水灌溉技術(shù)受限，因此，在農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)田間水利工程設(shè)施的建設(shè)力度。加強(qiáng)地面灌溉技術(shù)，主要發(fā)展要求如下。

1.1 平整土地，設(shè)置合理的灌水技術(shù)參數(shù)

對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域進(jìn)行土地平整是提高農(nóng)業(yè)灌溉效率、減少地表徑流及縮短灌溉時(shí)間的基礎(chǔ)條件。在土壤平整的基礎(chǔ)上，進(jìn)行田間水利工程技術(shù)參數(shù)的改革與優(yōu)化。如，劃長(zhǎng)畦為短畦，改寬畦為窄畦，設(shè)計(jì)合理的畦灌溝參數(shù)及灌水流量，達(dá)到提高田間灌溉均勻度及灌溉效率的目的。但是由于目前我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域較為廣泛，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地形包括平原、山地、丘陵，土壤質(zhì)地類(lèi)型較多，因此難以應(yīng)用統(tǒng)一的水利灌溉參數(shù)與運(yùn)行機(jī)制，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行區(qū)域?qū)嶒?yàn)后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果或計(jì)算機(jī)模擬設(shè)置合理的田間水利灌溉參數(shù)。

1.2 改進(jìn)地面灌溉方式，發(fā)展局部濕潤(rùn)灌溉方法

改進(jìn)傳統(tǒng)地面灌溉模式，實(shí)行局部濕潤(rùn)灌溉方法，減少田間蒸發(fā)損失，提高田間水分利用效率，局部濕潤(rùn)還可以減少由于灌水量較高造成土壤通氣性下降，局部濕潤(rùn)有利于提高土壤充氣孔隙度及通氣性，提高作物根系呼吸效率，促進(jìn)根系生長(zhǎng)，提高根系對(duì)土壤水肥的利用效率，在促進(jìn)作物增產(chǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)節(jié)水。相關(guān)實(shí)踐研究表明，通過(guò)對(duì)玉米進(jìn)行交替灌溉，地面濕潤(rùn)面積可以降低50%～70%，節(jié)水效率提高30%～50%，作物增產(chǎn)幅度在5%～15%[3]。

1.3 發(fā)展間歇灌溉方法，改進(jìn)溝畦灌溉設(shè)施

間歇灌溉又稱為“波涌灌溉”，間歇性灌水方式保證水流呈現(xiàn)“波涌”推進(jìn)，在土壤表層形成一層水分封閉層，水流前進(jìn)距離提高1～3倍左右，減少水分的深層滲漏，提高田間灌水均勻度。改進(jìn)溝畦灌溉設(shè)施主要是采用虹吸管替代人工灌溉，提高田間水分利用效率，但是需要對(duì)相關(guān)設(shè)施材料進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究，逐步完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的推廣與應(yīng)用。

1.4 發(fā)展節(jié)水保墑膜上灌溉技術(shù)

膜上灌溉技術(shù)是在地膜覆蓋技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型地面節(jié)水灌溉方式，是將地膜平鋪于畦中，通過(guò)地膜進(jìn)行輸水，通過(guò)放苗孔及專(zhuān)業(yè)灌水孔進(jìn)行作物灌溉，屬于局部灌溉方式，目前在新疆、甘肅、河南等地區(qū)開(kāi)始廣泛推廣，在棉花、玉米及蔬菜等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

2 傳統(tǒng)地面灌溉技術(shù)類(lèi)型

2.1 畦灌

畦灌是將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)區(qū)劃分成多個(gè)狹長(zhǎng)的小地塊，灌溉水從毛渠放入畦中以薄層水流動(dòng)，流動(dòng)過(guò)程中逐漸滲透濕潤(rùn)土壤，包括順畦灌與橫畦灌。

與傳統(tǒng)大水漫灌技術(shù)相比，畦灌技術(shù)可以減少深層水分滲漏，提高田間灌溉均勻度，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量等優(yōu)勢(shì)，但是，由于畦灌技術(shù)在土壤表面形成“水層”，容易造成土壤板結(jié)，降低土壤通氣性與土壤孔隙度。畦灌參數(shù)主要受到土壤質(zhì)地、供水情況、地面坡度等因素的影響，主要技術(shù)參數(shù)包括畦田長(zhǎng)度、畦灌流量、灌水量及灌水時(shí)間。畦田長(zhǎng)度受地面坡度及土壤平整度的影響，土壤通氣性較差時(shí)，應(yīng)該減少畦灌流量及畦田長(zhǎng)度。畦田寬度主要受到地形、土壤質(zhì)地及機(jī)械耕作要求，一般為2～3 m，最寬不應(yīng)該超過(guò)4 m。

2.2 溝灌

溝灌主要是指在作物種植行間開(kāi)挖灌水溝，灌溉水進(jìn)入溝渠后，在水分流動(dòng)過(guò)程中借助毛細(xì)管作用浸潤(rùn)土壤，由于溝灌中僅在灌水溝中存在灌溉水，因此有利于保持土壤理化結(jié)構(gòu)，不會(huì)造成土壤板結(jié)，但是由于需要進(jìn)行挖溝，因此需要耗費(fèi)大量的勞動(dòng)力。

溝灌適用于寬行距作物，如玉米、棉花、高粱等。灌水溝的間距參數(shù)主要與土壤質(zhì)地有關(guān)，一般在輕質(zhì)土壤中的灌水溝間距較小，一般在50～60 cm左右，在重質(zhì)土壤中的灌水溝間距較寬，一般在70～80 cm左右[4]。

2.3 淹灌

淹灌又被稱為“格田灌”，是指在田間作物種植區(qū)域內(nèi)，用較高的土埂筑造成分隔的格田，一次性引入較多的灌水量，在格田中形成一定厚度的水層，灌溉水借助自身重力作用使土壤濕潤(rùn)，一般適用于水稻及鹽堿地沖水灌溉，在旱作作物中嚴(yán)禁使用。

3 節(jié)水型地面灌溉技術(shù)類(lèi)型

3.1 節(jié)水型畦灌技術(shù)

3.1.1 小畦灌溉技術(shù)

小畦灌溉技術(shù)又被稱為畦田“三改”技術(shù)，即長(zhǎng)畦改短畦、寬畦改窄畦、大畦改小畦，可以提高農(nóng)業(yè)灌溉效率，提高田間灌水均勻度，促進(jìn)作物高產(chǎn)節(jié)水技術(shù)的并行發(fā)展。目前，小畦灌溉技術(shù)是我國(guó)北方應(yīng)用最為廣泛的地面灌溉技術(shù)之一。主要優(yōu)勢(shì)如下。

1)節(jié)約用水。在小畦灌溉技術(shù)下可以通過(guò)縮短畦田長(zhǎng)度，減少灌水量，實(shí)現(xiàn)小額灌水量，實(shí)現(xiàn)節(jié)水20%～40%左右。

2)提高田間灌溉均勻度。在小畦灌溉技術(shù)下，水流較短且集中，小額灌水量易于控制，水分入滲較為均勻，可以避免土壤“積水”現(xiàn)象，灌水均勻度可以達(dá)到85%以上。

3)減少水分深層滲漏?？梢蕴岣咛镩g水分利用效率，相關(guān)實(shí)踐研究證明，當(dāng)畦田長(zhǎng)度在30～60 m左右，不會(huì)出現(xiàn)水分深層滲漏的現(xiàn)象。

3.1.2 長(zhǎng)畦分段灌溉技術(shù)

長(zhǎng)畦分段灌溉技術(shù)又被稱為“長(zhǎng)畦短灌”，主要是將一條長(zhǎng)畦田分成若干個(gè)短畦田進(jìn)行灌溉。長(zhǎng)畦分段灌溉技術(shù)畦田寬度可以達(dá)到5～10 m，長(zhǎng)度可以達(dá)到200 m左右，具有節(jié)水、省地、地形適應(yīng)性較強(qiáng)、易于大面積推廣等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 節(jié)水型溝灌技術(shù)

節(jié)水型溝灌技術(shù)主要為細(xì)流溝灌技術(shù)，是指利用軟管從灌水溝重開(kāi)一條小口，將灌水溝內(nèi)的水分通過(guò)小口進(jìn)行土壤浸潤(rùn)的方法，主要灌溉模式如圖1所示。由于灌水溝內(nèi)水淺，水流速度較慢，主要借助毛細(xì)管進(jìn)行土壤浸潤(rùn)，濕潤(rùn)范圍較小，有利于保持土壤結(jié)構(gòu)，減少土壤板結(jié)，可以減少灌溉水的無(wú)效蒸發(fā)，提高灌溉均勻性，而且深度較大，有利于土壤保墑。

圖1 節(jié)水型溝灌模式示意圖

3.3 增氧滲灌技術(shù)

增氧滲灌技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的田間節(jié)水灌溉技術(shù)，可以顯著提高水分、養(yǎng)分利用效率，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉與施肥。但是，灌溉水分入滲會(huì)驅(qū)替土壤孔隙中的空氣，導(dǎo)致土壤出現(xiàn)周期性的滯水，造成土壤通氣性下降，土壤氧氣含量降低，作物有氧呼吸受到影響，根系呼吸速率降低，造成根系對(duì)土壤中的水分和養(yǎng)分吸收利用效率下降。如果根系長(zhǎng)期處于厭氧環(huán)境或得不到足夠的氧氣，根系對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收下降，也會(huì)改變植物的激素水平和酶活性，阻礙光合作用，限制營(yíng)養(yǎng)器官的功能，植物地上部分則表現(xiàn)為葉片萎縮，作物鮮重和干重顯著下降，最終導(dǎo)致作物產(chǎn)量和品質(zhì)的下降，成為農(nóng)作物高產(chǎn)的主要限制條件。

增氧滲灌技術(shù)是在滲灌的基礎(chǔ)上，采用文丘里裝置將空氣以微氣泡的形式摻入灌溉水中，提高灌溉水中O2含量，提高土壤中植株根系的呼吸速率，可以有效促進(jìn)農(nóng)作物植株的生長(zhǎng)，農(nóng)作物達(dá)到豐產(chǎn)增收，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量有所提高(表1)。

表3 不同作物增氧滲灌研究進(jìn)展

4 結(jié)論

地面灌溉技術(shù)是我國(guó)目前農(nóng)業(yè)灌溉的主要方式之一，面對(duì)水資源短缺及利用效率低下等問(wèn)題，開(kāi)展節(jié)水灌溉技術(shù)的研究對(duì)于穩(wěn)定我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本研究系統(tǒng)闡述了目前應(yīng)用最為廣泛的地面灌溉技術(shù)發(fā)展模式，并系統(tǒng)分析了傳統(tǒng)地面灌溉方式的節(jié)水改革方法與研究進(jìn)展，研究結(jié)果對(duì)于推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，保證我國(guó)糧食安全具有重要意義。