溫室膜下微噴灌溉技術(shù)研究進(jìn)展

肖林剛,馬 艷,宋兵偉,焦銳斌,邢劍飛

(1.自治區(qū)普通高校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實驗室,新疆阿拉爾 843300;2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,烏魯木齊 830091;3.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院,新疆阿拉爾 843300)

0 引 言

【研究意義】2019年我國溫室面積達(dá)189.73×104hm2,占比超過80%,新疆約占60%,是溫室大棚的主產(chǎn)區(qū)。溫室年農(nóng)業(yè)用水缺口超過300×108m2。新疆溫室用肥量比大田單位面積高,肥料利用率還需提高[1]。使用節(jié)水滴灌由于滴灌的濕潤體較小,土壤存在明顯的干濕區(qū)域、易形成土壤次生鹽漬化,不利于作物生長和土壤養(yǎng)分利用[2, 3]。新疆處于干旱半干旱區(qū)域,水質(zhì)鹽堿化,滴灌時過量沖施化肥會阻礙或限制當(dāng)前溫室滴灌的推廣應(yīng)用。研究高效節(jié)水灌溉技術(shù)對減少肥料用量和提高溫室生產(chǎn)水資源的利用率具有實際意義。【前人研究進(jìn)展】趙鵬[4]、李萍等[5]分別從節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用和設(shè)備安裝管理運(yùn)行進(jìn)行了探討。宋克超等[6]在水資源配置和管理上開展了研究。李建民等[7-9]則從作物生長的角度研究了灌溉量和灌溉時間在農(nóng)藝節(jié)水的表現(xiàn)。任靈通等[10]研究了 3 種灌溉定額分配模式中不同水肥管理措施對苜蓿生長規(guī)律的影響,明確苜蓿高效生長的水肥精確調(diào)控。也有研究對噴灌、微灌、滴灌和滲灌設(shè)備的各自性能和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析[11,12]。滿建國等[13,14]以小麥為對象,研究了微噴帶的長度、噴射角度和土壤水分分布對小麥產(chǎn)量的影響。Home P G et al15]在秋葵灌溉方式的研究中發(fā)現(xiàn),微噴帶灌溉與傳統(tǒng)畦灌相比,在保證品質(zhì)和產(chǎn)量的情況下用水量可減少67.5～75.0 mm,土壤容重(0～30 cm土層)降低 0.20 g/cm3,且水分分布均勻。張明智[16]以設(shè)施番茄為研究對象,從農(nóng)藝方面系統(tǒng)地分析了膜下微噴灌、膜下滴灌和微噴帶灌溉的不同鋪設(shè)方式對土壤和作物根系的影響,明確了溫室膜下微噴灌溉對溫室番茄灌溉管理技術(shù)和增產(chǎn)的機(jī)理。周斌等[17]對微噴帶灌溉的水利特性進(jìn)行了特征研究。謝楠[18]將膜下微噴灌溉技術(shù)應(yīng)用于溫室芹菜種植,通過芹菜耗水量、生長特性和產(chǎn)量研究發(fā)現(xiàn),膜下微噴相較于溝灌節(jié)水增產(chǎn)效果顯著。Li J S, Kawano H[19]認(rèn)為微噴在作物的產(chǎn)量和水分利用效率上,土壤中水分分布均勻性要比地面上更為重要。【本研究切入點(diǎn)】相較于滴灌微噴灌濕潤區(qū)更大,出水流量也較大,而微噴灌溉對鹽分的淋洗和次生鹽漬化的抑制作用鮮有報道,分析膜下微噴灌溉土壤水鹽運(yùn)移的研究進(jìn)展,對解決土壤鹽漬化問題有著重要意義。已有文獻(xiàn)研究膜下微噴灌溉方式對設(shè)施作物土壤性狀(含水率、總鹽、土壤養(yǎng)分變化趨勢)、作物生理指標(biāo)、以及果實品質(zhì)和產(chǎn)量的影響機(jī)理[20,21],需匯總分析膜下微噴灌溉對溫室作物生長特性和土壤理化性狀的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】收集、整理和分析國內(nèi)外微噴灌溉文獻(xiàn)資料并統(tǒng)計分析,分析微噴技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀以及研究成果和膜下微噴技術(shù)在溫室灌溉中應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 材 料

檢索節(jié)水灌溉相關(guān)文獻(xiàn)及官網(wǎng)實地調(diào)研數(shù)據(jù)資料。

1.2 方 法

采用文獻(xiàn)分析及統(tǒng)計學(xué)及實地調(diào)研方法,對收集匯總的材料進(jìn)行整理并對分析溫室膜下微噴技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀。

2 結(jié)果與分析

2.1 微灌技術(shù)應(yīng)用

研究表明,世界微灌面積約有 1.10×108hm2,占總灌溉面積的5.00%,我國是使用微灌設(shè)施最多的國家,占世界微灌面積的35%[22, 23]。在當(dāng)前微灌技術(shù)中,滴灌、滲灌和微噴灌較常用。源自于以色列的滴灌技術(shù)是目前最主要的節(jié)水灌溉方式,因其節(jié)水、節(jié)肥、抑鹽和易管理特性被廣泛使用[24-26]。在一些水質(zhì)鹽堿化嚴(yán)重的干旱、半干旱區(qū)域,沖施化肥使滴灌帶堵塞而限制了其應(yīng)用。滲灌又被稱為浸灌和地下灌溉,是將類似于滴灌帶的特殊管道埋入田間耕作層,受毛細(xì)管作用自下而上潤濕土壤,滲灌獨(dú)特的原理使其具有灌水效率高、壓力小、不占地表面積的顯著優(yōu)勢,但投資成本高、施工復(fù)雜、水質(zhì)要求高、堵塞不易維修的缺點(diǎn)限制了推廣應(yīng)用。微噴技術(shù)是隨著滴灌和滲灌技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的新技術(shù),與傳統(tǒng)滴灌和滲灌相比,微噴具有較強(qiáng)的挾沙能力和抗堵塞能力,具有顯著的節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)藥、節(jié)省勞動力、增產(chǎn)增收等效果[27-29]。表1

表1 各灌溉技術(shù)匯總

2.2 微噴灌溉技術(shù)在田間種植作物上應(yīng)用

研究表明,微噴帶灌溉在陸地作物種植中的應(yīng)用,周斌等[17]2003年開展了單孔微噴帶噴水量分布與噴射角度關(guān)系的基本特征研究,在5 m水頭壓力下,0.7 mm直徑的噴孔在噴射角度為40°時,射程、濕潤區(qū)面積、濕潤區(qū)寬度均最大。孫先明等[30]進(jìn)一步探索了微噴帶灌溉在能量損耗、灌水均勻性和堵塞性的各指標(biāo)與可行的解決方案,提出用微噴帶替換滴灌帶解決滴灌帶易堵、投資高、濕潤面積小的問題。張芳等[31]開展了風(fēng)擾下微噴帶噴灑均勻性的影響研究,進(jìn)一步探索微噴灌戶外農(nóng)田環(huán)境下應(yīng)用的可能。王裕智[32]做了微噴帶鋪設(shè)方向與播種方向垂直和平行的試驗,結(jié)果表明垂直鋪設(shè)方法可以改善窄行距條播密植作物在中、后期噴灌不均勻的難題且節(jié)水效果顯著。焦艷平[33]、滿建國等[13-14]以冬小麥為試驗對象開展了微噴帶對作物栽培的影響,其中焦艷平以小畦田地面畦灌為對照,研究發(fā)現(xiàn)微噴灌對冬小麥生長及產(chǎn)量具有促進(jìn)作用,在灌水量減少150 m3/hm2、總施肥量降低了24.0 kg/hm2的效果下,根層土壤氧化鉀和硝態(tài)氮含量還得到了相對提高;在40～80 m帶長范圍研究時發(fā)現(xiàn),隨著微噴帶縮短總耗水量顯著較少,籽粒產(chǎn)量和水分利用率顯著提高;隨后在40 m定長不同灌溉角度的研究中發(fā)現(xiàn)在35°～ 80°噴射角范圍內(nèi),適當(dāng)增加噴射角可顯著較低冬小麥耗水量、提高籽粒灌漿和產(chǎn)量,在噴射角≤ 65°時會導(dǎo)致灌溉水在行間分布不均。楊坤等[34]也做了密植作物小麥微噴灌溉的研究,針對中后期小麥微噴帶灌溉水分布特點(diǎn),探討了不同灌溉模式下小麥中后期土壤水分分布和運(yùn)移規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn)在壓力強(qiáng)度最大0.15 MPa、噴管帶鋪設(shè)間距440 cm時達(dá)到最佳鋪設(shè)灌溉應(yīng)用。除此之外,學(xué)者們還針對以油菜、大豆為主的密植作物展開了株高、播種密度、孔間距、孔口徑等對微噴帶噴灑均勻性的研究[35-36],研究發(fā)現(xiàn)常規(guī)的種植密度對微噴均勻性影響不顯著,微噴帶的性能參數(shù)對噴灑均勻性影響較大。表2

表2 微噴均勻性在密植作物上的表現(xiàn)

微噴帶指在帶狀薄壁塑料軟管管壁上采用機(jī)械鉆孔或激光設(shè)備以組為單位均勻打孔的塑料軟管,常用的孔組有斜3孔、斜5孔和斜7孔。工作時有壓水經(jīng)過微噴帶的出水孔噴出后,在重力和空氣阻力作用下形成類似細(xì)雨噴灑效果。相比其他灌溉方式,微噴帶灌溉鋪設(shè)方便,投資成本較少,對水質(zhì)要求低,抗堵性能好。圖1

圖1 微噴帶結(jié)構(gòu)及噴灑軌跡示意

微噴帶在陸地覆膜作物灌溉應(yīng)用方面,目前該技術(shù)主要運(yùn)用于玉米、園林花卉、果樹、煙草和甘蔗等生產(chǎn)種植領(lǐng)域中,陳永[39,40]在研究膜下微噴對甘蔗產(chǎn)量、工藝品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)效益的影響中發(fā)現(xiàn),膜下微噴技術(shù)能顯著提高甘蔗產(chǎn)量、品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)效益。李珠懷等[41]提出在陸地覆膜種植中,將覆膜種植工藝與微噴節(jié)水技術(shù)相結(jié)合的膜下微噴高效灌溉方式,在節(jié)水、節(jié)肥、省藥和增產(chǎn)提效等方面都具有顯著效果。西北玉米種植區(qū)進(jìn)行了微噴和不同灌溉模式在覆膜(膜下滴灌、膜下微噴、膜下微潤灌)和不覆膜(微潤灌、管灌與微噴聯(lián)合灌溉和低壓管灌)的對比試驗中發(fā)現(xiàn),膜下滴灌玉米產(chǎn)量和水分利用效率最高,凈效益也最高,其次為膜下微噴,為膜下微噴的推廣提供了技術(shù)支持與基礎(chǔ)[42]。表3

2.3 微噴灌溉技術(shù)在溫室中應(yīng)用

研究表明,石文學(xué)[43]等以溝灌為對照,研究膜下微噴和膜下滴灌灌溉方式對春大棚黃瓜產(chǎn)量、植株生長速度和經(jīng)濟(jì)效益的影響,在探索適合京郊溫室黃瓜高效節(jié)水灌溉方式中認(rèn)為,應(yīng)優(yōu)先采用膜下滴灌技術(shù),在灌溉設(shè)備資金較為緊張地區(qū)可采用膜下微噴技術(shù)(膜下微噴較膜下滴灌每年可節(jié)約成本40%),黃瓜膜下微噴灌溉應(yīng)用。趙鐵倫等[44]使用不同灌溉方式(畦灌、微噴帶、膜上畦灌、膜下微噴)對溫室內(nèi)白菜種植中礦質(zhì)元素吸收及品質(zhì)的影響研究時得出,使用直徑為φ28.6 mm、5孔、孔徑為φ0.6 mm的微噴帶,膜下微噴處理白菜各部分養(yǎng)分含量最高。張明智[16]以溫室番茄為對象開展了膜下滴灌和膜下微噴的對比研究,膜下微噴種植的番茄在株高、莖粗、葉面積指數(shù)及干物質(zhì)質(zhì)量方面均優(yōu)于膜下滴灌;在微噴帶和滴灌帶管道鋪設(shè)過程中,一壟雙行的栽培模式中滴灌帶需要鋪設(shè)兩管雙行,而微噴帶則僅需單管雙行,相較滴灌微噴帶可節(jié)省一半。試驗確定最優(yōu)微噴帶性能參數(shù)組合為:管徑φ32 mm、斜3孔、微孔直徑φ0.8 mm、孔組間距為30 cm微噴帶在灌水頻率為 5 d,灌水量為 1.00Epan(Epan表示φ20蒸發(fā)皿5 d累計蒸發(fā)量)的灌溉方案措施下,微噴灌可明顯促進(jìn)土壤微生物和土壤酶活性等土壤環(huán)境,同時在作物根系形態(tài)發(fā)育和植株生長、番茄產(chǎn)量及水分利用效率方面相較滴灌模式均有明顯提高。夏秀波[45]、邢英英[46]等溫室番茄栽培試驗中也得到了類似的結(jié)論。李晨等[47]對溫室小型西瓜膜下微噴灌溉進(jìn)行了研究,通過對比 4 個不同灌水時長(18、30、42 mm 和常規(guī)灌溉)的試驗組西瓜全生育期(株高、莖粗、葉面積)長勢、產(chǎn)量和品質(zhì)的測定結(jié)果表明,膜下微噴條件下選用管徑φ32 mm、斜5孔、微孔直徑φ0.7 mm、孔組間距為28 cm微噴帶,每次灌水30 mm是西瓜的最佳灌水量。孫莉莉[48]也得出同樣的觀點(diǎn):認(rèn)為膜下微噴灌溉措施具有省水、省肥、省工、省時的特點(diǎn),微噴灌溉操作簡單,易于在溫室內(nèi)安裝使用。圖2

圖2 黃瓜膜下微噴灌溉

膜下微噴帶灌溉技術(shù)應(yīng)用于溫室能夠提高作物產(chǎn)量、改善土壤環(huán)境,相較于其他灌溉方式,膜下微噴灌技術(shù)人工、原料成本更低,節(jié)水節(jié)肥效果顯著。

表3 不同灌溉技術(shù)模式下玉米經(jīng)濟(jì)效益對比[42]

2.4 膜下微噴帶的結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)與灌水特性

研究表明,張明智等[49]對于微噴帶水量分布和水流特性研究發(fā)現(xiàn)微噴帶的微孔數(shù)量對流量存在呈顯著性影響(0.898),微孔夾角對流量影響較小(0.140),微孔間距影響最小(-0.008),土壤濕潤面積、濕潤率、微噴帶流量、灌水強(qiáng)度峰值均隨著微孔數(shù)量的增加呈線性增加趨勢;土壤濕潤面積和微噴帶流量隨微孔間距和微孔夾角的增加呈先增加后降低趨勢;濕潤率隨微孔間距和微孔夾角的增加呈減小趨勢;灌水強(qiáng)度峰值與微孔間距和微孔夾角的增加無顯著性變化規(guī)律。微孔數(shù)量對濕潤面積、濕潤率、流量、灌水強(qiáng)度峰值都呈增加趨勢,微孔間距與夾角的增加與濕潤面積與流量呈先增加后降低趨勢,對灌水強(qiáng)度峰值無明顯變化;在對微孔數(shù)量、微孔夾角、微孔間距3因素與流量影響分析中,通過正交試驗和多元逐步回歸分析得出方程:Q=22 071.74X1+11 247.09X2-7.34X3-34 430.54,模型可預(yù)估80.00%以上該3因素與流量的關(guān)系。王琪等[37]以微噴帶A(鋪設(shè)長度)、C(微孔直徑)、B(微孔間距)3因素做了正交試驗,采用極差分析方法,確定了因素主次順序的最佳組合方案為A1B3C1。

3 討 論

田凌等[50]采用滴灌結(jié)合微噴水肥藥的一體化系統(tǒng),在設(shè)施農(nóng)業(yè)灌溉中以滴灌為主、微噴為輔的補(bǔ)充灌溉方式,在高溫天氣開啟微噴使水噴灑至作物表面起到調(diào)節(jié)作物周圍溫度的灌水方法,此種微噴帶置于地膜上的方法在溫度低和濕度大的環(huán)境中不宜使用。孫海偉[51]將微噴結(jié)合滴灌的水肥一體化模式應(yīng)用于茶園灌溉中,施肥前后用微噴灌溉,施肥時用滴灌灌溉,此種結(jié)合方法在清潔茶樹葉面的同時可提高果園濕度、提高茶芽的嫩度,起到增加作物光合作用和光線漫反射的效果,同時又能做到精準(zhǔn)施肥。微噴灌結(jié)合滴灌在改善作物冠層生長環(huán)境的同時兼顧作物根區(qū)滴灌,此灌溉方式對溫室高溫環(huán)境的合理調(diào)控具有重要意義[52]。

選用粒徑0.275～1.000 mm 泥沙時,微噴帶在0.5、1.0、1.5 g/L 3 個泥沙濃度試驗中,其中1.0 g/L時更易堵塞,其他的濃度通過性較好[53];在滴灌帶抗堵性能研究方面,粒徑0.075～0.10 mm 泥沙即可引起滴頭堵塞,同時由于滴灌流水不連續(xù),滴頭減壓路徑的設(shè)置,0.03～0.038 mm的泥沙易在滴頭區(qū)域沉淀引發(fā)堵塞,滴灌帶管路中漩渦的存在也是泥沙沉積引發(fā)堵塞的主要誘因[54,55]。微噴帶抗堵挾沙能力要優(yōu)于滴灌帶,更適應(yīng)與河水及水質(zhì)不佳的水源灌溉。

膜下滴灌技術(shù)有利于對鹽堿地的開發(fā)利用和防治土壤次生鹽漬化,膜下微噴灌溉土壤水鹽運(yùn)移的規(guī)律卻鮮有報道。冶金明[56]認(rèn)為覆膜可以減少土壤水分蒸發(fā)和鹽分積累,膜下滴灌可微潤作物根區(qū),同時將鹽分帶入濕潤區(qū)邊緣,為灌溉區(qū)作物創(chuàng)造一個良好的生長環(huán)境。曹振璽等[57]認(rèn)為膜下滴灌技術(shù)對土壤鹽分有很好的淋洗效果,鹽分隨著灌溉水的流動被帶至耕層下,減少作物根部附近土壤鹽分含量。黃真真等[58]對新疆干旱區(qū)棉花膜下滴灌種植研究發(fā)現(xiàn),膜下鋪設(shè)3條滴灌帶比2條滴灌帶對棉花行間土壤鹽分淋洗效果(0～40 cm 土層)要好,同時棉花可增產(chǎn) 4%～11%,提出了濕潤區(qū)越大越密集排鹽效果越好的看法,與汪昌樹等[59]研究一致。在選用1.38和 2.7 L/h 的滴頭流量做土壤鹽分淋洗試驗時,1.38 L/h滴頭土壤濕潤區(qū)較小,土壤含水量低,土壤鹽分淋洗效果較差[60]。在灌水定額 52.5 mm 時,選用滴頭流量 2.8和5.6 L/h 條件下,滴頭流量2.8 L/h條件地表水平脫鹽半徑30 cm,滴頭流量5.6 L/h條件下地表水平脫鹽半徑40 cm[61]。

4 結(jié) 論

微噴帶指在帶狀薄壁塑料軟管管壁上采用機(jī)械鉆孔或激光設(shè)備以組為單位均勻打孔的塑料軟管,常用的孔組有斜3孔、斜5孔和斜7孔。與噴射角度關(guān)系的基本特征,在5 m水頭壓力下,0.7 mm直徑的噴孔在噴射角度為40°時,射程、濕潤區(qū)面積、濕潤區(qū)寬度均最大。常規(guī)的種植密度對微噴均勻性影響不顯著,微噴帶的性能參數(shù)對噴灑均勻性影響較大,微噴帶在陸地覆膜作物灌溉應(yīng)用方面,目前該技術(shù)主要運(yùn)用于玉米、園林花卉、果樹、煙草和甘蔗等生產(chǎn)種植領(lǐng)域中,膜下微噴灌溉措施具有省水、省肥、省工、省時的特點(diǎn),微噴灌溉操作簡單,易于在溫室內(nèi)安裝使用,微噴帶的微孔數(shù)量對流量存在呈顯著性影響(0.898),微孔夾角對流量影響較小(0.140),微孔間距影響最小(-0.008)。