微灌设备与节水农业性效评估

宋运海，赵卫琴，刘贺梅，王子君，胡婷婷，髙 彦，郭 兰

（驻马店市种子管理站，河南 驻马店 453000）

我国是一个水资源贫乏的国家，人均水资源占有量只相当于世界人均水平的1/4，是13个贫水国家之一。全国农业年均用水量占总用水量的73%，其中，农业灌溉用水有效利用指数45%，较美国低20%～30%，较节水典范国以色列低50%。因此，我国农业用水面临着资源短缺和浪费严重的局面。节水工作任务重，难度大，势在必行。

造成农业灌溉水利用率低的原因是，灌溉方式落后，节水灌溉设备利用程度低。以蔬菜为例，生产上采用畦、沟灌水，灌溉定额为9 000～12 000 m3/hm2，水分损耗5 400～7 200 m3/hm2，既浪费了大量的水资源，还诱发蔬菜各种病害的发生。而采用微灌设备灌水，灌水定额2 400～3 000 m3/hm2，灌水利用率高达95%，既节省了水资源，又抑制病害的发生，对缓解水资源危机意义重大。

1 功能标准

微灌设备是滴灌、喷灌、渗灌和雾灌的总称。灌水器不同，其工作原理、技术参数、适宜作物和使用效果存在差异。

1.1 滴灌

滴灌系列产品的滴头包括单一式、可调式、孔口式、补偿式；滴灌管（带）又分双腔式、内镶式、迷宫式、微孔式、双上孔和双上下孔式等多种型号。工艺上多采用紊流道设计，其工作原理是滴头镶嵌于滴灌管（带）内壁，水流通过狭长的流道与管道摩擦消压，使各部位滴头出水压力均匀，将水一滴滴缓慢渗入作物根际附近的土壤中，因而，除滴头下面土壤水分处于饱和状态外，其他部分则呈不饱和状态，固称浸润式灌溉。而且还可将肥、药溶用于水中，可使施肥、用药和灌溉一次进行。单头浸润半径40～50 cm，滴头间距25～30 cm或40～50 cm。工作压力98～147 kPa，单头出水量2.5 kg/h，每小时灌水量40.5 t/hm2，6～8 d灌水1次，每次灌水时间30～50 min，0～30 cm土层含水量可达50%～60%，适于按一定行、株距种植的蔬菜选用。如茄果类和瓜果类蔬菜。一次性投入管（带），使用寿命为6年以上。

1.2 喷灌

按喷头出水时的受力特点，可划分为折射式、旋转式、缝隙式、导芯式和脉冲式5种。通过更换构件，能实现倒悬式或插杆平面式灌水；改换喷头又可完成扇形和全圆形喷洒。其原理是受压水流由喷嘴射出，经散水器作用，产生放射雨滴状散落到一定范围内的空间。喷头直径1～3 mm，工作压力245～294 kPa；喷水直径4～6 m，喷头间距2.5～3 m，喷头数525～600个/hm2；单头出水量7.5 kg/h，每小时灌水量37.5～45.0 t/hm2；单管铺设长度80～100 m；每4～6 d灌水1次，每次30～50 min，0～30 cm土层含水量60%；设施内空气湿度85%，温度降低3～8 ℃。该种灌水方式具有“范围小、喷量小和冲击力小”的特点，适合栽培密度大、植株柔软细嫩的蔬菜和苗床使用。如芹菜、韭菜和速生菜芽及育苗等。使用寿命6～12年。使用喷灌系统的注意事项：一是调整喷洒强度和雾化强度至最佳状态；喷强以出水量等于土壤渗透量，使地表无明水为度，雾强则是水滴直径0.5～1.5 mm为好。二是喷水区域重叠法，喷幅已定，调整喷头间距，使相临的两个喷水器的喷水区域有1/2重叠区，形成一个矩形喷水区域，节水增效更显著。

1.3 渗灌

渗灌是灌溉水在一定的压力下，通过埋设在土壤表层的微孔渗灌管进行灌溉，再借土壤毛管的作用，将水分扩散到植物根部的一种供水过程。工作压力147～294 kPa，渗灌管铺埋深度15～30 cm，间距40～100 cm，每米渗水4.5～5.2 kg/h，每次灌水量178.5～300 m3/hm2，向下扩散42～48 cm，向上反渗28～33 cm，扩散半径28～48 cm，每6～8 d灌水1次，每次40～60 min结束，15 cm以下土层含水量50%，使用寿命6年以上。渗灌的突出优点是：节水、干爽、地温高。较畦灌节水70%，较滴灌节水20%。棚内湿度降低15%～20%，发病率下降50%，0～15 cm地温升高2～3 ℃。适宜茄果和瓜果类蔬菜选用，尤其适合草莓保护地栽培。注意事项；忌在速生叶菜和苗床上使用，一次灌水量不可过大，否则，不但费水，而且会造成土壤表土过湿，丧失渗灌的技术优势。

1.4 雾灌

雾灌是由喷灌和滴灌技术演变而来的一种微灌技术。目前已开发出高雾和轻雾喷头，有折射式、旋转式两种，出水有扇形和圆盘形等多种形式。其原理是：压力水流从喷洒器的喷嘴射出，经散水器和雾化器形成雾状水滴。工作压力5～10 Pa，单头流量15～20 L/h，喷头间距2.5～3 m，4～6 d灌水1次。雾灌和喷灌的区别和技术优势在于：雾灌是低压运行，更节能；雾灌为局部灌水，更节水；雾灌的喷头直径0.5 mm以下，水滴如“毛毛细雨”，雾化程度更高；水滴呈云雾状飘移供水，灌水更快，更均匀。同时由于供水雾层的物理作用，能较好地协调田间小气候，促进作物的生长发育。任春玲[1]认为，“可增加空间湿度30%，降温3～5 ℃”，折射直线阳光30%左右，能有效克服作物的“午休”现象，提高Pn（光合速率）。除适宜喷灌涵盖的作物外，尤其对鲜、细、嫩菜类十分有利，使用寿命和注意事项同喷灌。

2 模式配置

微灌系统的模式与配置规格，应根据设施的经营规模、起点高低、资金状况和自然条件等综合因素选择确定。目前，生产上经典的微灌模式配置有三种，即小单元微灌系统、自流式微蓄微灌系统和变频恒压式微灌系统。三者在配置、特性、功能和成本等方面各有相应的标准。

2.1 小单元微灌系统

由水源、微型首部、输水管路和灌溉器4部分组成，系统具有经济实用的特点。选用口径30 cm的机井、河流或池塘为水源；首部选用550 W三相或二相自吸泵一台，孔径0.45 mm网式全塑过滤器1只，10～25 L的全塑钢施肥、施药容器1个，可调式阀门1个；输水管路选用33～55 mm的高压PE为干管，支管为25～40 mm的PE管（带），毛管选用10～15 mm的黑色PE滴灌器。成本价1.5万～2.25万元/hm2。可灌溉3～4个标准棚（6 m×30 m）。该系统适合设施面积1 000 m2以内的家庭经营和集体经营者选用。

2.2 自流式微蓄微灌系统

系统配置由蓄水池、输水管路和灌水器3部分组成。原理是：利用自然落差10 m以上的地势，建造容积0.1万～1.0万m3的小型蓄水池储备山体径流或雨水，凭借落差获取输水压力，供处在低处的灌水器完成自流灌溉。其最大优点是不用电力和水泵解决灌水问题。输水管选用UPWC材质，口径250～500 mm的为干管，支管用55～100 mm口径高压PE管材，毛管为10～15 mm灌水器，池内入水口处用孔径0.20 mm的过滤网封闭，支管上装25～50 L施肥、施药聚酯罐1个。成本价3万～5万元，使用寿命6年以上，灌溉面积1～3 hm2，适合电力匮乏山区、半山区和丘陵区规模大户选用。

2.3 变频恒压式微灌系统

该系统有水源、程控室、控制首部、输水管网和灌水器5部分组成。原理是：根据设施蔬菜栽培用水量变幅大，灌溉次数频繁等特点，设计为变频恒压和变频调速微机自动控制、灌排分系的管网式大型微灌系统。该系统可根据水量的变化，自动确定水泵运行台数及电机泵组的运行速度，达到调节水流，使末端灌水器的压力按设定的压力保持恒定，实现供水与需水平衡，节电与自动控制的目的，一般节电50%。该系统可以设定专家模拟系统，调控光、温、湿环境小气候和水、肥、药等量化管理，实行24 h无人监管自动运行，且能保证水泵、管网和作物的安全。灌水面积5～30 hm2，一次性投资50万～100万元，适合合作经营和企业经营者采用。

3 技术效应

3.1 节水省工，降低能耗

微灌系统采用全封闭输水管网设计，直接供水到作物根部，有效降低了渗漏和蒸发损失，灌水利用率高达95%，较传统灌溉方式（畦、沟）利用率（45%）提高1倍以上；水、肥、药复配一次输入，30～60 min完成，故节约水、电、肥、药，省工、省时、省力。既降低生产成本，又提高劳动效率。

3.2 调控温湿度，优化小气候

设施蔬菜栽培的成败，主要取决于局部的气候环境（光、温、湿、气）状况与栽培对象的适配性。冬春季低温、高湿、弱光照，不利于作物的光合作用，反而利于滋生病菌；而夏季高温、高湿、强光照综合作用，使作物的Pn呈“双峰曲线”，导致植物“午休”现象[2]，而且利于病菌、病毒的繁殖扩散。采用微灌系统灌溉，表土干爽，蒸发量低，可使空间湿度减少15%～20%，发病率下降50%；选用雾灌系统灌溉，可折射太阳直射光30%，大气温度降低3～8 ℃，使植物生长环境得到明显改善。

3.3 降低土壤盐渍化，防治根结线虫病

设施条件下的土壤，得不到雨水的自然淋洗，土壤次生盐渍化程度高。而根结线虫病属好气性病害，病原多集中在0～25 cm土层活动。微灌灌溉，不间断向土壤补充水分，使水分供需保持平衡，缓解了作物生长过程中对地下水的依赖，阻断了盐离子在作物体内和土壤中的大量滞积，又由于微灌的水分分布在0～30 cm土层，破坏了根结线虫的好气环境，造成大量死亡和迁徙，从而抑制了土壤盐渍化和防治了根结线虫病害的发生。

3.4 克服误灌，高产优质

传统的畦、沟灌水，水量不易把握，一次性水量过大现象时有发生。而微灌向土壤中输水的可控性增强，使作物处在最佳的水分状态下生育，从而可有效避免超量灌水造成的生理伤害。另一方面，瓜果类蔬菜在膨果后期最忌一次性灌水量过大，使果实内溶质的吸胀作用加剧、膨压增大，由于外果皮组织中厚垣细胞的胞壁较厚，吸胀力小，在反压力作用下果皮破裂，即称裂果病。而采用微灌系统灌溉，由于受工作原理的支配，可避免一次性灌水量过大，可防止裂果病发生。故微灌可提高产量、改善品质、增加商品率和优质果率。

3.5 减少灌水次数，便于田间操作

微灌系统灌溉以其低蒸发、低下渗的特性，使灌水在土壤中持效期延长。一般4～8 d灌水1次，而畦、沟输水，则需3～4 d灌1次。植物的结果期是水分需求增大期，必须增加灌水次数来满足生长发育的需求；同期又是田间劳作的频繁期（施肥、整枝、保花、保果、防病、采摘等），畦、沟灌水后因地面持久过湿不能下田劳作，而微灌则是在畦上土层内灌水，畦间（走道）相对干燥，灌后即可劳作，能较好地化解结果期灌水与田间操作的矛盾。

4 结论

（1）4种灌溉器（方式）的应用较传统的灌溉方式节水效果显著，其效果排序为：渗灌＞滴灌＞雾灌＞喷灌。但滴灌一次性投入最低。

（2）3种模式配置均可以与4种灌水器整合成微灌系统，灌水品质无明显差异，但成本差值很大，依次为变频恒压微灌系统＞自流式微蓄微灌系统＞小单元微灌系统。应权衡利弊，酌情抉择。

（3）根据现行的农业经营模式，小规模家庭经营和产业龙头经营较普遍，小单元微灌系统和变频恒压微灌系统是相应的最佳选择。而自流式微灌微蓄系统则适宜缺水缺电的丘陵山区规模大户应用。

（4）我国农业的微灌系统起步于20世纪中期，21世纪初步入加速时段，到本世纪中叶的腾飞阶段还有很大发展空间，应加大在该领域的拓展力度。