地下滴灌的应用模式与启示

仵峰, 宰松梅, 徐建新, 王华震

(1.华北水利水电大学 水利学院,河南 郑州 450045; 2.河南省节水农业重点实验室,河南 郑州 450046)

表1 最不利种植时作物与毛管相对位置的变化

表2 滴灌毛管的使用年限与价格

表3 不同滴灌方式下棉花产量对比



地下滴灌的应用模式与启示

仵峰, 宰松梅, 徐建新, 王华震

(1.华北水利水电大学 水利学院,河南 郑州 450045; 2.河南省节水农业重点实验室,河南 郑州 450046)

地下滴灌是一种先进的节水灌溉技术,为发展节水农业提供了一条可选之路。为了寻求合理的地下滴灌应用模式,对新疆、甘肃和广西3个示范区的地下滴灌系统的投入和效益进行了对比分析,得出如下结论:地下滴灌系统的毛管采用一次铺设、多年使用的方式;与每年更换田间毛管的地表滴灌系统相比,地下滴灌系统年静态投资与地表滴灌相当或减少,但地下滴灌更方便农业管理;棉花、马铃薯和甘蔗3种作物的地下滴灌均取得了较好的效益,地下滴灌与膜下滴灌棉花产量相当或略有增产,甘蔗单产从52.5～63.0 t/hm2提高到117～130 t/hm2,增加了1倍以上,马铃薯地下滴灌在节水22%的同时,增产了115%;变革作物种植模式,选择与节水技术相适宜的作物种植与管理技术,可以更好地发挥节水技术的效益。

地下滴灌;投资;效益;模式

地下滴灌是将各级管道一次性铺设于地表以下,供多年使用的一种滴灌方式。它能将水分和养分均匀、准确地输送到作物根部,调节作物生长所需的水、肥、气、热等条件。与地表滴灌相比,地下滴灌系统以土壤水为媒介,将灌溉水与作物构成了一个连续的有压系统,为直接改善作物根区生长环境创造了条件;地下滴灌可以保持地表干燥,减少地表的无效蒸发和杂草生长;在方便田间管理,防止毛管丢失、老化,延长毛管的使用寿命等方面具有显著的优势[1]。

节水技术并不等于节水,关键在于如何应用。由于地下滴灌的特殊性和复杂性,加上土质、作物等的差异,确定不同土质及作物的合理灌水技术要素还存在一定问题,盲目使用及不恰当的运行、管理等都会直接影响地下滴灌系统的效用。因而,需要深入、系统地研究地下滴灌技术的适宜条件,总结一套适宜于该技术的应用模式。在国家“863”计划等项目的资助下,课题组在新疆、甘肃、广西等地进行了“地下滴灌技术研究和示范”工作。本文从系统投入和效益两个方面,对该研究工作加以总结,并与每年更换毛管的滴灌系统进行比较,以期提高地下滴灌系统设计的合理性,加深对地下滴灌技术的认识,促进地下滴灌技术的推广和应用。

1 地下滴灌试验示范区概况

1.1 新疆棉花地下滴灌试验示范区

新疆棉花地下滴灌试验示范区设在新疆生产建设兵团农五师九十团,地处新疆维吾尔自治区博乐市,位于我国的最西边,阿拉山口前沿。当地气候条件恶劣,年最高气温42.6 ℃,年最低气温-35 ℃,蒸发比1∶15.6,年平均八级以上大风180 d,属沙漠气候,农业灌溉主要依靠地下水。2002年,九十团开始棉花地下滴灌试验并获得成功,种植面积13.33 hm2,此后开始推广。到2008年,在地下滴灌的规划设计、灌溉技术管理、农作物栽培管理等方面都取得了一些经验,已初步形成了地下滴灌棉花种植模式。

1.2 甘肃马铃薯地下滴灌试验示范区

甘肃马铃薯地下滴灌试验区位于甘肃省河西走廊西端的肃州市,是我国重要的马铃薯生产基地之一。当地常年干旱少雨,风大沙多,年降水量约280 mm,蒸发量约2 100 mm,属典型的大陆性季风气候,自然条件比较恶劣。干旱、大风和沙尘暴的频发,严重影响着马铃薯的生产。

1.3 广西甘蔗地下滴灌试验示范区

广西甘蔗地下滴灌试验示范区设在广西壮族自治区来宾市武宣县境内,甘蔗生产为当地的支柱产业。示范区地处北回归线两旁,属亚热带季风气侯，阳光充足,雨量充沛,夏长冬短,无霜期长。年降雨时空分配不均匀,集中在4—9月,春、秋、冬季降雨偏少,季节性干旱频繁。“十年九旱,一年多旱”,干旱指数高(1.07),是当地旱灾的突出特点。

2 地下滴灌系统组成与毛管布设

2.1 地下滴灌系统组成

与常规滴灌一样,地下滴灌系统也由水源、首部枢纽、输配水管网和灌水器等几部分组成。其中管网由干、支、毛三级管道组成。大面积推广应用时,田间供水管网常采用标准化设计,即支管为φ110 mm PVC管,冲洗管采用φ75 mm PVC管,毛管内径均为16 mm,铺设长度控制在100 m左右,铺设间距1.00～1.50 m,埋深0.10～0.45 m。采用内镶式滴灌带,滴头间距0.33～0.40 m,滴头流量为1.09～2.60 L/h。

2.2 毛管布设

2.2.1 毛管间距

1)棉花地下滴灌的毛管布设。结合新疆棉花地下滴灌的生产实践,设定3种不同的种植模式:“1膜2管、1管2行”,“1膜1管、1管4行”和“1膜1管、1管2行”。对应毛管间距分别为0.90 m、1.10 m和1.52 m。其中前2种间距应用较多[4]。

毛管铺设的间距主要取决于当地的气候条件、土壤质地、作物种植模式。较小的毛管间距有助于田间土壤水量的均匀分布,但间距太小会使投资增加。考虑农作物结构调整和农作物倒茬,毛管的间距为0.80～1.10 m。若采用固定位置的种植模式,毛管的间距可增加到1.40～1.52 m,可节约滴灌带3 000 m/hm2左右。

2)马铃薯地下滴灌的毛管布设。根据甘肃省肃州市马铃薯的生产条件和种植习惯,采用浅埋式地下滴灌系统。一般采用1管2行或1管4行的种植模式,选用使用寿命为1～2 a的滴灌带,与马铃薯同种(铺)同收。

3)甘蔗地下滴灌的毛管布设。传统的甘蔗种植采用0.90～1.10 m等间距种植,每行甘蔗需铺设1条滴灌带。采用地下滴灌时,为了充分发挥灌溉设备的效益,采用宽、窄行种植模式。宽行方便甘蔗的通风透气和植后田间管理;窄行增加甘蔗的种植密度。一般宽行可达到1.3 m,窄行0.5～0.6 m,滴灌带埋设在窄行中间,符合甘蔗种植“宽行、密植”高产栽培要点。

4)毛管位置与作物的对应关系。由于地下滴灌的毛管埋在地表以下,种植时虽然完全按照上述种植模式进行,但对于复种指数较高的地区,作物与毛管的相对位置也可能发生错位。以棉花种植为例,在3种种植模式下,种植行与毛管相对位置最不利时,对应的最大水平距离见表1。

表1 最不利种植时作物与毛管相对位置的变化

种植模式毛管间距/m设计水平距离/m最大水平距离/m1膜2管、1管2行0.900.150.301膜1管、1管4行1.100.300.501膜1管、1管2行1.520.430.72

从表1可以看出,最不利种植时，作物与毛管的最大水平距离增加为设计值的1.5～2.0倍。一旦出现这种情况,作物生长将受到影响,严重时还将导致作物减产。

2.2.2 毛管埋深

确定毛管埋深通常需考虑耕作深度、土壤导水性能及作物需水规律(尤其是作物在苗期的需水规律)。综合考虑上述因素,地下滴灌的毛管埋深应满足2个条件:足够深,以避免耕作或其他设备破坏;足够浅,既能够湿润根区又避免表土湿润。因此,毛管埋深多为0.02～0.70 m。

棉花为单季种植作物,每年均需重新耕种,因而新疆棉花地下滴灌时,将滴灌带埋设在农作物耕作深度以下,避免耕作时对滴灌带造成破坏。按照新疆棉花地下滴灌示范区的农机作业习惯,地下滴灌的毛管埋设深度控制为0.35～0.40 m。

马铃薯根系分布较浅,主要收获地下块茎,进行一年生或一年两季栽培。结合甘肃省肃州市的农业生产条件和种植习惯,地下滴灌时,将滴灌带与马铃薯同种(铺)同收,在种(铺)后对其进行覆土,形成马铃薯浅埋式地下滴灌系统。

甘蔗为多年生作物,一次种植,可连收5～6 a,虽根系庞大,但入土较浅。甘蔗采用蔗沟种植,沟深约0.20 m,沟底宽0.20～0.25 m;蔗种要平放在蔗沟内,芽向两侧;回土盖种厚度一般约0.05 m。结合上述甘蔗种植的特点,采用使用年限与甘蔗生长周期相同的滴灌带,放种后将滴灌带铺于蔗种旁,然后回土覆盖,形成甘蔗地下滴灌系统。

3 投资与效益

3.1 投资分析

膜下滴灌解决了滴灌投资高、易堵塞的难题,推动了滴灌的快速发展。膜下滴灌投资低的一个重要原因是采用一次性滴灌带,毛管壁较薄。地下滴灌系统通常采用多年用滴灌带,毛管壁较厚。根据市场调查,不同壁厚毛管的使用年限和价格见表2。

表2 滴灌毛管的使用年限与价格

毛管壁厚/mm推荐使用年限/a市场价格/(元/m)0.21～20.18～0.230.43～50.32～0.381.08～100.85～1.10

从表2可以看出,随着毛管壁厚的增加,推荐使用年限加长,价格也随之上涨。但价格的上涨与建议使用年限并非呈简单的线性关系。滴灌带的使用寿命从1～2 a增加到3～5 a,增加了1.5～2.5倍,而滴灌带的售价仅增加了65%～77%。由此可见,从应用角度讲,选用多年使用的滴灌带,年静态投资相对较低。此外,与每年更换田间毛管的一次性滴灌相比,一年铺设多年使用,还可节省铺设毛管所需的人工和费用。

3.2 效益分析

以新疆棉花地下滴灌为例,对地下滴灌的效益进行分析。田间调查表明,生育前期(6月15日—20日),膜下滴灌棉苗长势优于地下滴灌,棉花株高高于地下滴灌;此后,地下滴灌棉田快速生长,在7月上、中旬已与膜下滴灌无异。地下滴灌棉花生育期植株生长稳健,主茎节间均匀,无旺长节位出现,单株结铃多;膜下滴灌棉田平均单株有2.1个旺长节位,单株结铃低于地下滴灌。不同滴灌方式下棉花产量对比见表3。

表3 不同滴灌方式下棉花产量对比

年份地号灌水方式地块面积/hm2品种单产/(kg/hm2)20041地下滴灌7.43辽棉-175105.72地下滴灌7.50辽棉-175160.03膜下滴灌6.67辽棉-175070.020051地下滴灌7.43新陆早125461.22地下滴灌7.50新陆早245967.73膜下滴灌6.67新陆早125764.4

从表3可以看出,地下滴灌棉花产量与膜下滴灌相当或略有增产。田间实测数据表明[3],与膜下滴灌相比,地下滴灌可节水15%～25%,节约支出约600元/hm2,平均增产幅度达2%～5%,肥料利用率提高6%～8%。

4 地下滴灌模式

通过地下滴灌的示范研究,集成了一年生或季生作物浅埋式地下滴灌模式与多年生宿根作物深埋式地下滴灌模式,形成了适用于不同气候区、不同作物的地下滴灌系统,在新疆、甘肃、广西等不同的气候区分别进行了棉花、马铃薯、甘蔗等作物的地下滴灌技术的集成和示范,取得了较好的经济效益和社会效益。地下滴灌系统的抗堵塞率、自洁净率、滴水均匀度等技术性能指标分别达到了85.0%、98.0%和96.2%,水、肥、农药成本和人工费用等的节约量高达60%～85%[2]。

4.1 棉花地下滴灌模式

根据新疆棉花一年一季的矮密种植生产模式,采用深埋式地下滴灌系统。地下滴灌的毛管埋设于耕作层以下,以免耕作时破坏毛管,一次铺设,多年使用。根据设计使用年限,研发了具有不同使用寿命(3、5、8 a)的地下滴灌毛管。地下滴灌系统的折算年均投资低于现行的地表滴灌系统,田间毛管系统的折算投资相当于每年更换田间毛管的地表滴灌系统的60%左右。根据作物根系生长规律和土壤水分运动状况,提出并实施了相应的地下滴灌运行和管理措施。

地下滴灌在棉花生产中的应用表明[3]:与膜下滴灌相比,地下滴灌的使用年限长;更节省成本,单位投资降低146.25元;节水效果更好,灌水定额为3 700 m3/hm2左右;病虫害发生少;更节省劳力;更有利于提高作物产量和品质。存在的突出问题是棉花出苗时水分不足。由于滴灌带埋于地下,春天播种后,如果表层土壤墒情达不到出苗的要求,采用地下滴灌无法保证供水。因此必须进行冬灌或播前灌,以便春季出全苗。

4.2 马铃薯地下滴灌模式

马铃薯采用宽、窄行交替的高垄栽培种植模式,并覆盖塑料薄膜,株距0.6 m,宽行0.7 m、窄行0.4 m,平均折合约3×104株/hm2。按照马铃薯的生育阶段进行供水,系统主要采用课题组新研制的多级网式过滤器、自适应灌水器等产品,组合形成浅埋、低压地下滴灌系统,利用研制的铺收机具在种植作物时将滴灌管铺设于作物根系层上部,收获时采用研制的机械化自动布设机具将毛管收回,有效地解决了断管、折管、卷管、扭曲、划伤管壁和耕层深度不均匀等技术问题,机械设备性能更加趋于完善。系统的投资与现行的每年更换田间毛管的滴灌系统相当,但节水、增产效果明显,分别为原来的78%、115%。该系统可以用于土豆、蔬菜等浅根作物灌溉。

4.3 甘蔗地下滴灌模式

甘蔗为多年生宿根作物,采用根际地下滴灌系统,毛管与蔗种同位铺设。根据甘蔗的宿生年限,地下滴灌系统的设计使用年限分为3 a和5 a。运行中采用水肥同步的管理措施,根据甘蔗的作物腾发量和需肥规律制定灌溉施肥制度。旱天时,以2 d为周期进行水、肥供给;遇雨时,减水不减肥,并适当降低工作压力,延长灌水时间。

地下滴灌在甘蔗生产中的应用表明:与其他灌水方法相比,地下滴灌具有节水、抑制棵间蒸发、减少杂草生长、降低费用、节省劳力、肥料利用率高、保护土壤结构和环境、优化农产品品质和产量等突出优点。采用地下滴灌后,甘蔗产量从52.5～63.0 t/hm2提高到117～130 t/hm2,增加了1倍以上;甘蔗中糖分含量也大大提高;宿生年限从2 a延长到5～8 a;原料甘蔗的综合成本大幅度下降。

5 结 语

通过对地下滴灌的示范性试验,初步掌握了地下滴灌的特点,集成了一年生或季生作物浅埋式地下滴灌以及多年生宿根作物深埋式地下滴灌等不同的地下滴灌模式。形成了适用于不同气候区、不同作物的地下滴灌系统,在新疆、甘肃、广西等不同的气候区,分别进行了棉花、马铃薯、甘蔗等作物的地下滴灌技术集成和示范,取得了较好的经济和社会效益。得到如下启示:

一方面,节水灌溉应与作物种植相适应。这就要求在设计任何一种节水技术之前,一定要掌握该技术的特点和适用条件,需到项目实施地点了解田间的地形、土壤质地、作物种类、水源、水质、水量、作物栽种模式等具体情况,科学合理地设计灌溉系统的首部、管线布局、滴灌带间距、流量、灌水周期等,这是节水技术设计成功的基础。

另一方面,农业生产要配合节水技术要求。采用某一节水技术后,为更好地发挥节水设备的利用率和利用效益,提升节水技术的综合效益,要更新相应的作物种植模式,如调整作物的株距、行距等,这是保证节水技术生命力的一个重要措施。

[1]仵峰,宰松梅,丛佩娟.国内外地下滴灌研究及应用现状[J].节水灌溉,2004(1):25-28.

[2]仵峰,宰松梅.地下滴灌技术与产品研究新进展[C]∥中国水利学会农田水利专业委员会微灌工作组.第八届全国微灌大会论文集.[出版地不详]：[出版社不详]，2009.

[3]段守明,仵峰,李富强.浅谈对新疆棉花地下滴灌的认识[J].节水灌溉,2007(1):38-40.

[4]王振华,郑旭荣,安俊波,等.新疆棉花地下滴灌应用发展对策[J].节水灌溉,2008(10):16-18.

(责任编辑：陈海涛)

Application Modes and Inspiration of Subsurface Drip Irrigation

WU Feng1,2, ZAI Songmei1,2, XU Jianxin1,2, WANG Huazhen1,2

(1.Shool of Water Conservancy, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045,China; 2.Henan Key Laboratory of Water-saving Agriculture, Zhengzhou 450046, China)

Subsurface drip irrigation (SDI) is an advanced water-saving irrigation technology for developing water-saving agriculture. In order to find a reasonable SDI application mode, the investment and benefit of SDI systems in three demonstration zones of Xinjiang, Gansu and Guangxi, were compared and analyzed, and the following conclusions were obtained:compared with the disposable surface drip irrigation with annual changed laterals in the field, the laterals of SDI were installed once and used for many years, the static investment of SDI was lesser or equal to the surface drip irrigation systems, and SDI was more convenient for agricultural management, SDI system for three kinds crops of cotton, potatoes and sugarcane achieved better benefit, the cotton yield of SDI are slightly higher or equal to that of filmed drip irrigation system, the single yield of sugarcane increased from 52.5～63.0 t/hm2to 117～130 t/hm2, and the single yield was more twice, the yield of potato of SDI increased by 115% while SDI saved water by 22%. Changing proper cropping patterns and selecting appropriate planting modes and management techniques of crops, water-saving technologies would get higher benefits.

subsurface drip irrigation; investment; benefit; mode

2016-03-22

国家“863”计划课题(2011AA100507);华北水利水电大学高层次人才科研启动费资助项目;水资源高效利用与保障工程河南省协同创新中心资助项目。

仵峰(1969—),男,河南南阳人,教授,博导,博士，主要从事节水灌溉技术及相关理论方面的研究。E-mail:wufeng@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.03.003

TV933;S275.4

A

1002-5634(2016)03-0019-04