民勤绿洲灌区精细垄膜沟灌技术参数研究

丁 林，王文娟，王以兵(甘肃省水利科学研究院，兰州 730000)

垄作是在耕作形成的垄面或垄沟内种植作物的一种耕作方式，是通过改变地表微地形，减少耕种面积，协调水、肥、气、热关系，促进作物生长，降低耕作对农田环境影响的一种保护性耕作措施[1]。平作改为垄作后，田间灌溉方式由畦灌改为沟灌，灌水定额减少，提高降水和灌溉水利用率，垄作比平作节水40%[2,3]。在垄作沟灌对作物影响方面已有专家学者作了大量的研究[4-6]，在垄沟水分入渗方面也有大量研究[7-11]，上述研究均在无膜覆盖条件下进行。随着地膜覆盖措施的应用，由于垄沟下垫面发生了变化，已有的灌水技术参数需要通过现场试验进行修正。针对垄膜沟灌技术目前研究较多的是垄膜沟灌对作物产量、水分利用、肥料利用的影响等方面[12-18]，而对垄膜沟灌技术参数的研究较少。本研究针对以上实际，在地膜覆盖条件下开展精细垄膜沟灌技术参数研究，进而提出适宜的垄膜沟灌技术参数，为技术推广应用提供技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015年9月在甘肃省水利科学研究院民勤灌溉试验站进行。试验区地处民勤绿洲和腾格里沙漠交界地带，地理坐标东经130°05′，北纬38°37′，属典型的大陆性荒漠气候，气候干燥，降水稀少，蒸发量大，风沙多。多年平均气温7.8 ℃，极端最高气温39.5 ℃，极端最低气温-27.3 ℃，平均湿度45%，多年平均降水110 mm，多年平均蒸发量2 644 mm。研究区光热资源丰富，年日照时数3 028 h，≥0 ℃积温3 550 ℃，≥10 ℃积温3 145 ℃，无霜期150 d，最大冻土深115 cm。试验区土质0～60 cm为黏壤土，60 cm以下逐渐由黏壤土变为沙壤土，土壤平均容重为1.54 g/cm3，土壤饱和含水率0.43 cm3/cm3。

1.2 试验设计

试验根据不同垄沟坡度、入沟流量、灌水定额经优化选择7个试验处理。试验地深耕、耙耱，按试验设计坡度平整起垄后覆膜，垄底宽100 cm，垄顶宽60 cm，沟宽40 cm，沟深20 cm，膜宽120 cm，在沟底按30 cm打好入渗孔，试验地规格为1×65 m，灌水定额为525 m3/hm2和375 m3/hm2两种，每个处理重复3次，各处理随机布置3个点用烘干法测定土壤含水量，试验田土壤为中透水性。具体参数设计见表1。

表1 垄膜沟灌技术参数试验设计

1.3 测定指标与方法

土壤含水量：分别在试验田垄沟覆膜后、灌水前及灌水结束48h后，用土钻取土烘干法测定试验区含水量，灌前土壤含水量每个小区测3个点，灌后从沟首到沟尾每隔20 m取一个点，每个点测定深度为0～100 cm，每隔20 cm取一个样测定。

水流推进：试验时沿试验田长度方向每隔10 m设一水尺，用秒表依次记录水流到达各水尺的时间。

沟内水深：在灌水期间每隔10 min读一次水尺读数，灌水结束时加读一次，停灌后每隔10 min读一次水尺读数，直到水尺读数为0。

灌水量：通过管道输水，水表计量灌水量。

流量：通过安装在灌溉系统首部的超声波流量计测量。

灌水均匀度：田间灌水均匀度一般由克里斯琴森均匀度系数Cu表示：

(2)

2 结果分析

2.1 水流推进分析

图1描述了灌水时各处理的水流推进过程。从图1可以看出，当灌水流量一定时，水流推进速度与入沟流量和沟底坡度有关，且呈正相关关系。试验中除T5外，其余处理水流均能在灌水结束前达到沟尾，T5处理虽然耗用灌水时间最多，但由于坡度缓、入沟流量小，水流推进速度慢，在灌水过程中过多水分渗入土壤，使水流到达不了沟尾。同样，T1处理也因入沟流量小，水流推进速度较为慢，只是T1处理坡度较大，最终使水流勉强推进到了沟尾，但其均匀度较差，沟尾入渗水量较少。

图1 各处理垄沟水流推进过程线

表2为各处理水流推进速率，从表2可以看出，各处理水流推进速度随沟长方向逐渐减小，主要是由于部分水量在推进过程中渗入土壤，前进水量减小所致。各处理中入沟流量越大，水流推进速率越大，另外，垄沟坡度也对水流推进速率有一定的影响。平均水流推进速率最大的处理为T4处理，达到了0.098 m/s。仅从水流推进速率及灌水时长来看，当垄沟坡度为1/500时，和灌水定额525 m3/hm2相对应的垄沟灌水参数为：入沟流量0.8 L/(s·m)，垄沟长度50～60 m；和灌水定额375 m3/hm2相对应的垄沟灌水参数为：入沟流量1.0 L/(s·m)，垄沟长度50～60 m。当垄沟坡度为1/1 000时，和灌水定额525 m3/hm2相对应的垄沟灌水参数为：入沟流量0.8 L/(s·m)，垄沟长度50～60 m；和和灌水定额375 m3/hm2相对应的垄沟灌水参数为：入沟流量1.0 L/(s·m), 垄沟长度50～60 m。在实际应用中，当入沟流量小于0.6 L/s 时，灌水定额应大于525 m3/hm2，垄沟长度应控制在40 m以内。

表2 各处理垄沟水流推进速率

2.2 灌水层深度分析

在灌溉过程中，水分随水流推进不断入渗到土壤中，到灌水结束后，入渗到土壤中水分多少，与入沟流量和沟底坡度等因素有关，入沟流量越小和沟底坡度越缓的处理，因灌水时间相对较长，入渗水量大于其他处理，同时存留在沟内的水层深度相应较小。灌水结束后，地面坡度和灌水定额相同条件下，入沟流量大的处理沟内水存留深度大于入沟流量小的处理。地面坡度和入沟流量相同条件下，灌水定额大的处理沟内水存留深度大于灌水定额小的处理。 灌水定额和入沟流量相同条件下，沟底坡度大的处理沟内水存留深度大于沟底坡度小的处理。这一结果与不同处理所需要的灌水时长是相一致的，与不同处理在灌水过程中水的入渗量多少有直接关系。灌水结束后,垄沟水层深度占沟深的比例达到2/3以上的处理有T2、T4、T7，说明这3个处理垄沟参数及灌水参数设计和较为合理，其他处理相对较为不合理，其中T5、T1处理最不合理，在实际应用中不可取(见表3)。

表3 沟灌灌溉过程水尺深度与入渗速率

2.3 水流消退分析

由表4可知，灌水结束后，垄沟水层深度越深，入渗速率越快。虽然各处理水深下降速度随时间均呈逐渐减小的趋势，但各处理均能在60 min左右将水入渗完毕。主要原因是灌溉过程中入渗水量少的处理，则灌溉结束后水层深度大，入渗速度快；灌溉过程中入渗水量多的处理，则灌溉结束后水层深度小，入渗速度慢。各处理在灌水结束后30 min内水层下降深度占总深度的比例额均在65%以上，其中最高的T3处理占89.2%，最低的T7占68.7%，由上说明各处理沟内土壤水分在灌水后均未达到饱和状态，灌水结束后逐渐达到饱和，饱和后沟内水分入渗速率逐渐减缓。

2.4 灌水均匀度分析

根据试验实测资料，利用公式(1)、(2)计算精细垄膜沟灌不同处理的灌水均匀度如表5和表6所示。由于T5处理入沟流量小，水流未推进到垄沟末端，其灌水均匀度较差，其余6个处理灌水均匀度均在0.89以上，其中T4、T7处理灌水均匀度最高，分别达到0.98和0.94，同样T2和T6灌水均匀度也达到了0.9以上。由此可以得出，在实际作物种植及灌溉中，当垄沟坡度在1/500时，适宜的灌水定额为375～525 m3/hm2、入沟流量为0.8～1.0 L/s；当垄沟坡度在1/1 000时，适宜的灌水定额为375～525 m3/hm2、入沟流量为0.8～1.0 L/s。与已有规范与研究成果相比[19]，入沟流量可减少0.2～0.5 L/s，沟长可延长20～30 m左右。

表4 沟灌灌水结束后水深下降分析

表5 田间各处理、各测点含水量实测值 %

表6 沟灌灌水均匀度计算

3 结 语

本研究针对地膜覆盖后原有的沟灌技术参数已不能适应现实要求，设定了不同单宽流量、地面坡度、灌水定额等参数，研究提出了不同精细灌溉条件下的适宜技术参数。在水流推进方面得出，入沟流量是影响水流推进速率的主要因素，流速越快，在灌水过程中入渗水量越少，灌水后均匀度较高；在适宜坡度及入沟流量方面得出，当垄沟坡度在1/500左右，灌水定额为375～525 m3/hm2时、适宜入沟流量为0.8～1.0 L/s，垄沟长度60 m；灌水定额大于525 m3/hm2时、适宜入沟流量为0.6～0.8 L/s，垄沟长度60 m。当垄沟坡度在1/1 000左右，灌水定额为375～525 m3/hm2时、入沟流量为1.0 L/s，垄沟长度60 m；灌水定额为大于525 m3/hm2时、入沟流量为0.8～1.0 L/s，垄沟长度60 m。在实际作物种植及灌溉中，应根据不同自然条件、作物种类、播种方式、土壤质地、土壤墒情、配套农艺措施等选择合适的入沟流量及灌水定额。

本研究结论是在民勤绿洲大田试验条件下完成的，不可避免受到研究区土壤质地、自然条件的影响，所以试验得出的结论有一定的局限性，在不同自然条件下的精细垄膜沟灌技术参数还需进一步研究，另外还需要研究二元覆盖及其他覆盖条件下的主要技术参数。

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