民勤绿洲地埋式滴灌关键技术研究

李 斌

(甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730000)

0 引 言

民勤绿洲位于石羊河下游，河西走廊东部，是武威盆地的主要天然屏障[1]。古时的民勤绿洲，水草丰美，物种繁多，植被郁郁葱葱，水鸟振翅飞翔，绿水青山，生机勃勃[2]。然而，随着石羊河上游经济社会的快速发展，工农业生产规模急剧增长，对水资源需求也急剧增加，导致下游来水量剧减，当地生态环境受到严重破坏[3-4]，对河西走廊甚至全西北五省的自然环境生态安全都有着直接或间接的影响。民勤水资源消耗主要是农业用水，调整种植结构，大力发展高效节水技术，建立高效节水型农业是民勤发展的最终出路[5]。

近年来，喷、滴、管灌等高效节水技术在河西走廊得到广泛应用，并取得了良好的节水增产效果。姚娟等人研究了三十多年来我国高效节水灌溉技术从无到有、从模仿到自主开发的发展历程，开展了高效节水灌溉技术适应区域评价和灌溉模式研究[6]，杜秀文分析了我国高效节水技术与发达国家之间的差距，黄修桥、李英能等人论述高效节水技术与现代化农业可持续发展的关系[7,8]，常规的高效节水技术已经非常成熟，也没有更大的发展空间。如此一来，微润灌溉、地埋式滴灌等新型高效节水灌溉技术的试验研究就显得尤为重要了。陈小三等人在东北室内开展了地埋式滴灌水分运移规律研究[9]；丛佩娟观察了土壤对地埋式滴灌带的压缩情况，分析了管网水利特性，建立了优化计算模型[10]；任杰、温新明等人在新疆农八师147团开展了棉花地下滴灌的水分入渗试验，探讨了毛管的适宜埋深及间距[11]，程先军等认为土壤特性和当地耕作习惯是影响毛管埋深的最大因素[12]，何华通过对地埋式滴灌条件下小麦全生育期生长状况的研究，认为小麦地埋式滴灌毛管埋深应当在40 cm左右[13]；庄千燕、苏德荣探讨了草坪地下滴灌的水分分布和生长影响因素[14]，孔繁明研究了棉花在地埋式滴灌条件下的水分消耗和耗水规律，认为地下滴灌对改善土壤生态、优化农业操作、降低水分蒸发损失有着明显的作用[15]。以上学者的研究，对地埋式滴灌技术的发展、推广起到了良好的技术支撑作用，但在甘肃河西内陆区，尤其是石羊河流域的民勤绿洲，没有开展过地埋式滴灌技术应用研究，并且以前的研究大多针对棉花、小麦，对河西地区广泛种植的玉米没有开展过相应研究，玉米地埋式滴灌的适宜滴头流量、滴灌带埋设深度、铺设间距，是推广应用中急需研究攻克的技术难点。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验于2016年在甘肃水科院民勤试验站进行。该区多年平均降水量110 mm左右，多年平均蒸发量为2 600 mm，平均气温7.78 ℃，极端低温-27.3 ℃，极端高温达到39.5 ℃，年日照时间3 027 h。

1.2 试验设计

玉米试验品种选用当地农民生产中常用品种“郑单958”，播种前统一施肥(尿素、磷酸二铵分别按300 kg/hm2、225 kg/hm2标准施肥)。试验小区宽4.5 m，长20 m，玉米种植时一膜三行，行距45 cm，株距30 cm。滴灌带采用国产和以色列两种类型的产品，其中，处理1～9采用国产滴灌带，管径Φ12，壁厚0.4 mm，滴头流量1.2 L/h，滴头间距0.4 m；处理10～18采用以色列滴灌带，管径Φ12，壁厚0.38 mm，滴头流量1.6 L/h，滴头间距0.4 m。滴灌带埋深(a)和铺设间距(b)各设三个水平，分别为30、35、40 cm和60、70、80 cm。具体试验设计见表1，滴灌带铺设布置见图1。

表1 玉米地埋式滴灌试验设计

图1 滴灌带埋设布置图(单位：cm)

玉米地埋式滴灌试验于4月25日播种，4月28日灌出苗水，10月2日收获，全生育期157 d。玉米生育阶段灌水次数、灌水时间、灌水定额如表2所示。

表2 玉米地埋式滴灌生育期灌水表

1.3 试验观测

(1)利用气象站观测并记录全生育期温度、降雨(雪)、蒸发、风速等气象因素，记载玉米的生长发育过程，观察、记录玉米各个重要生育时期的特征和该时期高峰出现的时间。

(2)土壤含水量：玉米种植前及种植后每隔10 d采用TDR或烘干法测定作物根区土壤水分含量，灌水前后加测1次，雨后加测1次。测定深度在0～100 cm，每隔20 cm取样一次。

(3)考种、测产：于玉米出苗后及重要生育期在每个小区中随机选取5株，测定株高、茎粗、叶面积指数及干物质(80 ℃烘干48 h)；作物收获时每个小区任意选择两处1 m2区域进行测产。

2 结果与分析

2.1 玉米地埋式滴灌生育期土壤水分变化研究

图2显示了试验期间滴头流量为1.2 L/h时各处理(处理1～9)0～100 cm 土层平均含水率在时间序列上的动态变化。可以看到，玉米地埋式滴灌各处理在生育初期土壤水分含量相差不大，之后由于滴灌带埋深和间距的不同，随着生育期的推进，各处理的土壤水分状况开始变化，并在6、7、8月份差异越来越明显，最后在生育期末端各处理的土壤水分状况稳定在一个相近的水平。

图3为试验期间滴头流量为1.6 L/h时各处理(处理10～18)0～100 cm 土层平均含水率在时间序列上的动态变化，其规律与处理1～9基本一致。与滴头流量为1.2 L/h时的各处理相比，滴头流量为1.6L/h时各处理生育期中期(6、7、8月份)土壤水分表现出偏低的现象，这与滴头流量大导致水分渗漏强度大有关，也与玉米需水高峰期和蒸发量大有关。

图2 滴头流量为1.2 L/h时各处理土壤水分动态变化

图3 滴头流量为1.6 L/h时各处理土壤水分动态变化

2.2 玉米地埋式滴灌关键技术

2.2.1 滴头流量研究

(1)土壤水分纵横向迁移情况。试验在灌完出苗水(52.5 mm)第二天在各处理滴灌带间挖出长宽高为50 cm×50 cm×40 cm的测坑，进行了简单的土壤水分纵向、横向迁移规律观察，详见表3、4。其中表中所记录的纵向迁移是指水分上升高度距地面的距离，横向迁移是指各深度层土壤是否有湿润现象、湿润锋间距及其有无交汇现象。

从表3可以看出，滴灌带滴头流量为1.2 L/h、铺设间距为60 cm时，地表出现湿润现象，同时各处理随着滴灌带埋深增加、铺设间距增大，地表湿润面积呈现出减少的趋势，滴灌带埋设深度为40 cm时地表均无湿润现象出现。滴灌带在同一埋设深度时，随着铺设间距的增大，其肉眼观察到的横向湿润锋交汇深度也加深，如滴灌带埋设深度为30 cm，间距为60、70、80 cm时，其湿润锋交汇的深度土层分别为0～10、10～20、15～20 cm；滴灌带埋设深度为35cm，间距为60、70、80 cm时，其湿润锋交汇的深度土层分别为0～10、10～20、15～20 cm；滴灌带埋设深度为40 cm，间距为60、70、80 cm 时，其湿润锋交汇的深度土层分别为10～20、20～30、25～30 cm。

由表4可知，当滴灌带滴头流量为1.6 L/h时，无论滴灌带埋深深度、间距为多少，地表均有湿润现象发生。也就是说滴头流量越大，水分纵向、横向迁移的越快，地表湿润面积也越大，同时随着滴灌带埋深和铺设间距的增加，地表湿润面积呈现出减小的趋势。

(2)滴头流量确定。根据土壤水分纵横向迁移规律可知，滴头流量为1.2 L/h时，仅有部分处理地表出现湿润现象，而当滴头流量为1.6 L/h时，无论滴灌带埋深深度、间距为多少，地表均有湿润现象发生。这就意味着滴头流量偏大时，会有相当一部分水量会通过棵间土壤蒸发而损失掉，不符合地埋式滴灌降低土壤无效蒸发的初衷，因此滴头流量建议选择较小的值，本试验推荐选用1.2 L/h的滴头流量。同时，出苗期地表有少量的湿润现象，有助于提高地埋式滴灌玉米的出苗率。

表3 滴头流量1.2 L/h各处理出苗期土壤水分纵横向湿润锋变化状况

表4 滴头流量1.6 L/h各处理出苗期土壤水分纵横向湿润锋变化状况

2.2.2 滴灌带埋设深度研究

(1)不同滴灌带埋深土壤水分分布。试验在玉米生育期灌水(30 mm)后挖测坑观测各处理滴灌带不同埋深条件下土壤湿润区的分布情况，详见表5。

表5 滴灌带不同埋深条件下土壤湿润范围 cm

结果表明，滴灌带埋深深度最小时(为30 cm)，土壤湿润层范围在10～70 cm之间，干土层范围分别在0～10 cm和70～100 cm之间，主要湿润范围10～50 cm；滴灌带埋深深度适中时(为35 cm)，土壤湿润层范围在10～80 cm之间，干土层范围分别在0～10 cm和80～100 cm之间，主要湿润范围20～70 cm；滴灌带埋深深度最大时(为40 cm)，土壤湿润层范围在15～90 cm之间，干土层范围分别在0～15 cm和90～100 cm之间，主要湿润范围25～80 cm。

(2)滴灌带埋设深度确定。根据滴灌带不同埋深土壤湿润区分布范围可知，地埋式滴灌滴灌带埋设深度以35 cm为宜，此时土壤水分主要分布在20～70 cm之间，这样既不会由于湿润层太浅，导致土壤棵间蒸发增大，也不会由于湿润层太深，导致产生深层渗漏，使水分不能有效被作物根系所吸收利用。

2.2.3 滴灌带铺设间距研究

根据土壤水分纵横向迁移情况可知，滴头流量为1.2 L/h条件下，滴灌带间距为60 cm时，各处理表面均有湿润现象出现；滴灌带间距为70 cm时，各处理表面仅有零星湿润现象，绝大部分无湿润现象，同时在土层深度10～20 cm处湿润锋出现交汇现象；滴灌带间距为80 cm时，各处理表面均无湿润现象出现，同时在土层深度20～30 cm处湿润锋出现交汇现象。

由此可知，滴灌带间距为70、80 cm时田间表面无明显湿润现象，符合地埋式滴灌减少无效土面蒸发的要求。同时，滴灌带间距70 cm时地下湿润锋交汇层较间距80 cm时浅，在苗期、拔节期玉米根系较浅时有助于出苗率的提高及作物生长发育，因此推荐滴灌带铺设间距为70 cm。

2.3 玉米地埋式滴灌产量分析

2.3.1 玉米穗物理指标

地埋式滴灌各处理玉米穗长差别不大，在16～18cm之间；穗行数基本在16～18行左右；行粒数差别较大，大部分在30粒左右；穗粗基本上为4 cm。需要注意的是秃尖长，呈现出明显规律：①埋深浅的处理秃尖长明显小于埋深大的处理；②滴灌带间距小的处理秃尖长明显小于间距大的处理；③滴头流量小的处理秃尖长明显小于流量大的处理。

说明滴灌带埋深浅、间距窄、流量小的处理水分、肥料更容易被作物吸收，有助于玉米生长发育；埋深大、间距宽、流量大的处理水分、肥料相比较而言不易被作物吸收。

表6 地埋式滴灌玉米穗物理指标

2.3.2 产量分析

玉米百粒重正常水平时为26～28 g，品种特性优良、种植水平高的百粒重可超30 g。

由表7可知，玉米地埋式滴灌各处理百粒重均在26 g以上，满足农业技术要求。同时也可以看出，1.2 L/h滴头流量各处理产量普遍高于1.6 L/h各处理产量，说明低流量长时间灌溉水肥更容易被作物吸收，同时可以看出处理5(滴头流量1.2 L/h，滴灌带埋深35 cm，间距70 cm)产量最高，为12 832.95 kg/hm2。

3 结 论

通过试验，得到了民勤绿洲地埋式滴灌推广应用中的三个重要技术参数：①滴头流量推荐1.2 L/h滴头流量，在满足作物生长发育的同时，避免了大流量滴头产生的土壤表面积水现象，导致灌溉水分无效蒸发；②滴灌带埋设深度推荐滴灌带埋设深度为35 cm，避免了滴灌带埋设较浅引起的土壤表面积水，也避免了滴灌带埋设较深引起的深层渗漏现象，导致灌溉水分产生无谓的浪费；③滴灌带铺设间距推荐滴灌带铺设间距为70 cm，既有利于减少无效的土壤棵间蒸发，同时在苗期、拔节期玉米根系较浅时有助于出苗率的提高及作物生长发育。同时，处理5(滴头流量1.2 L/h，滴灌带埋深35 cm，间距70 cm)产量最高，与试验设定一致。

表7 地埋式滴灌玉米穗各处理产量分析

4 讨 论

地埋式滴灌管网设计及水力计算还没有统一标准，暂按照《微灌工程技术规范》(GB/T 50485-2009)执行。同时管网铺设时应尽量做到平顺，避免滴灌带折叠弯曲的状况出现，防止由于滴灌带折叠而引起的过水不畅甚至不过水的现象出现，使水肥不能很好的被作物吸收。为避免这一现象，建议地埋式滴灌支管铺设时埋入地下。

□