沟灌在节水灌溉中的应用与发展

张岩

摘 要：沟灌作为地面灌溉方式的一种，在我国的农业灌溉中应用广泛，有着低成本、环保等优点，但受到其管理方式和技术要素选取等因素的影响，沟灌的灌溉效率并不高。近年来随着节水灌溉技术的不断发展，沟灌这种传统的灌溉方式也重新被重视，如宽垄沟灌、交替隔沟灌、覆膜沟灌和波涌沟灌等不同沟灌类型都有着各自的应用。沟灌技术的研究也在从灌水技术要素等微灌尺度向管理措施和评价体系等宏观尺度转变，使沟灌在节水灌溉技术中有着广阔的应用前景。

关键词：沟灌;节水灌溉;技术要素;发展方向

中图分类号：S278       文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200430024

在全球迎接水资源挑战的情况下，缺水问题同样制约着我国社会经济的可持续健康发展，农业用水则是消耗可利用淡水资源的主要途径之一。据水利部发布的《2018年中国水资源公报》[1]可知，2018年农业用水与2017年相比减少了73.3亿m3，在全国总用水量总体持平的同时，农业用水呈现减少趋势，由此可见，水资源短缺的现状已经成为我国的农业发展和粮食安全的制约[2]，节水灌溉技术的发展显得尤为重要。在各种各样的农业灌溉方式中，沟灌技术应用广泛，有着投资少、成本低等优点，但由于受到其管理方式和技术要素选取等因素的影响，沟灌的灌溉效率并不高，所以沟灌的研究对于节水灌溉技术的发展具有重要意义。

1 不同沟灌类型在节水灌溉中的应用

1.1 垄作沟灌

相对于传统的平作沟灌，起垄能够扩大土壤和大气的接触面积，可以减少沟中灌水等灌溉措施对垄上作物的影响，而且起垄可以使土壤孔隙度增加，有利于根系生长时水分和养分的吸收。在我国，垄作沟灌开始只用于种植一些经济作物，如马铃薯、蔬菜和棉花等，20世纪末才开始用于种植水稻、小麦和玉米等大田作物。垄作沟灌中，宽垄沟灌和一体化垄作沟灌应用较多[3]，相较于较窄的垄，宽垄沟灌更能增加土壤蓄水保水能力;一体化垄作沟灌可以通过改变微地形来实现土壤结构的优化，有效提高作物的水分利用率，产生良好的节水效果。其中，小麦、玉米一体化垄作沟灌种植模式应用广泛，这种模式把小麦和玉米当作一个整体，通过合理的管理措施发挥其优势，保证二者均高产节水。

1.2 交替隔沟灌

基于对传统灌溉技术的改进，交替灌溉这种方式被提出，并取得了良好的节水成效[4]。其中，交替隔沟灌具有可以提高水肥利用效率，增加光能截获量，抑制病害危害等优势，被广泛运用于水稻、玉米、大豆、棉花等农作物生产过程中。不仅可以减少用水量，还可以减少水分的深层渗漏，为大田灌溉提供了新途径，在干旱半干旱等缺水地区，有着广阔的应用前景。交替隔沟灌可以通过水位的高低，在丰水期和干旱期均在有效节水的条件下获得高产[5];不仅适用于传统沟灌常种植的宽行作物，还适用于窄行密植作物如小麦等[6];在玉米的交替隔沟灌溉过程中，不同生长期采用对应的灌溉制度可在保证产量的同时明显提高其水分利用效率[7]。

1.3 覆膜沟灌

覆膜灌溉比裸露灌溉更加符合节水灌溉的要求，通过减少土壤蒸发来提高土壤水分储存量，起到保温保墒的作用[8]。沟灌的侧向入渗比垂向入渗更加有实际意义，张新燕提出了覆膜侧渗沟灌技术，即在灌水沟底部覆上不透水膜，可以减少垂向入渗，加快水流的推进速度，提高灌水均匀度达到节约用水的目的[9]。同样为覆膜沟灌，不同的覆膜方式也會对节水灌溉的效果产生不同的影响。综合入渗情况、土壤含水量分布以及均匀系数得出，沟底全覆膜和沟底部分覆膜的沟灌方式比不覆膜和沟坡覆膜的沟灌方式有着更好的沟灌效果[10]。

1.4 波涌沟灌

在传统的沟灌条件下，沟口连续供水，沟道水流也连续向前推进，因而田间入渗为连续积水入渗。在波涌沟灌条件下，沟口为周期性的供水，田间水流亦间歇性地逐次向前推进，而田间入渗则形成间歇性的积水入渗，具有灌水效率高，灌水均匀度好等优点。波涌沟灌的节水原理是土壤间歇入渗形成了减渗效果，在灌水过程中沟表面糙率减小，水流推进速度加快，所以水量损失较小[11]。波涌沟灌适用于小定额灌溉，如非充分灌溉条件下，波涌沟灌可以提供玉米生育期所需水量，相较于喷灌更有节水效果[12]，同样在丘陵山区的小定额集雨灌溉条件下，也可以进行推广应用。

2 沟灌的发展方向

2.1 技术要素

在提升沟灌灌水质量的措施中，灌水技术要素的优化是非常重要的，包括沟垄规格、入沟流量、田面坡度和田面糙率等，不同的技术要素组合的节水灌溉效果也不尽相同。张新燕等[13]通过室内试验分析了沟水深、沟底宽、土壤导水率及初始含水量等因素对水分运移的影响，得出沟中水深减小使水平侧向入渗增大，而沟宽减小使垂向入渗减小;张新民等[14]研究了沟宽、沟深对土壤湿润锋运移特性的影响，得出结论粘土的合理垄宽为20～35cm，砂壤土的合理垄宽20～50cm;张永久[15]分析了不同垄宽下小麦产量，得出合理垄宽75cm，沟宽15cm条件下小麦产量较高;高传昌等[16]对垄作沟灌种植模式的垄宽、沟深、沟宽和田面坡度4个灌水技术要素进行正交试验，确定了最优的灌水技术要素组合为垄宽70cm、沟宽40cm、沟深20cm和坡度2‰;聂卫波等[17]以灌水均匀度和灌水效率均在85%以上作为标准，利用软件Win SRFR模拟研究沟灌区域各个试验点的灌水质量，达到了优化沟灌灌水技术要素的目的。

2.2 田间管理

除了优化沟灌灌水技术要素之外，田间的管理措施也在很大程度上影响着节水灌溉的效果，田间管理措施包括激光控制土地平整技术、3S系统、田间灌水控制技术、秸秆还田、增施有机肥等。借助激光控制技术、GPS与GIS技术、计算机模拟技术、自控技术等现代高科技手段，可以获得显著的节水、增产、环保效果。经过激光控制技术和3S系统的发展，田间土地平整精度越来越高，从而改善田面微地形状况，使地表水流在平顺的下界面推进，均匀入渗至土壤，而在土地精平的条件下进行田间实时反馈控制，即使是地面灌溉的灌溉效率也可以达到85%以上[18]。另外，田间输配水系统没有固定的控制设施，灌水过程比较费时费力不够精确，所以提高田间输配水系统与田间工程的配套程度也是改善措施的重要一步[19]。而有效运用秸秆还田、增施有机肥等农业措施，一定程度上可以改善土壤的有机质含量、作物产量和水分利用率，达成节水和生态双赢的状态[20]。

2.3 评价体系

为了更加合理利用农业水资源，达到好的节水灌溉效果，灌水技术研究中需制定一套合理的评价体系。早期的农业水资源利用效率评价主要是基于田间尺度或作物尺度等微观尺度来开展，包括田间灌溉水有效利用率、田间灌水均匀度和田间灌溉水储存率等指标，这些评价指标对于灌溉工程的设计管理有着重要的作用。近年来，随着水环境愈发恶劣，不同区域间水资源需求的竞争也更加激烈，微灌尺度的评价指标已经不能满足农业用水要求，相关研究基于水量平衡的原理由田间尺度向流域尺度转变，由农业用水效率评价向农业用水效用评价转变。在节水灌溉技术中，用水量少不是唯一的指标，一个较高的灌水效率并不一定能反映出好的灌溉管理水平，应同时把作物的产量考虑在内。因此水分生产率的概念被提出，即单位体积或单位价值水量所生产出的产品数量或价值[21]，在采用水分生产率指标进行节水评价时，研究对象是整个区域农业水资源，比传统的水分利用率评价指标拥有更广的适应范围。近年来，一些研究将水资源生产率评价与经济效益评价相结合，让经济学融入农业水资源利用评价中去，这一经济效益概念的提出可以使经济效益最大化[22]，从更加全面的角度对农业水资源利用情况进行评价。

3 结语

本文分析了宽垄沟灌、交替隔沟灌、覆膜沟灌和波涌沟灌等不同沟灌类型在节水灌溉技术中的应用，并根据农业水资源利用现状提出了沟灌技术的3个发展方向。说明了沟灌技术不仅能够节约成本、生态环保，更有着巨大的节水潜力，应该重视对沟灌的研究，做到微灌与宏观结合、生态与技术兼顾。

参考文献

[1] 中华人民共和国水利部.2018年中国水资源公报[J].中国环境管理，2019，9（4）：20.

[2]佟金萍，马剑锋，王慧敏，等.农业用水效率与技术进步：基于中国农业面板数据的实证研究[J].资源科学，2014，36（09）：1765-1772.

[3]高传昌，史尚，王兴，等.小麦、玉米一体化垄作沟灌对冬小麦生长特性的影响[J].节水灌溉，2014（03）：16-19.

[4] Sepaskhah A R， Ahmadi S H. A review on partial root-zone drying irrigation[J]. International Journal of Plant Production，2010， 4（4）： 241-258.

[5]李晓航， 盛坤， 杨丽娟. 冬小麦垄作交替隔沟灌溉的研究现状与展望[J]. 中国农学通报， 2016， 32（33）： 34-38.

[6]陈志超. 旱期环境下农作物交替沟灌新技术应用研究[J].吉林水利， 2019（07）： 13-15，21.

[7]漆栋良， 胡田田， 宋雪. 交替隔沟灌溉制度对制种玉米耗水规律和产量的影响[J]. 农业工程学报， 2019， 35（14）： 64-70.

[8] Sien Li， Shaozhong Kang， Lu Zhang， Samuel Ortega-Farias， Fusheng Li， Taisheng Du， Ling Tong， Sufen Wang， Mark Ingman， Weihua Guo. Measuring and modeling maize evapotranspiration under plastic film-mulching condition[J]. Journal of Hydrology， 2013（6）：153-168.

[9]张新燕. 覆膜侧渗沟灌及节水机理研究[D]. 咸阳：西北农林科技大学， 2005.

[10]程东娟， 霍自民， 刘淑桥. 覆膜方式对沟灌水分入渗影响[J]. 水利水电技术， 2013， 44（06）： 101-104.

[11]孙西欢， 王文焰. 波涌沟灌节水机理与效果的试验分析[J].农业工程学报， 1997（04）： 58-62.

[12]刘星星. 非充分灌溉条件下波涌沟灌与喷灌的节水效果研究[D]. 晋中：山西农业大学， 2014.

[13]张新燕， 蔡焕杰， 王健. 沟灌二维入渗影响因素实验研究[J]. 农业工程学报， 2005（09）： 38-41.

[14]张新民， 张吉孝， 单于洋. 考虑水分再分布的沟灌水分入渗模拟与春小麦垄作沟灌合理垄宽[J]. 干旱地区农业研究， 2014， 32（2）： 201-205， 227.

[15]张永久. 河西绿洲灌区春小麦垄作栽培产量效应及其影响机制的研究[D]. 兰州： 甘肃农业大学， 2006.

[16]高传昌， 赵楠， 汪顺生， 等. 小麦玉米1体化垄作沟灌技术要素试验研究[J]. 灌溉排水学报， 2013， 32（2）： 23-25.

[17]聂卫波， 费良军， 马孝义. 沟灌土壤入渗参数和糙率估算及灌水技术要素组合研究[J]. 干旱地区农业研究， 2012， 30（1）：48-53.

[18]许迪， 李益农. 精细地面灌溉技术体系及其研究的进展[J]. 水利学报， 2007（05）： 529-537.

[19]吴彩丽， 许迪， 白美健， 等.地面灌溉田间灌水控制技术与设备研究进展[J]. 灌溉排水学报， 2013， 32（06）： 133-136.

[20]王立刚， 李虎， 邱建军， 等. 田间管理措施对土壤有机碳含量影响的模拟研究[J]. 中國土壤与肥料， 2010（06）： 29-37.

[21] SECKLER D， MOLDEN D， SAKTHIVADIVEL R. The concept of efficiency in water resource management and policy[R]. Columbia： IWMI， 1998.

[22]雷波， 刘钰， 许迪， 等. 农业水资源利用效用评价研究进展[J].水科学进展， 2009， 20（05）： 732-738.

（责任编辑 李媛媛）