宁夏中部干旱区枸杞痕量灌溉技术应用评价

武慧芳，刘学军，陆立国

(宁夏水利科学研究院，银川 750021)

0 引 言

痕量灌溉是一种按照作物需求进行持续、缓慢的小流量灌溉技术。它的原理是：作物、土壤毛细管与灌水系统组成一个水势平衡系统[1,2]，当作物缺水时根系吸收水分，使得周围土体水势减小，此时灌溉水由毛管流至灌水器，首先由设置在灌水器前端的过滤膜将灌溉水中的大颗粒杂质过滤掉，水流及小分子物质流经灌水器，与土壤颗粒接触，受到土壤毛细管力的作用，灌溉水以微小的速度流向作物根系附近周围土体，直到渗透土体与灌溉系统达到水势平衡[3-6]。由于痕量灌溉技术是将灌溉水与营养液直接输送至作物根系附近土壤，从而减少了裸露于地面的棵间蒸发，达到了节水节肥的目的[7,8]。与此同时，痕量灌溉技术独特的膜过滤技术，具有显著的抗堵塞性能。

理论表明痕量灌溉适用于宁夏中部干旱带灌溉水多泥沙的特性，在实际引进应用方面，2012年宁夏水科院刘学军等人[9]在宁夏首次将痕量灌溉技术应用于葡萄种植中，研究表明痕量灌溉具有优越的节水效果，灌溉均匀度较滴灌高，并提出了葡萄痕量灌溉制度；2015年，宁夏大学农学院沈富等人[10]，将痕量灌溉技术应用于日光温室辣椒栽培上，研究了痕量灌溉管不同埋深对辣椒生长和生理指标的影响，当痕量灌溉管埋深20 cm时，有利于辣椒的生长发育；2016年，沈富等人[11]又将痕量灌溉技术应用于日光温室西葫芦的栽培上，与喷灌进行对比分析，研究痕量灌溉管不同埋深对日光温室春季西葫芦生长、产量和水分生产效率的影响，研究表明西葫芦基质栽培的痕量管埋深以6 cm为宜。

痕量灌溉作为一项新兴高效节水灌溉技术，应用时间较短，缺乏在北方干旱地区大面积的大田试验检验，在不同作物应用的针对性研究尚不深入，且采用的膜过滤和特制控水头技术与喷、微灌技术存在差异，现有地下节水灌溉技术参数也已不适用于痕量灌溉技术。本文选取宁夏中部干旱带枸杞种植基地，开展痕量灌溉关键技术的规模示范应用评价及在特色林果(枸杞)中的应用相关参数研究，研究成果将为痕量灌溉技术的应用、推广提供技术支撑。

1 试验区概况

示范区位于同心县河西镇菊花台村宁夏菊花台庄园枸杞种植有限公司，距同心县城约7.4 km，地理位置介于东经105°55′16″～105°55′49″，北纬37°05′37″～37°55′50″之间。示范区属于典型的大陆性干旱气候区，多年平均降雨量270 mm左右，多年平均蒸发量2 300 mm左右，多年平均气温8.4 ℃，最高气温出现在7月，昼夜温差大，平均日照时数达2 881 h，全年无霜期140～170 d。地下水埋藏较深，量少质差，分布不均，矿化度高。土壤以淡灰钙土为主，表层土壤质地为壤土和沙壤土，土层深厚，土壤无盐化、夹黏、夹沙砾层等障碍。

示范区种植多年生枸杞，树龄为4 a，品种为宁杞7号，株行距为1 m×3 m。痕量管埋深0.25 m，铺设长度60～120 m不等，距离树干25 cm左右，设计滴头流量0.9 L/h，壁厚0.45 mm，直径16 mm，灌水器间距33 cm，水源为黄河水。

2 痕量灌溉应用效果监测与评价

2.1 灌水均匀度监测评价

由于同一根毛管距离支管不同距离部位的压力是不同的，为准确合理评价灌水均匀度，选取试验小区单根毛管首、中、尾3个部位，且每个部位选取相邻两个灌水器，在同一时间对不同部位的相邻灌水器同时进行出水量测试，利用均匀度计算公式：

Cu=-Δq/q

(1)

(2)

式中：Cu为灌水均匀系数；Δq为灌水器流量的平均偏差，L/h；qi为田间实测的各灌水器流量，L/h；q平为灌水器平均流量，L/h；n为所测灌水器个数。

分别计算同一毛管不同部位、不同毛管同一部位的灌溉均匀度，评价整个灌溉单元的灌水均匀度，计算结果见表1。

表1 痕量灌溉不同毛管长度试验区灌溉均匀度计算表 L/h

60 m长度监测小区，各毛管的灌溉均匀度在0.94～0.99，不同毛管、同一部位的灌溉均匀度在0.96～0.97,整个灌溉系统综合均匀度在0.961；120 m长度监测小区，各毛管的灌溉均匀度在0.94～0.99，不同毛管、同一部位的灌溉均匀度在0.92～0.97，整个灌溉系统综合均匀度在0.944。两次监测结果均表明，痕量灌溉系统灌水均匀度良好，灌溉均匀度达到微灌均匀度要求。

2.2 不同供水压力下痕量灌溉控水头流量变化监测评价

统计多次监测小区的毛管平均流量与毛管尾部压力试验数据，进行统计分析，测定结果见表2。菊花台大田野外监测结果表明：痕量灌溉灌水器流量与毛管尾部压力呈多项式关系:

q=-39.629P2+11.434P+0.169 6

(3)

式中：q为痕量灌溉灌水器流量，L/h；P为毛管尾部压力，MPa。

分析：痕量灌溉系统灌水器在管道内壁设有一层过滤膜，起到抗堵塞的性能，随着供水压力的升高，痕量灌溉灌水器流量提高[12]，当压力升高到一定程度(大于20 m),水压将过滤膜紧紧压贴于灌水器上，痕量灌溉灌水器的流量随着压力的提高灌水器流量迅速降低，随着压力的继续升高(大于25～30 m)部分灌水器开始不出水，随着部分灌水器的损坏，毛管压力逐步上升，出现恶性循环，直至毛管爆管、灌水器全面损坏，导致整个地埋灌溉系统破坏、报废，此时需配置减压阀。并且当管道内水压下降后，被压贴于内壁上的过滤膜无法恢复(见图1)。

表2 痕量灌溉滴头出水量与毛管尾部压力监测结果Tab.2 Drip head water output and capillary tail pressure monitoring results

图1 痕量灌溉毛管尾部压力与滴头流量关系曲线Fig.1 Curve of tail tube pressure and dripper flow rate

2.3 痕量灌溉痕量灌溉纵横剖面湿润范围监测评价

选取两个痕量灌溉小区，与对毛管垂直剖面距离毛管5、20、35、50 cm不同距离的土壤含水率进行监测，绘制土壤含水率等值线图，见图2。从土壤含水率空间变化监测等值线图可明显看出，在纵向方向，痕量灌溉管以上10 cm、痕量灌溉管以下20 cm土壤含水率最高，在60 cm深度处土壤湿润多在8.5%左右，随着深度的继续增加，土壤含水率逐步减小，土壤的最大湿润深度在80 cm左右；在水平方向，毛管单侧土壤最大湿润宽度40～50 cm，从深度10 cm左右开始，随着土层深度的增加，湿润的宽度增加，在土层深度30～40 cm处、出现最大宽度，单侧最大宽度35～50 cm，随着土层深度的继续增加，土壤的湿润宽度逐步减小；灌溉水主要储存在深度10～60 cm、痕量灌溉管两侧50～70 cm宽度范围内。根据植物(枸杞)根系分布范围判断，枸杞痕量灌溉铺设1根毛管基本可满足作物灌水要求，其湿润范围与作物根系范围基本重合，能够较好的补充枸杞生长所需的水分，尽可能减少土壤蒸发和深层渗漏，从而达到节水目标。

2.4 痕量灌溉技术经济性能与运行管理评价

(1)毛管造价评价：痕量毛管单价达到6 元/m，现市场质量较好的滴灌管单价在1.0～1.2 元/m，痕量灌溉管是滴灌管单价的5～6 倍。痕量灌溉管属地埋管道，埋深0.2～0.3 m，增加了管道的地埋土方挖填工作，增加土方挖、填工程量0.09 m3/m，增加投资0.8～1.0 元/m。痕量灌溉较滴灌增加毛管投资6 元/m，枸杞痕量灌溉每公顷毛管用量3 330 m，增加投资1.998 万元/hm2，征集土方工程投资3 300 元/hm2，较滴灌增加投资较多。

图2 痕量灌溉监测小区土壤含水率空间分布图Fig.2 Monitoring the spatial distribution of soil moisture content in the community

(2)痕量灌溉系统增加减压阀：痕量灌溉对管道压力的变化十分敏感，压力超过20 m会造成整个系统的破坏，对于地形变化较大的区域，必须认真进行水力计算，在适宜的位置配套减压阀。根据菊花台22 500 hm2痕量灌溉示范区建设，配套减压阀17台，单价在5 000～10 000 元/台不等，购置安装减压阀平均0.6 万元/台，增加费用10.2 万元；增加减压阀井17 座，单价1 800 元/座，增加费用3.06 万元。共增加建设费用13.26 万元，增加建设费用1 326 元/hm2。

(3)增加运行管理费用：痕量灌溉为地下滴灌，毛管埋设在地下。随着人工工资的逐步提高，除草、施肥多采用机械，在除草、挖除分蘖根的过程中，由于地势变化大，极易造成毛管破坏。根据菊花台痕量灌溉示范区1年多的运行，1次除草每公顷破坏痕量灌溉毛管30～45 处以上，全年除草3次以上，年每公顷破坏毛管90～135 处，增加了维修材料和维修人工，增加费用较多，且由于维修影响灌溉进度、造成水量浪费。

2.5 痕量灌溉技术综合评价

根据菊花台2年痕量灌溉试验对比监测结果，将痕量灌溉与滴灌的各项技术指标进行对比，见表3。通过对灌水器抗堵塞性能、灌水均匀度、湿润剖面、灌溉定额、毛管供水压力、灌水器流量、最大毛管长度、节水潜力、使用条件等技术指标进行比较，痕量灌溉较地面灌溉各项技术指标优越，具有推广的前景。但是也存在一定的问题，毛管购置费用高，管道埋设与增设减压阀建设投资大，同时由于其运行过程中容易被破坏，造成维修材料与维修人工费用的增加。

表3 痕量灌溉、滴灌技术指标对比Tab.3 Comparison of trace irrigation and drip irrigation technical indicators

3 结 语

选取宁夏灌区中部干旱带典型枸杞种植区，对痕量灌溉运行效果进行监测与评价，得出以下结论：

(1)痕量灌溉技术能够有效的节约水资源，同时具有较高的灌溉均匀度。痕量灌溉单根毛管长度达到120 m，灌水均匀度在0.92以上，具有较高的均匀度；当痕量灌溉管埋深20～30 cm时，毛管纵横剖面湿润范围纵向为10～60 cm、痕量灌溉管两侧50～70 cm范围与枸杞植株根系范围重合，水分得到高效利用。

(2)供水压力与灌水器出水量成正比关系，当供水压力超过20 m水头的时候，滴头流量骤减，从而导致灌水器损坏，且当供水压力恢复后已损坏灌水器无法恢复出水，造成永久性损坏。

(3)痕量灌溉毛管造价较滴灌高5～6倍，且当供水小区压力过高时需增设减压阀，增加建设费用1 326 元/hm2，从而加大投资；由于痕量灌溉管道铺设与地下，田间作业容易造成破坏，从而增加维修材料与人工投入。

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