作物浅埋滴灌技术研究进展

郭晓旭，杨恒山，邰继承，李 锐，张明伟

（1.内蒙古民族大学 农学院，内蒙古 通辽 028043；2.内蒙古自治区饲用作物工程技术研究中心，内蒙古 通辽 028043）

我国是农业大国，同时也是世界上水资源最为匮乏的十三个贫水国之一，人均水量不足世界人均的1/4.农业是用水大户，我国农业用水总量占全国总用水量的60%以上，水资源严重匮乏的干旱地区甚至达到95%左右［1］.随着经济、社会的发展，水资源供需矛盾在部分地区日益突出，灌溉水量缺口较大，水资源短缺已经严重影响到了我国的农业生产［2-3］.与此同时，大水漫灌仍是我国很多地区农田灌溉的主要方式，跑冒滴漏现象普遍，灌溉水浪费严重.我国农业灌溉用水的有效利用系数仅为0.52，远低于发达国家0.70-0.80的水平［4］.2017年，《全国农业可持续发展规划》中明确提出了农业生产要实现“一控、两减、三基本”的目标.其中“一控”，就是要控制农业用水的总量，要划定总量的红线和利用系数的红线.“规划”要求，到2020年，农业用水总量要保持在3 720亿立方米，利用系数要从现在的0.52提高到0.55.转变用水观念，改变传统灌溉模式，变大水漫灌为各种适合地区农业发展的高效节水灌溉模式，是实现水资源高效利用的重要途径.在农业用水红线的限制下，全国各地相继实施了节水增粮的农业发展战略，积极探索高效节水灌溉模式，以实现水资源的高效利用和农业的可持续发展［5］.

1 浅埋滴灌技术的形成

早在上世纪50年代，以色列人就发明了滴灌技术，并建成全球首个滴灌系统［6］.滴灌技术是一种可提高水分利用效率的根系局部灌溉形式，可根据作物的生长发育需求对作物根系周围进行适时适量灌溉，提高地表温度的同时也降低了灌溉水的多余消耗，保水效果显著.我国从上世纪70年代开始引进滴灌技术，并逐步发展与地膜覆盖技术相融合，形成了膜下滴灌技术.作物栽培过程中覆膜种植有减少土壤表层水分蒸发、抑制土壤中盐分向地表运移的显著效果［7］.将滴灌技术与覆膜种植技术相结合的膜下滴灌方式，开始在我国北方地区有了大面积推广应用［8］.随着膜下滴灌的连年使用，残膜回收困难，污染问题凸显.新疆典型绿洲区棉田膜下滴灌，土壤中残膜的数量和密度均呈逐年上升趋势，耕种5年土壤地膜残留密度为127.11 kg/hm2，耕种19年达到了348.83 kg/hm2，且表土中较大残膜在耕作过程中碎裂，并有向深层土壤下移的趋势［9］.为有效避免膜下滴灌种植中土地残膜污染的问题，一种更为环保的节水灌溉模式—浅埋滴灌技术被大力提倡并应用到实际农业生产当中.由浅埋替代了覆膜，形成作物浅埋滴灌技术.其技术核心是利用压力泵将水通过过滤器、管道和施肥设备直接输送到植物根部以实现精确灌溉的技术［10］.浅埋滴灌技术还可以实现水肥一体化，有利于水肥利用效率的协同提高，在水资源紧缺的背景下，尤其是在北方干旱半干旱地区具有较大的应用价值.

玉米浅埋滴灌技术基于上述优点，在一些适宜地区示范推广的面积正在不断扩大，甚至成为部分地区农业生产中主推的灌溉模式.本项目团队近年来致力于西辽河平原玉米高产高效生产模式研究，在水肥一体化方面开展了一系列工作，作为技术研发单位，参与并制定了《玉米无膜浅埋滴灌水肥一体化技术规范》（DB15/T 1335—2018），由内蒙古自治区技术监督局颁布并实施，为大面积的应用推广奠定了基础.

2 浅埋滴灌技术的应用

21世纪初期，在我国西北新疆地区就开展了地下滴灌栽培相关试验研究［11］.2011年中央一号文件中要求“稳步发展牧区水利，建设节水高效灌溉饲草料地”.为此，2012年在我国常年水资源贫乏的西北新疆阿勒泰地区青河县进行了400亩饲草料地浅埋滴灌试验，通过改变局部田间管网铺设方式，将滴灌支管毛管全部埋于土中，实现了有效节水，同时优化了牧草种植技术，减轻了劳动强度，促进农业发展［12］.自2013年起，在新疆阿苇灌区等地对浅埋滴灌技术进行示范推广，新疆生产建设兵团、新疆农业大学等也开展了有关浅埋滴灌牧草种植方面的更多研究工作［13-14］.此外，为解决种植过程中的残膜污染问题，新疆地区在棉花种植中将无膜栽培与地下滴灌技术相结合，减轻地膜污染的同时降低灌溉水的无效消耗［15］.由于浅埋滴灌技术的不断革新和完善，浅埋滴灌技术的优势愈加明显，也逐渐被广大农牧民朋友所认可和接受，该技术应用面积不断扩大，应用作物种类不断增多，从最早的在我国西北新疆地区逐步发展到东北西部耕作区；应用作物也从初期主要针对经济作物和牧草如棉花、苜蓿等，发展到现在开始应用到玉米等主要粮食作物种植领域.有研究者在内蒙西部［16-17］、辽宁［18］以及吉林［19］等地区均开展了浅埋滴灌相关研究工作，并取得较好的效果.

内蒙古通辽地区作为自治区主要的粮食主产区，在保障自治区乃至国家粮食安全方面均发挥着积极作用；同时，该地区水资源匮乏，发展节水灌溉是农业可持续发展的必然选择.2004年，在内蒙古通辽敖包苏木丰元庆嘎查就开始进行浅埋滴灌青贮玉米种植试验并取得成功［16］.2016年以来，通辽市农业技术推广站将玉米浅埋滴灌技术列为农业主推技术在全市范围内推广；到2018年，累计推广面积达到50.82 万hm2；同年，内蒙古自治区农业技术推广站将该项技术列为自治区农业主推技术，在全区范围内进行示范推广；2019年该项技术被全国农业技术推广总站列为农业生产主推技术.

3 浅埋滴灌灌溉水利用效率及影响因素

3.1 灌溉定额对水分利用效率的影响

浅埋滴灌技术更适用于干旱风沙区，但不同干旱风沙地区灌水定额可能会存在显著差异，适宜的或者最佳的灌水定额的研究则显得尤为重要.不少学者开展了有关灌溉定额的研究工作，如在新疆石河子地区应用浅埋滴灌技术种植苜蓿过程中得出，灌溉定额为450-525 m3/hm2为宜，随水施肥有利于牧草生长［10］；而洪明等［20］在新疆阿勒泰地区对苜蓿种植进行不同灌水定额的浅埋滴灌试验得出，在浅埋滴灌条件下灌水定额450 m3/hm2处理的苜蓿干草产量显著高于其他处理，同时水分利用效率达到最大值0.94 kg/m3，并进一步得出其研究条件下的灌水周期为7-10天.这种灌水定额的差异，在不同作物上则更为显著.在内蒙古通辽、赤峰等地，采用浅埋滴灌均匀定量灌溉，保水保肥好的地区全生育期灌溉定额为1 950-2 400 m3/hm2，保水保肥差的地区全生育期灌溉定额为2 400-2 700 m3/hm2，可保证玉米适时得到足够的水肥补充［21］.灌水定额并不是越大越好，有研究表明灌水定额与产量间呈抛物线变化趋势［22］.在辽西半干旱区开展遮雨棚微区控制灌溉试验结果表明随着灌溉定额的增加不同处理间春玉米籽粒产量显著提高，浅埋滴灌与常规沟灌相比，灌溉定额为2 908 m3/hm2时节水30%，籽粒产量仅下降3.40%，但水分利用效率和灌溉水利用效率显著提高了22.10%和27.50%；当灌溉定额小于3 816.40 m3/hm2时，籽粒产量随灌溉定额的增加而显著增加，并达到最大产量12 161.90 kg/hm2，但灌溉定额继续增加则产量下降［22］.需要明确的是灌水定额的问题，与作物生长季内土壤实际含水量直接相关，而土壤含水量又受年降水量、蒸发量等因素影响，因此，灌溉定额的研究主要也是在一般年份基础上得出的大致范围，可以作为指导生产的参考.

3.2 灌溉频率对水分利用效率的影响

在灌溉定额一定的条件下，灌溉频率及其单次灌水量成为影响滴灌效果的关键因素.滴灌方式下，灌溉频率直接影响作物根部周围土壤的水、热分布状况，因此，灌溉频率对作物水分利用效率的影响尤为突出.浅埋滴灌属于典型局部灌溉，用水量相对较小，土壤水分运移不同于常规灌溉.低频灌溉时，由于单次灌水量大，水分渗漏较为剧烈，利用效率降低；高频滴灌时，由于土壤长期处于较高含水量状态，蒸散损失水量增加，使得水分利用效率同样偏低.窦超银等［23］在风沙土地区的研究结果也表明，水分利用效率随着灌溉频率的增加呈“抛物线”型变化趋势，灌溉频率太低或太高均不利于提高水分利用效率，其研究最佳滴灌频率为1次/9 d.灌溉定额相同时，随着灌溉频率变化，单次灌水量必然随之发生变化，也影响水分利用效率.符崇梅等［24］研究表明，同一灌溉量水平下，随着滴灌频率减少土壤含水量下降；低水量水平下通过增加滴灌频率，减少土壤水分向深层下渗，可提高水分利用效率，以满足根系较浅作物的生长需求.另外，梁萌帆等［25］进行土柱试验对研究微咸地下水浅埋下滴灌频率对土壤盐分运移过程的变化中得出，滴灌频率越低，土壤出现稳定蒸发的现象越早，且低频率的滴灌因单次滴灌量较大从而对上层土壤的盐分起到了淋洗作用.当然，上述不同的研究都是基于特定地区土壤类型，研究结果实际上还受年际间降水变率等的影响；受作物需水规律影响，同一灌溉定额、相同灌溉频次下，灌水量的分配比例也会影响作物产量和水分利用效率，这还需要进一步研究.

3.3 管带埋深对水分利用效率的影响

浅埋滴灌在水分保持上与膜下滴灌有本质区别，从保水的机制上看，浅埋滴灌主要通过滴管上部土壤发挥作用，因此，滴管埋深在土壤水运移和作物对水分的吸收等方面影响显著.有不少学者对滴管埋深有所研究，认为浅埋滴灌技术可适用于所有类型的耕地，但不同地区由于土壤类型以及种植作物等差异，滴管适宜埋深存在差异.例如在内蒙古科尔沁左翼中旗玉米大小垄种植模式下浅埋滴灌带埋深5-7 cm为宜，能改善玉米行间的通风透光条件，还能使水肥资源的利用率尽可能的达到最大［26］.李守明［27］在苜蓿栽培采用地埋滴灌不同埋深处理对土壤含水量和苜蓿产量等进行对比分析，研究结果表明，采用管带埋深20-40 cm时，两三年内苜蓿产量可达到正常水平.不同滴管埋深涉及水分通过管路进入土壤后的移动和分布.刘子尚［28］设置5 cm、10 cm、15 cm3个滴头埋深处理观察深度对苜蓿滴灌湿润体的影响时指出，滴灌湿润锋水平与垂向运移距离的比值随滴头深度的增加而增加，并且湿润峰的水平和垂直运移速率也会随着滴头埋深的增加逐渐增大，湿润锋的水平、垂向运移距离分别随入渗时间的增长而增大，且均与入渗时间呈幂函数关系；这与姜涛［29］及李玮［30］的研究相同.也有人对浅埋滴灌条件下调整毛管埋深对苜蓿生长的影响进行试验，结果表明，当毛管埋深10 cm时即可达到与传统地埋滴灌的灌溉湿润效果且对苜蓿产量影响不大，避免了埋深过浅水分蒸发量大的现象和埋深过深时毛管回收维修难的问题［31］.这与张营［32］的研究相同，即滴头埋深为10 cm、流量1.7 L/h时，湿润体深度适中，此条件下土壤含水率分布最均匀.因此，针对特定地区特定作物，研究适宜的滴管埋深，能够防止地表干土层阻断毛管水运移通路，从而保持土壤水分，为高效节水助力.

4 浅埋滴灌技术的展望

浅埋滴灌作为一种灌溉模式的新技术，主要是体现在管道设施的田间配置上，属于高效节水灌溉.然而，浅埋滴灌本质上属于水肥一体化技术，是将灌溉与施肥融为一体的农业新技术，通过水肥耦合，实现高产高效并通过减少劳动力投入降低生产成本.同时，浅埋滴灌相比膜下滴灌，消除了残膜污染问题，在生态治理方面具有较大优势.浅埋滴灌技术是在膜下滴灌技术的基础上发展而来，在过去膜下滴灌的推广地区，改用浅埋滴灌，农民在技术上不存在障碍，机械只需简单改造就可以使用.因此，浅埋滴灌技术在干旱、半干旱地区应用前景广阔.

水氮耦合一直以来都是农业科学领域中的热点问题，浅埋滴灌下的水氮耦合同样受到了业界的广泛关注.浅埋滴灌技术在节水的同时，如何最大可能的发挥水氮耦合效应，进一步提高肥料利用率，减少环境释放，也将成为未来主要研究方向.常规漫灌下水量较大，当进入土壤的水分超过田间持水量后，一部分水沿着大孔隙受重力作用向下渗漏，有利于表层积盐的淋洗.而在浅埋滴灌下灌水量显著降低，灌溉水可能主要是以毛管水的形式分布在土壤浅剖面，水分的移动没有明显重力下渗过程，土壤水的运动规律相对要复杂的多.同时，受土壤毛管力作用，灌溉平衡后深层土壤水向地表运移的过程中，可能发生一定程度上的次生盐渍化问题.这对于干旱半干旱地区来说，节水的同时，会带来新的土壤生态退化问题.因此，在推广浅埋滴灌技术的同时应该关注此类问题.由于我国节水技术起步较晚，人们对节水灌溉技术认识不到位，也因多数农民经济条件不足等原因，制约了节水灌溉设备及技术的应用推广［33］.目前我国浅埋滴灌技术推广应用中还存在另一个主要问题，即是相应农机具和配套设备的开发问题.目前，从浅埋滴灌技术推广地区来看，浅埋滴灌设备的自动化控制水平与国外同类设备相比仍存在较大差距.因此，要鼓励农业生产一线技术人员加强新一代设备产品改进与开发，结合浅埋滴灌设备特点及作物水肥吸收特点，合理布置安装设施，同时加强技术服务工作，建立完善的技术服务体系和专业的技术服务方案，充分发挥浅埋滴灌技术优势，为农业可持续生产助力.