丘陵山区机械化灌溉现状与发展思考

朱兴业,赵莹,袁寿其,刘俊萍,汤玲迪

(江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心,江苏 镇江 212013)

中国丘陵山区地域广大,第三次全国国土调查数据显示,大于2°的坡耕地占比为38.07%,大于6°的坡耕地占总面积的22.75%[1].《“十四五”全国农业机械化发展规划》[2]针对丘陵农业提出了“加快补齐丘陵山区农业机械化短板、加快推动农业机械化智能化绿色化”的要求.2022年中央一号文件指出“提升农机装备研发应用水平,全面梳理短板弱项,加强农机装备工程化协同攻关,加快大马力机械、丘陵山区和设施园艺小型机械、高端智能机械研发制造并纳入国家重点研发计划予以长期稳定支持”[3].

中国丘陵[4]农业机械化程度低,大部分农业生产过程仍依靠人力,整体上呈现“无机可用”“无好机用”的态势,这是农业机械化进程的短板.发展丘陵农业、推进丘陵农业机械化是巩固脱贫成果、全面推进乡村振兴的必然选择.中国现有1.28亿hm2耕地,农田有效灌溉面积占全国耕地面积的54%,灌溉水利用率只有56.8%[5],远低于世界先进水平的70%～80%.因此,发展节水灌溉是保障国家粮食安全的重要举措.

在农业经济发展过程中,农业机械化[6]和农机装备[7]是转变农业发展方式、提高农村生产力的重要基础,是实施乡村振兴战略的重要支撑.与此同时,作为丘陵农业机械化的重要一环,机械化灌溉的发展潜力巨大,迫切需要丘陵山区机械化灌溉的装备与技术.因此,发展丘陵山区机械化灌溉是补齐丘陵山区农机装备短板的重要基础.中国丘陵山区现有农田水利基础设施建设滞后,灌溉设备落后、配套设施不完善、生产可控程度低,抗风险能力弱,洪涝、干旱灾害频发,迫切需要研发推广适用于丘陵山区的高效农业节水灌溉装备与技术.

2022年中国统计年鉴数据显示[8],截至2021年,中国耕地有效灌溉面积0.69亿hm2,截至2020年,节水灌溉面积0.38亿hm2,在节水灌溉方面有很大的提升空间.伴随着国家对丘陵山区农机装备的重视,丘陵山区机械化灌溉作为丘陵农业中不可或缺的一环显得尤为重要.文中在概述丘陵山区的特点和现有灌溉装备与技术的基础上,对丘陵山区机械化灌溉的技术要求进行总结、归纳,提出今后的研究重点和发展趋势,以期为相关研究的开展提供参考依据.

1 丘陵山区现有灌溉装备与技术

1.1 主要丘陵分区

中国的丘陵山区约有100万km2,占全国总面积的10%.自北至南主要有辽东丘陵、山东丘陵、黄土丘陵、川中丘陵、江淮丘陵、江南丘陵、浙闽丘陵和两广丘陵等.不同丘陵目前常用的灌溉装备与技术以及存在的问题见表1.

表1 主要丘陵区特点及灌溉装备与技术

国外部分国家对丘陵山区灌溉的研究较早.日本是典型的丘陵山区国家,丘陵山区面积占国土面积的80%左右.自19世纪起,日本开始进行农田整治,方便农田管理.在20世纪70年代末期基本实现水稻的全程机械化生产;目前蔬菜的移栽、收获等环节也基本实现农业机械化.韩国也是典型的丘陵山区国家,66.67%国土面积为丘陵山地.长达60 a的土地改良和整理快速推进了韩国的农业机械化.20世纪70年代初至80年代末,韩国农业机械化飞速发展,2000年以后,韩国水稻综合机械化水平已经高达 87.2%以上[9].

总体上,目前中国的丘陵山区机械化灌溉装备与技术过于单一,适用作物范围小,成本较高,能耗较高,部分装备难以回收利用;但是丘陵山区农业占据很大一部分,因此,丘陵山区机械化灌溉技术有待提高.

1.2 现有喷微灌装备与技术

中国的节水灌溉装备及技术已具有一定的水平,但中国幅员辽阔,各地地形条件、环境因素、人力因素和发展水平等并不相同[10〗.喷微灌是农业上的主要高效节水灌溉技术,在农业生产及抗旱减灾中发挥了重要作用[11].截至2020年底,中国节水灌溉面积达0.38亿hm2.其中,喷灌、微灌等占高效节水灌溉面积达到0.23亿hm2[12].从农机作业的角度出发,针对丘陵山区的坡度与机械化作业相适应的情况做出分析:2°～6°的缓坡丘陵与2°以下的平地作业情况基本相似,机械化灌溉设备可以通用;6°～15°的丘陵山区,不适合使用平地作业的大型灌溉设备,更倾向于中小型灌溉设备;15°～25°的丘陵山区仅仅适用轻小型灌溉设备,但是这些山区耕地大多数种植茶树、果树等经济作物,多采用固定式灌溉系统,集中使用微灌设备.因此,在丘陵山区的不同坡度都有与其相适应的灌溉设备,文中从大型喷灌机、卷盘式喷灌机、轻小型喷灌机组以及微灌设备4个方面分别进行分析.

1.2.1 大型喷灌机

大型喷灌机适用于大田作物,自动化程度高,运行维护成本低,适应规模化、机械化、集约化、标准化的现代农业发展要求,因此大型喷灌机在中国得到了快速发展.国内开展大型喷灌机相关技术与产品研发的主要单位包括中国农业机械化科学研究院、中国农业大学、中国水利水电科学研究院、江苏大学、西北农林科技大学、中国农科院农田灌溉研究所等.大型喷灌机主要包括圆形(中心支轴式)、平移式和滚移式.图1为常见大型喷灌机实物图片.大型喷灌机的主要类型和特性见表2.

图1 常见大型喷灌机实物图

近年来,国内大部分科研单位在大型喷灌机方面取得的研究成果主要包括研发新产品,完善喷灌机型谱;研发低压喷头,优化喷头选型,提高喷灌均匀度[13];开展变量灌溉和智能灌溉研究[14];开发无线控制和信息管控平台等[15].图2为低压喷头.

图2 低压喷头

目前,中国已经制定、颁布了多部大型喷灌机的技术标准,部分省市还出台了地方标准或技术规章.总之,目前大型喷灌机研究的当务之急是开发新产品,完善机组型谱;进一步在变量灌溉、自主导航等方面加强研究.

1.2.2 卷盘式喷灌机

卷盘式喷灌机一般是移动式灌溉,具有适应大中小型地块、移动方便、单位面积投资低等优点,符合中国的基本国情[16].在内蒙古、河北、东北等地广泛应用.缺点是能耗高、喷灌强度大,在丘陵山区难以展开作业.卷盘式喷灌机的工作原理是由牵引车将喷头车牵引至田间,通过水泵给喷灌机供水,卷盘在动力机的驱动下开始回收PE管,喷头车在PE管的牵引下同时进行回收和喷灌,当PE管回收完毕之后,关闭水泵,将喷灌机移动至下一个地块进行喷灌作业.图3为卷盘式喷灌机.近年来,中国卷盘式喷灌机产业迅速发展,年销售量由10 a前的1 000台上升到目前的上万台[17].卷盘式喷灌机按驱动方式可以分为水涡轮卷盘式喷灌机、电驱动卷盘式喷灌机以及液压驱动卷盘式喷灌机.这3种驱动方式的卷盘式喷灌机主要参数以及特点见表3[18-19].

图3 卷盘式喷灌机

表3 卷盘式喷灌机不同驱动类型及特点

1.2.3 轻小型喷灌机组

轻小型移动式喷灌机适合中国“大国小农”的基本国情,适应中小地块,市场占有率大,在农业生产及抗旱减灾中发挥着重要作用.缺点是整机效率低、劳动强度大,组合模式单一.目前轻小型喷灌机广泛应用于中国东北、华北、华东等地区[20].常见的轻小型喷灌机组,根据配套喷头的形式以及数量的不同,主要分为单喷头轻小型喷灌机组、多喷头轻小型喷灌机组、手持喷枪式(或无喷枪)轻小型喷灌机组和软管固定(半固定)多喷头轻小型喷灌机组等4类.这4类轻小型喷灌机组的类型及特点见表4.图4为轻小型平移式喷灌机组.

图4 轻小型平移式喷灌机组

表4 轻小型喷灌机组类型及特点

除此之外,易于拆卸、轻便灵活、跨数可调的新型轻小型平移式喷灌机的研发也有重要的意义.结合新型轻小型喷灌机组,制定了基于农田作物需水规律以控制喷灌车行走速度的灌溉方法,实现精准灌溉[21].轻小型喷灌机组经过多年的发展,已经从较少的机组应用模式发展成为多元化的机组应用模式,能够适用于不同场合、投资水平和劳动强度等.中国的轻小型喷灌机组已经具有一定的水平,但是中国幅员辽阔,各地的地形条件、环境因素、人力因素和发展水平并不相同,实现轻小型喷灌机的轻简化和智能化还有很大的进步空间.同样地,轻小型喷灌机的多功能性和产品的综合性也要做进一步的提高.

1.2.4 微灌设备

微灌设备包括灌水器、过滤设备、水肥一体化设备及精量控制系统等,其中灌水器是关键设备,按结构可分为长流道型、孔口型、涡流式、压力补偿式滴头.微灌灌水器相比于滴灌的流量更大,不容易发生堵塞,但是在稳流器内部,由于进水孔口直径小、流道曲折,堵塞的情况经常发生[22].过滤设备是微灌系统的重要组成部分,在提高微灌灌水器使用寿命、提升灌溉技术应用效果方面发挥着重要作用.微灌灌水器通常尺寸较小,然而微灌系统中的水源大多数含有杂质,容易使灌水器发生堵塞,需要使用过滤设备以减少不同水源对微灌系统的损伤,达到延长使用寿命的目的.常见的过滤器主要有离心式过滤器、叠片式过滤器、网式过滤器、介质过滤器等[23].

水肥一体化技术是将施肥[24]技术与灌溉技术相结合的一项新技术,是精确施肥与精确灌溉相结合所形成的技术.与传统的施肥方式相比,采用水肥一体化技术具有减少肥料使用量、减少养分流失、降低面源污染、提高作物品质以及降低生产成本等优点.常见的水肥一体化设备主要有文丘里施肥器、比例施肥泵、全自动注肥设备、压差施肥罐等[25].图5为常见微灌设备实物图.

图5 常见微灌设备

精确灌溉与施肥是农业发展的主要方向,在国家大力发展可持续生态农业背景下,亟需结合作物区域种植特点,创新发展多种先进施肥设备及技术,建立节水节肥技术管理体系,切实、有效地提高水肥利用率.对于微灌设备,需研发新产品,引进国外先进技术及工艺设备或与国外企业合资,高起点研制出新产品,加快中国微灌设备的发展步伐.

1.2.5 喷洒模式及特点

现有常见的喷洒模式有固定管道式喷洒模式、半固定管道式喷洒模式以及微滴灌喷洒模式.固定管道式喷洒模式:系统各组成部分由动力、水泵、管道、喷头等构成,具有灌溉均匀度高、易于智能化改造、同时适用于大田灌溉和丘陵山区灌溉的优点,但成本较高,需要较高的技术能力确定管网布局.半固定管道式喷洒模式:半固定管道式系统的泵站和干管固定不动, 而支管和喷头可以移动.与固定管道式系统相比,半固定管道式系统减少了支管数量, 降低了系统投资,但劳动强度大,不适用于丘陵山区.微滴灌喷洒模式:通过干管、支管以及毛管上的滴头,在低压下向土壤缓慢地滴水,直接向土壤供应已过滤的水分、肥料等,具有均匀性高的优点,适用于水源少和缺水的丘陵山区,但投资较高,需要考虑作物的经济效益.因此,针对不同的丘陵山区需要选择合适的喷洒模式.

1.3 经济评价

丘陵山区是重要的果蔬茶和粮油生产基地,农业机械化管理司《2021年全国农业机械化发展统计公报》[26]显示,中国农作物耕种收综合机械化率达72.03%,但是马铃薯等丘陵山区作物综合机械化率仅为50.76%,相比之下,位于平原的小麦综合机械化率达到了97.29%.在农机装备补短板行动和机械强农政策的推动下,大量专项资金被用于短板机具的研制和推广应用.根据公布的2021—2023年第二批中央农机购置补贴一览表,新增补贴产品24个品目,新增中央农机新产品3个品目.丘陵山区机械化灌溉设备的研发资金主要来自政策的专项资金,而落实的设备资金主要来自于政府补贴和农户自筹.

随着农地制度的变迁,地权主体结构由国家、集体和农民分割向农户倾斜,逐步解决了土地农民归属、农民自主经营、农民产权主体地位、农民农地权能等问题,农民的土地权益从简单的“物”的分配关系发展到多层次、多权能的物权保障和经济利益体现[27].丘陵山区机械化灌溉设备的投入应以预期改造后土地能带来的价值提升量与投入的改造成本比较结果来判断.合理解决地权归属问题,需要对土地进行经济效益评估,提升农户的土地意识,签署书面协议.

针对不同坡度的丘陵山区,应当根据坡度划分类型,进行不同梯度的财政补助,制定相关的技术规范,在验收合格之后进行相应的奖励补助.对丘陵山区进行机械化灌溉改造时,应当先由农业种植企业或者种粮大户来进行改造流转,达到相应的标准之后再进行种植经营.另外,在土地流转的时候也可以缴纳一定的诚信金,避免因各种问题导致经营人跑路带来的各种问题.

2 丘陵山区机械化灌溉技术要求

2.1 水源分布

水资源短缺是全球旱地农业面临的共同难题,部分丘陵地区降雨时空分布不均,与作物需水期之间出现严重供需错位,是制约该部分地区粮食生产和社会经济发展的主要因素[28],并且容易发生洪涝、水土流失和干旱等自然灾害,呈现加剧趋势,进而引发农业生产力降低和生态环境退化等系列社会问题.如何利用天然降雨,确保粮食生产安全和农田生态系统可持续性,是长期以来难以破解的理论难题和时间难题.

辽东丘陵和山东丘陵的降雨较为集中,降雨年内分布不均匀.水源的改造工程主要有2种方式,一是通过建造水窖、水池等蓄水工程,收集有限的雨水资源以缓解水资源短缺的问题;二是修建拦河坝,通过调蓄水资源,解决丘陵山区用水艰难和洪涝灾害频发的问题.黄土丘陵区和川中丘陵区,地下水埋藏较深,开采困难.丘陵山区的降雨时空分布不均匀,与作物需水期之间形成严重的供需错位[29],常通过集雨解决丘陵山区的灌溉水源问题,需进一步改进集水调度模式.江淮丘陵和江南丘陵区的降水较为丰富,地势也比较低缓,因此多采用塘坝灌溉,依靠修建塘坝拦蓄地表径流,塘坝工程具有量大分布面广、简便易行、成效显著等特点,是江淮丘陵区和江南丘陵区蓄水灌溉的主体.而浙闽丘陵和两广丘陵区由于降雨十分充沛,河网密布,错综复杂,因而大多数不用考虑水源的问题.

2.2 能源分布

由于中国较多山区和丘陵地区农田没有覆盖电网,存在农田生产电力供应不足和不稳定的现象.随着丘陵山区机械化灌溉的发展,能源在丘陵山区机械化灌溉中显得尤为重要,其关键点就在于首部工程.如何布置水源工程进行提水,传统方式是将电线拉到水源处,然后带动水泵提水,或者利用发电机提供动力,进行发电提水.

大部分丘陵山区植被覆盖较少,日照时间充分,具有丰富的太阳能资源.随着科学技术的发展,太阳能已经成为风能之后再次被用于发电领域的可再生能源,可以应用在丘陵山区的提水灌溉之中[30].

可再生新能源的开发利用是实现绿色和可持续发展的重要途径,太阳能光伏提水也受到广泛的关注.光伏提水灌溉技术在农业灌溉中优势明显,不受地形限制,无需外拉电网,布局规模灵活,是农业现代化灌溉的新途径,有利于改善山地的灌溉条件,提升农产品经济效益[31].随着太阳能技术与光伏提水技术的成熟,以及建设、运行、管理成本的不断下降,光伏提水在很多丘陵山区得到了广泛的应用.

2.3 压力分区调节

精准农业的实现取决于农业精准灌溉技术.丘陵山区因复杂山地坡度和高差不同,造成灌溉效率低下、水资源及劳动力浪费等问题;通过分析山地高差、坡度区别、滴灌压力和流量设计,实现了丘陵山地分区实时精准农业灌溉[32].丘陵山区地形高差大,需按地形高差进行压力分区,然后按照压力区进行支管轮灌.通过对丘陵山区的灌溉进行压力分区,可以很好地减少丘陵山区灌溉过程中的能源消耗以及水资源的浪费.

压力补偿灌水器具有补偿性能好、灌水均匀、适应范围广等优点,适用于起伏地形、压力不均衡的丘陵山区[33].在丘陵山区的自压灌溉系统中,支管垂直等高线布置,毛管平行等高线布置;如果支管进口水压较低,沿着支管方向,水压逐渐增大;如果在毛管进口处不安装压力调节装置,毛管的水压也会逐渐增大.为了保证喷头或者滴头在最佳压力下进行工作,应该将支管单元划分成不同的压力区,选择不同的装备进行压力调节,使得每个分区内的每一个灌水器都能够在最佳压力条件下进行工作.

2.4 坡地灌溉

由于丘陵山区的部分田块坡度较大,土层薄、保水性较差等原因,作物容易受到干旱的影响,传统的地面灌溉无法实施.丘陵山区特殊的地理条件造成了田块具有坡度大、面积小、不规则、较分散的特点,容易造成水土流失,常规的大中型农业灌溉装备无法适用.坡地灌溉在灌溉强度、均匀度等方面较平地有较大的差异.

任何单一的灌溉技术都有一定的范围和局限性.地面灌溉尤其适合平原地区,在地形起伏不定的丘陵山区采用地面灌溉这种方式,需要进行土地平整,任务较为艰巨[34].另外,为了避免损坏土地和作物,工作压力不宜过高.喷灌在坡地灌溉较平地就有较大的差异,需要将平地上的水量分布通过平地向坡地转换的喷灌水量分布计算模型转换,或者是增加相应的系数[35],从而得到坡地喷灌的水量分布.微灌在丘陵山区使用时,由于工作压力较低,容易造成堵塞[36].在坡地灌溉方面要采用多种灌溉技术联合运用.

2.5 水力性能

丘陵山区灌溉较平地最大的区别就是坡度,坡度对单喷头水量分布、射程以及组合均匀度均有影响,单喷头的水量分布图在坡地上大致呈“鸡蛋形”,上部扁而凸,下部长而尖.有学者[37]通过试验证明,在丘陵山区灌溉中,喷头工作压力和间距对均匀度的影响显著,其中工作压力影响最大,间距次之,坡度最小.

丘陵山区的允许喷灌强度较平地的小,更易产生径流.有学者[38]通过试验与数值模拟相结合的方法,建立了坡地喷灌土壤水分运动数学模型,揭示了坡地喷灌土壤水分入渗特性;依据水文学产流原理,构建了坡地允许喷灌强度计算模型,得到了坡地允许喷灌强度参考值:灌水定额为30 mm时,建议平地黏土的允许喷灌强度控制在8.05 mm/h以内,砂土的允许喷灌强度控制在31.43 mm/h以内;允许喷灌强度可根据坡度进行折减,建议坡度每升高5%,允许喷灌强度下降11.69%;灌水定额大于30 mm时,允许喷灌强度宜降低50.00%.另外,将间歇灌溉引入坡地喷灌中,试验表明,间歇喷灌能有效提升坡地土壤水分入渗效果.

3 未来研究重点及发展趋势

3.1 未来研究重点

1) 丘陵山区及边远灾区应急抢险灌排装备.开展山区及边远灾区应急供水关键技术研究,边远地区因地震导致水路不通,泥石流导致供水困难,干旱导致水源难寻等一系列问题.研制适应丘陵山区和边远山区的成套供水装备,解决中国救灾应急领域重大民生问题.

2) 丘陵山区灌溉系统水源调度装备.研发丘陵山区集水、供水、水资源优化调度等装备,建立多种丘陵山区抗旱补灌灌溉模式,开发微灌、喷灌系统压力调控装备,智能感知丘陵山区典型作物水肥需求信息,构建灌水施肥决策模型,建立丘陵山区典型作物智慧灌溉系统.

3) 丘陵山区绿色多源互补模式及装备.开发低水头、生态型、微型抽水蓄能装备、大功率低成本太阳能光伏系统等能源互补的能源微网节水灌溉装备系统,形成综合配套的丘陵山区清洁能源节水灌溉技术模式.

4) 丘陵山区移动式灌溉装备通用底盘研发.设计满足丘陵山区农机开沟、割草、灌溉、施药等作业需求的履带式移动平台通用底盘以及全向全地形惯性调平控制系统.通用底盘与卷盘式喷灌机相结合,解决丘陵山区机械化灌溉的行业难题.

5) 丘陵山区灌溉数字孪生技术.构建丘陵山区高标准农田作物水分指标动态诊断及水分调控数字模型,建立基于虚拟作物生长的模型,建立虚实交互的数字孪生系统,实现灌溉系统的精准调控.

3.2 发展趋势

丘陵山区机械化灌溉的发展趋势主要为绿色化、智能化,主要包括以下几个方面:

1) 丘陵山区的宜机化、宜地化改造.丘陵山区农田灌溉 “改地适机”和“以机适地”有机结合是总体趋势.开展丘陵山区农田宜机化,以及改造灌溉设备宜地化,实现丘陵山区灌溉机械化.开发移动式灌溉装备地形调平底盘,具备机身姿态自适应崎岖不平并且坡度大地形的功能,推动丘陵山区农业灌溉机械化的发展.推进丘陵复杂农田宜机化和改进灌溉设备宜地化,使其从平原大田走进丘陵山区,两者齐头并进,共同促进丘陵山区灌溉机械化进程.

2) 灌溉装备宜地化开发.丘陵山区地形特点为地表崎岖不平、坡度大,导致农业灌溉机械机身平衡性差,甚至具有侧翻的风险,严重影响到工作品质和作业安全.因此,开发具备机身姿态自适应调平的智能底盘是推动丘陵山区农业灌溉机械化发展的关键技术之一.单一灌溉作业逐渐转变为变量灌溉及水、肥、药一体作业,开发设计多种关键部件结构,实现多变量在线灌溉、配肥及施肥功能.加快新材料、新技术和新工艺在丘陵灌溉机械的应用,可以大大提高产品设计质量,缩短设计周期,提高产品设计能力和使用寿命.

3) 灌溉系统宜地化开发.丘陵山区雨水高效利用技术是发展趋势.开展雨水集水、贮存、输送和高效利用等主要环节的研究,包括蓄水设施防渗、防蒸发、防冻技术和雨水沉淀技术的研究等.发展丘陵山区高效、节能、环保节水灌溉机械已成为必然趋势.动力供给也呈现多元化,清洁能源的互补供给具有良好前景.因地制宜设计建设光伏阵列,发展全光照太阳能抽水灌溉系统,对农田进行灌溉.

4) 丘陵山区水肥多功能装备与技术.针对丘陵的农业数据模型匮乏,实现智能交互式控制以及提高水肥控制精度,研发高精度的水肥一体化装备和决策模型改进.多功能、低能耗及精准化是施肥设备的发展趋势,开发低能耗及精准化的产品,利用清洁能源(太阳能、风能),降低能源消耗,提高水肥利用率将是灌溉技术与产品研发的一个重要趋势.

5) 丘陵山区坡地均匀灌溉.发展丘陵山区坡地均匀灌溉技术.开发小流量、高性能喷滴灌灌水器,研制压力补偿装置,形成低强度、高均匀性的坡地灌溉技术,解决喷灌强度过大引起水土流失的问题.

6) 丘陵山区灌溉无人化、智能化.发展丘陵山区智能灌溉和精准灌溉技术.紧扣中国农业发展需求,以物联网、云计算、大数据等技术为支撑,涵盖统筹水、肥、药、农机、气象等要素,打造安全、高效、精细、环保的丘陵山区灌溉智能化体系的发展方向.将互联网平台和信息通信技术融合到产品全生命周期,形成“互联网+丘陵山区灌溉机械标准件”是未来的一个发展模式.

4 结 语

综上所述,丘陵山区机械化灌溉水平很低,“无机可用”“无好机用”的局面亟需改善.同时也应当看到,随着国家对丘陵山区农机装备研发的重视,更多的学者开始注意到丘陵山区这一研究方向,对未来发展丘陵山区机械化、绿色化、智能化提供理论支撑和技术保障.总之,研究丘陵山区机械化灌溉在整个丘陵农业中具有不可替代地位,仍需要业界同仁久久为功,善作善成.