SDI灌溉技術及其環境影響研究綜述

周 迪朱 梅王振龍，2周 婷

SDI灌溉技術及其環境影響研究綜述

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一、引言

我國是一個農業大國，又是一個水資源相對貧乏的國家。農業是用水大戶，占總用水量的70％。隨著城鎮人口的增加、工業的發展，農業水資源被侵占的現象屢見不鮮，使得農業用水陷入危機。因此，大力推進節水農業是解決這一矛盾的主要途徑，而發展節水灌溉技術對節水潛力的影響最大。地下滴灌（SubsurfaceDripIrrigation，簡稱SDI）是目前最復雜、效率最高的灌溉技術，SDI技術能夠使作物產量和水利用效率同時達到最佳。

二、SDI灌溉技術

SDI技術是指水或水肥混合液通過地埋毛管上的灌水器緩慢出流滲入到作物根區土壤中，借助毛細管作用或重力作用將水分擴散到整個根層供作物吸收利用。

SDI技術具有顯著的節水、節能、省工、增產、提高農產品品質以及改善土壤環境等優點，被認為是最具發展前途的節水灌溉技術，逐步成為各國科學家研究的熱點。近年來國內外關于SDI的研究較多，主要集中以下幾個方面：具有更高灌水均勻度和抗堵塞的灌水器和設備、毛管埋深與滴頭布置形式、土壤水鹽或水肥運動規律與模擬、灌溉制度、作物生長、咸水灌溉。關于地下滴灌的環境效應也已引起了人們的關注，主要是SDI減少深層滲漏、硝態氮淋溶和地表積鹽等方面的試驗研究。與其他灌水技術相比，我國SDI的應用還比較少，由于其諸多的優點和日趨成熟的技術，其應用前景將非常廣闊。

三、地下滴灌的灌水技術參數

1.毛管埋深

地下滴灌條件下，毛管埋深受土壤質地、作物生長狀況（如根系深度）、農業生產措施（如耕作）等影響，需要因地制宜確定相應的毛管埋深。DeTar等（1996）進行地下滴灌試驗，結果表明：如需要考慮地下滴灌系統多年使用和進行土壤耕作，則毛管埋深應大于25cm；如土壤不需要進行耕作（例如種植草地、苜蓿等），則毛管埋深10～ 40cm（取決于土壤類型和作物根層范圍）。De Tar等（1996）對馬鈴薯增產效應研究表明，合理埋深為46cm。S.P.Bhattarai等（2008）研究表明在重粘土中若滴管帶埋得過深將導致作物根系供養不足，不利于作物的生長。何華等（2001）進行了SDI埋管深度對不同生育時期冬小麥根系生長和地上部分生長影響的試驗研究，結果表明在重壤土上40cm是冬小麥進行地下滴灌的較好埋深。諸葛玉平等（2003）認為輕質土壤導水性能較強，滴灌埋深要較淺；粘質土壤導水率小，持水量大，埋深可稍大，這樣既不會造成深層滲漏，也可減小地表濕潤，防止土壤蒸發。

總體上講，地下滴灌毛管的埋深既要足夠深——能避免耕作或其他農事活動的破壞，又要足夠淺——以避免濕潤表土為宜。綜合考慮上述各種因素，毛管埋深范圍在20～70cm之間。

2.毛管間距

在生產實踐中，毛管間距的變化為0.25～5m不等。平播密植類作物一般采用較窄的間距，如草皮、小麥等，而行播作物則采用較寬的間距。如蔬菜、果樹、棉花、玉米等。目前，棉田地下滴灌的毛管間距多為0.9～1.5m，小麥田多為1.0～1.2m。對于沙性土壤或干旱地區，減小毛管間距有助于田間土壤水分的均勻分布；而在多雨的濕潤地區，可以使用較寬的間距，這還取決于作物類型、土壤條件和可接受的風險水平。

3.灌溉制度

灌溉制度包括灌水量、灌水周期（頻率）兩個方面。在地下滴灌中通常用作物需水量（ETc）的百分比去表示灌水量。Fangmeir等（1989）研究發現，耗水量為水面蒸發量的1.3倍時，棉花的產量最高；而耗水量與水面蒸發量相當時，用水效率最大。Powell等（1993）認為棉花和玉米的灌水量一般應為蒸發皿蒸發量的40％～100％。Hutmacher等（1995） 和 Howell等（1997）則認為，維持土壤在一定的水分虧缺水平上，如灌水量減少到0.6～0.7ETc時，棉花和玉米的產量與對照差別很小。Lamm和 Trooien （2003）證實采用地下滴灌灌水量為75％的作物需水量時玉米的產量達到最高。S.P.Bhattarai（2008）等研究表明在地下滴灌條件下灌水為50％的ETc 比90％的ETc一個季度能夠多利用250mm的降雨。A.D.Mchugh等（2008）分別對地下滴灌灌水為ETc的120％、105％、90％、75％、50％五個水平進行對比，研究結果顯示隨著灌水量的增加，土壤侵蝕和氮素流失隨之增加，在50％和75％水平時沒有土壤侵蝕和氮素流失。M.A.Badr等（2010）發現當地下滴灌灌水量為40％的ETc時，水利用系數最高并獲得最大的經濟效益。E.D.Vories等（2009）在研究地下滴灌對美國中南部玉米的影響，結果顯示當灌水量為50％的ETc時玉米的產量達到最大。

從灌水周期上講，一般地下滴灌宜采用高頻灌溉，按小定額、多次灌水的方式向作物供水，也可采用當土壤水分下降到某個設定的下限值時開始灌溉。對淺根作物如蔬菜等，一般采用高頻灌溉，果樹及大田作物可適當延長灌水周期。

四、地下滴灌的環境影響

近年來，關于地下滴灌條件下的環境效應越來越受到人們的關注，主要表現在SDI減少深層滲漏、NO3-淋溶和土表積鹽等方面的試驗研究。

1.農田小氣候的影響

農田小氣候是指農田貼地氣層、土層與作物群體之間的物理過程和生物過程相互作用所形成的小范圍氣候環境。農田小氣候為農田生物的生長提供了必須的環境，農田小氣候的改變影響農田生物的生存。

采用地下滴灌最顯著的特點是保持表層土壤的干燥，這樣就減少了地表的無效蒸發。蒸發量的減少導致農田表層空氣濕度的降低，從而減少作物病蟲害。地下滴灌的灌溉水借助土壤毛細管的滲吸作用濕潤土壤，它不產生重力水作用，因此對表層土壤結構破壞較小，基本保持土的疏松狀態，土壤容重變化不大，通氣狀況良好。采用地下滴灌技術土層各個深度的地溫要比其他灌水方式的地溫高，且表層差異顯著。造成這種差異的主要原因是由于地下滴灌時，淺層土壤較干燥蒸發耗熱較少，土壤熱通量較大，而土壤導熱率和熱容量又較小，熱量較多集中于土壤淺層，造成土壤淺層升溫較快，溫度值較高，增加了晝夜溫差，有利于作物的生長和產量的提高。地下滴灌條件下土壤表層干燥還有利于控制雜草的生長和害蟲的繁殖。但是有研究表明在土壤容重較大的土壤中，如果采用地下灌溉可能導致作物根區的氧氣含量不足，影響作物根系的呼吸作用，抑制作物的生長。為此S.P.Bhattarai等（2008）提出了地下滴灌摻氧灌溉。

2.生態環境的影響

地下滴灌最主要的優點之一是能夠適時適量地將水、營養物質以及農藥準確地輸送到作物根部活躍區。這不僅提高了水肥利用效率，減少了水肥的投入量，而且降低了營養物質和農藥的流失風險，減輕了灌溉帶來的環境污染。

農業面源污染是一個全球性的嚴重問題，過量施用氮肥是引起農業面源污染的重要因素之一。在一些發達國家由于過量施氮，土壤和水質已受到嚴重污染。近年來我國作物產量并未隨著施氮量的增加而明顯增加，氮肥利用率只有30％～40％，大部分氮素從不同途徑損失，減少水肥投入和采用適宜的灌溉施肥技術是避免氮素損失的有效方法。SDI灌溉下氮素養分灌施于根區，可以減少氨態氮的揮發損失，并且SDI實行小定額高頻次的灌溉制度，硝態氮隨灌溉水滲漏至土壤深層的潛勢較其他灌溉技術小。

磷相對于氮素較穩定。現有研究表明當養分隨水分一同灌施于作物根區時，磷素養分由于遷移性差，不易遷移出根區，可為作物根系很好地吸收，因而用量較其他灌溉技術節省。在石灰性土壤里施用磷酸尿素，滴孔周圍20cm以內可利用態磷的濃度很高，分2次施用能延長磷的有效性。

地下灌溉在減少了滲漏和徑流的同時，也改變了農田小氣候，作物病蟲害減少，雜草生長得到了控制，故農藥的投入量也得到了相應的控制。A.D.Mchugh等（2008）研究表明地下滴灌條件下土壤侵蝕和農藥的流失量明顯小于溝灌。

五、展望

SDI的研究已經引起了國內外的廣泛關注，但是相對于其他灌溉方法，SDI的研究和應用起步比較晚，尤其在國內的研究比較少，且多集中于對SDI系統的布置、土壤水鹽的分布等方面。近年來的研究發現土壤鹽分問題是SDI灌溉的普遍問題，這也是阻礙地下滴灌發展的一個重要因素。

今后，針對一系列環境影響，進一步開展相關研究，例如SDI灌溉引起的土壤鹽堿化、根系供養不足以及SDI灌溉對溫室氣體的排放（CO2、N2O、CH4等）將有著積極而深遠的現實意義

（作者單位：1.安徽農業大學工學院230036 2.安徽省水利水資源重點實驗室 233000）

（專欄編輯：周 權）