民勤綠洲灌區精細壟膜溝灌技術參數研究

丁 林，王文娟，王以兵(甘肅省水利科學研究院，蘭州 730000)

壟作是在耕作形成的壟面或壟溝內種植作物的一種耕作方式，是通過改變地表微地形，減少耕種面積，協調水、肥、氣、熱關系，促進作物生長，降低耕作對農田環境影響的一種保護性耕作措施[1]。平作改為壟作后，田間灌溉方式由畦灌改為溝灌，灌水定額減少，提高降水和灌溉水利用率，壟作比平作節水40%[2,3]。在壟作溝灌對作物影響方面已有專家學者作了大量的研究[4-6]，在壟溝水分入滲方面也有大量研究[7-11]，上述研究均在無膜覆蓋條件下進行。隨著地膜覆蓋措施的應用，由于壟溝下墊面發生了變化，已有的灌水技術參數需要通過現場試驗進行修正。針對壟膜溝灌技術目前研究較多的是壟膜溝灌對作物產量、水分利用、肥料利用的影響等方面[12-18]，而對壟膜溝灌技術參數的研究較少。本研究針對以上實際，在地膜覆蓋條件下開展精細壟膜溝灌技術參數研究，進而提出適宜的壟膜溝灌技術參數，為技術推廣應用提供技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2015年9月在甘肅省水利科學研究院民勤灌溉試驗站進行。試驗區地處民勤綠洲和騰格里沙漠交界地帶，地理坐標東經130°05′，北緯38°37′，屬典型的大陸性荒漠氣候，氣候干燥，降水稀少，蒸發量大，風沙多。多年平均氣溫7.8 ℃，極端最高氣溫39.5 ℃，極端最低氣溫-27.3 ℃，平均濕度45%，多年平均降水110 mm，多年平均蒸發量2 644 mm。研究區光熱資源豐富，年日照時數3 028 h，≥0 ℃積溫3 550 ℃，≥10 ℃積溫3 145 ℃，無霜期150 d，最大凍土深115 cm。試驗區土質0～60 cm為黏壤土，60 cm以下逐漸由黏壤土變為沙壤土，土壤平均容重為1.54 g/cm3，土壤飽和含水率0.43 cm3/cm3。

1.2 試驗設計

試驗根據不同壟溝坡度、入溝流量、灌水定額經優化選擇7個試驗處理。試驗地深耕、耙耱，按試驗設計坡度平整起壟后覆膜，壟底寬100 cm，壟頂寬60 cm，溝寬40 cm，溝深20 cm，膜寬120 cm，在溝底按30 cm打好入滲孔，試驗地規格為1×65 m，灌水定額為525 m3/hm2和375 m3/hm2兩種，每個處理重復3次，各處理隨機布置3個點用烘干法測定土壤含水量，試驗田土壤為中透水性。具體參數設計見表1。

表1 壟膜溝灌技術參數試驗設計

1.3 測定指標與方法

土壤含水量：分別在試驗田壟溝覆膜后、灌水前及灌水結束48h后，用土鉆取土烘干法測定試驗區含水量，灌前土壤含水量每個小區測3個點，灌后從溝首到溝尾每隔20 m取一個點，每個點測定深度為0～100 cm，每隔20 cm取一個樣測定。

水流推進：試驗時沿試驗田長度方向每隔10 m設一水尺，用秒表依次記錄水流到達各水尺的時間。

溝內水深：在灌水期間每隔10 min讀一次水尺讀數，灌水結束時加讀一次，停灌后每隔10 min讀一次水尺讀數，直到水尺讀數為0。

灌水量：通過管道輸水，水表計量灌水量。

流量：通過安裝在灌溉系統首部的超聲波流量計測量。

灌水均勻度：田間灌水均勻度一般由克里斯琴森均勻度系數Cu表示：

(2)

2 結果分析

2.1 水流推進分析

圖1描述了灌水時各處理的水流推進過程。從圖1可以看出，當灌水流量一定時，水流推進速度與入溝流量和溝底坡度有關，且呈正相關關系。試驗中除T5外，其余處理水流均能在灌水結束前達到溝尾，T5處理雖然耗用灌水時間最多，但由于坡度緩、入溝流量小，水流推進速度慢，在灌水過程中過多水分滲入土壤，使水流到達不了溝尾。同樣，T1處理也因入溝流量小，水流推進速度較為慢，只是T1處理坡度較大，最終使水流勉強推進到了溝尾，但其均勻度較差，溝尾入滲水量較少。

圖1 各處理壟溝水流推進過程線

表2為各處理水流推進速率，從表2可以看出，各處理水流推進速度隨溝長方向逐漸減小，主要是由于部分水量在推進過程中滲入土壤，前進水量減小所致。各處理中入溝流量越大，水流推進速率越大，另外，壟溝坡度也對水流推進速率有一定的影響。平均水流推進速率最大的處理為T4處理，達到了0.098 m/s。僅從水流推進速率及灌水時長來看，當壟溝坡度為1/500時，和灌水定額525 m3/hm2相對應的壟溝灌水參數為：入溝流量0.8 L/(s·m)，壟溝長度50～60 m；和灌水定額375 m3/hm2相對應的壟溝灌水參數為：入溝流量1.0 L/(s·m)，壟溝長度50～60 m。當壟溝坡度為1/1 000時，和灌水定額525 m3/hm2相對應的壟溝灌水參數為：入溝流量0.8 L/(s·m)，壟溝長度50～60 m；和和灌水定額375 m3/hm2相對應的壟溝灌水參數為：入溝流量1.0 L/(s·m), 壟溝長度50～60 m。在實際應用中，當入溝流量小于0.6 L/s 時，灌水定額應大于525 m3/hm2，壟溝長度應控制在40 m以內。

表2 各處理壟溝水流推進速率

2.2 灌水層深度分析

在灌溉過程中，水分隨水流推進不斷入滲到土壤中，到灌水結束后，入滲到土壤中水分多少，與入溝流量和溝底坡度等因素有關，入溝流量越小和溝底坡度越緩的處理，因灌水時間相對較長，入滲水量大于其他處理，同時存留在溝內的水層深度相應較小。灌水結束后，地面坡度和灌水定額相同條件下，入溝流量大的處理溝內水存留深度大于入溝流量小的處理。地面坡度和入溝流量相同條件下，灌水定額大的處理溝內水存留深度大于灌水定額小的處理。 灌水定額和入溝流量相同條件下，溝底坡度大的處理溝內水存留深度大于溝底坡度小的處理。這一結果與不同處理所需要的灌水時長是相一致的，與不同處理在灌水過程中水的入滲量多少有直接關系。灌水結束后,壟溝水層深度占溝深的比例達到2/3以上的處理有T2、T4、T7，說明這3個處理壟溝參數及灌水參數設計和較為合理，其他處理相對較為不合理，其中T5、T1處理最不合理，在實際應用中不可取(見表3)。

表3 溝灌灌溉過程水尺深度與入滲速率

2.3 水流消退分析

由表4可知，灌水結束后，壟溝水層深度越深，入滲速率越快。雖然各處理水深下降速度隨時間均呈逐漸減小的趨勢，但各處理均能在60 min左右將水入滲完畢。主要原因是灌溉過程中入滲水量少的處理，則灌溉結束后水層深度大，入滲速度快；灌溉過程中入滲水量多的處理，則灌溉結束后水層深度小，入滲速度慢。各處理在灌水結束后30 min內水層下降深度占總深度的比例額均在65%以上，其中最高的T3處理占89.2%，最低的T7占68.7%，由上說明各處理溝內土壤水分在灌水后均未達到飽和狀態，灌水結束后逐漸達到飽和，飽和后溝內水分入滲速率逐漸減緩。

2.4 灌水均勻度分析

根據試驗實測資料，利用公式(1)、(2)計算精細壟膜溝灌不同處理的灌水均勻度如表5和表6所示。由于T5處理入溝流量小，水流未推進到壟溝末端，其灌水均勻度較差，其余6個處理灌水均勻度均在0.89以上，其中T4、T7處理灌水均勻度最高，分別達到0.98和0.94，同樣T2和T6灌水均勻度也達到了0.9以上。由此可以得出，在實際作物種植及灌溉中，當壟溝坡度在1/500時，適宜的灌水定額為375～525 m3/hm2、入溝流量為0.8～1.0 L/s；當壟溝坡度在1/1 000時，適宜的灌水定額為375～525 m3/hm2、入溝流量為0.8～1.0 L/s。與已有規范與研究成果相比[19]，入溝流量可減少0.2～0.5 L/s，溝長可延長20～30 m左右。

表4 溝灌灌水結束后水深下降分析

表5 田間各處理、各測點含水量實測值 %

表6 溝灌灌水均勻度計算

3 結 語

本研究針對地膜覆蓋后原有的溝灌技術參數已不能適應現實要求，設定了不同單寬流量、地面坡度、灌水定額等參數，研究提出了不同精細灌溉條件下的適宜技術參數。在水流推進方面得出，入溝流量是影響水流推進速率的主要因素，流速越快，在灌水過程中入滲水量越少，灌水后均勻度較高；在適宜坡度及入溝流量方面得出，當壟溝坡度在1/500左右，灌水定額為375～525 m3/hm2時、適宜入溝流量為0.8～1.0 L/s，壟溝長度60 m；灌水定額大于525 m3/hm2時、適宜入溝流量為0.6～0.8 L/s，壟溝長度60 m。當壟溝坡度在1/1 000左右，灌水定額為375～525 m3/hm2時、入溝流量為1.0 L/s，壟溝長度60 m；灌水定額為大于525 m3/hm2時、入溝流量為0.8～1.0 L/s，壟溝長度60 m。在實際作物種植及灌溉中，應根據不同自然條件、作物種類、播種方式、土壤質地、土壤墑情、配套農藝措施等選擇合適的入溝流量及灌水定額。

本研究結論是在民勤綠洲大田試驗條件下完成的，不可避免受到研究區土壤質地、自然條件的影響，所以試驗得出的結論有一定的局限性，在不同自然條件下的精細壟膜溝灌技術參數還需進一步研究，另外還需要研究二元覆蓋及其他覆蓋條件下的主要技術參數。

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