痕量灌溉與微潤灌溉技術研究進展及對比分析

夏 天，田軍倉,2,3

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川 750021； 3.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021)

1 痕量灌溉技術特點及研究進展

1.1 痕量灌溉技術特點

痕量灌溉技術是我國原創、將膜及毛細管等新材料有機結合的新型節水灌溉技術。該技術的核心在于能夠實現“自適應”作用的灌水器，它由具有良好導水性能的毛細管束和具有過濾功能的雙層痕灌膜組成，這種雙層膜結構取代了滴灌的迷宮式消能流道，并克服了滴頭易堵的難題。痕灌灌水器埋在根系附近，毛細管束一端與充滿水的管道連接，另一端與土壤的毛細管連接并感知土水勢變化，構成了一個作物-土壤-灌溉系統的水勢平衡系統，當作物吸水導致根系周圍水勢降低時，灌水器內的水便以毛管水的形式、極其微小的速度(10～200 mL/h)，均勻、不間斷地輸送到植物根系附近土壤，直至水勢平衡系統重新達到平衡，此時作物停止吸水，灌溉水不再流出，如此循環，實現了作物需水觸動的自適應灌溉。與滴灌相比，同等產量下痕量灌溉可節水40%～60%，并有助于改善土壤板結和返堿的現象。目前，痕量灌溉技術已在溫室果蔬、大田作物、垂直綠化和生態修復中得到了應用[1,2]。

1.2 痕量灌溉技術研究進展

1.2.1 痕量灌溉技術節水增產效應

痕量灌溉符合當前農業生產節水增效的要求，為此，有學者通過大量試驗對其在農業生產中的應用進行了研究。諸鈞等[3]就日光溫室痕量灌溉對球莖茴香生長影響的試驗研究發現：痕量灌溉相比于滴灌可顯著提高茴香地上部分干、鮮重，并使其耗水量減少約50%，水分生產效率提高2.3倍。安順偉等[4]對痕量灌溉甜椒適宜施肥量的試驗探究發現痕量灌溉對水肥調控效應顯著，可在較常規施肥量減少25%時獲得甜椒優質高產。張紅軍等[5]對越橘的痕量灌溉試驗發現地下痕量灌溉控水頭抗堵性強，便于實現水肥一體化，在土表形成3～5 cm干土層可有效減少土壤水分蒸發，保證根系水分供應。上述研究表明痕量灌溉具有一定的水肥調控和節水增產效應，但并不絕對。王志平等[6]比較了畦灌、滴灌、痕量灌溉條件下溫室大桃的灌水量、產量和水分利用效率，發現不覆膜且痕灌管淺埋時大桃水分利用效率與滴灌相近且明顯高于畦灌，而經濟產量卻顯著低于滴灌、畦灌，但痕量灌溉用水量卻較滴灌、畦灌減少了23%、40%。周繼華等[7]就日光溫室低、高痕量灌溉對生菜生長影響的試驗研究表明：痕量灌溉對生菜植株生長無影響，以滴灌下生菜產量最高，但低、高痕量灌溉下生菜的水分利用效率卻比滴灌增加8.2～30.7 kg/m3，節水40.1%～63%。可見，痕量灌溉對作物生長和產量的影響目前并無確定性和一致性結論，但相比于畦灌和滴灌卻具有明顯的節水效益。

1.2.2 痕灌管埋深對作物生長和產量的影響

作物根系是土壤水分的直接吸收利用者，也是感知土壤水分變化的“傳感器”。當土壤水分脅迫時，作物根系首先感到并發出信號，使整個植株對水分脅迫做出反應，同時其根系形態結構、化學成分的數量和作物質量也發生相應變化，并影響地上部“葉光系統”的建成和產量[8]。痕量灌溉與滴、滲灌類似，也是將毛管淺埋于地下，其適宜埋深既要能使灌溉水借毛細管作用充分濕潤土壤計劃濕潤層[9]，又要避免耕作破壞管道，同時還要最大限度地減少深層滲漏，因此，探索適宜的痕灌管埋深對指導農業生產十分必要。目前主要是通過對比試驗研究痕灌管不同埋深對設施作物生長、產量和水分利用效率的影響。王志平等[6]對比研究了覆膜與不覆膜痕量灌溉對溫室大桃生長的影響，發現不覆膜且痕灌管埋深小于等于3 cm時土壤水分蒸發量大于供水量，不能滿足桃樹需水要求，并建議桃樹等淺根果樹以埋深30 cm且覆膜效益最佳。安順偉等[10]探究了痕灌管不同埋深對番茄生長的影響，發現當埋深30 cm時番茄株高莖粗表現最佳，產量和水分利用效率最高，并分別較表面覆土提高了15.2%、24%。楊明宇等[11]通過試驗研究發現痕灌管埋深增加有助于減少茄子耗水量和灌溉量，以埋深10 cm時產量和水分利用效率最高。劉學軍等[12]對葡萄的痕量灌溉試驗研究發現痕灌管長250 m范圍內灌水均勻度可達95%，埋深40 cm時濕潤范圍20～80 cm，并提出了葡萄生育期痕量灌溉制度。沈富、高艷明等[13,14]探究了痕灌管不同埋深對溫室沙培黃瓜、基質栽培西葫蘆生長及產量的影響，得到溫室沙培黃瓜和基質栽培西葫蘆的最適埋深分別為5、6 cm，并提出管道適宜埋深要與基質的理化性質、孔隙度、密度以及作物栽培情況相適應，同時建議對于瓜類等淺根作物管道應盡量淺埋。唐存士、師慶東[15]通過試驗研究發現披堿草的密度、高度和生物量均隨痕灌管埋深增加而增加，以混施保水劑、埋深25 cm時長勢最好。可見，痕量灌溉管道埋深對作物生長和水分利用效率影響較大，但并非埋深越大對作物生長就越有利，在上述試驗研究中，適宜埋深既要滿足作物各個生育期的需水要求，又要與土壤的水分入滲特性、環境溫度、濕度、水分供應等因素相匹配，因而其適宜埋深是作物屬性、土壤質地、氣候條件等多種因素綜合作用的結果。

2 微潤灌溉技術特點及研究進展

2.1 微潤灌溉技術特點

微潤灌溉技術又稱半透膜灌溉技術，是利用功能性半透膜作為灌溉輸水管，以膜內外水勢差和土壤吸力作為水分滲出和擴散動力，并根據作物需水要求，以緩慢出流的方式為作物根區輸送水分的地下微灌技術。它通過地埋的方式為作物供水，與滴灌相比，微潤灌溉技術具有節水效果明顯、有效減少地面蒸發、改善作物根區土壤環境、運行成本低、抗堵塞性能強等優點，適宜旱區作物的用水需求[16-18]。目前，微潤灌溉技術已在農林業、城市綠化等方面得到了應用，同時還為治理鹽堿地和沙漠化生態恢復提供了有效解決方案。

2.2 微潤灌溉技術應用與研究進展

2.2.1 微潤灌溉技術節水增產及微氣候調控效應

目前，壟作覆膜和溝灌是溫室種植條件下普遍采用的兩種灌溉方式，溝灌由于一次灌水量較多，蒸發量大，棚內濕度較高，土壤長期處于淹水條件下通氣性差，不但會導致真菌滋生，還不利于作物根系呼吸和還原物質的氧化。已有研究表明，微灌能顯著降低相對濕度，并提高氣溫和土溫，因此，研究微潤灌溉對溫室局地微氣候的調控及節水增產效應具有重要意義。于秀琴等[19]就溫室微潤灌對黃瓜生長和產量影響的試驗研究表明：微潤灌相比于溝灌可顯著提高棚內氣溫、土溫并保持空氣濕度相對穩定，并顯著促進黃瓜營養生長，全生育期較溝灌節水54.9%，水分利用效率提高1.3倍。諸麗妹、葛巖等[20]對蘋果樹的微潤灌溉試驗發現微潤灌對果樹各項生長指標具有顯著促進作用，且較溝灌節水28%、增產34.8%，果實品級亦有顯著提高。何玉琴等[21]就微潤灌對玉米生長影響的試驗研究發現微潤灌對玉米的產量構成具有促進和優化作用，并能顯著提高籽粒品質和水分利用效率。薛萬來等[17]就溫室微潤灌對番茄生長和水分利用效率影響的試驗研究表明：全生育期內微潤灌土壤水分動態變幅小于滴灌且比滴灌節水10%，番茄產量和水分利用效率均高于滴灌。陳天博等[22]基于主成分分析法，對日光溫室微潤灌溉番茄的產量、水分利用效率及VC品質進行綜合分析，得到了番茄的微潤灌溉制度。魏鎮華等[23]研究了交替微潤灌溉對番茄生長及產量的調控效應，發現與常規微潤灌相比，間隔2 d的交替控水微潤灌可明顯刺激番茄根系吸水的補償效應，增強根系吸收土壤水的能力，在穩產的前提下減少耗水量并提高水分利用效率。可見，相比于溝灌和滴灌，微潤灌溉能更高效的調控和利用土壤水、氣、熱，因而其節水增產效益更高。同時微潤灌對于溫室局地氣候有升溫和降低濕度的作用，能使土壤長期處于通氣性良好的非飽和狀態，這對于促進作物根系活動和生長發育，尤其是對于黃瓜等對氧氣要求嚴格的蔬菜而言，無疑具有明顯優勢。

2.2.2 微潤帶埋深和壓力對作物生長的影響

與痕量灌溉類似，微潤管(帶)不同埋深和壓力也會對作物生長產生影響。何玉琴等[21]研究了微潤帶不同埋深、間距和壓力對玉米生長和產量的影響，發現埋深和壓力對玉米產量和水分利用效率影響較大，以埋深18 cm、間距1管1行、壓力0.60 MPa時效益最佳。張子卓等[24]研究了微潤帶不同埋深和壓力對番茄生長的影響，得到定植94 d后，壓力水頭180 cm、埋深15 cm時番茄的水分利用效率和株高表現最優。田德龍、鄭和祥等[25]研究了微潤管不同埋深對向日葵生長的影響，發現埋深20 cm時向日葵長勢和產量最優，并以輕度水分虧缺處理時水分利用效率最高。可見，與痕量灌溉相比，雖然微潤灌溉也屬于微小流量灌溉，但由于其出水量可通過調整壓力水頭調節，并且埋深、壓力和間距能較好地同作物生理需水特性相匹配，因而在保水、控水、減少土壤水分蒸發和無效耗水等方面均優于痕量灌溉，并且在使用上也更加靈活。

2.2.3 微潤灌溉線源入滲特性試驗及數值模擬研究

(1)近年來，國內外學者對點源及線源濕潤體特性做了大量研究，但對微潤灌線源入滲特性的研究較少，為此，有學者做了試驗研究。張俊等[26]通過室內土箱試驗發現微潤灌濕潤體是以微潤帶為軸線的柱狀體，其橫剖面形狀由土質決定，并得出濕潤鋒垂向和水平運移距離均與灌水時間呈冪函數關系。牛文全等[27]研究了礦化度對微潤灌土壤水分入滲特性的影響，發現礦化水濕潤體體積大于清水濕潤體體積，礦化度增加了微潤灌土壤累計入滲量，但二者之間不是單調關系。張子卓等[28]研究了膜下微潤帶埋深對輕度鹽堿地土壤水鹽運移的影響，發現膜下微潤帶埋深對不同深度土層洗鹽效果影響顯著，以埋深15 cm時平均土壤含水率和脫鹽率最高。薛萬來等[16]通過室內土箱試驗發現微潤灌濕潤鋒運移距離與壓力水頭成正比，埋深對濕潤鋒運移影響不顯著。謝香文、祁世磊等[29]對地埋微潤管的入滲試驗發現地埋微潤灌濕潤鋒運移受重力作用影響較小，土壤含水率以管帶為中心呈同心圓分布。張俊、牛文全等[30]發現微潤灌入滲特性受土壤初始含水率影響較大，并得到土壤初始含水率與水分擴散系數呈指數遞增關系，與灌溉均勻系數成正比，與濕潤體內含水率梯度成反比的結論。湯英、杜歷等[31]開展了微型水庫和微潤圈入滲試驗，發現一個微型水庫可形成水平60 cm、縱向80 cm的濕潤體，微潤圈埋深20 cm時濕潤范圍為水平40 cm、縱向50 cm。李朝陽、夏建華等[32]對比研究了滴灌和低壓微潤灌的土壤水分分布特性，發現微潤灌供水狀態呈立體式分布，其濕潤深度較滴灌淺，主要濕潤區為5～30 cm土層，可滿足淺根作物的吸水要求。

(2)與此同時，也有學者對微潤灌土壤水分運移進行了模型和數值模擬研究。牛文全等[18]通過試驗研究發現壓力水頭決定微潤灌流量，埋深顯著影響濕潤體形狀，土壤累計入滲量與灌水時間符合Kostiakov入滲模型。薛萬來等[16]建立了包含土壤容重、水頭、初始含水率的濕潤鋒運移距離預測經驗模型，并通過試驗驗證其精度較高。張珂萌[33]通過數值模擬計算得出微潤灌的灌水均勻度大于滴灌，且隨灌水時間增加微潤灌的水分分布均勻度更高。陳高聽、郭鳳臺等[34]基于伽遼金有限元法，借助Hydrus 2D對微潤灌土壤水分運動二維Richards模型進行數值求解，其模擬結果與田間試驗結果高度吻合。可見，對微潤灌線源入滲特性的研究，目前主要是通過試驗和數值模擬相結合的方式，能在一定程度上為微潤管的田間布設及灌水技術要素的選取提供科學指導。

3 痕量灌溉和微潤灌溉技術參數對比分析

通過對痕量灌溉和微潤灌溉技術研究進展的分析，所提出的兩種技術參數對比情況見表1。

表1 痕量灌溉和微潤灌溉技術參數對比分析表

4 痕量灌溉和微潤灌溉技術存在的問題及發展趨勢

4.1 痕量灌溉技術存在的問題及發展趨勢

4.1.1 痕量灌溉技術存在的問題

(1)理論基礎存在質疑。張國祥等[35]對于“痕量灌溉是完全依靠毛細管力達到蓄水觸動式的自適應灌溉”這一論斷存在質疑。因為從理論上講，凹液面的存在是產生毛細管力和毛細管水的必需條件，一旦形成連續水流，凹液面和毛細管力將立即消失，因而毛細管水也不復存在，即毛細管水不是連續水流，因而保證痕量灌溉連續出流的力不是毛細管力。另外，只有在凹液面下的水飽和區內才可能出現毛細管現象，說明土壤-管內水勢差不是產生毛細管力的驅動力。張志新[36]認為“痕量灌溉超低流量供水”實現不了“與植物自然需水規律相匹配。”因此，應進一步研究痕量灌溉實現的理論基礎。

(2)試驗觀測時間較短。目前的試驗研究大都是基于一年甚至更短系列的觀測數據，觀測時間較短，結論有待進一步驗證。

4.1.2 痕量灌溉技術的發展趨勢

主要包括以下方面：①開展痕量灌溉多點源入滲規律的研究。②開展痕量灌溉土壤水鹽相互作用和水鹽運移規律的研究。③開展作物根區肥力運移機制及水肥相互作用的研究。④開展痕量灌溉作物需水量、節水增產效益和最優灌溉制度的研究。⑤開展痕量灌溉水、肥、氣、熱耦合效應及一體化調控的研究。⑥探索適合區域特點的痕量灌溉系統設計布置理論。⑦探究灌溉水泥沙量及粒徑對痕灌管出流的影響。

4.2 微潤灌溉技術存在的問題及發展趨勢

4.2.1 微潤灌溉技術存在的問題

主要體現在試驗模擬方面，包括以下幾點：①目前針對微潤灌線源入滲水分運移的研究僅停留在室內模擬階段，且都是針對均質土，與大田非均質土相比有一定差距。②已有的濕潤鋒運移距離預測模型涉及的土壤類型偏少，用于其他類型土壤時是否具有通用性還待進一步研究。③對于非均質土入滲規律的研究幾乎沒有。

4.2.2 微潤灌溉技術的發展趨勢

主要包括以下方面：①探索適合不同土質的微潤灌最優灌水技術要素組合。②開展微潤灌條件下作物需水量、節水增產效益和最優灌溉制度的研究。③探索作物根區肥力運移機制、水肥相互作用以及最優水肥調控方案。④開展微潤灌溉條件下水、肥、氣、熱耦合效應及一體化調控的研究。⑤含沙水對微潤管出流和抗堵性能的影響研究。目前，對灌溉水含沙量及粒徑對微潤管出流和抗堵性能的影響已有研究[37,38]，但對于不同初始含水率、壓力和埋深下含沙水對微潤管出流和抗堵性能的影響卻鮮有研究。應在今后探索微潤灌用含沙水非全流過濾模式，并研究初始含水率、壓力、埋深及含沙量對微潤管出流和抗堵性能的影響，并分析堵塞機理，以期為含沙水微灌提供參考。

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