河套灌區(qū)膜下滴灌研究進展

姬祥祥，張體彬，朱曉華，周 翔，毛 鑫，馮 浩，何建強

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100； 2. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100)

1 河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水發(fā)展現(xiàn)狀

河套灌區(qū)位于黃河上中游內(nèi)蒙古段北岸的沖積平原，東西長250 km，南北寬50 余km，總土地面積119 萬hm2，現(xiàn)引黃有效灌溉面積60.16 萬hm2，農(nóng)業(yè)人口100余萬，是亞洲最大的一首制灌區(qū)和全國三個特大型灌區(qū)之一[1]。河套灌區(qū)是黃河沖積平原，地勢平坦，土質(zhì)深厚，耕作性能良好，自古有“天下黃河、唯富一套”之美譽，已成為國家重要的商品糧油生產(chǎn)基地。河套灌區(qū)降雨量少，年降雨量在130～210 mm之間，蒸發(fā)量大，多年平均2400 mm左右，無霜期短，屬于溫帶大陸性干旱氣候，是典型的沒有灌溉就沒有農(nóng)業(yè)的地區(qū)。黃河流經(jīng)灌區(qū)南部邊緣345 km，引黃灌溉條件便利，多年平均引黃水量約51.8 億m3左右，其中93%用于農(nóng)業(yè)灌溉[2]。

作為國家重要的商品糧基地，受國家政策的拉動以及農(nóng)民增收意識驅(qū)動，近年來河套灌區(qū)灌溉面積呈逐年增加之勢，需水量增長態(tài)勢十分明顯。然而，由于國家對黃河水資源實行全流域統(tǒng)一管理，內(nèi)蒙古河套灌區(qū)的引黃指標(biāo)從過去的50余億m3減少至40億m3左右，加之長期大水漫灌且排水不暢的灌溉方式，造成灌區(qū)地下水位上升，且礦化度較高，土壤鹽漬化嚴(yán)重[3, 4]，灌區(qū)水資源供需矛盾日益尖銳，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)勢在必行。為此，21世紀(jì)以來，河套灌區(qū)采取了一系列的農(nóng)業(yè)節(jié)水措施，主要包括骨干渠道襯砌防滲工程措施；平整土地、減方縮塊、畦溝灌等田間節(jié)水措施；調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、減少秋澆面積、合理確定秋澆定額的秋澆灌溉制度改革措施；以及發(fā)展覆膜種植等節(jié)水高效的農(nóng)業(yè)管理措施等[5]。以上節(jié)水措施實施之后，每年引黃水量有所減少，平均為47.8 億m3，但與國家規(guī)定的引黃指標(biāo)相比，仍有較大差距[6]。因此，單獨依靠引黃水量已不能滿足灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求，而灌區(qū)地下水資源相對豐富，合理開發(fā)利用地下水資源，彌補地表水的不足，已成為補充灌溉用水、保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全的必然選擇。為此，針對優(yōu)化水資源配置、合理利用地下水，河套灌區(qū)近年來開展了大量的研究工作[7-9]，提出了地表水和地下水聯(lián)合運用的“井渠雙灌”制度，指出在一些合適區(qū)域，當(dāng)春夏季節(jié)黃河水量較少時，抽取地下水灌溉作物，滿足作物生長需水，同時控制地下水位上升，防止土壤次生鹽漬化，而當(dāng)秋季黃河水量較豐富時，采用引黃渠灌，洗鹽保墑，補充地下水資源。“井渠雙灌”灌溉方式可充分發(fā)揮地下水庫的調(diào)蓄功能，使作物得到及時灌溉、保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的同時，又可以以灌代排，防止土壤次生鹽漬化，節(jié)約地表水資源[10, 11]。

河套灌區(qū)地下水位多年平均埋深1.5 m左右，相對于華北、西北內(nèi)陸干旱地區(qū)，地下水資源豐富，補給來源廣，補給量大[12]。李繼超等人[13]研究也認(rèn)為灌區(qū)開發(fā)地下水是可行的，但要遵循“地表水-地下水-土壤水”三水轉(zhuǎn)化規(guī)律，以“以補定采、以渠保井、以井補渠”為原則，推行井、渠相結(jié)合的開發(fā)模式。楊路華等人[14]研究認(rèn)為灌區(qū)地下水利用要做到“三畝補給，一畝開采”，開采量以1 100～1 500 m3/hm2為宜。另外，武漢大學(xué)楊金忠教授等人[2]通過分析計算，指出河套灌區(qū)不同礦化度地下水可開采總量為16.6 億m3，地下水的總補給量為28.42 億m3。按照土地面積計算，地下水礦化度小于3 g/L、可實行“井渠雙灌”的土地面積有29.75 萬hm2，約占灌區(qū)總灌溉面積的52%，其中可實行“純井灌”的區(qū)域占1/4，亦有6.67 萬hm2以上。但目前這部分井灌區(qū)內(nèi)除部分沿山地帶，包括狼山山脈沖積扇一帶和部分低凹地采用井灌外，其余大部分地區(qū)均采用黃河水灌溉，這與當(dāng)前日益緊張的水資源供需矛盾極不相符。

以上分析表明，必須尋求一種科學(xué)合理的方式開采利用地下水資源，用以補灌作物、滿足作物生長所需水分，降低地下水位、防止土壤次生鹽漬化，同時也要防止過度開采，以免地下水位降至過低，形成漏斗，破壞地下水環(huán)境[15]。因此，采取何種灌溉方式來科學(xué)合理地利用地下水資源，是河套灌區(qū)發(fā)展“井渠雙灌”要考慮的首要問題，這也為膜下滴灌技術(shù)的引入提供了可能。

2 膜下滴灌技術(shù)與灌溉制度制定

覆膜種植技術(shù)具有增溫、減蒸，保持土壤水分和抑制鹽分向土表運移的作用，而滴灌是一種小流量、高頻率和長時間的局部灌溉方式，可以減少深層滲漏，實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)肥、增產(chǎn)[16]。膜下滴灌是將覆膜種植技術(shù)和滴灌節(jié)水灌溉技術(shù)結(jié)合起來的一種新型農(nóng)業(yè)技術(shù)，同時具有節(jié)水、抑鹽、增溫等獨特優(yōu)勢，開辟了農(nóng)業(yè)節(jié)水、鹽堿地治理和次生鹽堿化防治的新方法和新思路，在中國西北干旱地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用[17]。已有研究指出，采用大面積膜下滴灌能夠顯著降低內(nèi)陸干旱灌區(qū)地下水位，防止灌區(qū)地下水位抬升引起土壤次生鹽漬化的發(fā)生[18]。特別是對于地下水礦化度較高的區(qū)域，膜下滴灌更是此類(微)咸水最佳的利用方式。還有研究指出，只要灌溉制度合理，微咸水灌溉不但不會引起作物減產(chǎn)，還會因咸水入滲效果好、微量元素含量高等作用，具有一定的增產(chǎn)效果[19]。膜下滴灌的技術(shù)優(yōu)勢及其在其他地區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水、鹽堿地治理、鹽漬化防治及地下咸水利用方面取得的成效及研究進展，前人已做過較為詳細(xì)的綜述[17, 20-23]。

關(guān)于膜下滴灌灌溉制度的制定方法，主要有根據(jù)土壤水分適宜下限值制定、根據(jù)作物需水量制定，以及根據(jù)土壤基質(zhì)勢制定等幾種，下面進行簡要介紹。

(1)根據(jù)土壤水分適宜下限值制定。土壤水分適宜下限值亦稱灌水始點，是指適宜于作物生育的最低土壤水分限量，是指示灌水的重要指標(biāo)之一。它決定著作物灌水的開始時間和灌水次數(shù)，也影響灌水量的確定，對制定作物的灌溉制度具有重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。蔡煥杰等[24]、馮海萍等[25]、龔雪文等[26]、何雨江等[27]通過設(shè)置不同的水分控制下限處理，探究并制定了包括番茄、甜瓜以及棉花等不同作物采用膜下滴灌的灌溉制度，效果良好。高龍等[28]研究結(jié)果指出在膜下滴灌條件下灌水定額相同時，灌水間隔過大和過小分別會造成相對不利的水分條件和鹽分條件，導(dǎo)致棉花生長受到脅迫而減產(chǎn)。灌水間隔相同時，灌溉定額越大，主根區(qū)土壤含水率越高，棉花產(chǎn)量越高，但同時灌溉水生產(chǎn)效率越低。

(2)根據(jù)作物需水量制定。作物需水量是科學(xué)制定不同地區(qū)灌溉用水定額的依據(jù)[29]。鄭建華等[30]采用不同控水系數(shù)的方法，即以0.4～1.0倍的作物需水量(ETc)分別在洋蔥苗期、發(fā)葉期、鱗莖膨大期和成熟期來指導(dǎo)膜下滴灌灌溉，并尋求了優(yōu)化的灌溉制度。宇宙[31]利用大田試驗和氣象資料、確定了試驗區(qū)充分灌水條件下覆膜滴灌玉米作物系數(shù)(Kc)，并利用玉米作物系數(shù)公式與11個氣象站點數(shù)據(jù)所得整個赤峰市ET0，從而計算出赤峰市ETc，最后還采用農(nóng)田水量平衡公式計算出赤峰市不同降雨年型覆膜滴灌玉米灌溉水量，利用空間插值法分析其空間分布情況并推薦出合理灌溉制度。

(3)根據(jù)土壤基質(zhì)勢制定。土壤基質(zhì)勢能夠擺脫土壤類型、耕作施肥、鹽分含量等因素對土壤水分有效性的影響，直接衡量土壤基質(zhì)對水分的吸納能力，反映土壤水分對作物的有效供給狀況。通過監(jiān)測土壤水勢，可以直接制定作物灌溉計劃，該方法較其他方法更加方便、簡單[32, 33]。近年來，多位學(xué)者通過控制滴頭下土壤水基質(zhì)勢下限，制定了多種作物的滴灌灌溉制度[34-37]，并結(jié)合膜下滴灌、壟作、咸水灌溉等多種農(nóng)藝措施，在我國新疆內(nèi)陸、寧夏平原、松嫩平原等多個區(qū)域、多種類型的鹽堿地上，實現(xiàn)了對根區(qū)土壤水鹽環(huán)境的調(diào)控和作物的種植[38-41]，取得了顯著的效果。

3 膜下滴灌技術(shù)在河套灌區(qū)的研究現(xiàn)狀

由于歷史上河套灌區(qū)地表水資源一直相對豐富，造成當(dāng)?shù)剞r(nóng)民節(jié)水意識普遍較差，同時黃河水含沙量較高，平均5.56 kg/m3，不適于噴灌、滴灌等灌水方式[42]。雖然灌區(qū)內(nèi)湖泊分布范圍廣，地下水資源也較豐富，可作為膜下滴灌良好的水源[43]，但是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民長期以來習(xí)慣以黃河水進行大水漫灌澆灌農(nóng)田，湖泊水及地下水資源一直沒有被充分關(guān)注和利用，所以膜下滴灌技術(shù)在河套灌區(qū)研究和應(yīng)用一直較少。直到最近幾年由于引黃配額的縮減，地下水等其他可開發(fā)利用水資源逐漸受到重視，才有學(xué)者逐步開展了一些研究工作。

最初，王敬安等[44]通過設(shè)置番茄膜下滴灌與大田漫灌對比試驗，探討了番茄膜下滴灌節(jié)水、增產(chǎn)效果及其生產(chǎn)實踐意義。葉志勇等[45]通過設(shè)計9個不同灌溉定額和滴水次數(shù)的水分處理，探討了膜下滴灌對加工型番茄產(chǎn)量的影響，給出了試驗區(qū)加工型番茄最佳的膜下滴灌灌溉制度。隨后人們對于膜下滴灌的研究工作逐漸擴展到玉米、葵花等大田作物。韓翠蓮等[46]通過與普通灌溉進行對比分析，指出玉米膜下滴灌種植能實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水、增產(chǎn)、增效，值得在河套灌區(qū)推廣，并給出了詳細(xì)的玉米膜下滴灌栽培技術(shù)流程，對推廣玉米膜下滴灌栽培技術(shù)，起到了積極的作用。杜斌和屈忠義等[47]依據(jù)大田試驗，通過Penman-Monteith公式和水量平衡法對膜下滴灌作物系數(shù)進行修正，以期研究膜下滴灌灌溉制度。結(jié)果表明，膜下滴灌玉米、葵花耗水量分別為445和340 mm，較傳統(tǒng)灌溉分別節(jié)水12.7%和4.5%，此結(jié)果為河套灌區(qū)大田作物膜下滴灌灌溉制度的制定提供了理論依據(jù)。另外，考慮到當(dāng)前河套灌區(qū)栽培習(xí)慣，龔雪文等[48, 49]于2011-2013年將膜下滴灌與套種栽培結(jié)合起來，研究了膜下滴灌條件下套種農(nóng)田土壤水熱遷移規(guī)律，指出套種膜下滴灌條件下，農(nóng)田合適的土壤水分狀況有利于根區(qū)良好水熱環(huán)境的形成，從而更有利于作物的生長。研究結(jié)果對于套種和膜下滴灌耦合作用下土壤水熱遷移理論的發(fā)展具有一定的推動作用，并為套種栽培和膜下滴灌在河套灌區(qū)的推廣和節(jié)水高效栽培體系的建立提供參考。

以上分析表明，關(guān)于膜下滴灌在河套灌區(qū)的研究對象，逐步從最開始的番茄等蔬菜作物，發(fā)展至玉米、葵花等大田作物；研究內(nèi)容也逐步由單純的膜下滴灌和傳統(tǒng)灌溉的對比試驗研究，發(fā)展至膜下滴灌土壤水熱遷移規(guī)律、作物耗水規(guī)律及膜下滴灌灌溉制度的制定等方面，并逐步考慮當(dāng)?shù)卦耘嗔?xí)慣，尋求與膜下滴灌配套適宜的栽培技術(shù)。但總體看來，膜下滴灌在河套灌區(qū)的研究工作尚處于起步階段，很多研究內(nèi)容還有待于進一步細(xì)化和深入探討。

4 河套灌區(qū)膜下滴灌下一步研究重點

相對于西北其他旱區(qū)或華北地區(qū)，河套地區(qū)地下水資源相對豐富，且易于開采。隨著近年來黃河來水量的衰減，灌區(qū)配水額度不斷減少，為保證灌溉用水需求，各地積極開發(fā)地下水資源進行井渠雙灌，如2003年灌區(qū)就現(xiàn)打抗旱應(yīng)急水源井20 855眼，這無疑為膜下滴灌的應(yīng)用創(chuàng)造了條件[45]。同時，隨著水資源的日益短缺，小麥、玉米等高耗水作物在河套灌區(qū)的種植面積明顯減小。如2000年，河套灌區(qū)小麥種植面積達24.68 萬hm2，占灌區(qū)總灌溉面積的44%，而目前小麥種植面積僅為8.004 萬hm2左右，與此同時葵花、瓜果等低耗水、耐鹽堿的經(jīng)濟作物種植面積逐年增加[1]，這為推廣投資成本相對較高但節(jié)水效果明顯的膜下滴灌技術(shù)提供了可能。另外，隨著農(nóng)民素質(zhì)的提高和經(jīng)濟收入的增加，節(jié)水意識和集資打井的積極性增強，相對于以前更易于接受膜下滴灌這類節(jié)水灌溉新技術(shù)。因此，膜下滴灌在河套灌區(qū)具有較好的應(yīng)用前景，可為灌區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮積極作用。結(jié)合研究現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為河套灌區(qū)膜下滴灌下一步的研究重點應(yīng)包括以下幾個方面。

(1)膜下滴灌土壤水熱鹽耦合遷移機制和調(diào)控方法。了解土壤水熱鹽運移規(guī)律，是制定相應(yīng)灌溉制度的基礎(chǔ)。因此，應(yīng)針對河套灌區(qū)不同區(qū)域、不同地下水環(huán)境，重點研究利用地下水膜下滴灌條件下，土壤水熱鹽運移規(guī)律和耦合機制，并結(jié)合引黃秋澆灌溉措施，分析典型區(qū)域地下水與SPAC(Soil-Plant-Atmosphere Continuum)系統(tǒng)之間鹽分周年平衡問題，結(jié)合其他農(nóng)藝措施，尋求河套灌區(qū)膜下滴灌土壤水熱鹽綜合調(diào)控方法。

(2)膜下滴灌作物耗水規(guī)律及灌溉制度制定。膜下滴灌技術(shù)在某個地區(qū)得以推廣的前提條件，就是要建立一套科學(xué)、合理且又易于農(nóng)民掌握、實用的灌溉制度。應(yīng)著重研究膜下滴灌條件下，不同作物、不同生育時期的耗水規(guī)律，探討膜下滴灌作物的節(jié)水機理，確定不同作物膜下滴灌灌水定額、灌水時期、灌水次數(shù)和滴頭流量等技術(shù)參數(shù)，制定相應(yīng)的膜下滴灌灌溉制度，同時考慮控制適宜的地下水埋深，維持地下含水層水量平衡[10]。

(3)地下(微)咸水資源的利用。河套灌區(qū)淺層含水層廣泛分布的多為咸水或微咸水，地下水礦化度大于2 g/L的面積占50%以上[50]。合理開發(fā)利用地下(微)咸水資源，以緩解地表淡水資源的缺乏，已在我國西北內(nèi)陸旱區(qū)、華北等多個地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用[51]。目前河套灌區(qū)(微)咸水灌溉制度、地下水礦化度對作物生長的影響、以及微咸水膜下滴灌土壤水鹽分布、運移規(guī)律和配套措施等許多問題，均有待深入、系統(tǒng)地研究。

(4)膜下滴灌區(qū)域農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整。膜下滴灌技術(shù)的實施，必須有配套的灌溉首部系統(tǒng)、各級管網(wǎng)布置等工程投入，相對于引黃渠灌投入成本較高，因此其更適用于經(jīng)濟價值更高的經(jīng)濟作物。這就需要對擬推廣區(qū)域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進行重新布置和調(diào)整。其此過程中，必須充分調(diào)研當(dāng)?shù)亟?jīng)濟水平和長期農(nóng)業(yè)生產(chǎn)習(xí)慣等外界條件，以及土壤條件、地下水埋深及礦化度水平等自然因素，進行綜合考慮，科學(xué)布局。

(5)地下水資源的承載力變化和合理配置。就整個區(qū)域而言，研究河套灌區(qū)地下水資源的承載力大小，分析其隨著膜下滴灌技術(shù)的推廣將如何變化，以及如何合理利用和配置地下水和地表水資源，以滿足上述既保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)又控制地下水位合理埋深的要求，將是在河套灌區(qū)推行“井渠雙灌”和膜下滴灌要研究的內(nèi)容。

(6)基于先進技術(shù)手段的栽培技術(shù)體系和生態(tài)效益研究。應(yīng)進行針對不同作物、與膜下滴灌相結(jié)合的其他配套農(nóng)藝措施，如壟作、套種、水肥一體化等栽培技術(shù)體系的研究，以及采用膜下滴灌等農(nóng)業(yè)節(jié)水措施后，農(nóng)田氣候條件和周邊環(huán)境的變化及其應(yīng)對措施等宏觀生態(tài)效益的研究等。特別需要指出的是，以上研究工作的開展要注意采用一些先進的研究技術(shù)手段，比如數(shù)學(xué)模型、遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、同位素示蹤技術(shù)等。其中模型模擬已經(jīng)成為研究膜下滴灌條件下土壤水鹽運移與灌溉管理措施制定和評估的一個重要手段[52]。相對田間試驗觀測，數(shù)值模擬的人力、物力及時間成本較低，且可通過設(shè)置不同情境進行分析比較[53]。具體到河套灌區(qū)膜下滴灌的研究工作，可以用到土壤水鹽運移模型、根系吸水模型、水文生態(tài)模型、作物生長模型、生物地球化學(xué)模型等多種模型。因此，數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用在研究河套灌區(qū)膜下滴灌土壤水鹽動態(tài)和灌溉制度的制定上有著重要的科學(xué)指導(dǎo)意義，可為模擬和預(yù)測整個區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)工具。

總之，膜下滴灌技術(shù)在河套灌區(qū)的研究和推廣是一項巨大的系統(tǒng)工程，只有先通過建立典型試區(qū)，針對不同膜下滴灌灌溉制度，以及與不同農(nóng)藝措施結(jié)合的配套模式，從土壤、作物、灌水量、水質(zhì)、經(jīng)濟效益、生態(tài)環(huán)境等多方面進行系統(tǒng)研究，同時注意培養(yǎng)農(nóng)民節(jié)水意識和加強用水管理體制，才可使膜下滴灌技術(shù)在河套灌區(qū)的農(nóng)業(yè)節(jié)水和可持續(xù)發(fā)展上發(fā)揮更為積極的作用。