廣西“雙高”糖料蔗基地高效節水灌溉技術應用實踐

姚 瑤，阮清波

（廣西水利科學研究院 廣西水工程材料與結構重點實驗室，南寧 530023）

0 引言

糖料蔗生產作為廣西農業生產的優勢特色產業，現已發展成為廣西經濟的支柱產業和農民增收的重要載體。2005年以來，其甘蔗種植面積和產糖量均占全國總產量的60%以上[1～3]，其中有33個縣（市、區）被國家農業部列為糖料蔗優勢區域和國家重點“雙高”糖料蔗基地[4，5]。另外，糖料蔗生產年均貢獻30多億元稅收，對促進廣西經濟社會發展、推動脫貧攻堅、保障民生具有重要作用[6]。

然而，糖料蔗總產的增加仍過多地依靠種植面積的擴大來取得，農村基礎設施薄弱，存在很多問題。一是水利化程度低。70%以上蔗地沒有灌溉條件，70%以上的年份受到秋旱的影響[7]；二是蔗區道路等級低，路網不健全。部分蔗區自然屯較為分散，土地零星小塊，多為旱地、山坡地，蔗區運距較遠、路況較差[8]。因此，對于在廣西全區占有重要地位的糖料蔗生產而言，節水灌溉是生產過程中增加產量和節約用水的有效方法和必然選擇[9]。由于蔗區大部分分布在丘陵坡地上，傳統渠道灌溉難以適用，需要大規模發展高效節水灌溉[10，11]。通過這種方式，糖料蔗畝均產量可提高2～3 t，不僅能促進農民增產增收，還能推進農業現代化發展，做強做大做優廣西蔗糖產業，保障廣西工業及國民經濟快速發展[12，13]。

為避免蔗糖產業依賴國際市場的風險，確保國家食糖安全[14]，廣西壯族自治區黨委政府于2013年提出到2020年前建成500萬畝“經營規模化、種植良種化、耕作機械化、水利現代化”的優質高產高糖（簡稱“雙高”）糖料蔗基地任務，并于2014年初開始50萬畝試點建設。

本文以“雙高”基地高效節水灌溉建設項目為依托，總結多年節水灌溉實踐的經驗和教訓，提出了在高效節水灌溉條件下糖料蔗“潤、濕、透、干”的科學灌溉方案和滿足山丘坡地灌水均勻性要求的“分區調控、小水慢灌”的技術控制模式，為廣西糖料蔗產業的可持續發展及山丘坡地灌水制度的優化選擇提供科學依據和技術支持。

1 廣西蔗區分布及現狀

1.1 蔗區分布

廣西糖料蔗種植高峰時涉及94個縣（市、區），總種植面積達1650萬畝，目前糖料蔗種植面積為1 548.91萬畝，涉及14個地級市的74個縣（市、區）、168.12萬農戶、752.55萬蔗農（勞動力）。糖料蔗區主要集中分布于來賓、南寧、柳州、崇左等桂中旱片和左江旱片，其中，興賓區、江州區、扶綏縣3個縣（區）糖料蔗種植面積均超過100萬畝，原料蔗產量均超過500萬t。

1.2 發展現狀與不足

（1）種植片區碎片化。在1 548.91萬畝糖料蔗區中，種植面積在300畝以上的片區共有1 034.08萬畝，種植面積在300畝以下的片區為514.83萬畝，戶均糖料蔗種植面積9.21畝。其中單戶擁有蔗地50畝以上的農戶僅有3.12萬戶，蔗區面積共161.99萬畝，約為總蔗區面積的10%。勞動力人均占有糖料蔗區面積僅2.06畝，一家一戶分散經營種植是當前廣西糖料蔗區生產的主要特點。

（2）土壤保水保肥能力差。廣西糖料蔗區屬砂土的蔗區面積為335.26萬畝，屬壤土的蔗區面積為735.45萬畝，屬粘土的蔗區面積328.45萬畝，屬土層較薄的巖溶地面積為149.75萬畝，屬砂、壤土的蔗區面積總為1 070.71萬畝、約占蔗區總面積的70%。蔗區土壤pH值為5.0～5.5之間，有機質含量中等偏低，有效磷、有效鉀缺乏，多數土壤母質含鉀量偏低，土壤淋溶強烈。

（3）山丘坡地灌溉難。廣西糖料蔗區耕地坡度在15°以下的共有857.05萬畝，在15°以上的為691.86萬畝，大部分糖料蔗種植在旱坡地、低山丘陵區，傳統的渠道灌溉對地形地貌起伏變化適應性差，工程建設投資大、運行管理成本高，導致水利灌溉設施建設嚴重滯后，目前建有灌溉設施的蔗區面積僅占總種植面積的6.36%。

（4）機械化程度低。由于種植片區碎片化，條塊分割，一家一戶的經營方式使甘蔗種植具有相當的隨意性，不能有效進行統一連片種植，致使耕作、砍收機械無法作業或作業效率低下，高效節水灌溉優勢不能有效發揮，影響了高效節水灌溉和全程機械化作業的推進進程。

2 節水灌溉工程建設與技術發展

2.1 工程建設標準

廣西于2013年7月決定開展“經營規模化、種植良種化、耕作機械化、水利現代化”的“雙高”糖料蔗基地建設，并于2014年初正式開始實施，為適應山丘坡地規模化糖料蔗高效節水灌溉建設需要，自治區水利廳及時組織相關單位和技術人員配合自治區“雙高”辦制定“雙高”糖料蔗基地水利現代化（高效節水灌溉）建設標準和系統布置要求，并出臺了《糖料蔗高效節水灌溉工程設計導則》廣西地方標準。主要應用有以下幾點：

（1）灌水方式選擇。滴灌、噴灌等田間灌溉工程和水肥一體化建設須與“雙高”基地經營主體管護能力相適應，如通過土地流轉由制糖企業、專業種植公司等統一經營管理的蔗區，可選擇微灌、噴灌，實現水肥、水藥一體化；分散農戶獨自管理的蔗區，宜采用管灌或半固定式噴灌方式，如需利用管道輸水結合施肥、噴藥，可在給水栓后接軟管澆灌。

（2）工程輸配系統劃分。輸水系統和配水系統宜分開布置，有條件修建高位水池的盡量采用高位水池方式輸水，分區分壓設置調蓄水池，將工程分為輸水、配水兩個相對獨立的系統；當調蓄水池為完全調節時，其容積應滿足系統作物一次關鍵灌水的要求；無調蓄作用的水池，其有效容積取2～4 h的用水量。

（3）田間灌溉系統。灌溉面積較大的蔗區宜劃分為多個片區，每個片區作為一個灌溉控制系統，由一個田間首部控制，每個灌溉控制系統控制的灌溉面積宜控制在65～130 hm2；每個灌溉控制系統按“分區—單元系統—灌水小區”3個層次進行規劃，每個分區再分為數個單元系統，單元系統分為數個灌水小區，每個灌水小區由閥門控制，為輪灌控制的最小單元。①微灌、噴灌手動控制時，一個灌水小區控制的面積宜為1.5～2.0 hm2；單口給水栓灌溉面積宜為0.25～0.60 hm2；②管灌應達到190～250 m/hm2，固定式噴灌應達到300～450 m/hm2，滴灌、微噴灌應達到100～150 m/hm2。

（4）灌水器的選擇。一般滴頭宜選用間距為0.3～0.4 m、滴頭流量小于2.8 L/h；滴灌管（帶）的設計水頭宜為5～10 m、微噴管（帶）的設計水壓宜為10～15 m；噴灌中壓噴頭出水水壓宜為20～50 m；管灌給水栓出水水壓宜為5～10 m，出水口管徑規格宜在90 mm以內。

（5）閥門的布置與選擇。支管以上各級管道的首端宜設控制閥，在干、支管的末端應設沖洗排水閥，地埋滴灌的支管控制閥后應設置真空破壞閥，在管道起伏的高處、順坡管道上端閥門的下游、逆止閥的上游，均應設進、排氣閥；對于自動灌溉系統應在支管進口處安裝電磁閥；在地埋管道的閥門處應設閥門井。

2.2 灌溉制度探索

2.2.1 蔗區水分運移規律及灌水指標

（1）在滴灌條件下，不同類型土壤濕潤體形狀和水分分布差異明顯，其中：黏土、粉質粘土寬深比大于1，土壤水分集聚在上部土層，生育初期徑向濕潤距離約為20 cm，生育旺盛期徑向濕潤距離約為30 cm；粉沙質粘壤土、壤質砂土寬深比在0.6～0.8，生育初期徑向濕潤距離約為15 cm，生育旺盛期徑向濕潤距離約為25 cm；地埋滴灌條件下滴灌帶適宜埋深為20 cm；利用這些特征數據指導日常灌水管理。廣西糖料蔗區推薦使用滴頭流量為1.36 L/h及以下、滴頭間距為30 cm的滴灌帶，黏土、粉質黏土、粉沙質黏壤土和壤質砂土蔗區，地表滴灌生育初期適宜的畝均灌水量約為6.71、5.67、5.50、4.79 m3/畝，生長旺盛期適宜的畝均灌水量約為12.46、10.39、8.50、6.71 m3/畝。

（2）在噴灌、微噴灌等面源灌溉條件下，黏土、粉質黏土、粉砂質黏壤土、壤質砂土等糖料蔗區，糖料蔗生育初期適宜的灌水量分別推薦使用13.3、11.0、10.0、8.0 m3/畝，生長旺盛期適宜的灌水量分別推薦使用20.0、16.7、15.0、13.3 m3/畝。對坡耕地蔗區，地面坡度5°～8°時推薦適宜灌水強度為9～16 mm/h，地面坡度9°～12°時推薦適宜灌水強度為7～12 mm/h，地面坡度13°～15°時推薦適宜灌水強度為6～10 mm/h，黏性較強的土壤取下限，黏性較弱的土壤取上限。

2.2.2 灌溉模式研究

（1）需水量及需水規律研究表明：①廣西糖料蔗主產區糖料蔗生長的需水量在900～1400 mm之間，其中，萌芽、幼苗期占10%～14%，分蘗期占14%～24%，伸長期占53%～63%，成熟期占9%～13%；②糖料蔗灌溉屬補充灌溉，濕潤年補充灌溉定額在180～260 mm之間，平水年在340～580 mm之間，枯水年在660～760 mm之間；③糖料蔗需水量，在生長前、后期兩頭較低、中間伸長期較高，整體上呈“單峰”曲線的趨勢變化；④糖料蔗需水系數在89～116之間，水分生產率在8.6～11.2 kg/m3之間；⑤針對廣西糖料蔗區，不同灌溉方式的灌溉定額推薦采用：滴灌約150 m3/畝，微噴灌、小管出流約250 m3/畝，溝灌400～600 m3/畝。

（2）“潤、濕、透、干”糖料蔗科學灌溉模式是指：①在萌芽期和幼苗期，要求土壤保持“潤濕”的狀態，土壤含水量占田間持水量60%-70%，濕潤層深度保持在20～25 cm，保證糖料蔗種苗萌發；②在分蘗期，蔗田尚未完全封行，土壤表面蒸發量大，土壤干旱會抑制分蘗，要求土壤保持“濕潤”的狀態，土壤含水量占田間持水量70%-80%，濕潤層深度保持在25～30 cm，畝有效苗數達到6000～7000株；③ 在伸長期，葉面蒸騰量、根系吸收能力等均達到最大，要求土壤保持“濕透”的狀態，土壤含水量占田間持水量80%～85%，濕潤層深度保持在35～40 cm，保證蔗株伸長和增粗；④在成熟期，水分需求減弱，要求土壤保持較低水分狀態，土壤含水量占田間持水量55%～65%，濕潤層深度保持在25～30 cm；⑤滴灌灌溉全生長期適宜灌水9～14次，其中在萌芽期和幼苗期灌水1～2次，每次灌水3～5 m3/畝，在分蘗期灌水2～3次，每次灌水4～6 m3/畝，在伸長期灌水4～6次，每次灌水6～8 m3/畝，在成熟期灌水1～2次，每次灌水2～4 m3/畝，砍收后一周灌水1次，灌水2～4 m3/畝，以促進宿根蔗芽次年萌發。

2.3 管網布控技術

基于全程機械化的生產要求和山丘坡地糖料蔗高效節水灌溉管網布置起伏較大的特點，實踐中提出了與不同坡度條件下滿足全程機械化和“寬窄行”種植要求的滴灌、噴灌等灌溉方式相適宜的管網布控技術，相應配套支管調壓裝置、有利于機械化耕作的地埋滴灌系統和地埋滴灌系統調壓防堵裝置，為保障山丘坡地蔗區灌水均勻性提供技術支撐。

（1）為契合全程機械化生產要求，滴灌帶鋪設長度可達到100～120 m，鋪設坡度采用順坡坡比為0.01～0.03。

（2）為滿足灌水均勻性要求，要同時合理控制支管長度和管徑：①當支管鋪設坡度小于5°時，支管長度為80～100 m；②當支管鋪設坡度為5°～7.5°時，支管長度為100～60 m之間按照坡度內插確定；③當支管鋪設坡度為7.5°～10°時，支管長度為60～26 m之間按照坡度內插確定，并按照管道流速不超過3.0 m/s選定支管管徑；④當支管鋪設坡度大于10°時，則需采用壓力補償式滴灌帶或開發新型調壓設施設備才能確保支管的鋪設長度超過25 m。

（3）根據噴灌田間管網布設受耕地坡度的影響研究，提出坡耕地噴頭布設模式：①當耕地坡度為0°～5°時，宜選擇PY30、PY40、PY50及類似性能的噴頭，噴頭間距系數宜為1.0左右；②當耕地坡度為5°～10°時，宜選擇PY40、PY50及類似性能的噴頭，噴頭間距系數宜為0.81～0.85；③當耕地坡度超過10°時，雖然噴頭間距滿足機械化的要求，但是噴灌強度較大，應進行坡改梯。

（4）研發應用支管壓力調節裝置、有利于機械化耕作的地埋滴灌系統和地埋滴灌系統調壓防堵裝置。

2.3.1 丘坡地支管調壓裝置

該裝置通過改變管道水力條件造成的局部水頭損失，消減地形坡度引起的支管壓力升高，確保支管壓力均勻分布，實現山丘坡地滴灌系統支管壓力調節的目的，該裝置的結構見圖1所示。

圖1 山丘坡地支管調壓裝置構造示意圖

實踐證明，按照目前田間管網單元通用的布設模式，順坡坡度10°時，在支管適宜的位置安裝支管調壓裝置，能將支管內的水頭壓力控制在適合的范圍內（見圖2），滿足支管調壓要求，且裝置日常維護簡單。

圖2 坡度為10°調壓后田間管網壓力水頭變化情況

2.3.2 有利機械化耕作的地埋滴灌系統

地埋滴灌田間灌水單元一般由田間首部、支管、滴灌管、排污管構成。該系統主要是采用供水支管替代傳統排污管，從傳統一條供水支管、兩邊分別布設一條排污管的形式，改變成由三條供水支管向兩組滴灌管供水，滴灌管的首尾兩端均與供水支管相連（見圖3）。同時在輸水干管與輸配水管網連接處附近旁接快速釋壓閥和回水管道，將輸配水管網入口安全允許壓力值，設定為快速釋壓閥泄壓閥值，保護管網安全。

圖3 田間灌水單元供水支管、滴灌帶布設模式示意圖

該系統在保證灌水均勻度和不增加工程投資的基礎上，將滴灌管的長度增加一倍，即滴灌管長度可從100 m左右提高到200 m左右，田間灌水單元沿滴灌管方向的長度從200 m左右提高到400 m左右，滴灌帶壓力分布情況見圖4，大幅減少機械耕作時調頭次數和調整作業狀態的頻次，比傳統布置更利于機械化耕作。

圖4 田間灌水單元滴灌帶壓力分布情況

山丘坡地支管調壓裝置12種標準型號見表1。

表1 支管調壓裝置12種標準型號

2.3.3 地埋滴灌系統調壓防堵裝置

該裝置主要包括安全調壓組件及防堵塞組件，從干管分出的支管裝設球閥和蝶閥，兩閥前、后各設一個空氣閥（見圖5）。蝶閥是為了進行調壓，蝶閥的開閉度根據支管所在地的壓力來確定，一旦調整到合理的程度，保持不變；球閥用來控制支管的灌溉與停止。閥門前的空氣閥負責排除前面的空氣，閥門后的空氣閥負責補充停止灌溉后支管和滴灌管的真空，防止滴灌管內吸收細小顆粒堵塞滴孔；滴灌管末端連接到沖洗管上，將該支管上所有的滴灌管連接成一個整體，有助于該整體平衡壓力，提高灌水均勻性。該裝置調壓效果明顯，價格便宜，適合山丘區大規模推廣，且對防止滴灌帶倒吸細小顆粒進入滴孔有良好的效果。

圖5 調壓防堵裝置示意圖

2.4 輔助控制技術

為滿足糖料蔗區高效節水灌溉管理多樣化的需求，先后研發并推廣應用具有過濾功能的前池或高位水池、旋流噴射式施肥池、噴灌豎管快速裝拆連接裝置、分布式灌溉施肥裝置、簡易灌溉給水栓、多功能光伏噴灌施肥（藥）移動裝置等輔助控制技術設備和設施，方便群眾推廣應用高效節水灌溉。

2.4.1 具有過濾功能的前池或高位水池

山丘坡地糖料蔗區高效節水灌溉系統輸水管網與田間配水管網一般通過高位水池分隔，在該水池內設置過濾池（見圖6和圖7），通過初步過濾，能明顯減輕過濾系統的負荷、延長過濾設備的使用壽命。

噴灌、微噴灌采用鵝卵石濾料組合（4～8 mm、8～16 mm各占50%），滴灌采用鵝卵石+石英砂濾料組合（0.5～1.0 mm粒徑石英砂、2～4 mm粒徑鵝卵石各占50%），可基本滿足過濾要求。一般500畝蔗區分為10個輪灌組，每個輪灌組50畝，根據過濾速率及過濾效果，推薦噴灌工程選用過濾墻面積為6.23 m2，微噴灌工程選用過濾墻面積為6.00 m2，滴灌工程選用過濾墻面積為6.40 m2，各灌溉方式的過濾組合見表2。

圖6 過濾裝置平面示意圖

圖7 過濾裝置剖面示意圖

表2 過濾組合選型

2.4.2 旋流噴射式施肥池

該裝置是基于充分利用首部樞紐加壓水泵的壓力，把水從管道的小孔中噴射而出，形成較強的旋流，加快肥料的溶解，提高施肥效率。該施肥池由進水溶肥池、過濾網和過濾池組成；池體由水泥磚砌筑而成，底部現澆砼；過濾網采用80目的濾網；噴射攪拌管采用DN50的PVC-U管制作成回型噴射管，采用打孔機在管道上打孔，將其安裝在進水溶肥池內，并與系統進水管連接；過濾池與系統的出水管相連接，并安裝有施肥泵和疊片過濾器，施肥泵優先選用不銹鋼的管道泵，其揚程要比系統的加壓泵大5 m以上，確保水肥溶液注入灌溉系統（見圖8）。

回型噴射管的管徑、噴射孔的孔徑和噴射角對旋流效率影響較大，實踐證明：①采用噴射孔越小，水流速度越快，產生的旋流越急，溶解效率越高；②采用DN50的PVC-U管，既能保持壓力，又方便打孔；③噴射孔徑分5 mm和10 mm，噴射角度分0°（即水平方向）、30°和45°，其中噴射角度為0°時溶肥效率最佳。

圖8 旋流噴射式施肥池平面示意圖

2.4.3 噴灌豎管快速裝拆連接裝置

廣西“雙高”農墾糖料蔗區采用固定式噴灌時，為減少噴頭和豎管的投入并減少噴頭和豎管（噴頭和豎管合為一起在當地簡稱為噴桿）被耕作、砍收機械損壞，通常按輪灌要求輪換噴桿進行噴灌，連接部位容易損壞，實踐中設計出一種可快速裝拆噴桿的連接裝置（見圖9）。

圖9 噴灌豎管連接示意圖

該裝置包括鎮墩基礎、鎮墩、支管、地下豎管、地上豎管和噴頭等組件，地上豎管通過法蘭盤與地下豎管相連接，噴頭安裝在地上豎管的頂端，鎮墩及其基礎作為一個整體進行澆筑，提高鎮墩的抗傾穩定性；法蘭盤固定于地下豎管頂端和地上豎管底端，應用時通過法蘭連接，達到快速連接的目的；維修時避免敲掉鎮墩更換整段地下豎管，減少維修成本。

2.4.4 分布式灌溉施肥裝置

該裝置由文丘里施肥器（或施肥球閥）、施肥桶、疊片過濾器、空氣閥和輔助管道等組成（見圖10）。使用時連接于供水干管的分支管上，可實現各灌溉小區差別化施肥（藥），適合分散經營的農戶使用。

采用微噴灌分布式施肥裝置時，選擇與灌溉流量相匹配的文丘里施肥器（或施肥球閥）非常重要，實踐中文丘里施肥器的選型見表3。

圖10 分布式施肥裝置示意圖

表3 文丘里施肥器的選型

2.4.5 多功能光伏噴灌施肥（藥）移動裝置

廣西糖料蔗區大多分布于山丘坡地上，開展高效節水灌溉建設時為避免按零星高地設計增加整個系統建設投資和運行成本，通常不考慮零星高地的灌溉問題。為滿足零星蔗區灌溉需求，實踐中研制出一種光伏噴灌及施肥（藥）的移動裝置。

該裝置搭載于三輪車上，采用太陽能光伏板發電作為電源，需要移動或者噴灌時，直接啟動電動機或水泵；如不需移動或者噴灌，同時太陽能輻射較強時，可將電存到蓄電池內，以供需要時使用，整個裝置如圖11所示，共裝配750 W的太陽能光伏板，可供500 W水泵使用，選配2組60 V 400 Ah蓄電池。

圖11 光伏噴灌及施肥（藥）的移動裝置示意圖

實踐證明，該裝置在晴天上午9時可提水量0.87 m3/h，中午12時提水量達到2.81 m3/h，下午13時提水量為2.60 m3/h，下午16時降至1.60 m3/h，下午17時以后將不能提水，晴天平均總提水量為12.16 m3，可為10畝蔗區提供灌溉服務。

3 節水灌溉成效

3.1 經濟效益

截至2016年底，廣西已在江州、扶綏、興賓、武鳴等32個“雙高”糖料蔗基地推廣高效節水灌溉126.79萬畝。經抽樣測產驗收，地埋滴灌、地表滴灌、微噴灌、噴灌和低壓管灌（淋灌）等不同灌溉方式的原料蔗畝均產量比傳統雨養種植模式畝均增產約40%（超過2 t），含糖分平均增加5%～8%，按2016/2017榨季原料蔗收購價480元/t計算，畝均增收1123元（按畝均一次性投入2450元，按15年平均折舊，畝均每年投入200元），已推廣的126.79萬畝計算，年均可增收14.24億元。

3.2 社會和生態環境效益

通過在糖料蔗區實施高效節水灌溉，除可改善蔗區的生產條件和提高單產、降低畝均生產成本外，還可推進糖料蔗區規模化生產經營，促進土地整合、流轉，并推進全程機械化生產，大幅提高勞動生產率；有利于形成蔗糖產業集群、優勢區，提升蔗糖產業的競爭力，保障國內食糖安全；通過土地整合、流轉，調整落后的種植方式，增加農民收入；有利于提高蔗田化肥農藥的施用效率從而減少施用量，大幅減少農業面源污染，改善蔗區生態環境。

4 結語

（1）“雙高”糖料蔗基地發展高效節水灌溉的實踐經驗和技術創新，實用性強，得到了相關部門的認可，并通過制定相關文件和地方標準加以推廣應用，對推進廣西500萬畝“雙高”糖料蔗基地水利化建設和其他糖料蔗區高效節水灌溉建設提供了重要的技術支撐，具有較強的輻射帶動作用。

（2）廣西“雙高”糖料蔗基地大部分處于山丘坡地上，“雙高”糖料蔗基地發展高效節水灌溉的實踐經驗和技術創新對山丘坡地發展高效節水灌溉也具有較強的輻射借鑒作用；應用實踐提供的技術路線對其他種植業發展高效節水灌溉也具有較強的指導作用，對規避高效節水灌溉建設的盲目性具有重要的參考價值。