寧夏中部干旱區枸杞痕量灌溉技術應用評價

武慧芳，劉學軍，陸立國

(寧夏水利科學研究院，銀川 750021)

0 引 言

痕量灌溉是一種按照作物需求進行持續、緩慢的小流量灌溉技術。它的原理是：作物、土壤毛細管與灌水系統組成一個水勢平衡系統[1,2]，當作物缺水時根系吸收水分，使得周圍土體水勢減小，此時灌溉水由毛管流至灌水器，首先由設置在灌水器前端的過濾膜將灌溉水中的大顆粒雜質過濾掉，水流及小分子物質流經灌水器，與土壤顆粒接觸，受到土壤毛細管力的作用，灌溉水以微小的速度流向作物根系附近周圍土體，直到滲透土體與灌溉系統達到水勢平衡[3-6]。由于痕量灌溉技術是將灌溉水與營養液直接輸送至作物根系附近土壤，從而減少了裸露于地面的棵間蒸發，達到了節水節肥的目的[7,8]。與此同時，痕量灌溉技術獨特的膜過濾技術，具有顯著的抗堵塞性能。

理論表明痕量灌溉適用于寧夏中部干旱帶灌溉水多泥沙的特性，在實際引進應用方面，2012年寧夏水科院劉學軍等人[9]在寧夏首次將痕量灌溉技術應用于葡萄種植中，研究表明痕量灌溉具有優越的節水效果，灌溉均勻度較滴灌高，并提出了葡萄痕量灌溉制度；2015年，寧夏大學農學院沈富等人[10]，將痕量灌溉技術應用于日光溫室辣椒栽培上，研究了痕量灌溉管不同埋深對辣椒生長和生理指標的影響，當痕量灌溉管埋深20 cm時，有利于辣椒的生長發育；2016年，沈富等人[11]又將痕量灌溉技術應用于日光溫室西葫蘆的栽培上，與噴灌進行對比分析，研究痕量灌溉管不同埋深對日光溫室春季西葫蘆生長、產量和水分生產效率的影響，研究表明西葫蘆基質栽培的痕量管埋深以6 cm為宜。

痕量灌溉作為一項新興高效節水灌溉技術，應用時間較短，缺乏在北方干旱地區大面積的大田試驗檢驗，在不同作物應用的針對性研究尚不深入，且采用的膜過濾和特制控水頭技術與噴、微灌技術存在差異，現有地下節水灌溉技術參數也已不適用于痕量灌溉技術。本文選取寧夏中部干旱帶枸杞種植基地，開展痕量灌溉關鍵技術的規模示范應用評價及在特色林果(枸杞)中的應用相關參數研究，研究成果將為痕量灌溉技術的應用、推廣提供技術支撐。

1 試驗區概況

示范區位于同心縣河西鎮菊花臺村寧夏菊花臺莊園枸杞種植有限公司，距同心縣城約7.4 km，地理位置介于東經105°55′16″～105°55′49″，北緯37°05′37″～37°55′50″之間。示范區屬于典型的大陸性干旱氣候區，多年平均降雨量270 mm左右，多年平均蒸發量2 300 mm左右，多年平均氣溫8.4 ℃，最高氣溫出現在7月，晝夜溫差大，平均日照時數達2 881 h，全年無霜期140～170 d。地下水埋藏較深，量少質差，分布不均，礦化度高。土壤以淡灰鈣土為主，表層土壤質地為壤土和沙壤土，土層深厚，土壤無鹽化、夾黏、夾沙礫層等障礙。

示范區種植多年生枸杞，樹齡為4 a，品種為寧杞7號，株行距為1 m×3 m。痕量管埋深0.25 m，鋪設長度60～120 m不等，距離樹干25 cm左右，設計滴頭流量0.9 L/h，壁厚0.45 mm，直徑16 mm，灌水器間距33 cm，水源為黃河水。

2 痕量灌溉應用效果監測與評價

2.1 灌水均勻度監測評價

由于同一根毛管距離支管不同距離部位的壓力是不同的，為準確合理評價灌水均勻度，選取試驗小區單根毛管首、中、尾3個部位，且每個部位選取相鄰兩個灌水器，在同一時間對不同部位的相鄰灌水器同時進行出水量測試，利用均勻度計算公式：

Cu=-Δq/q

(1)

(2)

式中：Cu為灌水均勻系數；Δq為灌水器流量的平均偏差，L/h；qi為田間實測的各灌水器流量，L/h；q平為灌水器平均流量，L/h；n為所測灌水器個數。

分別計算同一毛管不同部位、不同毛管同一部位的灌溉均勻度，評價整個灌溉單元的灌水均勻度，計算結果見表1。

表1 痕量灌溉不同毛管長度試驗區灌溉均勻度計算表 L/h

60 m長度監測小區，各毛管的灌溉均勻度在0.94～0.99，不同毛管、同一部位的灌溉均勻度在0.96～0.97,整個灌溉系統綜合均勻度在0.961；120 m長度監測小區，各毛管的灌溉均勻度在0.94～0.99，不同毛管、同一部位的灌溉均勻度在0.92～0.97，整個灌溉系統綜合均勻度在0.944。兩次監測結果均表明，痕量灌溉系統灌水均勻度良好，灌溉均勻度達到微灌均勻度要求。

2.2 不同供水壓力下痕量灌溉控水頭流量變化監測評價

統計多次監測小區的毛管平均流量與毛管尾部壓力試驗數據，進行統計分析，測定結果見表2。菊花臺大田野外監測結果表明：痕量灌溉灌水器流量與毛管尾部壓力呈多項式關系:

q=-39.629P2+11.434P+0.169 6

(3)

式中：q為痕量灌溉灌水器流量，L/h；P為毛管尾部壓力，MPa。

分析：痕量灌溉系統灌水器在管道內壁設有一層過濾膜，起到抗堵塞的性能，隨著供水壓力的升高，痕量灌溉灌水器流量提高[12]，當壓力升高到一定程度(大于20 m),水壓將過濾膜緊緊壓貼于灌水器上，痕量灌溉灌水器的流量隨著壓力的提高灌水器流量迅速降低，隨著壓力的繼續升高(大于25～30 m)部分灌水器開始不出水，隨著部分灌水器的損壞，毛管壓力逐步上升，出現惡性循環，直至毛管爆管、灌水器全面損壞，導致整個地埋灌溉系統破壞、報廢，此時需配置減壓閥。并且當管道內水壓下降后，被壓貼于內壁上的過濾膜無法恢復(見圖1)。

表2 痕量灌溉滴頭出水量與毛管尾部壓力監測結果Tab.2 Drip head water output and capillary tail pressure monitoring results

圖1 痕量灌溉毛管尾部壓力與滴頭流量關系曲線Fig.1 Curve of tail tube pressure and dripper flow rate

2.3 痕量灌溉痕量灌溉縱橫剖面濕潤范圍監測評價

選取兩個痕量灌溉小區，與對毛管垂直剖面距離毛管5、20、35、50 cm不同距離的土壤含水率進行監測，繪制土壤含水率等值線圖，見圖2。從土壤含水率空間變化監測等值線圖可明顯看出，在縱向方向，痕量灌溉管以上10 cm、痕量灌溉管以下20 cm土壤含水率最高，在60 cm深度處土壤濕潤多在8.5%左右，隨著深度的繼續增加，土壤含水率逐步減小，土壤的最大濕潤深度在80 cm左右；在水平方向，毛管單側土壤最大濕潤寬度40～50 cm，從深度10 cm左右開始，隨著土層深度的增加，濕潤的寬度增加，在土層深度30～40 cm處、出現最大寬度，單側最大寬度35～50 cm，隨著土層深度的繼續增加，土壤的濕潤寬度逐步減??；灌溉水主要儲存在深度10～60 cm、痕量灌溉管兩側50～70 cm寬度范圍內。根據植物(枸杞)根系分布范圍判斷，枸杞痕量灌溉鋪設1根毛管基本可滿足作物灌水要求，其濕潤范圍與作物根系范圍基本重合，能夠較好的補充枸杞生長所需的水分，盡可能減少土壤蒸發和深層滲漏，從而達到節水目標。

2.4 痕量灌溉技術經濟性能與運行管理評價

(1)毛管造價評價：痕量毛管單價達到6 元/m，現市場質量較好的滴灌管單價在1.0～1.2 元/m，痕量灌溉管是滴灌管單價的5～6 倍。痕量灌溉管屬地埋管道，埋深0.2～0.3 m，增加了管道的地埋土方挖填工作，增加土方挖、填工程量0.09 m3/m，增加投資0.8～1.0 元/m。痕量灌溉較滴灌增加毛管投資6 元/m，枸杞痕量灌溉每公頃毛管用量3 330 m，增加投資1.998 萬元/hm2，征集土方工程投資3 300 元/hm2，較滴灌增加投資較多。

圖2 痕量灌溉監測小區土壤含水率空間分布圖Fig.2 Monitoring the spatial distribution of soil moisture content in the community

(2)痕量灌溉系統增加減壓閥：痕量灌溉對管道壓力的變化十分敏感，壓力超過20 m會造成整個系統的破壞，對于地形變化較大的區域，必須認真進行水力計算，在適宜的位置配套減壓閥。根據菊花臺22 500 hm2痕量灌溉示范區建設，配套減壓閥17臺，單價在5 000～10 000 元/臺不等，購置安裝減壓閥平均0.6 萬元/臺，增加費用10.2 萬元；增加減壓閥井17 座，單價1 800 元/座，增加費用3.06 萬元。共增加建設費用13.26 萬元，增加建設費用1 326 元/hm2。

(3)增加運行管理費用：痕量灌溉為地下滴灌，毛管埋設在地下。隨著人工工資的逐步提高，除草、施肥多采用機械，在除草、挖除分蘗根的過程中，由于地勢變化大，極易造成毛管破壞。根據菊花臺痕量灌溉示范區1年多的運行，1次除草每公頃破壞痕量灌溉毛管30～45 處以上，全年除草3次以上，年每公頃破壞毛管90～135 處，增加了維修材料和維修人工，增加費用較多，且由于維修影響灌溉進度、造成水量浪費。

2.5 痕量灌溉技術綜合評價

根據菊花臺2年痕量灌溉試驗對比監測結果，將痕量灌溉與滴灌的各項技術指標進行對比，見表3。通過對灌水器抗堵塞性能、灌水均勻度、濕潤剖面、灌溉定額、毛管供水壓力、灌水器流量、最大毛管長度、節水潛力、使用條件等技術指標進行比較，痕量灌溉較地面灌溉各項技術指標優越，具有推廣的前景。但是也存在一定的問題，毛管購置費用高，管道埋設與增設減壓閥建設投資大，同時由于其運行過程中容易被破壞，造成維修材料與維修人工費用的增加。

表3 痕量灌溉、滴灌技術指標對比Tab.3 Comparison of trace irrigation and drip irrigation technical indicators

3 結 語

選取寧夏灌區中部干旱帶典型枸杞種植區，對痕量灌溉運行效果進行監測與評價，得出以下結論：

(1)痕量灌溉技術能夠有效的節約水資源，同時具有較高的灌溉均勻度。痕量灌溉單根毛管長度達到120 m，灌水均勻度在0.92以上，具有較高的均勻度；當痕量灌溉管埋深20～30 cm時，毛管縱橫剖面濕潤范圍縱向為10～60 cm、痕量灌溉管兩側50～70 cm范圍與枸杞植株根系范圍重合，水分得到高效利用。

(2)供水壓力與灌水器出水量成正比關系，當供水壓力超過20 m水頭的時候，滴頭流量驟減，從而導致灌水器損壞，且當供水壓力恢復后已損壞灌水器無法恢復出水，造成永久性損壞。

(3)痕量灌溉毛管造價較滴灌高5～6倍，且當供水小區壓力過高時需增設減壓閥，增加建設費用1 326 元/hm2，從而加大投資；由于痕量灌溉管道鋪設與地下，田間作業容易造成破壞，從而增加維修材料與人工投入。

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