黃土丘陵區治溝造地新造地田間高效用水技術

楊金貴，馬理輝，王占禮，涂 雯，符素華，崔 樂

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；4.北京師范大學地理科學學部，北京 100875；5.黃河水利委員會綏德水土保持科學試驗站，陜西 榆林 919000)

1 概況

治溝造地對于在黃土高原增加耕地面積、保障糧食安全、保護生態環境、促進社會主義新農村建設具有積極的意義[1]。黃土丘陵區治溝造地創造了集中連片的平整土地(見圖1)，平整的土地有利于降水就地入滲，進而增加糧食單產。根據延安治溝造地辦的調查，延安平整土地種植玉米、大豆、糜子和馬鈴薯產量比坡耕地增加41%、60%、91%和130%。但是，調查還發現2013年完成的部分治溝造地示范工程，有的已經荒蕪，演替成了灌叢草地。分析其原因，一方面是因為農村青壯年勞動力輸出，農村空心化造成勞力不足，無暇顧及新造地的耕種。另一方面，新造地缺乏配套的水利設施、少有灌溉條件。黃土丘陵區地處干旱半干旱區，年降水量少(340～430 mm)、分布不均勻(集中降雨在7-9月)，而且多以暴雨的形式出現。干旱缺水是該區農業發展的主要瓶頸之一。沒有灌溉配套設施、沒有高效用水技術，新造地的規模化種植隨時會遇到障礙。因此治溝造地工程實施過程中，需要配置高效用水技術來支撐新造地的農業生產。2013年國土資源部、財政部等批準延安市實施治溝造地重大工程，總規模50.67萬畝。如果幾十萬畝的新造地能配套高效用水設施和技術，那將大大提高新造地的生產力。

圖1 陜西省延安市安塞區杏樹窯子溝村治溝造地工程

治溝造地在黃土丘陵溝壑區形成了相對平整的土地，發展農業需要解決水的問題。如何充分利用雨水資源發展農業生產是治溝造地水土資源高效利用的一個重要技術環節。目前，我國已經初步形成了適合國情且具有一定先進性的節水灌溉和配套農業技術體系，也初步形成了發展節水灌溉和旱地農業的支撐產業，保證了農業高效用水事業的健康發展。在水資源的綜合開發和聯合應用、渠道防滲、低壓管道輸水、噴灌、微灌、集雨灌溉、農藝節水、生物節水等技術方面，形成了井灌類型區、渠灌類型區、天然降水富集灌溉區、干旱區、多灌溉水源聯網調度類型區、山丘雨水匯集貯存類型區農藝高效用水模式與產業化示范，建立了一批有特色的水資源高效利用綜合技術體系[3，4]。因此本研究擬借鑒已有的農業高效用水技術模式，針對黃土丘陵溝壑區的治溝造地流域，篩選出適宜的工程、農藝、生物、管理等單項技術，科學進行集成和組裝配套，最大限度地實現該區域的水土資源高效利用，為黃土高原丘陵溝壑區的生態環境高質量發展、鄉村振興提供保障。

2 高效用水技術集成

2.1 技術選擇的原則

在農業生產效益普遍較低的情況下，治溝造地新造地使用高效用水技術時要把握兩個原則。一方面要減少額外的材料和勞力的投入；另一方面，盡可能地提高水資源的利用率。這兩個原則是互相沖突的，因而所選用的技術不僅僅是單一的技術，而是成套的系統技術。

2.2 適宜的技術類型

治溝造地新造地可利用的水源有兩類：降水和蓄水設施的水。首要的是雨水資源高效利用方面的技術，其次是減少土壤水分蒸發的技術。高效用水技術包括蓄水設施的設計與布設、灌溉系統的設計與布設、以及田間雨水高效利用技術三部分。

2.2.1 蓄水設施的設計與布設

蓄水設施是治溝造地流域農業用水和景觀用水的重要保障。蓄水設施興利庫容時須考慮投資、地形、灌溉面積及灌溉作物四因素。當考慮灌溉作物需水量時，一般考慮最不利時(即枯水年，一般為75%所對應代表年)的作物需水量作為蓄水池容積的設計基礎。因此流域內主要作物灌溉制度的確定是流域蓄水設施興利庫容設計的基礎。本研究根據黃土丘陵溝壑區的典型作物制定了其灌溉制度，可為興利庫容的設計提供技術參數。

1)黃土丘陵溝壑區主要作物的灌溉制度

(1)典型年的確定

收集延安市安塞區1998-2017年的氣象資料，應用Penman-Monteith 法計算參考作物蒸發蒸騰量(ET0)，參照文獻資料確定主要作物的作物系數，計算出作物需水量(Etc)。根據1998-2017年的降水量資料，以5 mm作為有效降雨量的界限，提取出有效降雨量。確定理論頻率曲線，根據偏差系數Cs查皮爾遜Ⅲ型曲線的離均系數Φp值表確定Φp值，用公式XP=X(CV*Φp+1)，取p為20%，50%，75%計算出豐水年，平水年，枯水年的有效降雨量(玉米的參數見表1，馬鈴薯的參數見表2)。

表1 玉米生育期需水量和有效降雨量

表2 馬鈴薯生育期需水量和有效降雨量

(2)灌溉需水量確定

由作物需水量與有效降雨量的差值，計算得水肥充分供應條件下作物的灌溉需水量。將豐水年玉米灌溉需水量是460.5 mm，換算單位，每畝需要灌溉306 m3。依次類推得到不同水平年的灌溉需水量。實際上，當地農民在豐水年不灌溉，產量也有保障。最有可能的情況是，在播種時灌一次水，每畝滴灌情況下需要30 m3。按這樣推理分析，種植戶生產玉米和馬鈴薯的實際灌溉次數與實際灌溉需水量(見表3和表4)。

表3 玉米灌溉需水量和實際滴灌需水量

表4 馬鈴薯灌溉需水量和實際滴灌需水量

當水量充足時，可以根據表3、表4中不同水平年的灌溉需水量，進行全生育期的灌溉，滿足作物生長對水分的充分需求。但是，絕大部分年份降雨量是不足的，種植戶只能在作物的不同生育階段，進行選擇性地灌溉。

(3)灌溉制度的制定

生產實際中，我們提倡在作物關鍵需水期進行灌溉[5]，主要作物的關鍵需水期[6]見表5。不同灌溉類型下主要作物的灌水次數和次灌水量見表6所示。實際應用時，根據實時的降雨情況，靈活調整灌水次數和灌水量。雨季時，利用蓄水設施蓄滿水，以備干旱時使用。

表5 主要作物的關鍵需水期(延安地區)

2)蓄水設施的布設

新造地采用側向引水的方式，從排洪溝上游處修建引水渠。排洪溝和引水渠應同時規劃、同時建設。蓄水設施可為水窖或蓄水池。蓄水設施盡可能修筑或安置在高位，便于自流灌溉，節省能源。但為了更好地蓄積洪水，供枯水期用水，在流域農業需水量較大時可考慮在溝底建設蓄水池或塘壩。為保障蓄水設施的汛期安全，蓄水設施需設置溢洪道，使蓄水設施蓄滿后多余的水能從排洪溝流走。

在用水時，優先采用自流的用水方式。地形高差較小時，須采用潛水泵或管道增壓泵抽水，動力可選擇電力、柴油發電機發電或太陽能動力。

2.2.2 灌溉系統的設計與布設

有了蓄水設施存蓄的水或可利用的地下水，就可以利用灌溉技術來實現高效用水。考慮可利用的水量有限，不宜選用畦灌、溝灌等畝耗水量較大的灌溉類型，采用更為高效的地下暗管輸水、滴灌等灌溉類型。

地下暗管輸水按照《低壓管道輸水灌溉工程技術規范SL/T 153-95》的要求，進行田間干支管的規劃、設計和安裝，選擇滿足灌溉質量要求的管材、管件、以及附屬設施。一般情況下，采用耐壓等級為0.32 Mpa的U-PVC管，以自流的方式將蓄水池的水引到每個地塊，埋深0.5 m以下，低洼處設置排水，田間設置給水栓出水口，給水栓的間距為30～60 m之間。

滴灌按照《微灌工程技術規范GB/T 50485-2009》進行規劃設計。果園根據樹齡和樹體大小，采用一行一管、一行兩管、環形等方式布置滴灌管。采用滴頭流量2～4 L/h、滴頭間距0.5 m、壁厚0.8 mm以上的滴灌管。支管一般采用φ50、耐壓0.63 Mpa的UPVC管。根據流量大小，每個灌水小區的總流量控制在5～10 m3之間；根據地形，每塊梯田設計為單獨的灌水小區；根據各家各戶，不同戶主地塊分開設計為單獨的灌水小區。灌水小區劃分的目的是，一方面，在水量不足時，灌水小區內能進行均勻地滴灌；另一方面，減小管道流量，減小干支管的口徑，從而降低管網造價。

2.2.3 田間雨水高效利用技術

適宜黃土丘陵區治溝造地田間雨水高效利用的技術類型包括：少免耕技術、壟溝種植技術、覆蓋技術、生化保水增滲技術等四大類。

少免耕技術，即在作物播種前少用、不用犁耙整理土地，播后作物生育期間少用、不使用農具進行土壤管理。壟溝種植技術，宜壟作種植的作物采取壟作方式，借助畜力、機械起壟。馬鈴薯宜單壟單作，壟距0.7～0.9 m，壟高0.2～0.4 m。覆蓋技術，覆蓋物可為地膜或秸稈。玉米可采用地膜覆蓋，寬行0.6 m、窄行0.4 m，膜側種植。秸稈覆蓋厚度建議為2～5 cm。生化保水增滲技術，高價值經濟作物種植應使用保水劑、土壤擴蓄增容劑。

對平作、壟作、覆膜和秸稈覆蓋4種旱地高效用水技術種植春玉米的試驗發現，春玉米產量、水分利用效率和降雨利用效率均是覆膜>秸稈覆蓋>壟作>平作，這為田間雨水高效利用技術的選擇提供了一定的依據。

3 結語

黃土丘陵區治溝造地工程形成了大面積平整的土地，干旱的氣候條件限制了規模化農業的發展。本文建議在減少投入的前提下，盡可能地應用高效用水技術，一方面提高田間雨水的利用率、另一方面增加水利設施利用排洪渠的水進行灌溉。盡力保障在作物關鍵需水期，能夠進行灌溉，以獲得較高的產量。