地面節水灌溉技術研究現狀及發展趨勢

張繼偉

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150071)

0 引言

水資源短缺、水資源利用效率低是限制社會發展、工業進步及農業可持續發展的主要條件，水資源在社會發展中起著決定性作用[1]。據2021年統計，我國水資源總量約為29 040億m3，其中，僅農業灌溉用水量就高達302億m3，但是農田水資源利用率僅為52.95%,而發達國家的農業水資源利用率高達80.2%以上。根據相關數據統計預測，我國人口在2030年將達到16億，糧食需求將增加到6.4億～7.3億t左右，根據我國目前農業發展要求，為了滿足糧食需求，農業灌溉面積應該發展至0.6億hm2左右，根據現有的農業灌溉用水量，預計在2030年農業灌溉用水量將達到6 500億m3[2]。水資源短缺、水資源利用效率低、水資源時空分布不均等都成為限制我國農業可持續發展的主要因素。因此，大力發展農業節水灌溉技術是保證農業穩步發展及國家糧食安全的重要保證條件之一。

1 地面灌溉技術的發展要求

隨著目前水資源緊缺、能源利用率較低、技術水平受限、經濟實力較弱及農業生產地區管理技術水平發展不完善等現實問題，大面積推廣先進的微灌技術、滴灌技術、加氣灌溉技術及再生水灌溉技術受限，因此，在農業發展過程中應繼續加強田間水利工程設施的建設力度。加強地面灌溉技術，主要發展要求如下。

1.1 平整土地，設置合理的灌水技術參數

對農業灌溉區域進行土地平整是提高農業灌溉效率、減少地表徑流及縮短灌溉時間的基礎條件。在土壤平整的基礎上，進行田間水利工程技術參數的改革與優化。如，劃長畦為短畦，改寬畦為窄畦，設計合理的畦灌溝參數及灌水流量，達到提高田間灌溉均勻度及灌溉效率的目的。但是由于目前我國農業生產區域較為廣泛，農業生產地形包括平原、山地、丘陵，土壤質地類型較多，因此難以應用統一的水利灌溉參數與運行機制，應根據不同地區的實際生產情況進行區域實驗后，通過實驗結果或計算機模擬設置合理的田間水利灌溉參數。

1.2 改進地面灌溉方式，發展局部濕潤灌溉方法

改進傳統地面灌溉模式，實行局部濕潤灌溉方法，減少田間蒸發損失，提高田間水分利用效率，局部濕潤還可以減少由于灌水量較高造成土壤通氣性下降，局部濕潤有利于提高土壤充氣孔隙度及通氣性，提高作物根系呼吸效率，促進根系生長，提高根系對土壤水肥的利用效率，在促進作物增產的情況下實現節水。相關實踐研究表明，通過對玉米進行交替灌溉，地面濕潤面積可以降低50%～70%，節水效率提高30%～50%，作物增產幅度在5%～15%[3]。

1.3 發展間歇灌溉方法，改進溝畦灌溉設施

間歇灌溉又稱為“波涌灌溉”，間歇性灌水方式保證水流呈現“波涌”推進，在土壤表層形成一層水分封閉層，水流前進距離提高1～3倍左右，減少水分的深層滲漏，提高田間灌水均勻度。改進溝畦灌溉設施主要是采用虹吸管替代人工灌溉，提高田間水分利用效率，但是需要對相關設施材料進行進一步的深入研究，逐步完善技術標準，實現技術的推廣與應用。

1.4 發展節水保墑膜上灌溉技術

膜上灌溉技術是在地膜覆蓋技術的基礎上發展起來的一種新型地面節水灌溉方式，是將地膜平鋪于畦中，通過地膜進行輸水，通過放苗孔及專業灌水孔進行作物灌溉，屬于局部灌溉方式，目前在新疆、甘肅、河南等地區開始廣泛推廣，在棉花、玉米及蔬菜等農業生產領域進行廣泛應用。

2 傳統地面灌溉技術類型

2.1 畦灌

畦灌是將農業生產試驗區劃分成多個狹長的小地塊，灌溉水從毛渠放入畦中以薄層水流動，流動過程中逐漸滲透濕潤土壤，包括順畦灌與橫畦灌。

與傳統大水漫灌技術相比，畦灌技術可以減少深層水分滲漏，提高田間灌溉均勻度，促進作物生長，提高作物產量等優勢，但是，由于畦灌技術在土壤表面形成“水層”，容易造成土壤板結，降低土壤通氣性與土壤孔隙度。畦灌參數主要受到土壤質地、供水情況、地面坡度等因素的影響，主要技術參數包括畦田長度、畦灌流量、灌水量及灌水時間。畦田長度受地面坡度及土壤平整度的影響，土壤通氣性較差時，應該減少畦灌流量及畦田長度。畦田寬度主要受到地形、土壤質地及機械耕作要求，一般為2～3 m，最寬不應該超過4 m。

2.2 溝灌

溝灌主要是指在作物種植行間開挖灌水溝，灌溉水進入溝渠后，在水分流動過程中借助毛細管作用浸潤土壤，由于溝灌中僅在灌水溝中存在灌溉水，因此有利于保持土壤理化結構，不會造成土壤板結，但是由于需要進行挖溝，因此需要耗費大量的勞動力。

溝灌適用于寬行距作物，如玉米、棉花、高粱等。灌水溝的間距參數主要與土壤質地有關，一般在輕質土壤中的灌水溝間距較小，一般在50～60 cm左右，在重質土壤中的灌水溝間距較寬，一般在70～80 cm左右[4]。

2.3 淹灌

淹灌又被稱為“格田灌”，是指在田間作物種植區域內，用較高的土埂筑造成分隔的格田，一次性引入較多的灌水量，在格田中形成一定厚度的水層，灌溉水借助自身重力作用使土壤濕潤，一般適用于水稻及鹽堿地沖水灌溉，在旱作作物中嚴禁使用。

3 節水型地面灌溉技術類型

3.1 節水型畦灌技術

3.1.1 小畦灌溉技術

小畦灌溉技術又被稱為畦田“三改”技術，即長畦改短畦、寬畦改窄畦、大畦改小畦，可以提高農業灌溉效率，提高田間灌水均勻度，促進作物高產節水技術的并行發展。目前，小畦灌溉技術是我國北方應用最為廣泛的地面灌溉技術之一。主要優勢如下。

1)節約用水。在小畦灌溉技術下可以通過縮短畦田長度，減少灌水量，實現小額灌水量，實現節水20%～40%左右。

2)提高田間灌溉均勻度。在小畦灌溉技術下，水流較短且集中，小額灌水量易于控制，水分入滲較為均勻，可以避免土壤“積水”現象，灌水均勻度可以達到85%以上。

3)減少水分深層滲漏。可以提高田間水分利用效率，相關實踐研究證明，當畦田長度在30～60 m左右，不會出現水分深層滲漏的現象。

3.1.2 長畦分段灌溉技術

長畦分段灌溉技術又被稱為“長畦短灌”，主要是將一條長畦田分成若干個短畦田進行灌溉。長畦分段灌溉技術畦田寬度可以達到5～10 m，長度可以達到200 m左右，具有節水、省地、地形適應性較強、易于大面積推廣等優點。

3.2 節水型溝灌技術

節水型溝灌技術主要為細流溝灌技術，是指利用軟管從灌水溝重開一條小口，將灌水溝內的水分通過小口進行土壤浸潤的方法，主要灌溉模式如圖1所示。由于灌水溝內水淺，水流速度較慢，主要借助毛細管進行土壤浸潤，濕潤范圍較小，有利于保持土壤結構，減少土壤板結，可以減少灌溉水的無效蒸發，提高灌溉均勻性，而且深度較大，有利于土壤保墑。

圖1 節水型溝灌模式示意圖

3.3 增氧滲灌技術

增氧滲灌技術是目前應用最為廣泛的田間節水灌溉技術，可以顯著提高水分、養分利用效率，實現精準灌溉與施肥。但是，灌溉水分入滲會驅替土壤孔隙中的空氣，導致土壤出現周期性的滯水，造成土壤通氣性下降，土壤氧氣含量降低，作物有氧呼吸受到影響，根系呼吸速率降低，造成根系對土壤中的水分和養分吸收利用效率下降。如果根系長期處于厭氧環境或得不到足夠的氧氣，根系對水分和營養物質的吸收下降，也會改變植物的激素水平和酶活性，阻礙光合作用，限制營養器官的功能，植物地上部分則表現為葉片萎縮，作物鮮重和干重顯著下降，最終導致作物產量和品質的下降，成為農作物高產的主要限制條件。

增氧滲灌技術是在滲灌的基礎上，采用文丘里裝置將空氣以微氣泡的形式摻入灌溉水中，提高灌溉水中O2含量，提高土壤中植株根系的呼吸速率，可以有效促進農作物植株的生長，農作物達到豐產增收，農產品質量有所提高(表1)。

表3 不同作物增氧滲灌研究進展

4 結論

地面灌溉技術是我國目前農業灌溉的主要方式之一，面對水資源短缺及利用效率低下等問題，開展節水灌溉技術的研究對于穩定我國農業可持續發展具有重要意義。本研究系統闡述了目前應用最為廣泛的地面灌溉技術發展模式，并系統分析了傳統地面灌溉方式的節水改革方法與研究進展，研究結果對于推動我國農業可持續發展，保證我國糧食安全具有重要意義。