微灌設備與節水農業性效評估

宋運海，趙衛琴，劉賀梅，王子君，胡婷婷，髙 彥，郭 蘭

（駐馬店市種子管理站，河南 駐馬店 453000）

我國是一個水資源貧乏的國家，人均水資源占有量只相當于世界人均水平的1/4，是13個貧水國家之一。全國農業年均用水量占總用水量的73%，其中，農業灌溉用水有效利用指數45%，較美國低20%～30%，較節水典范國以色列低50%。因此，我國農業用水面臨著資源短缺和浪費嚴重的局面。節水工作任務重，難度大，勢在必行。

造成農業灌溉水利用率低的原因是，灌溉方式落后，節水灌溉設備利用程度低。以蔬菜為例，生產上采用畦、溝灌水，灌溉定額為9 000～12 000 m3/hm2，水分損耗5 400～7 200 m3/hm2，既浪費了大量的水資源，還誘發蔬菜各種病害的發生。而采用微灌設備灌水，灌水定額2 400～3 000 m3/hm2，灌水利用率高達95%，既節省了水資源，又抑制病害的發生，對緩解水資源危機意義重大。

1 功能標準

微灌設備是滴灌、噴灌、滲灌和霧灌的總稱。灌水器不同，其工作原理、技術參數、適宜作物和使用效果存在差異。

1.1 滴灌

滴灌系列產品的滴頭包括單一式、可調式、孔口式、補償式；滴灌管（帶）又分雙腔式、內鑲式、迷宮式、微孔式、雙上孔和雙上下孔式等多種型號。工藝上多采用紊流道設計，其工作原理是滴頭鑲嵌于滴灌管（帶）內壁，水流通過狹長的流道與管道摩擦消壓，使各部位滴頭出水壓力均勻，將水一滴滴緩慢滲入作物根際附近的土壤中，因而，除滴頭下面土壤水分處于飽和狀態外，其他部分則呈不飽和狀態，固稱浸潤式灌溉。而且還可將肥、藥溶用于水中，可使施肥、用藥和灌溉一次進行。單頭浸潤半徑40～50 cm，滴頭間距25～30 cm或40～50 cm。工作壓力98～147 kPa，單頭出水量2.5 kg/h，每小時灌水量40.5 t/hm2，6～8 d灌水1次，每次灌水時間30～50 min，0～30 cm土層含水量可達50%～60%，適于按一定行、株距種植的蔬菜選用。如茄果類和瓜果類蔬菜。一次性投入管（帶），使用壽命為6年以上。

1.2 噴灌

按噴頭出水時的受力特點，可劃分為折射式、旋轉式、縫隙式、導芯式和脈沖式5種。通過更換構件，能實現倒懸式或插桿平面式灌水；改換噴頭又可完成扇形和全圓形噴灑。其原理是受壓水流由噴嘴射出，經散水器作用，產生放射雨滴狀散落到一定范圍內的空間。噴頭直徑1～3 mm，工作壓力245～294 kPa；噴水直徑4～6 m，噴頭間距2.5～3 m，噴頭數525～600個/hm2；單頭出水量7.5 kg/h，每小時灌水量37.5～45.0 t/hm2；單管鋪設長度80～100 m；每4～6 d灌水1次，每次30～50 min，0～30 cm土層含水量60%；設施內空氣濕度85%，溫度降低3～8 ℃。該種灌水方式具有“范圍小、噴量小和沖擊力小”的特點，適合栽培密度大、植株柔軟細嫩的蔬菜和苗床使用。如芹菜、韭菜和速生菜芽及育苗等。使用壽命6～12年。使用噴灌系統的注意事項：一是調整噴灑強度和霧化強度至最佳狀態；噴強以出水量等于土壤滲透量，使地表無明水為度，霧強則是水滴直徑0.5～1.5 mm為好。二是噴水區域重疊法，噴幅已定，調整噴頭間距，使相臨的兩個噴水器的噴水區域有1/2重疊區，形成一個矩形噴水區域，節水增效更顯著。

1.3 滲灌

滲灌是灌溉水在一定的壓力下，通過埋設在土壤表層的微孔滲灌管進行灌溉，再借土壤毛管的作用，將水分擴散到植物根部的一種供水過程。工作壓力147～294 kPa，滲灌管鋪埋深度15～30 cm，間距40～100 cm，每米滲水4.5～5.2 kg/h，每次灌水量178.5～300 m3/hm2，向下擴散42～48 cm，向上反滲28～33 cm，擴散半徑28～48 cm，每6～8 d灌水1次，每次40～60 min結束，15 cm以下土層含水量50%，使用壽命6年以上。滲灌的突出優點是：節水、干爽、地溫高。較畦灌節水70%，較滴灌節水20%。棚內濕度降低15%～20%，發病率下降50%，0～15 cm地溫升高2～3 ℃。適宜茄果和瓜果類蔬菜選用，尤其適合草莓保護地栽培。注意事項；忌在速生葉菜和苗床上使用，一次灌水量不可過大，否則，不但費水，而且會造成土壤表土過濕，喪失滲灌的技術優勢。

1.4 霧灌

霧灌是由噴灌和滴灌技術演變而來的一種微灌技術。目前已開發出高霧和輕霧噴頭，有折射式、旋轉式兩種，出水有扇形和圓盤形等多種形式。其原理是：壓力水流從噴灑器的噴嘴射出，經散水器和霧化器形成霧狀水滴。工作壓力5～10 Pa，單頭流量15～20 L/h，噴頭間距2.5～3 m，4～6 d灌水1次。霧灌和噴灌的區別和技術優勢在于：霧灌是低壓運行，更節能；霧灌為局部灌水，更節水；霧灌的噴頭直徑0.5 mm以下，水滴如“毛毛細雨”，霧化程度更高；水滴呈云霧狀飄移供水，灌水更快，更均勻。同時由于供水霧層的物理作用，能較好地協調田間小氣候，促進作物的生長發育。任春玲[1]認為，“可增加空間濕度30%，降溫3～5 ℃”，折射直線陽光30%左右，能有效克服作物的“午休”現象，提高Pn（光合速率）。除適宜噴灌涵蓋的作物外，尤其對鮮、細、嫩菜類十分有利，使用壽命和注意事項同噴灌。

2 模式配置

微灌系統的模式與配置規格，應根據設施的經營規模、起點高低、資金狀況和自然條件等綜合因素選擇確定。目前，生產上經典的微灌模式配置有三種，即小單元微灌系統、自流式微蓄微灌系統和變頻恒壓式微灌系統。三者在配置、特性、功能和成本等方面各有相應的標準。

2.1 小單元微灌系統

由水源、微型首部、輸水管路和灌溉器4部分組成，系統具有經濟實用的特點。選用口徑30 cm的機井、河流或池塘為水源；首部選用550 W三相或二相自吸泵一臺，孔徑0.45 mm網式全塑過濾器1只，10～25 L的全塑鋼施肥、施藥容器1個，可調式閥門1個；輸水管路選用33～55 mm的高壓PE為干管，支管為25～40 mm的PE管（帶），毛管選用10～15 mm的黑色PE滴灌器。成本價1.5萬～2.25萬元/hm2。可灌溉3～4個標準棚（6 m×30 m）。該系統適合設施面積1 000 m2以內的家庭經營和集體經營者選用。

2.2 自流式微蓄微灌系統

系統配置由蓄水池、輸水管路和灌水器3部分組成。原理是：利用自然落差10 m以上的地勢，建造容積0.1萬～1.0萬m3的小型蓄水池儲備山體徑流或雨水，憑借落差獲取輸水壓力，供處在低處的灌水器完成自流灌溉。其最大優點是不用電力和水泵解決灌水問題。輸水管選用UPWC材質，口徑250～500 mm的為干管，支管用55～100 mm口徑高壓PE管材，毛管為10～15 mm灌水器，池內入水口處用孔徑0.20 mm的過濾網封閉，支管上裝25～50 L施肥、施藥聚酯罐1個。成本價3萬～5萬元，使用壽命6年以上，灌溉面積1～3 hm2，適合電力匱乏山區、半山區和丘陵區規模大戶選用。

2.3 變頻恒壓式微灌系統

該系統有水源、程控室、控制首部、輸水管網和灌水器5部分組成。原理是：根據設施蔬菜栽培用水量變幅大，灌溉次數頻繁等特點，設計為變頻恒壓和變頻調速微機自動控制、灌排分系的管網式大型微灌系統。該系統可根據水量的變化，自動確定水泵運行臺數及電機泵組的運行速度，達到調節水流，使末端灌水器的壓力按設定的壓力保持恒定，實現供水與需水平衡，節電與自動控制的目的，一般節電50%。該系統可以設定專家模擬系統，調控光、溫、濕環境小氣候和水、肥、藥等量化管理，實行24 h無人監管自動運行，且能保證水泵、管網和作物的安全。灌水面積5～30 hm2，一次性投資50萬～100萬元，適合合作經營和企業經營者采用。

3 技術效應

3.1 節水省工，降低能耗

微灌系統采用全封閉輸水管網設計，直接供水到作物根部，有效降低了滲漏和蒸發損失，灌水利用率高達95%，較傳統灌溉方式（畦、溝）利用率（45%）提高1倍以上；水、肥、藥復配一次輸入，30～60 min完成，故節約水、電、肥、藥，省工、省時、省力。既降低生產成本，又提高勞動效率。

3.2 調控溫濕度，優化小氣候

設施蔬菜栽培的成敗，主要取決于局部的氣候環境（光、溫、濕、氣）狀況與栽培對象的適配性。冬春季低溫、高濕、弱光照，不利于作物的光合作用，反而利于滋生病菌；而夏季高溫、高濕、強光照綜合作用，使作物的Pn呈“雙峰曲線”，導致植物“午休”現象[2]，而且利于病菌、病毒的繁殖擴散。采用微灌系統灌溉，表土干爽，蒸發量低，可使空間濕度減少15%～20%，發病率下降50%；選用霧灌系統灌溉，可折射太陽直射光30%，大氣溫度降低3～8 ℃，使植物生長環境得到明顯改善。

3.3 降低土壤鹽漬化，防治根結線蟲病

設施條件下的土壤，得不到雨水的自然淋洗，土壤次生鹽漬化程度高。而根結線蟲病屬好氣性病害，病原多集中在0～25 cm土層活動。微灌灌溉，不間斷向土壤補充水分，使水分供需保持平衡，緩解了作物生長過程中對地下水的依賴，阻斷了鹽離子在作物體內和土壤中的大量滯積，又由于微灌的水分分布在0～30 cm土層，破壞了根結線蟲的好氣環境，造成大量死亡和遷徙，從而抑制了土壤鹽漬化和防治了根結線蟲病害的發生。

3.4 克服誤灌，高產優質

傳統的畦、溝灌水，水量不易把握，一次性水量過大現象時有發生。而微灌向土壤中輸水的可控性增強，使作物處在最佳的水分狀態下生育，從而可有效避免超量灌水造成的生理傷害。另一方面，瓜果類蔬菜在膨果后期最忌一次性灌水量過大，使果實內溶質的吸脹作用加劇、膨壓增大，由于外果皮組織中厚垣細胞的胞壁較厚，吸脹力小，在反壓力作用下果皮破裂，即稱裂果病。而采用微灌系統灌溉，由于受工作原理的支配，可避免一次性灌水量過大，可防止裂果病發生。故微灌可提高產量、改善品質、增加商品率和優質果率。

3.5 減少灌水次數，便于田間操作

微灌系統灌溉以其低蒸發、低下滲的特性，使灌水在土壤中持效期延長。一般4～8 d灌水1次，而畦、溝輸水，則需3～4 d灌1次。植物的結果期是水分需求增大期，必須增加灌水次數來滿足生長發育的需求；同期又是田間勞作的頻繁期（施肥、整枝、保花、保果、防病、采摘等），畦、溝灌水后因地面持久過濕不能下田勞作，而微灌則是在畦上土層內灌水，畦間（走道）相對干燥，灌后即可勞作，能較好地化解結果期灌水與田間操作的矛盾。

4 結論

（1）4種灌溉器（方式）的應用較傳統的灌溉方式節水效果顯著，其效果排序為：滲灌＞滴灌＞霧灌＞噴灌。但滴灌一次性投入最低。

（2）3種模式配置均可以與4種灌水器整合成微灌系統，灌水品質無明顯差異，但成本差值很大，依次為變頻恒壓微灌系統＞自流式微蓄微灌系統＞小單元微灌系統。應權衡利弊，酌情抉擇。

（3）根據現行的農業經營模式，小規模家庭經營和產業龍頭經營較普遍，小單元微灌系統和變頻恒壓微灌系統是相應的最佳選擇。而自流式微灌微蓄系統則適宜缺水缺電的丘陵山區規模大戶應用。

（4）我國農業的微灌系統起步于20世紀中期，21世紀初步入加速時段，到本世紀中葉的騰飛階段還有很大發展空間，應加大在該領域的拓展力度。