幾種節水灌溉新技術應用現狀與研究進展

王 旭，孫兆軍，楊 軍,3，焦炳忠

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021； 2.寧夏大學環境工程研究院，銀川 750021；3.銀川能源學院，銀川 750105)

我國是傳統農業大國，農業用水量大，占水資源總量的一半以上，水資源豐富但分布不均勻，人均占有量低。我國有50%的耕地處于半干旱、干旱地區，但由于降水受季風的影響，時空分布不均、差異懸殊，導致季節性和區域性缺水問題突出；根據水利部對全國水資源進行的評估，中國水資源總量為2.8萬億m3，居世界第6位，而我國人均水資源占有量不到2 220 m3，僅為世界人均水平的1/4[1]。預計2030年我國人口總數將達到16億人，糧食需求總量將達到7.2億t，而屆時我國的人均水資源占有量只有1 750 m3，是世界上13個人均水資源最貧乏的國家之一。我國目前的糧食產量只有5億t，如何將現有的4 000億m3的灌溉水用到更多農作物種植上，成為解決我國糧食安全的首要難題[2]。現在，中國以6 000億m3左右的水資源，生產了40萬億元GDP，如果今后每年經濟增長保持在6%左右，到2030年中國GDP可能超過120萬億元。按照現在的用水水平，用水量要增加到1.8萬億m3，遠遠超過水資源承載能力。因此，我國未來水資源形勢異常嚴峻，發展農業節水灌溉刻不容緩。

農業節水不僅是我國經濟可持續發展的客觀要求，同時也是我國水資源短缺、水資源配置失衡等嚴峻形勢所決定的[3]。我國農業灌溉水資源浪費嚴重，全國農田灌溉水利用率平均僅為52%、農田對自然水的利用率僅為56%，灌溉供水近一半未被利用，而發達國家農田灌溉水利用率為70%～80%，粗放式的灌溉水管理以及節水灌溉技術的落后，導致我國水資源利用率低于發達國家。如果我國農田灌溉水利用系數再提高0.1～0.15，每年可減少取水量400～500億m3，相當于再造一條黃河。以色列的節水灌溉技術處于世界領先水平，20世紀60年代以色列人創造了滴灌技術，隨著節水灌溉技術的發展與推廣，以色列境內已基本滴灌化。美國的灌溉面積占總耕地的13.5%，隨著滴灌、噴灌等節水灌溉技術的推廣，節水灌溉面積達0.89億hm2，占國內總灌溉面積的37%[4]。目前，我國的灌溉面積約0.53億hm2，占我國耕地面積的40%，產出的糧食占全國糧食總產量的80%，保障著我國的糧食安全[5]。2030年有效灌溉面積要達到0.7億hm2，每年需要增加80億m3灌溉用水，現有的灌溉用水滿足不了增加的部分。因此，提高灌溉用水效率，創新節水灌溉技術會對未來國家經濟可持續發展做出重大貢獻。

1 我國農業節水灌溉技術現狀

農業節水對保障國家糧食和生態安全，推動農業經濟可持續發展都具有重要的戰略意義。在農業用水量不足與糧食需求量增加的矛盾下，我國農業節水技術得到了較快的發展。2011年中央1號文件《關于加快水利改革發展的決定》提出，農田水利設施建設的滯后影響了我國農業穩定發展，未來將投資四萬億用于農田水利設施建設、加快節水灌溉技術在農業生產中的推廣和應用。灌溉水從水源到作物產出經過4個環節[6]：水源取水，并通過輸水系統將灌溉用水送至田間；通過灌溉過程將灌溉水轉化為土壤水；通過作物的吸水過程，把土壤水轉化為生物水；在生物水的參與下，通過作物的一系列生理過程形成作物產量。每個環節都有水損失，前兩個環節涉及從水源到土壤水的過程，通過工程措施如修輸水管道和噴灌、滴灌和微灌等新技術的應用來提高用水效率，節水潛力巨大，是當前節水灌溉研究和發展的重要領域。

我國農業面臨的缺水問題，主要采取節水措施予以解決，灌水方法的好壞直接影響水利用系數。目前，滴灌、微灌、低壓管道灌溉技術的應用大大提高了用水效率，有效利用系數達到了0.45[7]。康紹忠院士提出了“控制性作物根系分區交替灌溉”的新方法[8]，采用控制性根系分區交替灌溉，能夠減少棵間蒸發和作物蒸騰耗水，達到節水的目的。我國在1974年引入了滴灌技術，且得到了快速發展，滴灌與覆膜種植結合的膜下滴灌技術，已應用到了我國多種農作物的種植上。理想的節水灌溉模式包括：在盡量大范圍和任意小流量的情況下，實現灌溉均勻穩定；加入肥料、農藥，灌溉均勻穩定；無論地上還是地下都能實現均勻灌溉；長時間運行后，仍能實現灌溉的均勻穩定性。灌水方式可分為局部灌溉和全面灌溉，目前研究和應用的節水灌溉技術大部分屬于局部灌溉。我國的節水灌溉技術經過多年的發展，形成了種類形式多樣的灌溉技術，如膜下滴灌、痕量灌溉和微潤灌溉等。

1.1 膜下滴灌

(1)膜下滴灌的特點。膜下滴灌是在引進以色列滴灌技術的基礎上，將具有節水增產的局部浸潤滴灌技術和具有保墑增溫等優點的覆膜技術進行了有機融合，在生產實踐中創造出來的新型節水灌溉技術[9]，屬于局部灌溉，水分入滲僅發生在滴頭附近的一個小區域內，滴灌后土壤含水率最大值在距離地面10 cm處，不在地表。膜下滴灌為內陸干旱地區發展高效節水灌溉技術開辟了新途徑，在我國西北干旱地區得到了大力推廣和廣泛使用。膜下滴灌是在大田膜下應用滴灌技術，地表滴灌能夠有效減少水分的深層滲漏；覆膜能夠提高地溫，同時有效抑制作物棵間的無效蒸發；覆膜滴灌不僅節約灌溉用水，而且有利用于作物生長，實現節水增產的效益[10]。膜下滴灌過程中，加入可溶性肥料能夠使肥料隨水滴施入土壤，可以定時定量的對作物施水施肥。

膜下滴灌技術的應用對區域生態環境產生積極影響：單位面積農業用水減少明顯，干旱地區的水庫也出現了相對過剩的現象，河道用水得到了較好的補充；將農藥化肥加入滴灌中減少了對農田環境的潛在污染，維持區域生態環境安全。膜下滴灌對作物種植管理也產生重要影響：改變土地經營和管理模式，以家庭為單位的農場經營模式，人員少且種植規模大，有利于發揮規模效應[11]；推動種植結構的調整，節水增產效果明顯促使當地農民廣泛將技術應用到棉花、葡萄等作物上，實現增產增收。膜下滴灌技術的應用也對農業勞動力的轉移產生積極影響：改變傳統農田生產管理工序，減少了作業環節，減輕勞動強度，提高勞動效率，促進勞動力的轉移。

(2)膜下滴灌對土壤水鹽運移的影響。目前，膜下滴灌已形成一個種植技術體系，包括覆膜種植、滴灌技術、供水管道和機械作業等。滴灌流速和布置方式、滴孔流速、水質、灌水定額和頻率是影響膜下滴灌作物生長的重要因素，干旱地區農業灌溉既要滿足作物的需水，同時又擔負著調控農田土壤鹽分、實現高產的目標和任務。膜下滴灌在干旱區鹽堿土改良利用方面發揮著重要作用，滴灌在根區可形成淡化的脫鹽區，覆膜抑制膜內土壤的蒸發，使膜內鹽分發生側向運移，深層滲漏的減少也防止了次生鹽漬化的發生。膜下滴灌流量和灌水量的大小影響土壤水鹽運移和再分布，大滴頭流量水分的水平擴散速度比垂直入滲速率大，滴灌結束后，膜下濕潤區域土壤水鹽淡化[12]，滴頭間距小、灌水量大則交匯區獲得的水量就多，土壤鹽分淋洗效果也較好。隨著作物生育期的推后，垂直方向0～60 cm土層的鹽分逐漸增加，對60～100 cm的影響較小；水平方向露地部分中央土層處積鹽最多，滴頭處最少[13]。

(3)膜下滴灌的應用。膜下滴灌最早在新疆實施，棉花作為新疆重要的經濟作物，首先得到了應用，也是目前應用最廣泛的。胡曉棠等[14](2003年)為了探明膜下滴灌對棉花根際土壤環境的影響，在新疆開展試驗，研究了田間膜下滴灌對棉花根際土壤的水、熱、氣變化的影響，試驗結果表明：覆膜滴灌有助于土壤增溫，膜下滴灌條件下作物根系淺層土壤含水量比深層土壤含水量高，根系淺層土壤干、濕間隔，有利于土壤氣體交換，節約灌溉水50%左右，增產20%左右，效果明顯。劉戰東等[15](2011年)為了探明不同灌水量對玉米產量、耗水量和水分生產效率的影響，應用膜下滴灌，并設置不同灌水處理形成對照組，在大田玉米區開展試驗，試驗結果表明：膜下滴灌條件下的土壤水分運移變化主要發生在0～60 cm，產量隨灌水量的增加而增加，穗長、千粒質量、穗粒質量等也隨灌水定額的增加呈遞增趨勢。鄧忠等[16](2013年)為了探明水氮調控對膜下滴灌棉花生長的影響，通過設置低灌水量(4 950 mm/hm2)、中灌水量(5 850 mm/hm2)和高灌水量(6 750 mm/hm2)，在大田棉花膜下進行滴灌試驗，試驗結果表明：隨著灌溉水量的增加，棉花的主莖葉數、葉面積指數、干物質積累和株高都顯著增加，中灌水條件下水分利用效率達1.45 kg/m3、氮肥利用效率達45.89%。

1.2 痕量灌溉

(1)痕量灌溉的節水原理。滴灌作為最早引入我國的節水灌溉技術，得到了廣泛應用，是一種間斷式的灌水方法，但是滴灌在使用過程中的堵塞問題一直阻礙著節水灌溉管材的發展，痕量灌溉的出現，解決了堵塞問題。痕量灌溉控水頭在渾濁以及超低流量下，以其獨特的結構保證了其抗堵塞性，痕量灌溉將管道埋在地下，土壤干燥時，土壤中的毛細空隙會將滴灌中的水抽出，在灌水器內部產生抽水力，土粒中的范德華力為水分運動提供了動力[17]，土壤中的水勢差為水分在土壤中的運動提供持續動力。痕量灌溉中每個灌水器獨立過濾且能控水，通過雙層結構控水，以任意小的速率(1～1 000 mL/h)，直接將水或營養液輸送到植物根系附近，濕潤作物的根層土壤。痕量灌溉能夠及時少量的向植物根部供水，滿足植物的需水要求。

(2)痕量灌溉工作原理。痕量灌溉灌水器采用雙層二維結構解決了三維流道堵塞的世界難題，實現了抗堵塞的效果。痕灌控水頭由痕灌膜和毛細管束兩種特點相反的雙層透水材料構成，控水頭的出水口處由毛細材料填充，毛細管與土壤接觸后，土壤中的毛細空隙能夠將控水頭中的水自動抽出，不增加額外能源消耗的情況下實現穩定、均勻、長期的出水量[18]。毛細纖維管束的間隙遠小于作物根系的直徑，能夠杜絕植物根系伸入出水流道而引發的堵塞問題。痕量控水頭上層透水材料起過濾作用；下層透水材料起控水作用。

(3)痕量灌溉的抗堵原理及優勢。傳統滴灌依靠三維流道結構進行單層控水，堵塞問題不可避免，而痕量利用雙層結構控水，使堵塞由三維立體問題(滴灌三維流道結構單層控水)變為二維平面問題(痕量雙層結構控水)。堵塞物不會進入三維孔道，植物根毛也不會侵入灌水器內部，解決了堵塞問題。常量灌溉通常采用t/h，微量灌溉采用L/h，而痕量灌溉采用mL/h，將地上灌溉改為地下灌溉，由輪灌短時間灌溉到長時間灌溉，對傳統灌溉方式進行了創新。將管道淺埋于地下，能夠遮光使其溫度低于地表溫度，同時，避免灌溉水中化學物質結晶析出、藻類及微生物的生長，有效避免化學性和生物性堵塞。

堵塞會導致灌水不均勻，痕量灌溉由于抗堵塞性能好，灌水均勻度高，垂直方向濕潤范圍為20～80 cm，單根毛管濕潤寬度為50～60 cm，沿毛管鋪設方向，濕潤體相互搭接成一體，350 m內出水均勻度達90%。單根痕灌管鋪設長度達500 m，而滴灌單管鋪設長度一般在80 m以下；單口出水量80 m3/h的水井同時灌溉的控制面積可達15 hm2以上，而滴灌小于3 hm2；痕灌只用2個閥門，減少了人工操作，有利于降低灌溉自動化成本。

對農業生產產生積極影響：能夠實現長期穩定的地下水肥一體化；避免蒸發損失；使用壽命長避免反復回收；無需覆蓋地膜，避免白色污染；不存在深層滲漏，也不會造成肥料農藥的深層滲漏，減少農業面源污染；提高作物品質和安全性；適合高標準農田的建設；減少農業用水量。為城市行道樹和草坪等特殊場所提供灌溉解決方案；為沙漠化治理、礦山修復等提供可行的灌溉技術。

(4)痕量灌溉的應用。痕量灌溉在生菜、茴香、黃瓜和番茄上都得到了廣泛應用。王志平等[19](2011年)以溫室大桃為試驗對象，以滴灌和常規畦灌為對照，研究痕量灌溉對大桃產量和水分利用的影響，試驗結果表明：痕量灌溉比畦灌節水80.1 m3、比滴灌節水40.0 m3，水分利用效率與對照組相比增長10%以上。周繼華等[20](2013年)以生菜品種“北京101”和“皇帝”為試材，以滴灌為對照，研究了痕量灌溉系統對溫室生菜產量和水分利用效率的影響，試驗結果表明：與常規滴灌相比，痕量灌溉不影響生菜的株高、單株凈菜干重，而痕量灌溉的水分利用效率較高，與其他處理相比提高了8.2～30.7 kg/m3。楊明宇等[21](2013年)以京茄1號為試材，研究了不同埋深的痕量灌溉對日光溫室栽培條件下茄子產量、灌水量和耗水量的影響，試驗結果表明：不同埋設深度能夠促進茄子的生長、提高產量，且埋深10 cm產量最高，與對照處理相比增產14.7%，水分生產效率也最高，達到23.5%。諸均等[22](2014年)將痕量灌溉應用在茴香種植上，以滴灌作為對照，探討不同灌溉方式對茴香產量、干物質積累量和水分利用效率的影響，試驗結果表明：痕灌茴香球莖部分比滴灌重21.6%，地上部分(莖和葉)比滴灌重18%；痕灌的總耗水量顯著低于滴灌，痕灌耗水量為滴灌53%；痕量灌溉的水分利用率是滴灌的2.3倍。

1.3 微潤灌溉

(1)微潤灌溉的工作原理。滴灌系統耗能巨大，提水過程耗能而且需要配套設施，如電機、控制器、水泵等設備。在遠離水源、電力缺乏的灌溉地區，體現不出優勢，微潤灌溉在這些地區能夠體現出高節水、低能耗的優勢。微潤灌溉是一種連續的微灌技術[23]，微量的水緩慢向土壤滲透進行灌溉，能夠使土壤保持一定的濕潤性，是一種新型地下精準灌溉方式[24]，屬于局部灌溉。微潤灌溉不同與滴灌，管道上沒有固定的滴頭作為灌水器，而是在管道上形成納米級微孔取代傳統的流道。微潤灌溉以高分子半透膜微潤管為核心，埋入地下以微量、緩慢、連續不斷的出水方式向農作物根系供水供肥，使灌溉過程與植物的吸收過程在時間上同步、在數量上匹配，從而達到無脅迫灌溉效果，并能防止水分滲漏、蒸發等損失，具有高效節水、節肥、降低面源污染、增加土壤透氣性、減少水土流失、使作物增產增收等特征。

(2)微潤灌溉的優勢。微潤灌溉能顯著提高土壤和空氣溫度，降低相對濕度，與溝灌相比，具有調控土壤溫度、水分的優勢。微潤灌溉屬于浸潤式灌溉，土壤不易發生板結、團粒不易被破壞，有效保護了土壤和生態環境。微潤帶的出水孔密集均勻，水從出水孔出來類似線狀，是一種高效、省水、連續的地下灌溉技術[25]。微潤灌溉的濕潤體是以微潤帶為軸心的柱狀體，而地下滴灌濕潤體呈近似橢圓形，微潤灌溉濕潤面積略大于地下滴灌。地下滴灌濕潤土壤水分分布不均勻，隨灌水-停止呈周期性變化，而微潤灌溉均勻度比地下滴灌高。微潤灌溉系統有效降低了蒸發損失、滲漏損失和徑流損失，是滴灌用水量的1/5，大大提高了水資源利用系數。同時，在使用過程中不消耗動力，灌溉水的驅動力是微潤管中水位的位能和土壤的勢能，只要有穩定的水源，就能維持灌溉系統的運行。微潤灌溉在作物生育期內土壤水分變化幅度小，含水率維持在較低水平，能夠根據作物需水量和膜內外水勢差自動調節灌溉，達到節水增產的效果。

在灌水過程中將肥料加入其中，可以實現灌溉施肥，有效節省資源。通過灌溉系統施肥，能夠實現均勻施肥、平衡施肥、達到精準施肥的目的，提高肥料利用率，同時節省勞動力，可以節約50%的肥料[26]。滴灌施肥需要全水溶性的滴灌專用肥，價格較高，不利于推廣。而微潤灌溉系統能夠使用普通肥料，大大提高了適用性，有利于在用戶間推廣，且有利于水肥一體科學灌溉技術的普及。

(3)微潤灌溉的應用。何玉琴等[27](2012年)為了探明微潤灌溉對玉米生長和產量的影響，以膜下滴灌為對照，研究了不同埋設深度、間距和壓力對玉米的影響，試驗結果表明：微潤灌溉水利用效率比膜下滴灌高，且有利于玉米籽粒的發育、籽粒飽滿，微潤灌溉條件下壓力對水分利用效率及玉米產量影響較大，間距對耗水量的多少影響較大。牛文全等[28](2013年)為了探明微潤灌土壤濕潤體特性，通過室內土箱試驗，研究了微潤灌溉中不同埋深與壓力對濕潤體水分運移的影響，試驗結果表明：壓力水頭是決定微潤灌流量的主要因素，微潤帶埋深顯著影響土壤濕潤體的形狀，土壤累計入滲量與埋深呈負相關，土壤濕潤均勻系數與埋深呈正相關，且黏壤土微潤灌最適宜的埋深是15～20 cm。薛萬來等[29](2013年)為了探明微潤灌溉對溫室番茄生長的影響，通過滴灌和微潤灌溉的對比試驗，研究微潤灌溉的水分利用效率以及對番茄生長的影響，試驗結果表明：微潤灌溉的土壤水分動態變化比滴灌小；微潤灌溉更有利于作物的生長；微潤的水分利用效率為60.42 kg/m3，滴灌的水分利用效率為53.33 kg/m3，微潤灌溉水分利用優于滴灌。張珂萌等[30](2015年)為探明間歇灌溉與連續灌溉過程中土壤水分運動和分布的異同，利用Hydrus-2D軟件模擬了微潤灌溉和地下灌溉兩種灌溉方式下土壤水分的運動，試驗結果表明：當灌水量一致時，微潤灌溉的濕潤面積比地下滴灌大，且濕潤土壤水分分布均勻度達81%，大于地下滴灌。

2 存在的問題和發展趨勢

2.1 存在的問題與不足

(1)覆膜灌溉存在的問題與不足。膜下滴灌產生的殘膜問題給農業生產帶來了影響，有的試驗區殘膜量大，使用之后殘留的殘膜會在耕層中的形成阻隔層，影響土壤的水、肥、氣和熱循環，不利于作物生長[31]。同時，膜下滴灌只是調節作物根系層土壤鹽分的分布，鹽分并未排出，如果灌溉水含有一定鹽分，鹽分會逐步在作物根底積累，有可能會產生土壤積鹽爆發[32]。

(2)痕量灌溉存在的問題與不足。痕量灌溉將管道埋在地下，在日光溫室中使用滲灌會導致次生鹽漬化現象加重[33]，痕量灌溉管道的埋深對根層土壤環境的影響鮮有報道。痕量灌溉單位時間供水量小，應用到大田作物上，在作物高峰需水期無法滿足作物的需水[34]。

(3)微潤灌溉存在的問題與不足。微潤灌溉流量小且長期連續灌溉，但如何影響土壤鹽分的累計和運移，相關研究較少。微潤灌溉線源入滲濕潤體的研究，土壤濕潤體運移[35]的研究尚處在室內模擬階段。灌溉水中泥沙量及粒徑會對微潤管的出水量產生影響[36]，粒徑大時，會堵塞溫潤管，微潤灌溉的生物堵塞問題也不容忽視。

2.2 3種節水灌溉技術的發展趨勢

(1)覆膜灌溉的發展趨勢。殘膜回收機械設備的開發會對膜下滴灌產生積極影響，應用機械設備回收殘膜能夠很好解決膜下滴灌帶來的潛在問題；隨著數字化農業的發展，以膜下滴灌技術為控制手段，通過電子計算機和傳感器的應用，實現精量施肥、精量灌水，將是未來發展的一個重要方面。

(2)痕量灌溉的發展趨勢。痕量灌溉單位時間供水量較小，在我國北方尤其西北干旱地區，作物的騰發量大，耗水強度高的作物需要在兩側鋪設管道，工程投入較大。因此，需要在現有的基礎上開發可調節供水流量的新型控水頭，能夠根據作物的需水強度在一定范圍內調整供水量，以滿足作物的需水；優化產品性能參數，生產多種型號痕灌產品；結合水肥一體化對不同種灌溉作物提供更精細的方案。

(3)微潤灌溉的發展趨勢。如何將微潤灌溉系統從依賴化石能源中解放出來，將綠色新能源和灌溉系統進行結合，積極利用風能太陽能，實現可持續綠色節水農業的發展，將是下一步研究的重點。

3 結 語

如何運用先進的電子技術、計算機控制技術和灌溉過程結合起來，從水力控制、機械控制到機械電子混合協調式控制，未來基于物聯網的計算機控制、傳感技術和神經網絡控制的結合等，可以使灌溉過程可靠性強、操作簡單，逐步實現智能化和精準化程度高的灌溉模式。

農業是我國的基礎性產業，發展節水農業是確保我國糧食安全，實現可持續發展的重要手段之一。將灌溉過程與物聯網結合，發展智慧節水農業，實現灌溉過程自動化、檢測控制數字化、運營管理智能化。同時，節水農業的發展，應加快推進節水灌溉技術的改進，強化對灌溉用水的管理。發展節水灌溉新技術的同時需要加強農業用水政策、法規的制定和管理制度的完善，才能最大限度減少灌溉水在各個環節的損失，提高水資源的總利用效率，也是解決我國農業灌溉用水不足的根本途徑。

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