自壓噴灌技術在高寒干旱區草地植被恢復的應用淺析

多吉頓珠, 巴桑赤烈, 劉 玉

(1.西藏自治區農牧科學院 草業科學研究所, 拉薩 850009; 2.西藏自治區水利廳,拉薩 850000; 3.中國科學院 水土保持與生態環境研究中心, 陜西 楊陵 712100)

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自壓噴灌技術在高寒干旱區草地植被恢復的應用淺析

多吉頓珠1, 巴桑赤烈2, 劉 玉3

(1.西藏自治區農牧科學院 草業科學研究所, 拉薩 850009; 2.西藏自治區水利廳,拉薩 850000; 3.中國科學院 水土保持與生態環境研究中心, 陜西 楊陵 712100)

針對高海拔、寒冷和干旱等惡劣氣候環境地區草地植被恢復的瓶頸問題，結合可持續發展戰略內涵，該研究系統地介紹了高寒干旱區草地自壓噴灌技術，采用創新設計，設置圍欄、圍欄+噴灌、未圍欄3個處理的初級生產效益對比分析試驗。結果顯示，圍欄封育+自壓噴灌樣地植物平均高度比未圍欄樣地增加了155.77%，比僅圍欄樣地增加了76.71%；群落蓋度比未圍欄樣地增加了152.69%，比僅圍欄樣地增加了35.96%；群落生產力比未圍欄樣地增加了110.00%，比僅圍欄樣地增加了24.10%。結果表明，自壓噴灌技術在水源和地形條件具備的高寒干旱草地恢復中具備一定的示范和推廣潛力，為西藏地區因地制宜，科學合理地利用水資源，為該區草地生態畜牧業的可持續發展提供了一條新思路。

自壓噴灌; 高寒干旱區; 草地植被; 恢復

西藏是我國五大牧區之一，擁有各類天然草地0.88億hm2，草地及水資源極為豐富，僅地表水資源人均占有水量為全國平均水平的82倍[1]。受特殊的自然地理因素、氣候因素等方面影響，水、熱資源時空分配不均。而且西藏地區水利基礎薄弱，牧區水利研究相對滯后，對草地灌溉工程效益缺乏精確、定量研究。乃至當前，節水灌溉技術在西藏高寒地區的應用也是一個技術性難題。

水和草是農牧民賴以生存的最重要的物質基礎，兩者互不可缺，在草地生態畜牧業可持續發展中具有重要地位[2]。受全球氣候變暖等自然因素和不合理利用等人為因素影響，截至2014年，西藏地區中度以上退化草地面積為1.126億hm2，占可利用天然草地面積的16.36%，可灌溉的天然草原面積僅占全區可利用草原面積的1%[3-4]。節約用水是我國發展不得不面對的永恒的主題，它不僅關系到國家糧食安全、生態安全，而且關乎到國家安全。農業節水將是緩解我國水資源供需矛盾的主要途徑[5-6]，特別是在高寒干旱半干旱草地畜牧業發展區域，節水灌溉是持續穩產的關鍵。西藏地區有效灌溉面積增長后勁不足、未來的有效灌溉面積增速可能減慢，區內也逐漸加強關注農業節水灌溉，但是自壓噴灌草地節水灌溉技術應用研究尚未開展成功[7-9]。本試驗運用自壓噴灌技術結合圍欄禁牧等措施對高寒草地進行恢復研究，以期為自壓噴灌技術在高寒地區的推廣應用提供基礎。

1　材料與方法

1.1試驗區概況

研究區位于西藏拉薩市當雄縣西南方向，沿拉日公路向西，距羊八井鎮約32 km的格達鄉境內，格達鄉向西北約1.5 km處的甲多村，該點位置屬于念青唐古拉山西南坡的山腳。平均海拔為4 500 m。氣候屬高原寒溫帶半干旱季風氣候。受大氣環流和地形影響，氣候特點是冬季寒冷、干燥，晝夜溫差大，夏季溫暖濕潤，雨熱同期，干濕季分明，天氣變化大。根據羊八井氣象觀測資料分析多年平均氣溫1.3℃，平均氣溫≥0℃的積溫1 800℃，地表溫度平均為5.9℃，每年11月至翌年3月份有三個月的土地凍結期，牧草生長期僅90～120 d。羊八井水文監測站多年平均降雨量470 mm，降水主要集中在7—9月份，約占全年的80%以上；多年平均蒸發量1 725.7 mm；多年平均年日照時數2 880.9 h，年均太陽輻射總量786.7 kJ/(cm2·a)；多年平均年無霜期僅62 d。大雪、冰雹、霜凍、干旱、大風等自然災害頻繁。

1.2天然草地自壓噴灌設計

1.2.1天然草地自壓噴灌設計思路從位于甲多村村莊上游的山腳沖積河床尖溪水出口水(29°58′20.56″N，90°14′51.85″E；海拔4 747 m)，利用沼澤串溝(簡易土渠)將水引至村莊旁修建的小型引水口兼沉砂池，主引水管長1 295 m，經主引水管引水至灌區末端，在主管0+180 m處修建容積約200 m3的蓄水池，在蓄水池設出水口，在灌溉區形成35～57 m的自然高差壓力進行草地自壓噴灌。為降低高寒、干旱、凍土層自然因素對管網及其他附屬設施的影響，主管和支管全部設埋在凍土層以下，并建立地下式蓄水池。

1.2.2灌溉需水量的確定

(1) 設計灌水定額計算公式為[10]。

m=10.2rh(β1-β2)/η

(1)

試驗區土壤容重為1.7 g/cm3，作物根系活動深度10 cm，田間持水量取30%，土壤含水量上限取80%，下限取50%，噴灑水利用系數取0.8[10]，故實際灌水定額為m0=2/3×10.2×1.7×10×0.3×(0.8～0.5)/0.8=195.15 m3/hm2。

考慮到試驗區氣候干燥、多風的實際氣候條件，選取灌水定額法計算的需水量195.15 m3/hm2作設計依據。

(2) 灌水周期。

T=m/Etd

(2)

式中：T——設計灌水周期，計算值取整(d)；ETd——作物日蒸發蒸騰量，取代表年灌水高峰期平均值(mm/d)。

ETd=c[wRn+(1-w)·f(u)·(ea-ed)]=2.68

(3)

式中：c——修正系數，c=0.92；Rn——太陽靜輻射=3.68 mm/d，ea=7.15ed=7.00；w——取決于溫度與高程的加權系數，w=0.78；f(u)=0.27(1+u/100)=1.27；灌水周期為T=19.51/0.7/2.68=5.1≈5(d)。

(3) 灌水強度。

①允許噴灌強度。根據《噴灌工程技術規范》(GB/T50085—2007)中“各類土壤的允許噴灌強度”規定[10]，沙壤土的噴灌強度為15 mm/h，考慮到本項目區地形的自然坡度等因素，按照《噴灌工程技術規范》中“坡地允許噴灌強度降低值”規定(表1)，降低20%的強度，故選用12 mm/h的噴灌強度。

表1　灌溉需水量經驗參數統計

② 噴灑強度的計算：

ρs=1000q/πR

(4)

式中：q——噴頭的噴水量；q=9.6 m/h；R——噴頭射程(m)；R=26 m；ρs=(1000×9.6)/(3.14×262)=4.52 mm<12 mm滿足。

(4) 霧化指標。

① 允許霧化指標：

根據《節水灌溉工程實用手冊》作物霧化指標規定牧草、飼料作物及緣化林木為2 000～3 000[11]。

② 霧化指標計算:

WP=HP/d

(5)

式中：WP——霧化指標；HP——噴頭工作壓力強度(57 m)；d——噴頭噴嘴直徑12 mm。Wp=(350×100)/12=2197<3000。

(5) 水量平衡分析。

來水量：5 d需水量：

Wj=(m×s)/d=(19.51×107 000)/0.7=2 982 m3/t

5 d來水量：

0.054×86 400×5=23 328 m3

需水量：

Qj=mA/Tiη=(19.51×107000)/(1000×3600×5×9)=0.013m3S-1<0.054m3S-1

平衡分析，來水量大于需水量滿足要求。

1.2.3噴灌工作制度

(1) 設計噴水時間：

td=ms/1000QTη

(6)

式中：td——日噴灌時間(h)；m——設計灌水定額(m3/hm2)，m=19.51 m3/hm2；s——系統控制面積，s=107000 m2；Q——系統流量，Q=48 m3/h；T——設計灌水天數，T=5 d；η——噴灑灌水利用系數，η=0.7；

td=(19.51×107000)/(1000×48×5×0.7)=12.43 h

(2) 噴頭在工作點的噴灑時間：

t=dbm/1000qη

(7)

式中：t——噴頭在工作點上噴灑的時間(h)；a——噴頭沿支管的間距(m)，a=21 m；b——支管的布置間距m，m=21 m；q——噴頭流量m3/h，q=9.6 m3/h；η——噴灑水利用系數，η=0.7。

t=(21×21×19.51)/(1000×9.6×0.7) =1.28 h

(3) 每日可噴灑的工作位置輪換數：

n≤td/t

(8)

式中：n——每日可噴灑的工作位置輪換數；td——每日噴灌作業時間，td=12.43h；t——噴頭在工作點上噴灑的時間(h)，t=1.28h。

n=12.43/1.28=9.71，取10次。

根據實際情況，主管道長約1 295 m，基本沿等高線垂直方向布置，每條支管長約300 m，也基本垂直等高線走勢與主管道呈直角布置，主管與支管將采用“梳齒型”方式布設。設支管20條，支管最多設15個噴頭，每個噴頭灌水強度初步選為12 mm/h。灌水周期為5 d。

1.2.4噴頭的選擇噴頭的選取與噴灌強度有直接的關系，按照《節水灌溉工程技術規范》中的規定[12]，土壤的允許噴灌強度是影響噴頭選型的主要因素之一。一般情況下，噴頭的選擇宜優先采用低壓噴頭；灌溉季節風大的地區或實施樹下噴灌的噴灌系統，宜采用低仰角噴頭；草坪宜采用地埋式噴頭；同一輪灌區內的噴頭宜選用同一型號。噴頭組合噴灌強度的計算公式為：

ρ組合=1000q/A

(9)

式中：q——單噴頭的流量(m3/h)；A——單噴頭的有效控制面積(m2)。

按照q=9.6m3S-1，A=1385計算，則ρ組合=6.93(mm/h)<12 mm/h，可以滿足沙壤土要求。選噴頭40Py2H-270，其噴嘴直徑12 mm，壓強350 kPa，q=9.6 m3/h，射程26 m。

1.2.5噴頭的布置由于本項目區域地塊不平，且有一定的自然坡度，邊界要求也不高，故本次設計采用不規則形。噴頭及支管間距計算公式：

a=b=Kb

(10)式中：a——噴頭在支管上的間距(m)；b——支管間間距(m)；Kb——與噴灌系統的形式、風速，等有關的系數，Kb=0.81；R——噴頭的射程(產品性能表上查的數值)，R=26 m。a=b=21 m。參照灌溉工程相關技術規程，結合本項目實際，噴頭及支管間距設在21 m。

1.3自壓噴灌試驗設計

在2012年11月1日首次試噴成功的在天然草地噴灌灌溉區域內，設置面積為21 m×21 m的樣地3個，依次為圍欄禁牧處理(FG)、圍欄+噴灌處理(FA)和圍欄外對照區(CK)。噴灌試驗從2013年5月份開始，每月噴3次。2013年9月份，在每個樣地對角線上隨機選擇0.5 m×0.5 m樣方5個進行群落調查。記錄樣方內的植被種類、總蓋度、分蓋度、自然高度。采用刈割法測定群落地上生物量，在實驗室烘箱內于70℃下烘至恒重，測定植物干重。土壤樣品采用對角線混合法采集0—10 cm土壤樣品每樣方3次重復，同樣方同土層混合，風干研磨后過1 mm和0.25 mm篩備用[13]。土壤有機質測定采用重鉻酸鉀外加熱法，速效氮用堿解蒸餾法測定，土壤群落采用酸溶—鉬銻抗比色法測定，土壤全氮采用半微量凱氏法測定，土壤pH采用復合電極法測定[14]。

數據采用SPSS 17.0統計分析軟件進行數據整理及相關的統計分析。通過單因子方差分析(One-way ANOVA)比較不同處理間蓋度及生物量差異。

2　結果與分析

不同處理的方差分析結果表明，圍欄+噴灌草地群落蓋度相比圍欄草地和未圍欄草地群落的蓋度顯著增加(p<0.05)。圍欄+噴灌樣地群落蓋度比未圍欄樣地增加了152.69%，比僅圍欄樣地增加了35.96%(圖1A)。圍欄+噴灌樣地群落中植物平均高度比未圍欄和圍欄樣地也顯著增加(p<0.05)，比未圍欄樣地增加了155.77%，比僅圍欄樣地增加了76.71%(圖1B)。灌溉樣地的植被蓋度，株高明顯高于對照樣地，表明灌溉對于高寒干旱區草地植被恢復的作用十分明顯，這與高天明[15]、景美玲等[16]研究結果相同。灌溉可以補充天然降水的不足，改善草地生態環境進而促進牧草生長，尤其是在西藏的高寒干旱地區灌溉對于植物生長的水分補充顯得尤為重要。

注：CK為圍欄外對照樣地；FG為圍欄封育樣地；FA為圍欄+噴灌樣地。不同字母表示不同處理間在0.05水平上差異顯著。下圖同。

圖1不同處理間群落蓋度、植物平均高度變化

圍欄+噴灌草地群落植物鮮重和干重生物量均比圍欄草地和未圍欄草地群落的生物量顯著增加(p<0.05)。圍欄+噴灌樣地群落植物鮮重比未圍欄樣地增加了192.88%，比僅圍欄樣地增加了34.82%(圖2A)。圍欄+噴灌樣地群落中植物干重比未圍欄和圍欄樣地也顯著增加(p<0.05)，比未圍欄樣地植物干重增加了110.00%，比僅圍欄樣地增加了24.10%(圖2B)。

研究表明，作物產量與水分消耗量呈線性關系，灌溉對作物產量有重要影響，有灌溉條件的農作物產量是無灌溉條件產量的1～2倍[9]。國內外生產和實踐證明，灌溉可以使天然草地產量提高8～10倍[16]，由于高寒地區氣候條件的影響，特別是溫度的限制，本試驗中灌溉樣地相比對照樣地植物鮮重提高了1.9倍，植物干重提高了1.1倍。可見，適當發展灌溉草業，可大幅度增加單位面積產草量和牧草質量，提高草地綜合生產力，減輕草地放牧壓力，促進退化草地自然恢復[17]。

圖2不同處理間植物鮮重、干重變化

由表3可以看出，圍欄+噴灌樣地pH、有機質、全鉀、速效氮含量均低于圍欄和未圍欄樣地，但全氮含量高于圍欄和未圍欄樣地。全磷含量表現為對照>圍欄+噴灌>圍欄樣地。一方面，灌溉使得土壤水分增加，一些鉀、鈉、鈣、鎂、鐵等鹽的鹽基發生淋溶現象或者隨水流失；另一方面灌溉使得植物生長所需的水分得到相應補充，土壤溶液反應發生改變，牧草生長環境得到改善，良好的生長需要吸收土壤中大量的養分，因此土壤中pH、有機質、全鉀、速效氮含量降低。

表2　不同處理間土壤理化性質變化

注：CK為圍欄外對照樣地；FG為圍欄封育樣地；FA為圍欄+噴灌樣地。

3　結 論

本試驗在西藏高寒干旱區利用自壓噴灌技術進行草地恢復管理研究，結果表明，圍欄封育+自壓噴灌樣地植物平均高度比未圍欄樣地增加了155.77%，比僅圍欄樣地增加了76.71%；圍欄+噴灌樣地群落蓋度比未圍欄樣地增加了152.69%，比僅圍欄樣地增加了35.96%；群落生產力比未圍欄樣地增加了110.00%，比僅圍欄樣地增加了24.10%。自壓噴灌技術在西藏高寒干旱地區自壓噴灌技術顯著提高草地群落的蓋度和高度，使草地生產力顯著增加。自壓噴灌技術在水源和地形條件具備的高寒干旱草地恢復中具備一定的示范和推廣潛力，為西藏地區因地制宜，科學合理地利用水資源，為該區草地生態畜牧業的可持續發展提供了一條新思路。

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Study on Application of Self-Pressure Sprinkler Irrigation Technology to Vegetation Restoration of Alpine Grassland

Duojidunzhu1, Basangchilie2, LIU Yu3

(1.Institute of Grassland Farming, Tibet Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences, Lhasa 850009,China; 2.DepartmentofWaterResources,TibetAutonomousRegion,Lhasa850000,China; 3.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

With regard to the problems of vegetation restoration in poor natural conditions region, and the connotation of sustainable development, we systematically introduced the application of self-pressure sprinkler irrigation technology using in the alpine grassland. The fenced-irrigated grassland was compared to the free grazing grassland and fenced grassland respectively to analyze the primary productivity. The results showed that the plant height of fenced-irrigated grassland was 155.77% higher than that in the free grazing grassland, and 76.71% more than that in the fenced grassland; the coverage of fenced-irrigated grassland was 152.69% higher than the free grazing grassland, and 35.96% more than the fenced grassland. It indicated that the self-pressure sprinkler irrigation technology had the demonstration and promotion potential in the restoration of grassland vegetation, and provided a new way for the sustainable development of animal husbandry in Tibet.

self-pressure sprinkler irrigation; alpine arid areas; Grassland vegetation; Restoration

2015-10-23

2015-11-16

國家公益性行業(農業)科技項目”青藏高原羊八井社區天然草地保護與合理利用技術研究與示范”(201203006)

多吉頓珠(1980—),男(藏族),西藏日喀則人,碩士,研究方向:草業科學及草原生態保護。E-mail:782034969@qq.com

劉玉(1988—),男,陜西洛南人,在讀博士,研究方向:草地生態與土壤水文過程。E-mail:kingliuyu@126.com

S275.3

A

1005-3409(2016)02-0055-05