噴灌技術在祁連山東端干旱半干旱區造林中的應用試驗

王鋒，王惠，宋喜功

(甘肅省天祝藏族自治縣華藏林場，甘肅 武威 733200)

水是林業的命脈，有水則有林，無水則無綠，然而在林業發展中，水對植被恢復中造林的影響尤其明顯。在祁連山東段供水設施的不足，使得在植被恢復中的發展后勁乏力，未來能造林的地塊可能會逐漸減少，適宜造林的地塊無法進行規劃造林。地處干旱半干旱的特殊地理特征，在灌溉技術水平較為低下的情況下，本試驗采用噴灌技術對植被恢復中的造林地條件進行了研究。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于天祝縣華藏林場水泉子和墩子洼，距縣城2 km，海拔2 410～2 570 m，土壤以山地栗鈣土為主，兼有灰褐土，土層厚度30～100 cm。氣候屬大陸性高原季風氣候，具有晝夜溫差大、氣溫低、光照不足，生長期短，年降水少且分布不均等特點。根據該地區氣象站的資料可知，區域年平均氣溫1 ℃左右，極端最高氣溫31.3 ℃，極端最低氣溫-24.3 ℃，日照時數2 600 h，年降水量450 mm左右，且多集中在7—9月，約占全年降水的70%，年蒸發量1 443 mm，最大凍土深度149 cm，多年平均無霜期160 d。

1.2 固定式噴灌設計

1.2.1 試驗原理 依據水源區位置和山體走向因地制宜地進行設計。在水源區適當位置沿分支山梁上山，在山梁頂再向各分支管道塑料管配水，再從主管道上適當位置引出鋼管支管道上山，噴灌單元區適當位置再向各噴灌單元輸水塑料管道配水，利用重力流產生的壓力水頭驅動噴頭工作。為降低高寒、干旱、凍土層等自然因素對管網以及其他附屬設施的影響，可以利用地形的起伏落差，設置管路系統，但管道仍需覆土淺埋于地下，在每條支管道末端以及地形起伏的低洼處均設置排水閥，待冬灌結束后排空管道，以防止凍裂現象的發生。

1.2.2 噴灌類型的選擇 噴灌系統一般分為固定式噴灌系統、半固定式噴灌系統、小型機組式、絞盤式噴灌機和大型平移或時針式噴灌機共五種形式。由于本次試驗我們使用噴灌次數多，設置區域均在山坡地上，無法實現移動，所以比較他們各自的特點、使用價值和設置噴灌區域的立地條件，我們選用固定式噴灌系統。這種噴灌系統具有固定的泵房，閥門設備、管道都埋在地下，雖然投資較多，但節省人工、水量，從長遠看是比較經濟實用的。

1.2.3 灌溉需水量的確定

(1)設計灌水定額計算公式[1]

m=0.1×γh(β1-β2)/η

式中：m—設計灌水定額(mm)；γ—土壤容重(g?cm-3)；h—計劃濕潤層深度(cm)；β1—適宜土壤含水量上限(質量百分比)；β2—適宜土壤含水量下限(質量百分比)；η—噴灑水利用系數。

試驗區作物γ為1 g?cm-3[2]，h為30 cm,β1取25.7%，β2取54.7%[3]，η取0.7[4],故m=0.1×1×30×(0.5-0.2)/0.7=128.5 m3?h-1。

根據輪灌組劃分情況分別確定各級管道流量，分支管道各段流量根據所控制噴頭數量確定，范圍在13.9～128 m3?h-1。每條支管道控制8～9個噴頭。

(2)灌水強度

①允許噴灌強度。根據《噴灌技術工程規范》(GB/T50085-2007)中“各類土壤的容許噴灌強度”的規定沙壤土的噴灌強度為15 mm?h-1[1]，考慮到本項目區地形的自然坡度等因素，按照《噴灌技術工程規范》中“坡地允許噴灌強度降低值”規定，降低40%的強度，故選用9 mm?h-1的噴灌強度。

②噴灑強度的計算

ρs1=1 000q/πR

式中：q為噴頭的噴水量，q=10 m?h-1，R為射程(m),R=32 m,ρs1=(1 000×10)/(3.14×322)=3.11 mm<9 mm滿足。

(3)霧化指標

根據《節水灌溉工程實用手冊》[5]作霧化指標規定，牧草、飼料作物、草坪及綠化林木中噴頭的霧化指標在2 000～3 000 mm。

WP=hp/d

式中：WP為霧化指標，hp為噴頭工作壓力水頭40 m；d為噴頭主噴嘴直徑16 m。

WP=(350×100)/16=2 187<3 000。

1.2.4 噴頭的選擇 噴頭的選取和噴灌強度有直接關系。[6]經方案比對，如果選用小型噴頭，雖然有利于提高灌水質量，但噴頭的數量和支管道的數量將成倍增加。噴頭的數量較多，不利于管理，且裝卸工作量增加，同時設備損壞的概率也會增大。本噴灌工程灌溉對象為林草，對灌水均勻度、噴頭霧化指標的要求低于農作物的要求。選用大流量遠射程噴頭，可以減少噴頭和配水管道的數量，利于節省投資，降低運行成本，選用ZY-3S搖臂式2噴嘴全圓合金噴頭，工作壓力30～50 m,噴灑半徑26～38 m，噴頭流量9.23～25.09 m3?h-1,接口尺寸1.5寸。本試驗設計工作壓力取40 m,設計噴灑半徑取32 m,設計流量取15 m3?h-1。

1.2.5 噴頭的布置 為了保證噴灑均勻度，本次噴頭設計采用梅花形布置方式，也就是正三角布置方式。噴頭間距55.4 m,噴頭行距47.95 m。

1.2.6 試驗設計 在首次試噴成功的墩子洼噴灌區域內，設置面積為20 m×20 m的樣地7個，分別設置噴灌噴灑區(A)、人工澆灌區(B)和噴灌對照區(C)。噴灌試驗從5月份開始，每月噴施3次。在8月份對樣地內的目的樹種和灌草的生長變化做調查，并分析比較紀錄的樹種、蓋度、高度等因子。

2 結果與分析

2.1 噴灌效果分析

表1 樣地內的目的樹種調查結果

表2 樣地內的灌草調查結果

由表1看出，在噴灌工程建成前，云杉的年平均生長高度為8.5 cm，人工澆灌云杉年平均生長高度為17.5cm，噴灌工程建成實施后，樣地內云杉的年平均生長高度為18.7cm以上；由表2可知，在噴灌工程建成前，灌草的平均覆蓋度為25%，人工澆灌后的灌草覆蓋度平均為35%，噴灌工程建成后，樣地內灌草的覆蓋度平均為79%。未使用噴灌技術前灌草植被稀疏，使用噴灌后灌草植被生長茂盛，生態環境得以恢復。

2.2 噴灌工程成本計算

通過研究在目前運行的水泉子、墩子洼的四片噴灌區域中，對噴灌成本造價進行比較，結果表明：

由于噴灌工程是分期完成的，所以水泉子噴灌工程分別在2013年和2014年完成：2013年覆蓋面積33.3 hm2，總造價86.6萬元；2014年度完成覆蓋面積33.3 hm2，總造價66萬元。2016年又在此基礎上延伸13.3 hm2，總造價為38萬元。

墩子洼噴灌區的總投資造價為120萬元，平均造價為15 000元· hm-2。

4 結論

噴灌技術試驗是祁連山東端干旱半干旱區植被恢復造林系列技術研究之一，結果表明，噴灌工程建成后，試驗區目的樹種—云杉的年平均生長高度比自然生長對照樣地內的云杉高度增加了1.2 cm；灌草植被的覆蓋度比對照樣地內灌草覆蓋度平均提高54個百分點。使用噴灌后，造林區內測定林草植被的各項因子有明顯的提升，生態環境有了很大的改善。通過對水泉子和墩子洼兩個噴灌區域的成本計算得知，在立地條件和建設條件相對容易的墩子洼噴灌區造價為1 000元，在立地條件相對困難的水泉子噴灌區造價在1 320～1 900元，再綜合所有的實施地點造價為1 488元。噴灌技術在具備水源的條件下，在祁連山干旱半干旱區的植被恢復造林中具有一定的推廣價值。

：

[1] 中華人民共和國建設部，中華人民共和國國家質量監督檢疫檢驗總局.噴灌工程技術規范[M].北京：中國計劃出版社，2007

[2] 許宮堂，李元武，許開勝，等.石羊河流域水源涵養區不同立地類型土壤水分物理性質分析[J].農業科技與信息,2009(20):30-31

[3] 趙維俊.雷蕾.劉賢德，等.祁連山東段青海云杉林土壤理化特性研究[J].水土保持通報.2011，12(6):72-75

[4] 張燕，高峰.天祝藏族自治縣循環經濟初論[J].社會縱橫，2008,23(5)：31-33

[5] 中華人民共和國農村水利司，中國灌溉排水發展中心.節水灌溉工程實用手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2005

[6] 中華人民共和國水利部.節水灌溉工程技術規范[M].北京：中國計劃出版社，2012