新型地面灌水技術膜袋灌

李 立，李小龍，顧唯甬，王盈盈

(華北水利水電大學，鄭州 450011)

0 引 言

水是生命之源，是生態之基，是生產之要，水是人類賴以生存和發展不可替代的重要自然資源[1]。在我國經濟發展新常態、資源環境約束趨緊以及深入貫徹“創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念”的新形勢下，水資源的重要性和戰略地位日趨突顯[2]。眾所周知，我國人口眾多，是全球人口最多的國家，人均水資源占有量約為2 200 m3，僅為世界平均水平的1/4，位列世界121位，是全球公認的13個貧水國家之一。水資源短缺問題已成為制約我國經濟社會全面、協調、可持續發展的“瓶頸”，對我國經濟社會的和諧發展構成十分明顯的約束[3]。農業一直是我國的用水大戶，占到我國總用水量的60%以上，有些地區可高達80%。黨中央高度重視農業節水灌溉問題，2016年中央一號文件提出要大力發展農田水利建設，到2020年把農田有效灌溉面積提高到10億畝以上，農業畝均灌溉用水顯著下降，灌溉水利用系數提高到0.55以上[4]。地面灌水技術，作為一種傳統的灌水方式，與噴灌、滴灌等灌水技術相比一直存在著灌水均勻度差，灌溉水量大，深層滲漏嚴重，灌溉水利用率低等缺點，水資源浪費嚴重，不利于節約用水[5]。在我國，傳統地面灌水方法仍然是最重要和最常見的灌水方式[6]，我國地面灌溉占到總灌溉面積的98%[7]。因此，積極推廣應用農業高效節水技術，提高農業用水效率，建設現代化高效節水型農業是當下我國社會經濟發展的重要部分，其中對傳統地面灌水技術的研究、發展和改善仍是實現我國農業節水中的重中之重。

1 膜袋灌技術概述

張澤中等[8]針對傳統地面灌水技術的不足，在覆膜保墑技術與適時適量精細控制灌溉技術的基礎上，自行設計了一種地面灌溉節水新技術——膜袋灌。膜袋是膜袋灌技術的核心，它是以低密度聚乙烯為主要材料的農用塑料地膜經熱封形成的具有一定長度的薄壁塑料袋子，膜袋表面根據農作物的需水要求用針頭人工打上不同直徑、不同間距的出水膜孔。膜袋灌水時，先將一定量的灌溉水通過田間末級供水裝置快速輸送至膜袋中，充蓄在膜袋中的灌溉水在自壓作用下通過膜袋上的出水膜孔進行緩慢出流灌溉。膜袋灌水過程中，膜袋內水位在15 cm至0.5 cm左右，從高水位不斷下降，出水膜孔由微射流到滲流出水，灌溉水借助于重力作用下滲以微潤的方式濕潤作物根區附近土壤，而作物根部的行間或棵間的土壤保持干燥，膜袋灌技術與滴灌、微噴灌、涌泉灌這些先進的灌水技術有相似之處，屬于局部灌溉的范疇。一個完整的膜袋灌系統，通常由水源工程、輸配水管網、小白龍塑料管、膜袋組成，在大田生產中可以根據農作物壟間距、灌水周期和需水量等因素合理布設多條灌水膜袋進行農作物灌水。

2 膜袋灌技術的特點

膜袋灌技術最大的特點在于打破蓄水于田的灌溉理念，把蓄水于田間土壤轉變為蓄水于灌水膜袋。傳統地面灌溉以及噴灌、滴灌、滲灌等灌水方法的灌水理念是在一次灌水過程中，把一段時間農作物所需的灌溉水在短時間內一次性輸送到田間，其后農作物利用自身負勢和毛管力吸水，田間灌水和農作物根系區供水是同步的、連續的過程，這種灌水理念稱之為蓄水于田。膜袋灌則是把一定時期農作物所需的水分在短時間內一次性充蓄到灌水膜袋中，其后一段時間，膜袋利用自壓自行緩慢出流灌溉，農作物吸水與膜袋對農作物根系區供水同步持續進行，直至下一次灌水。通過膜袋充水，可加快水流在灌溉區域的分布，在較短時間內完成田間灌水任務，加快了灌區的輪灌速度，節省田間灌水工時。

膜袋灌技術相對縮短田間灌水時間，延長向農作物根部供水的時間。在灌水過程中，灌溉水中的雜質在膜袋中有較大的空間和較長的時間進行沉淀，灌溉水不會對出水膜孔造成堵塞，降低了對灌溉水質的要求。這也使得膜袋灌技術適用于黃河下游引黃灌區多泥沙水質水源灌溉，同時膜袋灌技術還可以與灌溉施肥技術相結合，通過膜袋進行水肥一體化技術應用，能有效減少化肥點源污染問題。膜袋灌技術還可以根據農作物的生長狀況和需水情況合理設計出水膜孔孔徑的大小、膜孔間距以及膜孔的布置形式，進行適時適量控制灌水。大田多條膜袋系統灌水時也可以進行交替控制性灌溉，可進一步提高作物水分利用效率。

膜袋灌水時只需將輸水軟管與膜袋相連即可，操作簡便，易于農民接受和掌握。膜袋灌水時無需其它動力設施，減少了能源的消耗。膜袋灌技術與噴灌、滲灌、涌泉灌等先進灌水技術相比，還具有灌水系統簡單，田間工程量小，經濟耐用，易于與我國當前農村生產模式相結合，便于應用推廣等優勢。

3 膜袋灌技術研究進展

自膜袋灌技術提出以來，相關科研人員對灌水膜袋進行了大量的試驗研究，對灌水膜袋的工藝和構造不斷完善。現在比較成熟的灌水膜袋結構見圖1。

圖1 灌水膜袋結構

該型膜袋周長約0.60 m，膜袋兩側對稱人工打孔，出水膜孔距膜袋邊緣2 cm，1-1為膜孔出流斷面，出水膜孔為孔1、孔2、孔3、孔4，出水膜孔孔徑大小及膜孔間距可根據要求制作。李海鑫等[9]對該類型膜袋出流均勻度進行了實驗研究，并分析了影響膜袋灌出流均勻度的因素，如膜袋出水膜孔孔徑、出水膜孔孔距、膜袋出水膜孔制造偏差、微地形變化、膜孔堵塞情況等。溫隨群等[10]對膜袋進行了水平土箱入滲試驗，研究了不同灌水定額下濕潤鋒運移情況和濕潤體的土壤水分分布狀況，發現該類型膜袋能夠滿足大田旱作物的生長需水要求。之后，溫隨群等[11]對膜袋灌的水力特性進行試驗研究，對實驗結果進行分析發現，膜袋出水膜孔制作滿足灌水器質量標準，膜袋出流均勻度較好，在80%左右。張澤中等[12]對40 m長膜袋進行水力性能試驗，研究了工作水頭、孔距、孔徑3個因素對膜袋出流均勻度的影響。

以上這些文獻關注的大多都是膜袋供水系統膜孔出流均勻性的問題，而對膜袋灌水土壤濕潤均勻性的問題研究較少。由于膜袋的膜孔出流方式近似于小孔出流，亦稱之為點源入滲，膜袋灌是依靠灌溉水自身重力和土壤水吸力為主的主動供水方式，與常規的地面灌溉、點源滴灌入滲相類似。由于大田膜袋灌的膜孔間距往往較小，使膜袋下方的土壤濕潤區相連，形成一條沿膜袋方向的濕潤帶，類似滴灌系統中的線源滴灌。但是與點源滴灌不同，點源滴灌所形成的土壤濕潤鋒之間不銜接，不相互影響，所以不存在土壤濕潤均勻度的問題。但在膜袋灌情況下，相鄰膜孔所形成的濕潤鋒存在交匯問題，土壤濕潤區的相互銜接形成了膜帶灌水濕潤帶的均勻度問題。它存在灌水均勻度的問題，但這一問題分兩個方面：①出流均勻度；②土壤濕潤均勻度。這是兩個不同的問題，在膜袋灌系統設計中，后者是前者的基礎。膜袋灌根區土壤的水分環境問題是膜袋灌水技術設計中最根本問題，也是膜袋灌水技術的設計目的，它直接關系到膜袋灌水質量的好壞。有必要對膜袋灌水土壤濕潤均勻性的問題加以研究。

4 膜袋灌水均勻性問題

膜袋灌技術的核心思想是灌水均勻，不產生地表徑流和深層滲漏，只濕潤作物根區土壤，減少棵間蒸發和深層滲漏，還要達到一定的濕潤面積，以提高農田灌溉水利用效率，實現節水的目的。膜袋灌水土壤濕潤均勻性問題會直接影響農作物對水分的利用，灌水均勻性也是衡量膜袋灌水質量的一個重要參數指標，也將影響到膜袋灌技術的應用和推廣。一般用克里斯琴森均勻系數評價土壤水分的灌水均勻性[13]，即：

式中：H為總取樣深度，cm；Δh為取樣間隔深度(本試驗中的間隔深度相等)，cm；θi為地表以下不同深度處的含水率值，%。

本試驗在室內水平土箱中進行。在試驗室中采用尺寸為100 cm×80 cm×80 cm的有機玻璃土箱，內裝供試土壤，供試土壤經風干碾碎后過2 mm篩，備用。供試土壤質地為沙壤土，風干后含水率為2.75%(占干土重的百分比，下同)，田間持水率為17.57%，干容重1.58 g/cm3；土壤顆粒組成中，沙粒占83.5%，粉粒占14.7%，黏粒占1.8%。將試驗土壤按干容重分層(10 cm)裝入試驗土箱，厚度取70 cm。試驗系統由供水系統、灌水膜袋及試驗土箱組成。供水系統由自制供水水箱完成，水箱供水量由電磁流量計計量。灌水膜袋有2條，膜袋結構見圖1，膜袋長1 m，膜孔直徑0.05 mm，膜孔間距分別為30、50 cm，沿試驗土箱長邊布設在土箱中心，膜袋同一截面上孔1和孔3、孔2和孔4出流情況相同，可簡化處理為2個出水膜孔；2條膜袋按預定的灌水量灌水，灌水結束后72 h，采用取土烘干法測量濕潤體內不同位置上的土壤含水率分布。利用直徑為2 cm的土鉆取不同深度土樣，主要沿膜袋方向、垂直膜袋2個方向進行取樣。膜孔間距為30 cm時，觀測膜袋中間的兩個出流斷面膜孔之間的濕潤體，沿膜袋方向兩膜孔間每隔7.5 cm取樣，垂直膜袋方向沿膜袋中線向兩側每隔7.5 cm取樣，取樣深度均為10 cm。膜孔間距為50 cm時，沿膜袋方向兩膜孔間每隔12.5 cm取樣，垂直膜袋方向沿膜袋中線向兩側每隔7.5 cm取樣，取樣深度均為10 cm。每組試驗重復3次，取其平均值。試驗結果見表1，其中Cuh為沿膜袋方向的灌水均勻度，Cuv為垂直膜袋方向的灌水均勻度。

表1 膜袋灌水土壤濕潤均勻系數表

由表1可知，膜袋灌水均勻系數均在70%以上，按照 《節水灌溉技術規范》(GB/T 50363-2006)，當Cu大于70%時，屬于高均勻度節水灌溉技術[14]。

膜袋膜孔間距一定時，同一條膜袋，沿膜袋方向和垂直膜袋方向上膜袋灌土壤濕潤均勻性都隨灌水量的增加而增大；灌水量對沿膜袋方向的灌水均勻度影響顯著，灌水量小，膜孔下方濕潤土體面積較小，沿膜袋方向相鄰膜孔間濕潤鋒交匯時間晚、交匯程度小，造成沿膜袋方向的土壤中水分分布不均勻，膜孔下方含水量較大，交匯鋒處的含水量較小；灌水量對垂直膜袋方向的灌水均勻度影響不明顯。

膜袋灌水量一定時，膜孔間距對沿膜袋方向上膜袋灌土壤濕潤均勻性影響顯著，對垂直膜袋方向的灌水均勻度影響不明顯。膜孔間距小，沿膜袋方向相鄰膜孔間濕潤鋒交匯時間早、交匯程度大，沿膜袋方向的灌水均勻度較高；當膜袋灌水量增大時，膜孔間距對沿膜袋方向的灌水均勻度的影響會變弱。

綜上所述，膜袋灌水時還應考慮濕潤帶內土壤濕潤均勻性問題，膜袋灌水量和膜孔間距對膜袋灌水土壤濕潤均勻性都有影響，尤其是沿膜袋方向上。膜袋灌水設計要同時考慮灌水量和膜孔間距的影響，提高其灌水均勻系數，進一步提高膜袋灌水質量和灌溉水的利用效率。

5 結 語

膜袋灌技術灌水均勻度較高，提高了水分利用效率，且對灌溉水質要求較低，是一種具有廣闊應用前景的地面灌水新技術，它的應用和推廣是緩解我國水資源危機和提高糧食產量的重要途徑之一。同時，膜袋灌技術也將會對大田旱作現有的地面灌水技術進行改革和模式重組，為引黃灌區糧食核心建設和國家糧食生產提供新思路和技術支撐。