民勤綠洲地埋式滴灌關鍵技術研究

李 斌

(甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

民勤綠洲位于石羊河下游，河西走廊東部，是武威盆地的主要天然屏障[1]。古時的民勤綠洲，水草豐美，物種繁多，植被郁郁蔥蔥，水鳥振翅飛翔，綠水青山，生機勃勃[2]。然而，隨著石羊河上游經濟社會的快速發展，工農業生產規模急劇增長，對水資源需求也急劇增加，導致下游來水量劇減，當地生態環境受到嚴重破壞[3-4]，對河西走廊甚至全西北五省的自然環境生態安全都有著直接或間接的影響。民勤水資源消耗主要是農業用水，調整種植結構，大力發展高效節水技術，建立高效節水型農業是民勤發展的最終出路[5]。

近年來，噴、滴、管灌等高效節水技術在河西走廊得到廣泛應用，并取得了良好的節水增產效果。姚娟等人研究了三十多年來我國高效節水灌溉技術從無到有、從模仿到自主開發的發展歷程，開展了高效節水灌溉技術適應區域評價和灌溉模式研究[6]，杜秀文分析了我國高效節水技術與發達國家之間的差距，黃修橋、李英能等人論述高效節水技術與現代化農業可持續發展的關系[7,8]，常規的高效節水技術已經非常成熟，也沒有更大的發展空間。如此一來，微潤灌溉、地埋式滴灌等新型高效節水灌溉技術的試驗研究就顯得尤為重要了。陳小三等人在東北室內開展了地埋式滴灌水分運移規律研究[9]；叢佩娟觀察了土壤對地埋式滴灌帶的壓縮情況，分析了管網水利特性，建立了優化計算模型[10]；任杰、溫新明等人在新疆農八師147團開展了棉花地下滴灌的水分入滲試驗，探討了毛管的適宜埋深及間距[11]，程先軍等認為土壤特性和當地耕作習慣是影響毛管埋深的最大因素[12]，何華通過對地埋式滴灌條件下小麥全生育期生長狀況的研究，認為小麥地埋式滴灌毛管埋深應當在40 cm左右[13]；莊千燕、蘇德榮探討了草坪地下滴灌的水分分布和生長影響因素[14]，孔繁明研究了棉花在地埋式滴灌條件下的水分消耗和耗水規律，認為地下滴灌對改善土壤生態、優化農業操作、降低水分蒸發損失有著明顯的作用[15]。以上學者的研究，對地埋式滴灌技術的發展、推廣起到了良好的技術支撐作用，但在甘肅河西內陸區，尤其是石羊河流域的民勤綠洲，沒有開展過地埋式滴灌技術應用研究，并且以前的研究大多針對棉花、小麥，對河西地區廣泛種植的玉米沒有開展過相應研究，玉米地埋式滴灌的適宜滴頭流量、滴灌帶埋設深度、鋪設間距，是推廣應用中急需研究攻克的技術難點。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗于2016年在甘肅水科院民勤試驗站進行。該區多年平均降水量110 mm左右，多年平均蒸發量為2 600 mm，平均氣溫7.78 ℃，極端低溫-27.3 ℃，極端高溫達到39.5 ℃，年日照時間3 027 h。

1.2 試驗設計

玉米試驗品種選用當地農民生產中常用品種“鄭單958”，播種前統一施肥(尿素、磷酸二銨分別按300 kg/hm2、225 kg/hm2標準施肥)。試驗小區寬4.5 m，長20 m，玉米種植時一膜三行，行距45 cm，株距30 cm。滴灌帶采用國產和以色列兩種類型的產品，其中，處理1～9采用國產滴灌帶，管徑Φ12，壁厚0.4 mm，滴頭流量1.2 L/h，滴頭間距0.4 m；處理10～18采用以色列滴灌帶，管徑Φ12，壁厚0.38 mm，滴頭流量1.6 L/h，滴頭間距0.4 m。滴灌帶埋深(a)和鋪設間距(b)各設三個水平，分別為30、35、40 cm和60、70、80 cm。具體試驗設計見表1，滴灌帶鋪設布置見圖1。

表1 玉米地埋式滴灌試驗設計

圖1 滴灌帶埋設布置圖(單位：cm)

玉米地埋式滴灌試驗于4月25日播種，4月28日灌出苗水，10月2日收獲，全生育期157 d。玉米生育階段灌水次數、灌水時間、灌水定額如表2所示。

表2 玉米地埋式滴灌生育期灌水表

1.3 試驗觀測

(1)利用氣象站觀測并記錄全生育期溫度、降雨(雪)、蒸發、風速等氣象因素，記載玉米的生長發育過程，觀察、記錄玉米各個重要生育時期的特征和該時期高峰出現的時間。

(2)土壤含水量：玉米種植前及種植后每隔10 d采用TDR或烘干法測定作物根區土壤水分含量，灌水前后加測1次，雨后加測1次。測定深度在0～100 cm，每隔20 cm取樣一次。

(3)考種、測產：于玉米出苗后及重要生育期在每個小區中隨機選取5株，測定株高、莖粗、葉面積指數及干物質(80 ℃烘干48 h)；作物收獲時每個小區任意選擇兩處1 m2區域進行測產。

2 結果與分析

2.1 玉米地埋式滴灌生育期土壤水分變化研究

圖2顯示了試驗期間滴頭流量為1.2 L/h時各處理(處理1～9)0～100 cm 土層平均含水率在時間序列上的動態變化。可以看到，玉米地埋式滴灌各處理在生育初期土壤水分含量相差不大，之后由于滴灌帶埋深和間距的不同，隨著生育期的推進，各處理的土壤水分狀況開始變化，并在6、7、8月份差異越來越明顯，最后在生育期末端各處理的土壤水分狀況穩定在一個相近的水平。

圖3為試驗期間滴頭流量為1.6 L/h時各處理(處理10～18)0～100 cm 土層平均含水率在時間序列上的動態變化，其規律與處理1～9基本一致。與滴頭流量為1.2 L/h時的各處理相比，滴頭流量為1.6L/h時各處理生育期中期(6、7、8月份)土壤水分表現出偏低的現象，這與滴頭流量大導致水分滲漏強度大有關，也與玉米需水高峰期和蒸發量大有關。

圖2 滴頭流量為1.2 L/h時各處理土壤水分動態變化

圖3 滴頭流量為1.6 L/h時各處理土壤水分動態變化

2.2 玉米地埋式滴灌關鍵技術

2.2.1 滴頭流量研究

(1)土壤水分縱橫向遷移情況。試驗在灌完出苗水(52.5 mm)第二天在各處理滴灌帶間挖出長寬高為50 cm×50 cm×40 cm的測坑，進行了簡單的土壤水分縱向、橫向遷移規律觀察，詳見表3、4。其中表中所記錄的縱向遷移是指水分上升高度距地面的距離，橫向遷移是指各深度層土壤是否有濕潤現象、濕潤鋒間距及其有無交匯現象。

從表3可以看出，滴灌帶滴頭流量為1.2 L/h、鋪設間距為60 cm時，地表出現濕潤現象，同時各處理隨著滴灌帶埋深增加、鋪設間距增大，地表濕潤面積呈現出減少的趨勢，滴灌帶埋設深度為40 cm時地表均無濕潤現象出現。滴灌帶在同一埋設深度時，隨著鋪設間距的增大，其肉眼觀察到的橫向濕潤鋒交匯深度也加深，如滴灌帶埋設深度為30 cm，間距為60、70、80 cm時，其濕潤鋒交匯的深度土層分別為0～10、10～20、15～20 cm；滴灌帶埋設深度為35cm，間距為60、70、80 cm時，其濕潤鋒交匯的深度土層分別為0～10、10～20、15～20 cm；滴灌帶埋設深度為40 cm，間距為60、70、80 cm 時，其濕潤鋒交匯的深度土層分別為10～20、20～30、25～30 cm。

由表4可知，當滴灌帶滴頭流量為1.6 L/h時，無論滴灌帶埋深深度、間距為多少，地表均有濕潤現象發生。也就是說滴頭流量越大，水分縱向、橫向遷移的越快，地表濕潤面積也越大，同時隨著滴灌帶埋深和鋪設間距的增加，地表濕潤面積呈現出減小的趨勢。

(2)滴頭流量確定。根據土壤水分縱橫向遷移規律可知，滴頭流量為1.2 L/h時，僅有部分處理地表出現濕潤現象，而當滴頭流量為1.6 L/h時，無論滴灌帶埋深深度、間距為多少，地表均有濕潤現象發生。這就意味著滴頭流量偏大時，會有相當一部分水量會通過棵間土壤蒸發而損失掉，不符合地埋式滴灌降低土壤無效蒸發的初衷，因此滴頭流量建議選擇較小的值，本試驗推薦選用1.2 L/h的滴頭流量。同時，出苗期地表有少量的濕潤現象，有助于提高地埋式滴灌玉米的出苗率。

表3 滴頭流量1.2 L/h各處理出苗期土壤水分縱橫向濕潤鋒變化狀況

表4 滴頭流量1.6 L/h各處理出苗期土壤水分縱橫向濕潤鋒變化狀況

2.2.2 滴灌帶埋設深度研究

(1)不同滴灌帶埋深土壤水分分布。試驗在玉米生育期灌水(30 mm)后挖測坑觀測各處理滴灌帶不同埋深條件下土壤濕潤區的分布情況，詳見表5。

表5 滴灌帶不同埋深條件下土壤濕潤范圍 cm

結果表明，滴灌帶埋深深度最小時(為30 cm)，土壤濕潤層范圍在10～70 cm之間，干土層范圍分別在0～10 cm和70～100 cm之間，主要濕潤范圍10～50 cm；滴灌帶埋深深度適中時(為35 cm)，土壤濕潤層范圍在10～80 cm之間，干土層范圍分別在0～10 cm和80～100 cm之間，主要濕潤范圍20～70 cm；滴灌帶埋深深度最大時(為40 cm)，土壤濕潤層范圍在15～90 cm之間，干土層范圍分別在0～15 cm和90～100 cm之間，主要濕潤范圍25～80 cm。

(2)滴灌帶埋設深度確定。根據滴灌帶不同埋深土壤濕潤區分布范圍可知，地埋式滴灌滴灌帶埋設深度以35 cm為宜，此時土壤水分主要分布在20～70 cm之間，這樣既不會由于濕潤層太淺，導致土壤棵間蒸發增大，也不會由于濕潤層太深，導致產生深層滲漏，使水分不能有效被作物根系所吸收利用。

2.2.3 滴灌帶鋪設間距研究

根據土壤水分縱橫向遷移情況可知，滴頭流量為1.2 L/h條件下，滴灌帶間距為60 cm時，各處理表面均有濕潤現象出現；滴灌帶間距為70 cm時，各處理表面僅有零星濕潤現象，絕大部分無濕潤現象，同時在土層深度10～20 cm處濕潤鋒出現交匯現象；滴灌帶間距為80 cm時，各處理表面均無濕潤現象出現，同時在土層深度20～30 cm處濕潤鋒出現交匯現象。

由此可知，滴灌帶間距為70、80 cm時田間表面無明顯濕潤現象，符合地埋式滴灌減少無效土面蒸發的要求。同時，滴灌帶間距70 cm時地下濕潤鋒交匯層較間距80 cm時淺，在苗期、拔節期玉米根系較淺時有助于出苗率的提高及作物生長發育，因此推薦滴灌帶鋪設間距為70 cm。

2.3 玉米地埋式滴灌產量分析

2.3.1 玉米穗物理指標

地埋式滴灌各處理玉米穗長差別不大，在16～18cm之間；穗行數基本在16～18行左右；行粒數差別較大，大部分在30粒左右；穗粗基本上為4 cm。需要注意的是禿尖長，呈現出明顯規律：①埋深淺的處理禿尖長明顯小于埋深大的處理；②滴灌帶間距小的處理禿尖長明顯小于間距大的處理；③滴頭流量小的處理禿尖長明顯小于流量大的處理。

說明滴灌帶埋深淺、間距窄、流量小的處理水分、肥料更容易被作物吸收，有助于玉米生長發育；埋深大、間距寬、流量大的處理水分、肥料相比較而言不易被作物吸收。

表6 地埋式滴灌玉米穗物理指標

2.3.2 產量分析

玉米百粒重正常水平時為26～28 g，品種特性優良、種植水平高的百粒重可超30 g。

由表7可知，玉米地埋式滴灌各處理百粒重均在26 g以上，滿足農業技術要求。同時也可以看出，1.2 L/h滴頭流量各處理產量普遍高于1.6 L/h各處理產量，說明低流量長時間灌溉水肥更容易被作物吸收，同時可以看出處理5(滴頭流量1.2 L/h，滴灌帶埋深35 cm，間距70 cm)產量最高，為12 832.95 kg/hm2。

3 結 論

通過試驗，得到了民勤綠洲地埋式滴灌推廣應用中的三個重要技術參數：①滴頭流量推薦1.2 L/h滴頭流量，在滿足作物生長發育的同時，避免了大流量滴頭產生的土壤表面積水現象，導致灌溉水分無效蒸發；②滴灌帶埋設深度推薦滴灌帶埋設深度為35 cm，避免了滴灌帶埋設較淺引起的土壤表面積水，也避免了滴灌帶埋設較深引起的深層滲漏現象，導致灌溉水分產生無謂的浪費；③滴灌帶鋪設間距推薦滴灌帶鋪設間距為70 cm，既有利于減少無效的土壤棵間蒸發，同時在苗期、拔節期玉米根系較淺時有助于出苗率的提高及作物生長發育。同時，處理5(滴頭流量1.2 L/h，滴灌帶埋深35 cm，間距70 cm)產量最高，與試驗設定一致。

表7 地埋式滴灌玉米穗各處理產量分析

4 討 論

地埋式滴灌管網設計及水力計算還沒有統一標準，暫按照《微灌工程技術規范》(GB/T 50485-2009)執行。同時管網鋪設時應盡量做到平順，避免滴灌帶折疊彎曲的狀況出現，防止由于滴灌帶折疊而引起的過水不暢甚至不過水的現象出現，使水肥不能很好的被作物吸收。為避免這一現象，建議地埋式滴灌支管鋪設時埋入地下。

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