作物淺埋滴灌技術研究進展

郭曉旭，楊恒山，邰繼承，李 銳，張明偉

（1.內(nèi)蒙古民族大學 農(nóng)學院，內(nèi)蒙古 通遼 028043；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)飼用作物工程技術研究中心，內(nèi)蒙古 通遼 028043）

我國是農(nóng)業(yè)大國，同時也是世界上水資源最為匱乏的十三個貧水國之一，人均水量不足世界人均的1/4.農(nóng)業(yè)是用水大戶，我國農(nóng)業(yè)用水總量占全國總用水量的60%以上，水資源嚴重匱乏的干旱地區(qū)甚至達到95%左右［1］.隨著經(jīng)濟、社會的發(fā)展，水資源供需矛盾在部分地區(qū)日益突出，灌溉水量缺口較大，水資源短缺已經(jīng)嚴重影響到了我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)［2-3］.與此同時，大水漫灌仍是我國很多地區(qū)農(nóng)田灌溉的主要方式，跑冒滴漏現(xiàn)象普遍，灌溉水浪費嚴重.我國農(nóng)業(yè)灌溉用水的有效利用系數(shù)僅為0.52，遠低于發(fā)達國家0.70-0.80的水平［4］.2017年，《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃》中明確提出了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要實現(xiàn)“一控、兩減、三基本”的目標.其中“一控”，就是要控制農(nóng)業(yè)用水的總量，要劃定總量的紅線和利用系數(shù)的紅線.“規(guī)劃”要求，到2020年，農(nóng)業(yè)用水總量要保持在3 720億立方米，利用系數(shù)要從現(xiàn)在的0.52提高到0.55.轉變用水觀念，改變傳統(tǒng)灌溉模式，變大水漫灌為各種適合地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的高效節(jié)水灌溉模式，是實現(xiàn)水資源高效利用的重要途徑.在農(nóng)業(yè)用水紅線的限制下，全國各地相繼實施了節(jié)水增糧的農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，積極探索高效節(jié)水灌溉模式，以實現(xiàn)水資源的高效利用和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［5］.

1 淺埋滴灌技術的形成

早在上世紀50年代，以色列人就發(fā)明了滴灌技術，并建成全球首個滴灌系統(tǒng)［6］.滴灌技術是一種可提高水分利用效率的根系局部灌溉形式，可根據(jù)作物的生長發(fā)育需求對作物根系周圍進行適時適量灌溉，提高地表溫度的同時也降低了灌溉水的多余消耗，保水效果顯著.我國從上世紀70年代開始引進滴灌技術，并逐步發(fā)展與地膜覆蓋技術相融合，形成了膜下滴灌技術.作物栽培過程中覆膜種植有減少土壤表層水分蒸發(fā)、抑制土壤中鹽分向地表運移的顯著效果［7］.將滴灌技術與覆膜種植技術相結合的膜下滴灌方式，開始在我國北方地區(qū)有了大面積推廣應用［8］.隨著膜下滴灌的連年使用，殘膜回收困難，污染問題凸顯.新疆典型綠洲區(qū)棉田膜下滴灌，土壤中殘膜的數(shù)量和密度均呈逐年上升趨勢，耕種5年土壤地膜殘留密度為127.11 kg/hm2，耕種19年達到了348.83 kg/hm2，且表土中較大殘膜在耕作過程中碎裂，并有向深層土壤下移的趨勢［9］.為有效避免膜下滴灌種植中土地殘膜污染的問題，一種更為環(huán)保的節(jié)水灌溉模式—淺埋滴灌技術被大力提倡并應用到實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當中.由淺埋替代了覆膜，形成作物淺埋滴灌技術.其技術核心是利用壓力泵將水通過過濾器、管道和施肥設備直接輸送到植物根部以實現(xiàn)精確灌溉的技術［10］.淺埋滴灌技術還可以實現(xiàn)水肥一體化，有利于水肥利用效率的協(xié)同提高，在水資源緊缺的背景下，尤其是在北方干旱半干旱地區(qū)具有較大的應用價值.

玉米淺埋滴灌技術基于上述優(yōu)點，在一些適宜地區(qū)示范推廣的面積正在不斷擴大，甚至成為部分地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主推的灌溉模式.本項目團隊近年來致力于西遼河平原玉米高產(chǎn)高效生產(chǎn)模式研究，在水肥一體化方面開展了一系列工作，作為技術研發(fā)單位，參與并制定了《玉米無膜淺埋滴灌水肥一體化技術規(guī)范》（DB15/T 1335—2018），由內(nèi)蒙古自治區(qū)技術監(jiān)督局頒布并實施，為大面積的應用推廣奠定了基礎.

2 淺埋滴灌技術的應用

21世紀初期，在我國西北新疆地區(qū)就開展了地下滴灌栽培相關試驗研究［11］.2011年中央一號文件中要求“穩(wěn)步發(fā)展牧區(qū)水利，建設節(jié)水高效灌溉飼草料地”.為此，2012年在我國常年水資源貧乏的西北新疆阿勒泰地區(qū)青河縣進行了400畝飼草料地淺埋滴灌試驗，通過改變局部田間管網(wǎng)鋪設方式，將滴灌支管毛管全部埋于土中，實現(xiàn)了有效節(jié)水，同時優(yōu)化了牧草種植技術，減輕了勞動強度，促進農(nóng)業(yè)發(fā)展［12］.自2013年起，在新疆阿葦灌區(qū)等地對淺埋滴灌技術進行示范推廣，新疆生產(chǎn)建設兵團、新疆農(nóng)業(yè)大學等也開展了有關淺埋滴灌牧草種植方面的更多研究工作［13-14］.此外，為解決種植過程中的殘膜污染問題，新疆地區(qū)在棉花種植中將無膜栽培與地下滴灌技術相結合，減輕地膜污染的同時降低灌溉水的無效消耗［15］.由于淺埋滴灌技術的不斷革新和完善，淺埋滴灌技術的優(yōu)勢愈加明顯，也逐漸被廣大農(nóng)牧民朋友所認可和接受，該技術應用面積不斷擴大，應用作物種類不斷增多，從最早的在我國西北新疆地區(qū)逐步發(fā)展到東北西部耕作區(qū)；應用作物也從初期主要針對經(jīng)濟作物和牧草如棉花、苜蓿等，發(fā)展到現(xiàn)在開始應用到玉米等主要糧食作物種植領域.有研究者在內(nèi)蒙西部［16-17］、遼寧［18］以及吉林［19］等地區(qū)均開展了淺埋滴灌相關研究工作，并取得較好的效果.

內(nèi)蒙古通遼地區(qū)作為自治區(qū)主要的糧食主產(chǎn)區(qū)，在保障自治區(qū)乃至國家糧食安全方面均發(fā)揮著積極作用；同時，該地區(qū)水資源匱乏，發(fā)展節(jié)水灌溉是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇.2004年，在內(nèi)蒙古通遼敖包蘇木豐元慶嘎查就開始進行淺埋滴灌青貯玉米種植試驗并取得成功［16］.2016年以來，通遼市農(nóng)業(yè)技術推廣站將玉米淺埋滴灌技術列為農(nóng)業(yè)主推技術在全市范圍內(nèi)推廣；到2018年，累計推廣面積達到50.82 萬hm2；同年，內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)業(yè)技術推廣站將該項技術列為自治區(qū)農(nóng)業(yè)主推技術，在全區(qū)范圍內(nèi)進行示范推廣；2019年該項技術被全國農(nóng)業(yè)技術推廣總站列為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主推技術.

3 淺埋滴灌灌溉水利用效率及影響因素

3.1 灌溉定額對水分利用效率的影響

淺埋滴灌技術更適用于干旱風沙區(qū)，但不同干旱風沙地區(qū)灌水定額可能會存在顯著差異，適宜的或者最佳的灌水定額的研究則顯得尤為重要.不少學者開展了有關灌溉定額的研究工作，如在新疆石河子地區(qū)應用淺埋滴灌技術種植苜蓿過程中得出，灌溉定額為450-525 m3/hm2為宜，隨水施肥有利于牧草生長［10］；而洪明等［20］在新疆阿勒泰地區(qū)對苜蓿種植進行不同灌水定額的淺埋滴灌試驗得出，在淺埋滴灌條件下灌水定額450 m3/hm2處理的苜蓿干草產(chǎn)量顯著高于其他處理，同時水分利用效率達到最大值0.94 kg/m3，并進一步得出其研究條件下的灌水周期為7-10天.這種灌水定額的差異，在不同作物上則更為顯著.在內(nèi)蒙古通遼、赤峰等地，采用淺埋滴灌均勻定量灌溉，保水保肥好的地區(qū)全生育期灌溉定額為1 950-2 400 m3/hm2，保水保肥差的地區(qū)全生育期灌溉定額為2 400-2 700 m3/hm2，可保證玉米適時得到足夠的水肥補充［21］.灌水定額并不是越大越好，有研究表明灌水定額與產(chǎn)量間呈拋物線變化趨勢［22］.在遼西半干旱區(qū)開展遮雨棚微區(qū)控制灌溉試驗結果表明隨著灌溉定額的增加不同處理間春玉米籽粒產(chǎn)量顯著提高，淺埋滴灌與常規(guī)溝灌相比，灌溉定額為2 908 m3/hm2時節(jié)水30%，籽粒產(chǎn)量僅下降3.40%，但水分利用效率和灌溉水利用效率顯著提高了22.10%和27.50%；當灌溉定額小于3 816.40 m3/hm2時，籽粒產(chǎn)量隨灌溉定額的增加而顯著增加，并達到最大產(chǎn)量12 161.90 kg/hm2，但灌溉定額繼續(xù)增加則產(chǎn)量下降［22］.需要明確的是灌水定額的問題，與作物生長季內(nèi)土壤實際含水量直接相關，而土壤含水量又受年降水量、蒸發(fā)量等因素影響，因此，灌溉定額的研究主要也是在一般年份基礎上得出的大致范圍，可以作為指導生產(chǎn)的參考.

3.2 灌溉頻率對水分利用效率的影響

在灌溉定額一定的條件下，灌溉頻率及其單次灌水量成為影響滴灌效果的關鍵因素.滴灌方式下，灌溉頻率直接影響作物根部周圍土壤的水、熱分布狀況，因此，灌溉頻率對作物水分利用效率的影響尤為突出.淺埋滴灌屬于典型局部灌溉，用水量相對較小，土壤水分運移不同于常規(guī)灌溉.低頻灌溉時，由于單次灌水量大，水分滲漏較為劇烈，利用效率降低；高頻滴灌時，由于土壤長期處于較高含水量狀態(tài)，蒸散損失水量增加，使得水分利用效率同樣偏低.竇超銀等［23］在風沙土地區(qū)的研究結果也表明，水分利用效率隨著灌溉頻率的增加呈“拋物線”型變化趨勢，灌溉頻率太低或太高均不利于提高水分利用效率，其研究最佳滴灌頻率為1次/9 d.灌溉定額相同時，隨著灌溉頻率變化，單次灌水量必然隨之發(fā)生變化，也影響水分利用效率.符崇梅等［24］研究表明，同一灌溉量水平下，隨著滴灌頻率減少土壤含水量下降；低水量水平下通過增加滴灌頻率，減少土壤水分向深層下滲，可提高水分利用效率，以滿足根系較淺作物的生長需求.另外，梁萌帆等［25］進行土柱試驗對研究微咸地下水淺埋下滴灌頻率對土壤鹽分運移過程的變化中得出，滴灌頻率越低，土壤出現(xiàn)穩(wěn)定蒸發(fā)的現(xiàn)象越早，且低頻率的滴灌因單次滴灌量較大從而對上層土壤的鹽分起到了淋洗作用.當然，上述不同的研究都是基于特定地區(qū)土壤類型，研究結果實際上還受年際間降水變率等的影響；受作物需水規(guī)律影響，同一灌溉定額、相同灌溉頻次下，灌水量的分配比例也會影響作物產(chǎn)量和水分利用效率，這還需要進一步研究.

3.3 管帶埋深對水分利用效率的影響

淺埋滴灌在水分保持上與膜下滴灌有本質(zhì)區(qū)別，從保水的機制上看，淺埋滴灌主要通過滴管上部土壤發(fā)揮作用，因此，滴管埋深在土壤水運移和作物對水分的吸收等方面影響顯著.有不少學者對滴管埋深有所研究，認為淺埋滴灌技術可適用于所有類型的耕地，但不同地區(qū)由于土壤類型以及種植作物等差異，滴管適宜埋深存在差異.例如在內(nèi)蒙古科爾沁左翼中旗玉米大小壟種植模式下淺埋滴灌帶埋深5-7 cm為宜，能改善玉米行間的通風透光條件，還能使水肥資源的利用率盡可能的達到最大［26］.李守明［27］在苜蓿栽培采用地埋滴灌不同埋深處理對土壤含水量和苜蓿產(chǎn)量等進行對比分析，研究結果表明，采用管帶埋深20-40 cm時，兩三年內(nèi)苜蓿產(chǎn)量可達到正常水平.不同滴管埋深涉及水分通過管路進入土壤后的移動和分布.劉子尚［28］設置5 cm、10 cm、15 cm3個滴頭埋深處理觀察深度對苜蓿滴灌濕潤體的影響時指出，滴灌濕潤鋒水平與垂向運移距離的比值隨滴頭深度的增加而增加，并且濕潤峰的水平和垂直運移速率也會隨著滴頭埋深的增加逐漸增大，濕潤鋒的水平、垂向運移距離分別隨入滲時間的增長而增大，且均與入滲時間呈冪函數(shù)關系；這與姜濤［29］及李瑋［30］的研究相同.也有人對淺埋滴灌條件下調(diào)整毛管埋深對苜蓿生長的影響進行試驗，結果表明，當毛管埋深10 cm時即可達到與傳統(tǒng)地埋滴灌的灌溉濕潤效果且對苜蓿產(chǎn)量影響不大，避免了埋深過淺水分蒸發(fā)量大的現(xiàn)象和埋深過深時毛管回收維修難的問題［31］.這與張營［32］的研究相同，即滴頭埋深為10 cm、流量1.7 L/h時，濕潤體深度適中，此條件下土壤含水率分布最均勻.因此，針對特定地區(qū)特定作物，研究適宜的滴管埋深，能夠防止地表干土層阻斷毛管水運移通路，從而保持土壤水分，為高效節(jié)水助力.

4 淺埋滴灌技術的展望

淺埋滴灌作為一種灌溉模式的新技術，主要是體現(xiàn)在管道設施的田間配置上，屬于高效節(jié)水灌溉.然而，淺埋滴灌本質(zhì)上屬于水肥一體化技術，是將灌溉與施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術，通過水肥耦合，實現(xiàn)高產(chǎn)高效并通過減少勞動力投入降低生產(chǎn)成本.同時，淺埋滴灌相比膜下滴灌，消除了殘膜污染問題，在生態(tài)治理方面具有較大優(yōu)勢.淺埋滴灌技術是在膜下滴灌技術的基礎上發(fā)展而來，在過去膜下滴灌的推廣地區(qū)，改用淺埋滴灌，農(nóng)民在技術上不存在障礙，機械只需簡單改造就可以使用.因此，淺埋滴灌技術在干旱、半干旱地區(qū)應用前景廣闊.

水氮耦合一直以來都是農(nóng)業(yè)科學領域中的熱點問題，淺埋滴灌下的水氮耦合同樣受到了業(yè)界的廣泛關注.淺埋滴灌技術在節(jié)水的同時，如何最大可能的發(fā)揮水氮耦合效應，進一步提高肥料利用率，減少環(huán)境釋放，也將成為未來主要研究方向.常規(guī)漫灌下水量較大，當進入土壤的水分超過田間持水量后，一部分水沿著大孔隙受重力作用向下滲漏，有利于表層積鹽的淋洗.而在淺埋滴灌下灌水量顯著降低，灌溉水可能主要是以毛管水的形式分布在土壤淺剖面，水分的移動沒有明顯重力下滲過程，土壤水的運動規(guī)律相對要復雜的多.同時，受土壤毛管力作用，灌溉平衡后深層土壤水向地表運移的過程中，可能發(fā)生一定程度上的次生鹽漬化問題.這對于干旱半干旱地區(qū)來說，節(jié)水的同時，會帶來新的土壤生態(tài)退化問題.因此，在推廣淺埋滴灌技術的同時應該關注此類問題.由于我國節(jié)水技術起步較晚，人們對節(jié)水灌溉技術認識不到位，也因多數(shù)農(nóng)民經(jīng)濟條件不足等原因，制約了節(jié)水灌溉設備及技術的應用推廣［33］.目前我國淺埋滴灌技術推廣應用中還存在另一個主要問題，即是相應農(nóng)機具和配套設備的開發(fā)問題.目前，從淺埋滴灌技術推廣地區(qū)來看，淺埋滴灌設備的自動化控制水平與國外同類設備相比仍存在較大差距.因此，要鼓勵農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一線技術人員加強新一代設備產(chǎn)品改進與開發(fā)，結合淺埋滴灌設備特點及作物水肥吸收特點，合理布置安裝設施，同時加強技術服務工作，建立完善的技術服務體系和專業(yè)的技術服務方案，充分發(fā)揮淺埋滴灌技術優(yōu)勢，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)助力.