溫室膜下微噴灌溉技術研究進展

肖林剛,馬 艷,宋兵偉,焦銳斌,邢劍飛

(1.自治區普通高校現代農業工程重點實驗室,新疆阿拉爾 843300;2.新疆農業科學院農業機械化研究所,烏魯木齊 830091;3.塔里木大學機械電氣化工程學院,新疆阿拉爾 843300)

0 引 言

【研究意義】2019年我國溫室面積達189.73×104hm2,占比超過80%,新疆約占60%,是溫室大棚的主產區。溫室年農業用水缺口超過300×108m2。新疆溫室用肥量比大田單位面積高,肥料利用率還需提高[1]。使用節水滴灌由于滴灌的濕潤體較小,土壤存在明顯的干濕區域、易形成土壤次生鹽漬化,不利于作物生長和土壤養分利用[2, 3]。新疆處于干旱半干旱區域,水質鹽堿化,滴灌時過量沖施化肥會阻礙或限制當前溫室滴灌的推廣應用。研究高效節水灌溉技術對減少肥料用量和提高溫室生產水資源的利用率具有實際意義。【前人研究進展】趙鵬[4]、李萍等[5]分別從節水灌溉技術應用和設備安裝管理運行進行了探討。宋克超等[6]在水資源配置和管理上開展了研究。李建民等[7-9]則從作物生長的角度研究了灌溉量和灌溉時間在農藝節水的表現。任靈通等[10]研究了 3 種灌溉定額分配模式中不同水肥管理措施對苜蓿生長規律的影響,明確苜蓿高效生長的水肥精確調控。也有研究對噴灌、微灌、滴灌和滲灌設備的各自性能和應用現狀進行了分析[11,12]。滿建國等[13,14]以小麥為對象,研究了微噴帶的長度、噴射角度和土壤水分分布對小麥產量的影響。Home P G et al15]在秋葵灌溉方式的研究中發現,微噴帶灌溉與傳統畦灌相比,在保證品質和產量的情況下用水量可減少67.5～75.0 mm,土壤容重(0～30 cm土層)降低 0.20 g/cm3,且水分分布均勻。張明智[16]以設施番茄為研究對象,從農藝方面系統地分析了膜下微噴灌、膜下滴灌和微噴帶灌溉的不同鋪設方式對土壤和作物根系的影響,明確了溫室膜下微噴灌溉對溫室番茄灌溉管理技術和增產的機理。周斌等[17]對微噴帶灌溉的水利特性進行了特征研究。謝楠[18]將膜下微噴灌溉技術應用于溫室芹菜種植,通過芹菜耗水量、生長特性和產量研究發現,膜下微噴相較于溝灌節水增產效果顯著。Li J S, Kawano H[19]認為微噴在作物的產量和水分利用效率上,土壤中水分分布均勻性要比地面上更為重要。【本研究切入點】相較于滴灌微噴灌濕潤區更大,出水流量也較大,而微噴灌溉對鹽分的淋洗和次生鹽漬化的抑制作用鮮有報道,分析膜下微噴灌溉土壤水鹽運移的研究進展,對解決土壤鹽漬化問題有著重要意義。已有文獻研究膜下微噴灌溉方式對設施作物土壤性狀(含水率、總鹽、土壤養分變化趨勢)、作物生理指標、以及果實品質和產量的影響機理[20,21],需匯總分析膜下微噴灌溉對溫室作物生長特性和土壤理化性狀的影響。【擬解決的關鍵問題】收集、整理和分析國內外微噴灌溉文獻資料并統計分析,分析微噴技術的應用現狀以及研究成果和膜下微噴技術在溫室灌溉中應用前景。

1 材料與方法

1.1 材 料

檢索節水灌溉相關文獻及官網實地調研數據資料。

1.2 方 法

采用文獻分析及統計學及實地調研方法,對收集匯總的材料進行整理并對分析溫室膜下微噴技術應用現狀。

2 結果與分析

2.1 微灌技術應用

研究表明,世界微灌面積約有 1.10×108hm2,占總灌溉面積的5.00%,我國是使用微灌設施最多的國家,占世界微灌面積的35%[22, 23]。在當前微灌技術中,滴灌、滲灌和微噴灌較常用。源自于以色列的滴灌技術是目前最主要的節水灌溉方式,因其節水、節肥、抑鹽和易管理特性被廣泛使用[24-26]。在一些水質鹽堿化嚴重的干旱、半干旱區域,沖施化肥使滴灌帶堵塞而限制了其應用。滲灌又被稱為浸灌和地下灌溉,是將類似于滴灌帶的特殊管道埋入田間耕作層,受毛細管作用自下而上潤濕土壤,滲灌獨特的原理使其具有灌水效率高、壓力小、不占地表面積的顯著優勢,但投資成本高、施工復雜、水質要求高、堵塞不易維修的缺點限制了推廣應用。微噴技術是隨著滴灌和滲灌技術發展而出現的新技術,與傳統滴灌和滲灌相比,微噴具有較強的挾沙能力和抗堵塞能力,具有顯著的節水、節肥、節藥、節省勞動力、增產增收等效果[27-29]。表1

表1 各灌溉技術匯總

2.2 微噴灌溉技術在田間種植作物上應用

研究表明,微噴帶灌溉在陸地作物種植中的應用,周斌等[17]2003年開展了單孔微噴帶噴水量分布與噴射角度關系的基本特征研究,在5 m水頭壓力下,0.7 mm直徑的噴孔在噴射角度為40°時,射程、濕潤區面積、濕潤區寬度均最大。孫先明等[30]進一步探索了微噴帶灌溉在能量損耗、灌水均勻性和堵塞性的各指標與可行的解決方案,提出用微噴帶替換滴灌帶解決滴灌帶易堵、投資高、濕潤面積小的問題。張芳等[31]開展了風擾下微噴帶噴灑均勻性的影響研究,進一步探索微噴灌戶外農田環境下應用的可能。王裕智[32]做了微噴帶鋪設方向與播種方向垂直和平行的試驗,結果表明垂直鋪設方法可以改善窄行距條播密植作物在中、后期噴灌不均勻的難題且節水效果顯著。焦艷平[33]、滿建國等[13-14]以冬小麥為試驗對象開展了微噴帶對作物栽培的影響,其中焦艷平以小畦田地面畦灌為對照,研究發現微噴灌對冬小麥生長及產量具有促進作用,在灌水量減少150 m3/hm2、總施肥量降低了24.0 kg/hm2的效果下,根層土壤氧化鉀和硝態氮含量還得到了相對提高;在40～80 m帶長范圍研究時發現,隨著微噴帶縮短總耗水量顯著較少,籽粒產量和水分利用率顯著提高;隨后在40 m定長不同灌溉角度的研究中發現在35°～ 80°噴射角范圍內,適當增加噴射角可顯著較低冬小麥耗水量、提高籽粒灌漿和產量,在噴射角≤ 65°時會導致灌溉水在行間分布不均。楊坤等[34]也做了密植作物小麥微噴灌溉的研究,針對中后期小麥微噴帶灌溉水分布特點,探討了不同灌溉模式下小麥中后期土壤水分分布和運移規律,研究發現在壓力強度最大0.15 MPa、噴管帶鋪設間距440 cm時達到最佳鋪設灌溉應用。除此之外,學者們還針對以油菜、大豆為主的密植作物展開了株高、播種密度、孔間距、孔口徑等對微噴帶噴灑均勻性的研究[35-36],研究發現常規的種植密度對微噴均勻性影響不顯著,微噴帶的性能參數對噴灑均勻性影響較大。表2

表2 微噴均勻性在密植作物上的表現

微噴帶指在帶狀薄壁塑料軟管管壁上采用機械鉆孔或激光設備以組為單位均勻打孔的塑料軟管,常用的孔組有斜3孔、斜5孔和斜7孔。工作時有壓水經過微噴帶的出水孔噴出后,在重力和空氣阻力作用下形成類似細雨噴灑效果。相比其他灌溉方式,微噴帶灌溉鋪設方便,投資成本較少,對水質要求低,抗堵性能好。圖1

圖1 微噴帶結構及噴灑軌跡示意

微噴帶在陸地覆膜作物灌溉應用方面,目前該技術主要運用于玉米、園林花卉、果樹、煙草和甘蔗等生產種植領域中,陳永[39,40]在研究膜下微噴對甘蔗產量、工藝品質及經濟效益的影響中發現,膜下微噴技術能顯著提高甘蔗產量、品質及經濟效益。李珠懷等[41]提出在陸地覆膜種植中,將覆膜種植工藝與微噴節水技術相結合的膜下微噴高效灌溉方式,在節水、節肥、省藥和增產提效等方面都具有顯著效果。西北玉米種植區進行了微噴和不同灌溉模式在覆膜(膜下滴灌、膜下微噴、膜下微潤灌)和不覆膜(微潤灌、管灌與微噴聯合灌溉和低壓管灌)的對比試驗中發現,膜下滴灌玉米產量和水分利用效率最高,凈效益也最高,其次為膜下微噴,為膜下微噴的推廣提供了技術支持與基礎[42]。表3

2.3 微噴灌溉技術在溫室中應用

研究表明,石文學[43]等以溝灌為對照,研究膜下微噴和膜下滴灌灌溉方式對春大棚黃瓜產量、植株生長速度和經濟效益的影響,在探索適合京郊溫室黃瓜高效節水灌溉方式中認為,應優先采用膜下滴灌技術,在灌溉設備資金較為緊張地區可采用膜下微噴技術(膜下微噴較膜下滴灌每年可節約成本40%),黃瓜膜下微噴灌溉應用。趙鐵倫等[44]使用不同灌溉方式(畦灌、微噴帶、膜上畦灌、膜下微噴)對溫室內白菜種植中礦質元素吸收及品質的影響研究時得出,使用直徑為φ28.6 mm、5孔、孔徑為φ0.6 mm的微噴帶,膜下微噴處理白菜各部分養分含量最高。張明智[16]以溫室番茄為對象開展了膜下滴灌和膜下微噴的對比研究,膜下微噴種植的番茄在株高、莖粗、葉面積指數及干物質質量方面均優于膜下滴灌;在微噴帶和滴灌帶管道鋪設過程中,一壟雙行的栽培模式中滴灌帶需要鋪設兩管雙行,而微噴帶則僅需單管雙行,相較滴灌微噴帶可節省一半。試驗確定最優微噴帶性能參數組合為:管徑φ32 mm、斜3孔、微孔直徑φ0.8 mm、孔組間距為30 cm微噴帶在灌水頻率為 5 d,灌水量為 1.00Epan(Epan表示φ20蒸發皿5 d累計蒸發量)的灌溉方案措施下,微噴灌可明顯促進土壤微生物和土壤酶活性等土壤環境,同時在作物根系形態發育和植株生長、番茄產量及水分利用效率方面相較滴灌模式均有明顯提高。夏秀波[45]、邢英英[46]等溫室番茄栽培試驗中也得到了類似的結論。李晨等[47]對溫室小型西瓜膜下微噴灌溉進行了研究,通過對比 4 個不同灌水時長(18、30、42 mm 和常規灌溉)的試驗組西瓜全生育期(株高、莖粗、葉面積)長勢、產量和品質的測定結果表明,膜下微噴條件下選用管徑φ32 mm、斜5孔、微孔直徑φ0.7 mm、孔組間距為28 cm微噴帶,每次灌水30 mm是西瓜的最佳灌水量。孫莉莉[48]也得出同樣的觀點:認為膜下微噴灌溉措施具有省水、省肥、省工、省時的特點,微噴灌溉操作簡單,易于在溫室內安裝使用。圖2

圖2 黃瓜膜下微噴灌溉

膜下微噴帶灌溉技術應用于溫室能夠提高作物產量、改善土壤環境,相較于其他灌溉方式,膜下微噴灌技術人工、原料成本更低,節水節肥效果顯著。

表3 不同灌溉技術模式下玉米經濟效益對比[42]

2.4 膜下微噴帶的結構工藝參數與灌水特性

研究表明,張明智等[49]對于微噴帶水量分布和水流特性研究發現微噴帶的微孔數量對流量存在呈顯著性影響(0.898),微孔夾角對流量影響較小(0.140),微孔間距影響最小(-0.008),土壤濕潤面積、濕潤率、微噴帶流量、灌水強度峰值均隨著微孔數量的增加呈線性增加趨勢;土壤濕潤面積和微噴帶流量隨微孔間距和微孔夾角的增加呈先增加后降低趨勢;濕潤率隨微孔間距和微孔夾角的增加呈減小趨勢;灌水強度峰值與微孔間距和微孔夾角的增加無顯著性變化規律。微孔數量對濕潤面積、濕潤率、流量、灌水強度峰值都呈增加趨勢,微孔間距與夾角的增加與濕潤面積與流量呈先增加后降低趨勢,對灌水強度峰值無明顯變化;在對微孔數量、微孔夾角、微孔間距3因素與流量影響分析中,通過正交試驗和多元逐步回歸分析得出方程:Q=22 071.74X1+11 247.09X2-7.34X3-34 430.54,模型可預估80.00%以上該3因素與流量的關系。王琪等[37]以微噴帶A(鋪設長度)、C(微孔直徑)、B(微孔間距)3因素做了正交試驗,采用極差分析方法,確定了因素主次順序的最佳組合方案為A1B3C1。

3 討 論

田凌等[50]采用滴灌結合微噴水肥藥的一體化系統,在設施農業灌溉中以滴灌為主、微噴為輔的補充灌溉方式,在高溫天氣開啟微噴使水噴灑至作物表面起到調節作物周圍溫度的灌水方法,此種微噴帶置于地膜上的方法在溫度低和濕度大的環境中不宜使用。孫海偉[51]將微噴結合滴灌的水肥一體化模式應用于茶園灌溉中,施肥前后用微噴灌溉,施肥時用滴灌灌溉,此種結合方法在清潔茶樹葉面的同時可提高果園濕度、提高茶芽的嫩度,起到增加作物光合作用和光線漫反射的效果,同時又能做到精準施肥。微噴灌結合滴灌在改善作物冠層生長環境的同時兼顧作物根區滴灌,此灌溉方式對溫室高溫環境的合理調控具有重要意義[52]。

選用粒徑0.275～1.000 mm 泥沙時,微噴帶在0.5、1.0、1.5 g/L 3 個泥沙濃度試驗中,其中1.0 g/L時更易堵塞,其他的濃度通過性較好[53];在滴灌帶抗堵性能研究方面,粒徑0.075～0.10 mm 泥沙即可引起滴頭堵塞,同時由于滴灌流水不連續,滴頭減壓路徑的設置,0.03～0.038 mm的泥沙易在滴頭區域沉淀引發堵塞,滴灌帶管路中漩渦的存在也是泥沙沉積引發堵塞的主要誘因[54,55]。微噴帶抗堵挾沙能力要優于滴灌帶,更適應與河水及水質不佳的水源灌溉。

膜下滴灌技術有利于對鹽堿地的開發利用和防治土壤次生鹽漬化,膜下微噴灌溉土壤水鹽運移的規律卻鮮有報道。冶金明[56]認為覆膜可以減少土壤水分蒸發和鹽分積累,膜下滴灌可微潤作物根區,同時將鹽分帶入濕潤區邊緣,為灌溉區作物創造一個良好的生長環境。曹振璽等[57]認為膜下滴灌技術對土壤鹽分有很好的淋洗效果,鹽分隨著灌溉水的流動被帶至耕層下,減少作物根部附近土壤鹽分含量。黃真真等[58]對新疆干旱區棉花膜下滴灌種植研究發現,膜下鋪設3條滴灌帶比2條滴灌帶對棉花行間土壤鹽分淋洗效果(0～40 cm 土層)要好,同時棉花可增產 4%～11%,提出了濕潤區越大越密集排鹽效果越好的看法,與汪昌樹等[59]研究一致。在選用1.38和 2.7 L/h 的滴頭流量做土壤鹽分淋洗試驗時,1.38 L/h滴頭土壤濕潤區較小,土壤含水量低,土壤鹽分淋洗效果較差[60]。在灌水定額 52.5 mm 時,選用滴頭流量 2.8和5.6 L/h 條件下,滴頭流量2.8 L/h條件地表水平脫鹽半徑30 cm,滴頭流量5.6 L/h條件下地表水平脫鹽半徑40 cm[61]。

4 結 論

微噴帶指在帶狀薄壁塑料軟管管壁上采用機械鉆孔或激光設備以組為單位均勻打孔的塑料軟管,常用的孔組有斜3孔、斜5孔和斜7孔。與噴射角度關系的基本特征,在5 m水頭壓力下,0.7 mm直徑的噴孔在噴射角度為40°時,射程、濕潤區面積、濕潤區寬度均最大。常規的種植密度對微噴均勻性影響不顯著,微噴帶的性能參數對噴灑均勻性影響較大,微噴帶在陸地覆膜作物灌溉應用方面,目前該技術主要運用于玉米、園林花卉、果樹、煙草和甘蔗等生產種植領域中,膜下微噴灌溉措施具有省水、省肥、省工、省時的特點,微噴灌溉操作簡單,易于在溫室內安裝使用,微噴帶的微孔數量對流量存在呈顯著性影響(0.898),微孔夾角對流量影響較小(0.140),微孔間距影響最小(-0.008)。