丘陵地區水平棚架梨園節水灌溉技術研究

霍恒志,陳丙義,陳 成,萬春雁

(江蘇丘陵地區鎮江農業科學研究所,江蘇句容 212400)

梨是我國三大水果之一,據國家統計局數據,2018年中國梨栽培面積94.3萬hm2,總產量1 607.8萬t,中國梨栽培面積和總產量均占世界總量的70%左右。梨樹是需水較多的果樹品種,水是梨樹健壯生長、豐產穩產的主要物質條件。成年梨樹的年需水量為5 295～8 460 t/hm2,砂梨品種需水量更多。因此,灌溉是生產出高產、優質梨果的必要措施[1-3]。我國是一個水資源相對貧乏的國家,人均擁有量僅為2 300 m3,是世界上13個貧水國之一。全國農田灌溉用水量為3 500億m3,占總水量的67%[4-5]。我國農業灌溉利用率較低,為30%～40%,農業灌溉用水利用率較高的國家的水資源灌溉利用率可達70%～80%。因此,發展節水灌溉高效農業是解決我國農業用水危機的必然選擇[6-8]。我國地形種類多,山地丘陵面積較廣,在丘陵山地上發展果樹產業是常見的土地利用方式之一,但丘陵山地果園灌溉較平原灌溉難度大。在目前嚴峻的水資源危機和干旱化趨勢下,傳統的梨園灌溉必須轉向節水灌溉。因此,科學設計灌溉系統,提高果園灌溉水利用效率是緩解水資源匱乏及實現水資源可持續發展的有效措施[9-13]。節水灌溉是在合理的時間和適量的范圍內對果樹進行灌溉,其是以果樹的正常生長為前提,以最少的水量獲得最大收益。簡而言之,果園節水灌溉是用盡可能少的灌水量,生產出盡可能多的優質果品。丘陵山地果園,從簡單、經濟、實用、耐用的角度考慮,一般采用壓力灌溉系統或自壓驅動的灌溉系統[14-15]。目前節水灌溉技術發展較快,不同類型的農作物都有適用于自己的節水灌溉方式。比較流行的節水灌溉方式有滴灌、噴灌、微噴灌等。以上灌溉系統由水源、首部樞紐、輸配水管道、灌水器4部分組成。丘陵地區水源一般有河流、水庫、池塘、地下水等;首部樞紐包括電機、水泵、過濾器等;輸配水管道包括主、干、支管道及管道控制閥門;灌水器包括滴頭、微噴頭、滴灌帶和滴灌管等。筆者以水平棚架梨園為灌溉對象,對5種灌溉方式的成本投入、灌溉效果、節水可操作性進行分析,以期為篩選適合丘陵地區水平棚架梨園節水灌溉的有效技術和方法提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 灌溉試驗地概況試驗設在句容市華陽鎮鎮江市農業科學院梨試驗園內。試驗區面積為0.72 hm2,坡度為15°,長方形地塊。栽培模式為梨水平棚架兩主枝和三主枝栽培,8年生,株行距4 m×4 m,行向為順坡,共31行,每行13株,主栽品種為翠冠、豐水、幸水。水源為池塘,水質一般。

1.2 材料首部樞紐為油浸式潛水電泵,上海錢濤機電制造有限公司生產,三相380 V,額定功率4 kW,流量12.5 m3/h,揚程50 m,配管50 mm。所用輸配水管道及灌水器均為上海華為節水灌溉股份有限公司生產。主、干、支、毛管道為PE材料,規格分別為50、32、25、5 mm;滴灌帶、滴灌管直徑為16 mm,滴頭間距15 cm;箭式滴頭裝置由一出四分配器、毛管及滴箭組成;平面霧化微噴裝置由倒鉤、毛管、重錘及平面霧化噴頭組成;旋轉微噴裝置由倒鉤、毛管、重錘及旋轉微噴頭組成。

1.3 方法2020年7—8月,在干旱天氣下進行梨園灌溉試驗,為了效果更加明顯、清晰,試驗前進行割草清耕。試驗共設計5個處理,分別為滴灌帶(Ⅰ)、滴灌管(Ⅱ)、箭式滴頭(Ⅲ)、平面霧化微噴(Ⅳ)和旋轉微噴(Ⅴ),均為順坡進水灌溉。每處理1行,灌溉面積0.02 hm2,3次重復,進行3次灌溉試驗。同時,以旋轉微噴為調查對象,分別以灌溉行數和灌溉時間作為處理,分別設6個和7個處理。滴灌帶、滴灌管采取地面鋪設,行間距1.0 m,滴頭間距0.3 m,通過旁通閥連接在干管上;箭式滴頭的支管采取地面鋪設,通過異徑三通和球閥連接在干管上,行間距2.0 m,用一出四分配器,間距1.2 m,采用打孔方式連接在支管上,再用毛管連接,安裝滴箭,滴箭間距0.3 m(可根據需要平移滴箭位置);平面霧化微噴和旋轉微噴采用水平棚架上方鋪設支管,每條支管通過異徑三通和球閥連接在干管上,與梨樹同行,行間距4.0 m,微噴頭裝置,通過雙倒勾連接在支管上,間距2.0 m,以梨樹為中心順行上下各1.0 m安裝,微噴頭垂直離地0.5 m。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉方式投入成本由表1可知,各處理固定成本均為4 500元/hm2,包括水泵、主管、干管、過濾器、閘閥及連接配件的投入。處理Ⅰ滴灌帶成本6 000元/hm2,處理Ⅱ滴灌管成本12 000元/hm2,處理Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ在支管、毛管和滴、噴頭(套)分別投入9 300、10 080和10 080元/hm2成本。處理Ⅰ成本最低,僅10 500元/hm2,折算成本為3 495元/(hm2·a);處理Ⅱ成本最高,達16 500元/hm2,折算成本為4 125元/(hm2·a),為各處理中成本最高;處理Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ成本均在16 500元/hm2以下,處理Ⅲ折算成本為3 450元/(hm2·a),處理Ⅳ和Ⅴ折算成本最低,均為1 455元/(hm2·a)。

表1 九渡村文化資源基礎情況

表1 不同灌溉方式的成本投入

2.2 不同灌溉方式的灌溉效果由表2可知,處理Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ對水壓力要求不高,分別是40～200、80～250和50～350 kPa,同時流量較小,均在2.0 L/h及以下,滴水滲透半徑分別為0.4、0.4和0.8 m,過濾精度均為120目,對水質要求較高,抗堵性差;處理Ⅳ和Ⅴ對水壓力要求稍高,為200～300 kPa,流量均為40.0 L/h,噴灑半徑分別為1.5和2.5 m,對水質要求一般,抗堵性好。

表2 不同灌溉方式的灌溉效果

2.3 不同灌溉方式的基本排布及灌溉效果由表3可知,處理Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ排布的行間距1.0～2.0 m,滴、噴頭間距0.3 m,灌溉均勻度50%～60%,水分利用率在45%～55%,節水率50%～60%,田間可操作性難;處理Ⅳ和Ⅴ噴頭排布的行間距4.0 m,滴、噴頭間距2.0 m,灌溉均勻度95%,水分利用率在90%,節水率在95%以上,田間可操作性容易。

表3 不同灌溉方式的基本排布及灌溉效果

2.4 旋轉微噴不同灌溉面積對灌溉效果的影響以處理Ⅴ作為調查處理對象,共設6個處理,灌溉行數分別是8、10、12、14、16和18行。由表4可知,隨著灌溉行數的增加,灌溉面積和所需微噴頭個數也增加,此時支管水壓力減小,噴頭流量、噴射半徑也減小。灌溉12行時,灌溉面積為0.248 hm2,微噴頭數量為312個時,灌溉均勻度最高,達到100%,噴射半徑為2.0 m,能覆蓋全園,此時灌溉效果最好。

表4 旋轉微噴不同灌溉面積對灌溉效果的影響

2.5 不同灌溉時間對灌溉效果的影響采用12行處理進行灌溉試驗,共設7個處理,以不同灌溉時間作為處理,分別為1、2、3、4、5、6、7 h。由表5可知,隨著灌溉時間的延長,每個噴頭出水量和水分滲透土壤深度隨之增加,以地表有無徑流為標準,灌溉4和5 h處理水分滲透土壤深度分別為19和23 cm,地面無徑流,灌溉效果最佳。

表5 不同灌溉時間對灌溉效果的影響

3 小結與討論

該試驗結果表明,對于丘陵山地,特別是有棚架的果園,適合灌溉方式有旋轉微噴和平面霧化微噴。其方法與棚架的可利用性相結合,使灌溉支管排布或懸吊在棚架上,可順著種植行進行排布,且噴頭垂直離地有一定的距離,便于機械作業,與田間的刈草、打藥、施肥等生產管理互不干擾,是目前最有效的精準灌溉方式之一。也可結合水溶性肥料實現水肥一體化,能達到簡單易行、省工省心、節肥節水的效果,對于氣象性、季節性的嚴重干旱,采取高效節水的灌溉系統,可最大限度地減少干旱帶來的損失,是目前應對干旱最有效的手段之一,對于人力勞作不便的高落差丘陵山地來說更是如此[3]。

同時,果園灌溉時期一定要掌握好,因為各種果樹需水量和需水規律不盡相同,同種果樹在各生育期的需水量也不同。如梨的年生長周期中,在果實迅速膨大期,需水量最多,此時氣溫較高,同化作用強,葉面蒸騰量大,也是花芽大量分化期,如果缺水,不但會影響果實膨大,甚至會造成落葉、落果,降低產量,同時還影響花芽健壯分化及來年的產量[12-13]。

果園節水灌溉是一個系統性工程,在安裝設計前,首先要根據果園的地形、面積的大小、水源的遠近及揚程的高低,來確定水泵功率及流量的大小[5]。其次是考慮能同時灌溉多的面積,減少灌溉時間,合理配備主、干、支管道的粗度。此外,在安裝的過程中必須進行調試,來確定噴頭離地高度和噴嘴的大小,每一塊果園地勢坡度和坡長都不一樣,這些都是必須考慮的因素。因此,只有科學地設計灌溉系統,才能提高果園灌溉水利用的效率,真正達到果園集約化管理的目的。

近年來,節水灌溉得到了快速發展,灌溉方式進一步向集約節約化轉變,農田灌溉水有效利用系數也穩步提高。實踐證明,發展高效節水灌溉是加快農業農村現代化的一項重要舉措,要從“工程、農藝、品種”3方面全方位加快推進高效節水灌溉,進一步激發高效節水灌溉的創新發展。中國農業科學院農田灌溉研究所所長周國民提出,智慧灌溉就是應用新一代信息技術賦能灌溉工程,以數據知識為基礎、模型算法為核心、裝備產品和系統平臺為載體,通過灌溉全過程全環節數字化、網絡化和智能化,構建最適水田、作物關系,實現節水、高效、高產、優質協同。并從“多元感知、智能決策、精準作業、綜合管理”4個方面構建智慧灌溉技術體系,面向不同區域、產業、場景提出智慧灌溉綜合解決方案,增加智慧灌溉在農業全產業鏈的應用。