京郊山區(qū)果園高效灌溉技術(shù)研究與應(yīng)用

焦有權(quán),李嬋娟,楊林林,韓敏琦

(1.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院,北京 102442;2.北京市密云水庫(kù)管理處,北京 101512)

0 引 言

北京市2014年發(fā)布了“關(guān)于調(diào)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)方式發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)的意見”,明確在北京建設(shè)觀光采摘果園6.7萬(wàn)hm2左右,并把發(fā)展節(jié)水抗旱農(nóng)業(yè)列為結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點(diǎn)任務(wù);2017年中央一號(hào)文件提出了“大規(guī)模實(shí)施農(nóng)業(yè)節(jié)水工程”和“強(qiáng)化農(nóng)業(yè)科技推廣”等加快培育農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展新動(dòng)能的若干意見。2020年《北京市節(jié)水行動(dòng)實(shí)施方案》出臺(tái),指出“農(nóng)業(yè)節(jié)水增效,要大力推進(jìn)節(jié)水灌溉”;2021年《北京市“十四五”時(shí)期鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實(shí)施規(guī)劃》發(fā)布,要推進(jìn)都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展,抓好“菜籃子”穩(wěn)產(chǎn)保供。

林果業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成,京郊山區(qū)果園大部分位于西部、北部及東北部山區(qū),與平原地形相比,山區(qū)果園的地形一般較為復(fù)雜,地形存在落差和坡度較大,果園的灌溉供水條件較差,一般是從低處水源加壓提水上山,在田間地頭采用不同形式的灌溉方式。與平原地塊相比,無(wú)論在管道鋪設(shè),還是運(yùn)行維護(hù)等方面,山區(qū)果園的灌溉用水成本相對(duì)較高。因此,果園的保障與發(fā)展不僅有利于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收,還有利于綠色生態(tài)屏障、水源涵養(yǎng)以及生態(tài)休閑功能的發(fā)揮,在促進(jìn)首都經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展方面具有重要的作用[1]。

經(jīng)過(guò)多年的節(jié)水技術(shù)推廣,加上近年來(lái)北京市關(guān)于調(diào)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)方式發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)的工作推進(jìn),對(duì)于地形條件較好的山區(qū)果園,目前基本摒棄了傳統(tǒng)的漫灌形式,應(yīng)用了噴灌、滴灌、小管出流等節(jié)水技術(shù),取得了一定的增產(chǎn)、節(jié)水、省工等效果,得到了農(nóng)戶及社會(huì)的肯定。2021年起,在“進(jìn)村入戶走基層”三年專項(xiàng)行動(dòng)中,水利與建筑工程系對(duì)接幫扶房山區(qū)佛子莊鄉(xiāng)東班各莊村經(jīng)濟(jì)合作社,該社由于集體經(jīng)濟(jì)薄弱,村莊唯一集體經(jīng)濟(jì)果園位于村北大石河河岸陡峭的山坡上,受當(dāng)?shù)氐匦螚l件所限,無(wú)法提水灌溉和精準(zhǔn)施肥,雖然10hm2的果園蘋果已經(jīng)掛果,但果樹生長(zhǎng)矮小,無(wú)法達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)作物種植目的。

多年來(lái),國(guó)家各部門對(duì)節(jié)水工程的建設(shè)非常重視,也取得了一定效益。但是由于一些地區(qū)土壤貧瘠,水分下滲快,造成有些地方節(jié)水工程修建后潛力發(fā)揮不足,相比之下顯得效果不太明顯,這說(shuō)明在技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域里實(shí)用性以及合理性方面與用戶要求有一定差距。山區(qū)果園立體節(jié)水調(diào)控技術(shù)是利用化學(xué)物質(zhì)調(diào)控土壤和作物的水分狀況,以達(dá)到提高土壤保水、抑制土壤蒸發(fā)、防止?jié)B漏、減少植物奢侈蒸騰、增產(chǎn)調(diào)質(zhì),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)約供水和高效利用降水目的的一種新型生物節(jié)水技術(shù)。與其它節(jié)水技術(shù)相比,化控節(jié)水技術(shù)更具有操作簡(jiǎn)便、投入少、見效快等優(yōu)點(diǎn),有望成為適宜北方地區(qū)果蔬節(jié)水、增產(chǎn)、調(diào)質(zhì)型農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)[2]。

1 研究?jī)?nèi)容

項(xiàng)目示范點(diǎn)依托北京市房山區(qū)佛子莊鄉(xiāng)東班各莊村北山坡蘋果地,開展基于滴灌技術(shù)的山坡地果園水肥一體化研究。果園地塊散落不規(guī)則,地形落差較大,局部有梯田,坡度大小不一,地表裸露較多,土質(zhì)為粗砂土,保水性能較差,水土流流失嚴(yán)重,屬于典型的山地地貌特征。果園種植蘋果樹,簡(jiǎn)易梯田圍護(hù),田間道路老舊,山上供水主管道破損嚴(yán)重,供水條件較差,需要進(jìn)一步完善和維護(hù)。經(jīng)調(diào)研走訪,當(dāng)?shù)卮逦稗r(nóng)戶很重視山地果園的經(jīng)營(yíng),對(duì)增加節(jié)水灌溉工程提高蘋果產(chǎn)量有很高期望,也有一定的積極性。但是村民受技術(shù)手段所限,村集體經(jīng)濟(jì)薄弱,無(wú)力采取相關(guān)工程技術(shù)措施,無(wú)法提水灌溉,致使10hm2的果園幾乎荒蕪,剛掛果的果樹干旱嚴(yán)重。2022年7月在區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,水利與建筑工程系與東班各莊村經(jīng)濟(jì)合作社簽署協(xié)議,擬定院方組織幫扶團(tuán)隊(duì)開展智力幫扶和技術(shù)服務(wù)工作,結(jié)合村集體經(jīng)濟(jì)增收的產(chǎn)業(yè)需求,發(fā)揮學(xué)院科技掛職、科技小院及科技幫扶優(yōu)勢(shì),向該村提供治理幫扶[3]。

1.1 果園高效節(jié)水灌溉技術(shù)適宜性選配

充分調(diào)研園區(qū)果園基本現(xiàn)狀,如作物品種、氣象條件,以及土、水、肥條件和生育階段劃分的不嚴(yán)格等,分析影響作物需水系數(shù), 調(diào)研收集北京地區(qū)近年來(lái)的降雨量數(shù)據(jù)、降雨特點(diǎn)及時(shí)間分布規(guī)律等,考慮典型山區(qū)果園地形地貌、土壤數(shù)據(jù),結(jié)合果樹的種植分布,在眾多的節(jié)水灌溉技術(shù)中,如小管出流、噴灌、微噴灌、滲灌和滴灌等技術(shù),選定適合沙土地果園灌溉的滴灌作為首選技術(shù),并配合關(guān)鍵生育期的施肥技術(shù),選用滴灌水肥一體化技術(shù)。

1.2 果園滴灌水肥一體化技術(shù)配套研究

果園滴灌技術(shù)綜合配套研究除了按照滴灌規(guī)范等相關(guān)要求進(jìn)行滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)外,還要考慮滴灌技術(shù)適應(yīng)地形落差,如何與田間雨水收集技術(shù)協(xié)調(diào)布置,滿足果園灌水要求、便于田間操作等開展研究。將可溶性固體或液體肥料,在關(guān)鍵生育期,按土壤養(yǎng)分含量和果樹的需肥規(guī)律和特點(diǎn),配兌成的肥液與灌溉水一起,通過(guò)可控管道系統(tǒng)供水、供肥,使水肥相融后,通過(guò)管道和滴頭形成滴灌,均勻、定時(shí)、定量浸潤(rùn)作物根系發(fā)育生長(zhǎng)區(qū)域,使主要根系土壤始終保持疏松和適宜的含水量。

1.3 應(yīng)對(duì)山坡地形變化引起的壓力補(bǔ)償研究

由于山坡地地形高差變化較大,常規(guī)的滴頭設(shè)備對(duì)壓力的敏感性較大,在地形高低落差較大的區(qū)域,通過(guò)滴頭的自身補(bǔ)償機(jī)理,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形變化對(duì)系統(tǒng)的恒壓保障,需要選用成本低廉,補(bǔ)償效果較好,灌溉均勻度較高的滴頭設(shè)備,滿足壓力補(bǔ)償需求成為本項(xiàng)目研究的一個(gè)要點(diǎn)。

1.4 提升節(jié)水增效的示范效果

細(xì)化水肥一體化措施,劃分示范單元,通過(guò)增加施藥設(shè)施,增加對(duì)果樹病蟲害的防治;同時(shí)結(jié)合示范區(qū)的實(shí)際情況,進(jìn)一步細(xì)化高效節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)程,尤其體現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行管護(hù)和后期維護(hù)的技術(shù)管理措施,提升節(jié)水增效的示范效果[4]。

2 技術(shù)路線和研究方法

2.1 技術(shù)路線

根據(jù)本項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容,前期進(jìn)行調(diào)研,采集果園種植基本資料,組織專業(yè)人員集中分析討論,對(duì)果園地形、面積、邊界、坡度及高差等進(jìn)行勘測(cè),制定滴灌水肥一體化設(shè)計(jì)方案,根據(jù)資金預(yù)算,進(jìn)行局部工程施工示范,完善配套措施,集成高效灌溉系統(tǒng),編制操作使用規(guī)程,開展系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)和系統(tǒng)安全管理培訓(xùn),建立示范點(diǎn)。山坡地果園高效節(jié)水灌溉技術(shù)的研究本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)SPAC整體節(jié)水,在農(nóng)業(yè)節(jié)水領(lǐng)域通過(guò)深入研究土壤-作物-大氣連續(xù)體(Soil-plant-atmosphere Continuum,SPAC),SPAC是一個(gè)復(fù)合系統(tǒng),水分在其中的運(yùn)行是連續(xù)的,貫穿于土壤、作物和大氣三者之間,灌溉水、降雨進(jìn)入農(nóng)田后在SPAC系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是由多個(gè)系統(tǒng)組成的耦合系統(tǒng),系統(tǒng)耦合過(guò)程中存在一系列的系統(tǒng)界面,水分在SPAC中運(yùn)行時(shí)往返通過(guò)的界面包括:作物-大氣、土壤-大氣、土壤-根系、潛水層-土壤層等之間的多個(gè)界面。若將根區(qū)“土壤—作物”視為一個(gè)整體,則水分進(jìn)入農(nóng)田后主要有地表徑流、土壤表面蒸發(fā)、植株葉面蒸騰以及深層滲漏四個(gè)方面消耗途徑,基于這一理論指導(dǎo),耗水調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)也以上四個(gè)方面展開。

2.2 材料與方法

灌溉果園示范區(qū)選在東村河北山坡地,地處陽(yáng)坡,為蘋果樹,樹齡4a,初始掛果,技術(shù)管理幾乎為零,無(wú)灌溉設(shè)施,坡地雜草生長(zhǎng)茂密。

本工程利用山坡下河道邊原有大口井,利用潛水泵提水加壓,重點(diǎn)配置主干管、干管和田間支管,設(shè)計(jì)必要的輪灌組,管道選用柔性PE管,以適應(yīng)較大的地形變化,配置主要管件有灌溉管道、滴頭、三通等管件、過(guò)濾器、閥門,計(jì)量設(shè)備、閥門箱等。

前期進(jìn)行工程測(cè)量,得到精準(zhǔn)的1:500小區(qū)域地形圖,進(jìn)行比較精準(zhǔn)的田間系統(tǒng)設(shè)計(jì),后期根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)度進(jìn)行灌溉管路、灌水器等組件的田間布置與安裝。進(jìn)行灌溉系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)指導(dǎo),使灌溉系統(tǒng)達(dá)到正常的使用功能。進(jìn)行日常灌溉技術(shù)應(yīng)用指導(dǎo),發(fā)揮節(jié)水灌溉技術(shù)優(yōu)勢(shì),達(dá)到高效灌溉。根據(jù)后期使用情況,對(duì)東村果園用戶開展節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用培訓(xùn)和維護(hù)指導(dǎo)[5]。

3 工程實(shí)施結(jié)果

項(xiàng)目所在的果園地塊面積不大,涉及灌溉方式較為簡(jiǎn)單,即便如此,也有灌溉工程基本的組成內(nèi)容,有供水管網(wǎng)部分、灌水器及附件、控制閥組及附件部分、水源設(shè)備和其他工程。

3.1 供水管網(wǎng)部分

節(jié)水灌溉工程中輸、供水管道組成供水管網(wǎng),是灌溉工程的重要組成部分,利用壓力管道輸水原理,將水源輸、配到灌水器,在整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)中,管網(wǎng)整體或局部如果出現(xiàn)問(wèn)題,會(huì)影響整個(gè)灌溉工程的正常運(yùn)行。節(jié)水灌溉工程供水管網(wǎng)的組成及型號(hào)參數(shù),見表1。

表1 節(jié)水灌溉工程供水管網(wǎng)的組成及型號(hào)參數(shù)

3.2 灌水器及附件

一般而言,根據(jù)灌水器的結(jié)構(gòu)和水體流出形式,工程上通常分為滴頭、微噴頭、小管灌水器和滲灌管(帶)等4類。為了配合灌水的要求,灌水器還需要配套相關(guān)的附件,如毛細(xì)管、插箭、閘閥、旁通、堵頭等。灌水器結(jié)構(gòu)及附件,見表2。

表2 灌水器結(jié)構(gòu)及附件

3.3 控制閥組及附件部分

節(jié)水灌溉工程中控制閥組及附件是非常重要的組成,通常有自動(dòng)控制系統(tǒng)和手動(dòng)系統(tǒng)兩種形式。參照北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《節(jié)水灌溉工程自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范(DB11-T722-2022)》的規(guī)定,節(jié)水灌溉工程自動(dòng)控制系統(tǒng)包含系統(tǒng)首部測(cè)控單元和田間灌溉測(cè)控單元,田間部分有灌溉控制器,從整體性來(lái)看,有集中式控制系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)兩種。本項(xiàng)工程較為簡(jiǎn)單,屬于手動(dòng)系統(tǒng)。控制閥組及附件,見表3。

表3 控制閥組及附件

3.4 水源設(shè)備

農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備的水源可以是地表水、地下水或人工水體等。地表水包括河流、湖泊和蓄水池等,地下水則需要通過(guò)井水或泵送來(lái)獲取。人工水體一般是指經(jīng)過(guò)人工儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)的水庫(kù)或水塘。水源設(shè)備則是將水從水源提升到灌溉系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備及配套設(shè)施。農(nóng)業(yè)灌溉水源的設(shè)備同,見表4。

表4 農(nóng)業(yè)灌溉水源的設(shè)備

3.5 其他

采運(yùn)及安裝費(fèi)及不可預(yù)見費(fèi)。農(nóng)業(yè)灌溉工程通常位置較為偏遠(yuǎn),在實(shí)際工程中,很多不可預(yù)見的情況也較為常見。很多工程還涉及大量的臨時(shí)設(shè)施,在工程建設(shè)取費(fèi)時(shí),就必然考慮臨時(shí)設(shè)施費(fèi),一般是指施工企業(yè)為進(jìn)行建筑安裝工程施工所必需的但又未被劃入施工臨時(shí)工程的臨時(shí)建筑物、構(gòu)筑物和各種臨時(shí)設(shè)施的建設(shè)、維修、拆除、攤銷等費(fèi)用。供水、供風(fēng)、場(chǎng)內(nèi)供電、簡(jiǎn)易混凝土攪拌系統(tǒng)、施工排水、場(chǎng)地平整、道路養(yǎng)護(hù)、夜間照明及其他臨時(shí)性設(shè)施[6]。

4 研究創(chuàng)新與實(shí)踐效果

4.1 研究創(chuàng)新

1)面向復(fù)雜地形地質(zhì)條件,推廣滴灌水肥藥一體化系統(tǒng)的集成,是對(duì)現(xiàn)有高效節(jié)水灌溉技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展,能夠有效的擴(kuò)大滴灌技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。

2)項(xiàng)目將帶動(dòng)全系農(nóng)業(yè)水利、工程測(cè)繪、水質(zhì)檢測(cè)等領(lǐng)域的技術(shù)專家共同參與,為水利工程專業(yè)群人才培養(yǎng)中節(jié)水灌溉技能的培養(yǎng)提供真實(shí)案例。

3)引導(dǎo)校企合作企業(yè)參與農(nóng)業(yè)建設(shè),共促人才培養(yǎng)和技術(shù)服務(wù)質(zhì)量提升,為鄉(xiāng)村振興做出貢獻(xiàn)。

4.2 實(shí)踐效果

1)圍繞“進(jìn)村入戶走基層”活動(dòng),切實(shí)幫助農(nóng)民群眾解決愁盼事、操心事,助推鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)發(fā)展、農(nóng)民收入提高,促進(jìn)農(nóng)民群眾對(duì)“三農(nóng)”工作滿意度提升。

2)能有效提升經(jīng)濟(jì)水平和資源水平略低的京郊山區(qū)農(nóng)村提高農(nóng)民的收入、提升社會(huì)效益和生態(tài)效益。

3)項(xiàng)目注重運(yùn)行操作和維護(hù)管理,充分延長(zhǎng)先進(jìn)技術(shù)的使用壽命,避免出現(xiàn)“重建設(shè)、輕管理”的項(xiàng)目弊端。