京郊山區果園高效灌溉技術研究與應用

焦有權,李嬋娟,楊林林,韓敏琦

(1.北京農業職業學院,北京 102442;2.北京市密云水庫管理處,北京 101512)

0 引 言

北京市2014年發布了“關于調結構轉方式發展高效節水農業的意見”,明確在北京建設觀光采摘果園6.7萬hm2左右,并把發展節水抗旱農業列為結構調整的重點任務;2017年中央一號文件提出了“大規模實施農業節水工程”和“強化農業科技推廣”等加快培育農業農村發展新動能的若干意見。2020年《北京市節水行動實施方案》出臺,指出“農業節水增效,要大力推進節水灌溉”;2021年《北京市“十四五”時期鄉村振興戰略實施規劃》發布,要推進都市型現代農業高質量發展,抓好“菜籃子”穩產保供。

林果業是現代農業的重要組成,京郊山區果園大部分位于西部、北部及東北部山區,與平原地形相比,山區果園的地形一般較為復雜,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,無論在管道鋪設,還是運行維護等方面,山區果園的灌溉用水成本相對較高。因此,果園的保障與發展不僅有利于當地農業增產增收,還有利于綠色生態屏障、水源涵養以及生態休閑功能的發揮,在促進首都經濟社會協調發展方面具有重要的作用[1]。

經過多年的節水技術推廣,加上近年來北京市關于調結構轉方式發展高效節水農業的工作推進,對于地形條件較好的山區果園,目前基本摒棄了傳統的漫灌形式,應用了噴灌、滴灌、小管出流等節水技術,取得了一定的增產、節水、省工等效果,得到了農戶及社會的肯定。2021年起,在“進村入戶走基層”三年專項行動中,水利與建筑工程系對接幫扶房山區佛子莊鄉東班各莊村經濟合作社,該社由于集體經濟薄弱,村莊唯一集體經濟果園位于村北大石河河岸陡峭的山坡上,受當地地形條件所限,無法提水灌溉和精準施肥,雖然10hm2的果園蘋果已經掛果,但果樹生長矮小,無法達到預期的經濟作物種植目的。

多年來,國家各部門對節水工程的建設非常重視,也取得了一定效益。但是由于一些地區土壤貧瘠,水分下滲快,造成有些地方節水工程修建后潛力發揮不足,相比之下顯得效果不太明顯,這說明在技術應用領域里實用性以及合理性方面與用戶要求有一定差距。山區果園立體節水調控技術是利用化學物質調控土壤和作物的水分狀況,以達到提高土壤保水、抑制土壤蒸發、防止滲漏、減少植物奢侈蒸騰、增產調質,進而實現節約供水和高效利用降水目的的一種新型生物節水技術。與其它節水技術相比,化控節水技術更具有操作簡便、投入少、見效快等優點,有望成為適宜北方地區果蔬節水、增產、調質型農業綜合技術[2]。

1 研究內容

項目示范點依托北京市房山區佛子莊鄉東班各莊村北山坡蘋果地,開展基于滴灌技術的山坡地果園水肥一體化研究。果園地塊散落不規則,地形落差較大,局部有梯田,坡度大小不一,地表裸露較多,土質為粗砂土,保水性能較差,水土流流失嚴重,屬于典型的山地地貌特征。果園種植蘋果樹,簡易梯田圍護,田間道路老舊,山上供水主管道破損嚴重,供水條件較差,需要進一步完善和維護。經調研走訪,當地村委及農戶很重視山地果園的經營,對增加節水灌溉工程提高蘋果產量有很高期望,也有一定的積極性。但是村民受技術手段所限,村集體經濟薄弱,無力采取相關工程技術措施,無法提水灌溉,致使10hm2的果園幾乎荒蕪,剛掛果的果樹干旱嚴重。2022年7月在區農業農村局,水利與建筑工程系與東班各莊村經濟合作社簽署協議,擬定院方組織幫扶團隊開展智力幫扶和技術服務工作,結合村集體經濟增收的產業需求,發揮學院科技掛職、科技小院及科技幫扶優勢,向該村提供治理幫扶[3]。

1.1 果園高效節水灌溉技術適宜性選配

充分調研園區果園基本現狀,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格等,分析影響作物需水系數, 調研收集北京地區近年來的降雨量數據、降雨特點及時間分布規律等,考慮典型山區果園地形地貌、土壤數據,結合果樹的種植分布,在眾多的節水灌溉技術中,如小管出流、噴灌、微噴灌、滲灌和滴灌等技術,選定適合沙土地果園灌溉的滴灌作為首選技術,并配合關鍵生育期的施肥技術,選用滴灌水肥一體化技術。

1.2 果園滴灌水肥一體化技術配套研究

果園滴灌技術綜合配套研究除了按照滴灌規范等相關要求進行滴灌系統設計外,還要考慮滴灌技術適應地形落差,如何與田間雨水收集技術協調布置,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,在關鍵生育期,按土壤養分含量和果樹的需肥規律和特點,配兌成的肥液與灌溉水一起,通過可控管道系統供水、供肥,使水肥相融后,通過管道和滴頭形成滴灌,均勻、定時、定量浸潤作物根系發育生長區域,使主要根系土壤始終保持疏松和適宜的含水量。

1.3 應對山坡地形變化引起的壓力補償研究

由于山坡地地形高差變化較大,常規的滴頭設備對壓力的敏感性較大,在地形高低落差較大的區域,通過滴頭的自身補償機理,實現復雜地形變化對系統的恒壓保障,需要選用成本低廉,補償效果較好,灌溉均勻度較高的滴頭設備,滿足壓力補償需求成為本項目研究的一個要點。

1.4 提升節水增效的示范效果

細化水肥一體化措施,劃分示范單元,通過增加施藥設施,增加對果樹病蟲害的防治;同時結合示范區的實際情況,進一步細化高效節水灌溉技術規程,尤其體現系統的運行管護和后期維護的技術管理措施,提升節水增效的示范效果[4]。

2 技術路線和研究方法

2.1 技術路線

根據本項目研究內容,前期進行調研,采集果園種植基本資料,組織專業人員集中分析討論,對果園地形、面積、邊界、坡度及高差等進行勘測,制定滴灌水肥一體化設計方案,根據資金預算,進行局部工程施工示范,完善配套措施,集成高效灌溉系統,編制操作使用規程,開展系統運行維護和系統安全管理培訓,建立示范點。山坡地果園高效節水灌溉技術的研究本質是實現SPAC整體節水,在農業節水領域通過深入研究土壤-作物-大氣連續體(Soil-plant-atmosphere Continuum,SPAC),SPAC是一個復合系統,水分在其中的運行是連續的,貫穿于土壤、作物和大氣三者之間,灌溉水、降雨進入農田后在SPAC系統中的運動過程是由多個系統組成的耦合系統,系統耦合過程中存在一系列的系統界面,水分在SPAC中運行時往返通過的界面包括:作物-大氣、土壤-大氣、土壤-根系、潛水層-土壤層等之間的多個界面。若將根區“土壤—作物”視為一個整體,則水分進入農田后主要有地表徑流、土壤表面蒸發、植株葉面蒸騰以及深層滲漏四個方面消耗途徑,基于這一理論指導,耗水調控關鍵技術也以上四個方面展開。

2.2 材料與方法

灌溉果園示范區選在東村河北山坡地,地處陽坡,為蘋果樹,樹齡4a,初始掛果,技術管理幾乎為零,無灌溉設施,坡地雜草生長茂密。

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,重點配置主干管、干管和田間支管,設計必要的輪灌組,管道選用柔性PE管,以適應較大的地形變化,配置主要管件有灌溉管道、滴頭、三通等管件、過濾器、閥門,計量設備、閥門箱等。

前期進行工程測量,得到精準的1:500小區域地形圖,進行比較精準的田間系統設計,后期根據生產進度進行灌溉管路、灌水器等組件的田間布置與安裝。進行灌溉系統運行維護指導,使灌溉系統達到正常的使用功能。進行日常灌溉技術應用指導,發揮節水灌溉技術優勢,達到高效灌溉。根據后期使用情況,對東村果園用戶開展節水灌溉技術的應用培訓和維護指導[5]。

3 工程實施結果

項目所在的果園地塊面積不大,涉及灌溉方式較為簡單,即便如此,也有灌溉工程基本的組成內容,有供水管網部分、灌水器及附件、控制閥組及附件部分、水源設備和其他工程。

3.1 供水管網部分

節水灌溉工程中輸、供水管道組成供水管網,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,在整個管網系統中,管網整體或局部如果出現問題,會影響整個灌溉工程的正常運行。節水灌溉工程供水管網的組成及型號參數,見表1。

表1 節水灌溉工程供水管網的組成及型號參數

3.2 灌水器及附件

一般而言,根據灌水器的結構和水體流出形式,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的附件,如毛細管、插箭、閘閥、旁通、堵頭等。灌水器結構及附件,見表2。

表2 灌水器結構及附件

3.3 控制閥組及附件部分

節水灌溉工程中控制閥組及附件是非常重要的組成,通常有自動控制系統和手動系統兩種形式。參照北京市地方標準《節水灌溉工程自動控制系統設計規范(DB11-T722-2022)》的規定,節水灌溉工程自動控制系統包含系統首部測控單元和田間灌溉測控單元,田間部分有灌溉控制器,從整體性來看,有集中式控制系統和分布式控制系統兩種。本項工程較為簡單,屬于手動系統。控制閥組及附件,見表3。

表3 控制閥組及附件

3.4 水源設備

農業灌溉設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,地下水則需要通過井水或泵送來獲取。人工水體一般是指經過人工儲存和調節的水庫或水塘。水源設備則是將水從水源提升到灌溉系統中的關鍵設備及配套設施。農業灌溉水源的設備同,見表4。

表4 農業灌溉水源的設備

3.5 其他

采運及安裝費及不可預見費。農業灌溉工程通常位置較為偏遠,在實際工程中,很多不可預見的情況也較為常見。很多工程還涉及大量的臨時設施,在工程建設取費時,就必然考慮臨時設施費,一般是指施工企業為進行建筑安裝工程施工所必需的但又未被劃入施工臨時工程的臨時建筑物、構筑物和各種臨時設施的建設、維修、拆除、攤銷等費用。供水、供風、場內供電、簡易混凝土攪拌系統、施工排水、場地平整、道路養護、夜間照明及其他臨時性設施[6]。

4 研究創新與實踐效果

4.1 研究創新

1)面向復雜地形地質條件,推廣滴灌水肥藥一體化系統的集成,是對現有高效節水灌溉技術的創新與發展,能夠有效的擴大滴灌技術的應用場景。

2)項目將帶動全系農業水利、工程測繪、水質檢測等領域的技術專家共同參與,為水利工程專業群人才培養中節水灌溉技能的培養提供真實案例。

3)引導校企合作企業參與農業建設,共促人才培養和技術服務質量提升,為鄉村振興做出貢獻。

4.2 實踐效果

1)圍繞“進村入戶走基層”活動,切實幫助農民群眾解決愁盼事、操心事,助推鄉村產業發展、農民收入提高,促進農民群眾對“三農”工作滿意度提升。

2)能有效提升經濟水平和資源水平略低的京郊山區農村提高農民的收入、提升社會效益和生態效益。

3)項目注重運行操作和維護管理,充分延長先進技術的使用壽命,避免出現“重建設、輕管理”的項目弊端。