要家威,齊永青,李懷輝,沈彥俊**

(1.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室石家莊 050022;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049;3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院 蘭州 730070)

灌溉在全球糧食生產(chǎn)中起著極為關(guān)鍵的作用,實(shí)現(xiàn)灌溉水資源的高效利用是保證糧食安全的重中之重[1]。世界上眾多農(nóng)業(yè)地區(qū),水土資源不匹配,可利用水量占比小,水資源利用率低,地下水開(kāi)采過(guò)量,水資源成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的制約因素[2],尤其是在中國(guó)華北平原[3]、印度河平原[4]和美國(guó)高平原和中央山谷地區(qū)[5]。利用高效的微灌技術(shù)取代地面灌溉方式,可以提高用水效率,減緩水資源短缺問(wèn)題,保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[6]。滴灌是最為高效的微灌技術(shù),其水分利用效率遠(yuǎn)高于噴灌(60%～80%)與地面灌溉(50%～60%),最高可達(dá)90%,節(jié)水效果顯著[7]。地下滴灌是在滴灌基礎(chǔ)上形成的高效節(jié)水的新型灌溉技術(shù),即通過(guò)鋪設(shè)在耕層中的滴灌管網(wǎng)系統(tǒng)將水和液體肥料小流量、長(zhǎng)時(shí)間、高頻率直接灌入作物根區(qū),供作物生長(zhǎng)發(fā)育利用,達(dá)到節(jié)水、節(jié)肥、增產(chǎn)等目的[8]。地下滴灌系統(tǒng)能有效減少深層滲漏和土壤蒸發(fā),提高水分利用效率,同時(shí)節(jié)省勞動(dòng)力并提高運(yùn)行管理效率[9],是節(jié)水效率最高的灌溉方式之一。

目前地下滴灌技術(shù)的節(jié)水潛力與節(jié)水機(jī)理尚未得到系統(tǒng)的論述。本文將通過(guò)梳理地下滴灌農(nóng)田應(yīng)用、控制試驗(yàn)及模型模擬的研究成果,對(duì)比多種灌溉方式下的作物產(chǎn)量、灌溉量與蒸散量,闡述地埋點(diǎn)源多因素影響的土壤水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程,總結(jié)地下滴灌數(shù)值模擬及模型的發(fā)展與應(yīng)用,探究地下滴灌技術(shù)的節(jié)水潛力,并指出其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)及應(yīng)用難點(diǎn),提出需進(jìn)一步解決的問(wèn)題。本文旨在為地下滴灌系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用、大幅提升缺水地區(qū)用水效率提供有效途徑。

1 地下滴灌技術(shù)的發(fā)展與趨勢(shì)

1913年美國(guó)學(xué)者House首先對(duì)地下滴灌技術(shù)進(jìn)行了研究,受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制,未能增加根區(qū)土壤含水量,并因其應(yīng)用成本過(guò)高而放棄[10]。1920年美國(guó)加利福尼亞的Charles發(fā)明了能使周圍土壤濕潤(rùn)的多孔瓦罐,被認(rèn)為是地下滴灌技術(shù)的雛型[11]。進(jìn)入20世紀(jì)70年代,世界各地對(duì)地下滴灌技術(shù)進(jìn)行了較大規(guī)模的田間試驗(yàn),主要應(yīng)用于果樹(shù)及大田作物[12]。1978年山西省水土保持科學(xué)研究所開(kāi)展了為期4年的大田作物地下滴灌試驗(yàn)[13],1979年美國(guó)亞利桑那州建成第一個(gè)棉花(Gossypium hirsutum)地下滴灌系統(tǒng),到1985年約有8000 hm2棉田安裝了滴灌管道,被稱為“亞利桑那系統(tǒng)”[13]。但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制,早期地下滴灌系統(tǒng)存在灌水均勻性差,灌水器易堵塞,系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)及管理難度大等問(wèn)題。

20世紀(jì)80年代以后,地下滴灌技術(shù)的研究集中在改進(jìn)灌水器質(zhì)量、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)、研制過(guò)濾器和施肥裝置等方面[14]。1982年Mitchell等[15]編寫(xiě)了《地下滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行管理指南》,標(biāo)志著地下滴灌技術(shù)進(jìn)入規(guī)范化運(yùn)行階段。1989年前后美國(guó)堪薩斯州立大學(xué)進(jìn)行了連續(xù)多年的研究,對(duì)地下滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)、維護(hù)和經(jīng)濟(jì)性及長(zhǎng)期效應(yīng)做出了廣泛的討論,編寫(xiě)了多種技術(shù)材料[16]。“九五”期間,中國(guó)水利水電科學(xué)院在北京市昌平區(qū)建成13.3 hm2的地下滴灌試驗(yàn)示范區(qū),自主研發(fā)地下滴灌專用灌水器及田間配套技術(shù),取得了顯著的節(jié)水增產(chǎn)成果[17]。

21世紀(jì)以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)瓜果蔬菜、棉花、苜蓿(Medicago truncatula)和玉米(Zea mays)等作物開(kāi)展了大量田間試驗(yàn),主要研究了地下滴灌技術(shù)對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響及其節(jié)水增產(chǎn)效益。部分研究基于數(shù)值模擬方法,對(duì)多種土壤條件下土壤水與溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了探討,并給出了最適的技術(shù)參數(shù),有效解決了地下滴灌系統(tǒng)灌溉過(guò)程中不可見(jiàn)的難題[18]?，F(xiàn)階段地下滴灌系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)主要集中在水肥氣一體化的田間應(yīng)用中,2006年,Bhattarai等[19]對(duì)加氣灌溉進(jìn)行了研究,指出使用地下滴灌加氣技術(shù)能夠緩解長(zhǎng)時(shí)間地下滴灌產(chǎn)生的土壤通透性減弱問(wèn)題,增強(qiáng)根際土壤通透性,提高土壤酶活性與氧氣擴(kuò)散率,促進(jìn)根系呼吸作用,進(jìn)而增加作物產(chǎn)量[20-21]。

2 地下滴灌節(jié)水潛力與理論基礎(chǔ)

2.1 地下滴灌節(jié)水潛力概述

節(jié)水農(nóng)業(yè)的本質(zhì)是充分利用降水并高效利用灌溉水。地面灌溉方式水資源浪費(fèi)嚴(yán)重,無(wú)法保證缺水地區(qū)的水資源供給平衡,與地面灌溉相比,噴灌技術(shù)可節(jié)水40%～50%,滴灌可節(jié)水80%[22],其中水分損失主要來(lái)自輸水過(guò)程中灌溉水的流失、田間土壤蒸發(fā)以及深層滲漏。作物生長(zhǎng)發(fā)育用水主要來(lái)自植物蒸騰,土壤蒸發(fā)是作物無(wú)法利用的非生產(chǎn)性水資源,地下滴灌技術(shù)在減少非生產(chǎn)性耗水方面具有明顯優(yōu)勢(shì),可以有效降低表層土壤含水率,控制灌溉水留存于作物根區(qū),并減少約10%的蒸散量,緩解水資源短缺問(wèn)題[23]。

地面灌溉、噴灌和地下滴灌3種灌溉方式對(duì)作物產(chǎn)量、灌溉量與蒸散量的影響有顯著差異,主要是由3種不同方式的灌水強(qiáng)度以及不同的土壤水分分布特征引起的。相對(duì)地面灌溉方式,地下灌水可增加作物根區(qū)20～55 cm處的土壤含水率,降低土壤表層的水利傳導(dǎo)系數(shù),減少土壤水分向地表運(yùn)動(dòng),保持表層干燥,土壤蒸發(fā)量顯著降低39.8%[24]。Bordovsky等[25]發(fā)現(xiàn)地下滴灌的棉花產(chǎn)量和水分利用效率均高于低壓管灌,在灌水強(qiáng)度為2.54 mm·d?1時(shí)地下滴灌可提高14%的棉花產(chǎn)量,提高灌水強(qiáng)度對(duì)增產(chǎn)效果影響不顯著。郭學(xué)良等[26]試驗(yàn)表明,地下滴灌灌溉水主要分布在10～35 cm土層,噴灌灌溉水位于10～40 cm土層,地面灌溉水分運(yùn)移至60 cm以下;與地面灌溉相比,地下滴灌和噴灌分別減少50.8%和37.5%的灌溉量,苜蓿產(chǎn)量分別提高21%和11%,灌溉水利用效率分別提高148%和41%。多數(shù)研究結(jié)果表明,與其他灌溉方式相比,地下滴灌可以將更多的灌溉水留存于植物根區(qū),減少土壤蒸發(fā)量與深層滲漏量,提高作物產(chǎn)量與灌溉水利用效率。充分說(shuō)明地下滴灌技術(shù)在降低灌溉量與提升用水效率方面的優(yōu)勢(shì),具有極高的節(jié)水潛力。

滴灌技術(shù)主要分為地下滴灌和地表滴灌兩類,兩者對(duì)作物產(chǎn)量、灌溉量與蒸散量的影響同樣顯著。地下滴灌與地表滴灌的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),地下滴灌技術(shù)在節(jié)水增產(chǎn)方面具有明顯優(yōu)勢(shì),在作物產(chǎn)量相同的前提下,柑橘(Citrus reticulata)使用地下滴灌技術(shù)可以減少23%的灌溉量[27];在灌溉量相同的條件下,地下滴灌提高9%～12%的葡萄(Vitis viniferaL.)產(chǎn)量和9%～11%的水分利用效率[28];在低灌溉量條件下,地下滴灌對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育影響較大,可有效提高玉米光合速率以及干物質(zhì)與氮素積累量,水分利用效率增加7%左右[29]。相對(duì)地表滴灌,地下滴灌的土壤濕潤(rùn)體形狀深度更大、半徑更小,且在地表形成10 cm左右的干土層[30],降低土壤蒸發(fā)量。Valentín等[31]發(fā)現(xiàn)玉米地下滴灌的蒸散量相對(duì)地表滴灌降低39%,土壤蒸發(fā)量在整個(gè)生育期內(nèi)減少約40 mm,灌溉水生產(chǎn)力提高25%。Umair等[32]指出冬小麥(Triticum aestivum)地下滴灌蒸散量相對(duì)地面灌溉與地表滴灌減少約80 mm與40 mm,且在生育期后期地下滴灌的日蒸散量比地面灌溉平均降低2 mm·d?1。地下滴灌技術(shù)的蒸散量低于地表滴灌,主要原因是兩者之間的土壤蒸發(fā)量不同,地表滴灌需要更多的灌水量以彌補(bǔ)土壤蒸發(fā)所帶來(lái)的損失。綜上所述,地下滴灌技術(shù)有著更高的產(chǎn)量、更低的灌溉量與蒸散量,尤其土壤蒸發(fā)得到有效降低,在水資源匱乏地區(qū),地下滴灌技術(shù)可作為高效節(jié)水方案。

2.2 地下滴灌節(jié)水機(jī)理概述

前述大量田間試驗(yàn)指出地下滴灌技術(shù)能在保證產(chǎn)量的前提下,有效減少灌溉量。針對(duì)地下滴灌技術(shù)減少灌溉用水的原因,大量學(xué)者通過(guò)控制試驗(yàn)建立經(jīng)驗(yàn)公式的方法對(duì)土壤水分運(yùn)移情況進(jìn)行了機(jī)理上的研究,指出減少土壤蒸發(fā)和地下滲漏是提高用水效率的關(guān)鍵[33]。

地下滴灌土壤水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程主要是土壤質(zhì)地、滴頭流量、灌水時(shí)間、土壤初始含水率及滴灌帶埋深等多種因素共同影響[34]。灌水完成時(shí)濕潤(rùn)體形態(tài)呈紡錘形,外部輪廓呈拋物線形,土壤含水率在滴頭附近處最高,沿濕潤(rùn)峰方向逐漸降低;經(jīng)水分再分布后,濕潤(rùn)鋒垂直向下運(yùn)移距離大于垂直向上運(yùn)移距離[35]。地下滴灌土壤水分運(yùn)動(dòng)主要受土壤基質(zhì)勢(shì)和重力勢(shì)驅(qū)使,其中重力勢(shì)是導(dǎo)致土壤水分向上運(yùn)移距離小于向下運(yùn)移距離的主要原因。

眾多學(xué)者研究了土壤水分運(yùn)動(dòng)特征的影響因素及驅(qū)動(dòng)力,指出滴頭流量和滴灌帶埋深是地下滴灌性能的較為重要的參數(shù),而土壤質(zhì)地是決定兩參數(shù)的重要因素[36]。濕潤(rùn)峰運(yùn)移距離主要受土壤質(zhì)地影響,在砂土中運(yùn)移距離最大,壤土及砂壤土次之,黏壤土中最小[37-38]。同時(shí)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與滴頭流速和灌水時(shí)長(zhǎng)有關(guān),其關(guān)系可以通過(guò)冪函數(shù)[37]描述:

式中:D為濕潤(rùn)鋒在水平/垂直方向的運(yùn)移距離(cm),I為滴頭流量(mL·min–1),t為灌水時(shí)間(min),k、a、b均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。其中運(yùn)移距離與灌水時(shí)間呈正相關(guān),而滴頭流量對(duì)運(yùn)移距離的影響與土壤質(zhì)地有關(guān)。當(dāng)流量小于土壤飽和導(dǎo)水率時(shí),運(yùn)移距離與流量呈正相關(guān);當(dāng)?shù)晤^流量大于土壤飽和導(dǎo)水率時(shí),運(yùn)移距離與流量呈負(fù)相關(guān);土壤黏性越高,減小幅度越大[37-40]。土壤初始含水率越高,向上運(yùn)移的距離越小,運(yùn)移速率也越小,向下運(yùn)移距離和速度與之相反[39]。某一點(diǎn)距滴頭的距離與土壤含水率之間符合二次函數(shù)關(guān)系[41],公式如下:

式中:ω為水平/垂直方向的土壤含水率(%),x為距滴頭水平/垂直方向距離(cm),A、B、C均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。含水率隨距滴頭距離的增加而減小。室內(nèi)雙點(diǎn)源交匯入滲情形下,兩濕潤(rùn)體交匯界面處濕潤(rùn)鋒垂直向下運(yùn)移距離總是大于垂直向上的距離,經(jīng)過(guò)水分再分布后,濕潤(rùn)體體積隨滴頭間距增大而增大[41]。張松等[42]發(fā)現(xiàn)滴頭在砂土中埋深20 cm的情況下,在地下5 cm處含水率達(dá)較適含水率時(shí),其余深度的含水率已超過(guò)飽和含水率,不利于作物生長(zhǎng);而埋深在15 cm時(shí),田間的土壤水分情況較好,有利于作物生長(zhǎng)。

相關(guān)學(xué)者就地下滴灌水氮及養(yǎng)分的運(yùn)移情況進(jìn)行討論,指出土壤養(yǎng)分的空間分布主要由水分運(yùn)移進(jìn)行調(diào)控,土壤堿解氮與有效鉀的含量沿濕潤(rùn)鋒方向逐漸增加,有效磷的趨勢(shì)相反[43]。低濃度肥液將導(dǎo)致硝態(tài)氮在濕潤(rùn)鋒邊緣聚集;高濃度肥液易于使硝態(tài)氮在滴頭處積累,分布與土壤含水率趨勢(shì)相同[44]。相對(duì)其他灌溉方式,地下滴灌根據(jù)不同土壤和作物類型選擇適宜參數(shù)后,可將含有養(yǎng)分的濕潤(rùn)體合理分布在作物主要根區(qū)處,減少水分與養(yǎng)分的損失,使作物更充分地利用水肥,達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的。

現(xiàn)有成果已就大多數(shù)土壤條件下土壤濕潤(rùn)體的形態(tài)特征與運(yùn)移過(guò)程進(jìn)行了研究,分析了各因素之間的相互關(guān)系,但現(xiàn)有研究大多在控制條件下進(jìn)行,無(wú)法對(duì)土壤真實(shí)情況進(jìn)行還原。實(shí)際應(yīng)用中易出現(xiàn)的如滴灌管壁導(dǎo)水作用引起的土壤水分橫向運(yùn)移、沿管壁形成的土壤水力沖蝕通道等情況[45],對(duì)土壤水氮分布以及土壤蒸發(fā)的影響需進(jìn)一步研究。

2.3 地下滴灌土壤水分運(yùn)動(dòng)模型

地下滴灌土壤水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程的影響因素眾多,依靠經(jīng)驗(yàn)公式或試驗(yàn)方法耗時(shí)費(fèi)力,并且試驗(yàn)過(guò)程中不確定因素對(duì)結(jié)果影響較大。數(shù)值模擬方法可清晰直觀地實(shí)現(xiàn)土壤內(nèi)部水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程可視化,為各種土壤條件提供預(yù)測(cè)結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中使用模型對(duì)地下滴灌水氮運(yùn)移影響因素進(jìn)行模擬,有助于提高技術(shù)參數(shù)優(yōu)化效率,選擇最符合節(jié)水農(nóng)業(yè)的技術(shù)參數(shù),造成不必要的水分損失。

數(shù)學(xué)模型是土壤水分運(yùn)動(dòng)模型軟件的內(nèi)在核心,建立符合實(shí)際情況的土壤水分運(yùn)動(dòng)模型極為關(guān)鍵。Philip等[46-48]基于二維和三維地埋點(diǎn)源滴灌土壤水分運(yùn)動(dòng)模型,研究了各種無(wú)限、半無(wú)限區(qū)域的水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程,利用球型波函數(shù)得到模型的精確解,通過(guò)將穩(wěn)態(tài)流中的非線性方程轉(zhuǎn)換為線性方程,給出了在非飽和土壤中的水分運(yùn)動(dòng)方程。土壤水運(yùn)動(dòng)理論和溶質(zhì)運(yùn)移對(duì)流-彌散方程是地下滴灌數(shù)學(xué)模型最常用的2個(gè)工具:程先軍等[49]基于此建立了地埋點(diǎn)源土壤水運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型,計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果具有較好的吻合性,指出對(duì)模型滴頭邊界進(jìn)行簡(jiǎn)化后仍能較好地分析土壤水分運(yùn)移;劉玉春等[50]利用相同理論構(gòu)建了水氮運(yùn)移數(shù)學(xué)模型,發(fā)現(xiàn)在滴頭埋深25 cm時(shí),地表干土層較薄,水氮向下運(yùn)移距離相對(duì)較小,利于減少土壤蒸發(fā)。

HYDRUS-2D[51-53]、SWMS-2D[54]和WMTrace[55]等模型軟件均可對(duì)地埋點(diǎn)源條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬,其中HYDRUS-2D軟件具有模擬精度高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),受到學(xué)者的廣泛使用。使用VG模型求解[55]、HYDRUS-2D軟件反演[56]或試驗(yàn)實(shí)測(cè)所得土壤水力特征參數(shù),計(jì)算分析多因素對(duì)地下滴灌土壤水分分布的影響,模擬結(jié)果與前文所述的試驗(yàn)現(xiàn)象吻合良好。Evett等[57]優(yōu)化了ENWATBAL模型,模擬地表、地下15 cm和30 cm滴頭的能量平衡和水平衡,結(jié)果發(fā)現(xiàn),滴頭埋深15 cm和30 cm時(shí),地下滴灌蒸發(fā)量與地表滴灌相比分別少51 mm和81 mm;使用埋深30 cm的滴頭最大節(jié)水量可達(dá)季節(jié)性降水和灌水量總和的10%。

為減小模擬過(guò)程的復(fù)雜程度,現(xiàn)階段大部分模型均進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化,忽略了田間土壤異質(zhì)性或土壤分層等情況,以及作物根系對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)的影響,導(dǎo)致模型與實(shí)際情況存在一定差別。因此,建立更符合實(shí)際的數(shù)學(xué)模型仍是今后研究的重點(diǎn)。

3 地下滴灌關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

3.1 地下滴灌灌水設(shè)備及灌水均勻度

地下滴灌技術(shù)可與精準(zhǔn)施肥技術(shù)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)集成為水肥一體化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉施肥,這也是節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。實(shí)現(xiàn)地下滴灌技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用,降低水資源的無(wú)效損失,需對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行選擇,根據(jù)作物種類、土壤質(zhì)地、氣候條件等因素制定最優(yōu)灌溉制度與滴灌帶布設(shè)參數(shù),選擇滿足對(duì)應(yīng)要求的灌溉設(shè)備及滴灌帶種類。

現(xiàn)階段地下滴灌系統(tǒng)使用的灌溉設(shè)備源自地表滴灌,兩者最主要區(qū)別表現(xiàn)在滴灌帶類型與過(guò)濾裝置等方面。相較于地表滴灌,地下滴灌滴頭堵塞是系統(tǒng)應(yīng)用的難點(diǎn)之一。仵峰等[58]對(duì)使用了8年的迷宮式、微管式和孔口式灌水器進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)堵塞率分別達(dá)16.7%、25.0%和63.8%,并對(duì)其堵塞原因進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上,李云開(kāi)等[59]指出灌溉水水質(zhì)差、負(fù)壓吸泥及根系入侵等是導(dǎo)致灌水器堵塞的主要原因,通常滴頭采用內(nèi)鑲式或壓力補(bǔ)償式可保證系統(tǒng)供水的穩(wěn)定性,減少滴頭堵塞。

灌水均勻度是地下滴灌系統(tǒng)運(yùn)行的重要參數(shù),也是評(píng)價(jià)系統(tǒng)灌水質(zhì)量的重要指標(biāo)?，F(xiàn)行規(guī)范中指出系統(tǒng)實(shí)測(cè)灌水均勻度不應(yīng)小于80%,灌水均勻度的降低將會(huì)導(dǎo)致部分作物可利用水量的減少,影響作物正常生長(zhǎng)發(fā)育,作物產(chǎn)量下降[60]。灌水均勻度通常采用克里斯琴森公式,使用系統(tǒng)的流量偏差率計(jì)算,水力流量偏差與制造流量偏差對(duì)系統(tǒng)流量偏差率影響最大[61]。滴頭與施肥裝置類型對(duì)灌水、施肥均勻度影響較大,滴頭堵塞以及制造偏差導(dǎo)致的出流量降低,同樣會(huì)減少灌水均勻度。Warrick等[62]發(fā)現(xiàn)低流速、多滴頭的壓力補(bǔ)償式滴灌帶可以在很多土壤條件下獲得較高的灌水均勻度;對(duì)具有壓力調(diào)節(jié)作用的內(nèi)鑲式滴灌管,采用無(wú)紡布外包方式處理后可提高灌水均勻度[17]?，F(xiàn)有研究大部分以灌水均勻度作為指標(biāo),評(píng)價(jià)地下滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量,但對(duì)作物產(chǎn)量及耗水特征的影響研究較少。降低灌水均勻度能否保證作物不減產(chǎn)、減少灌溉水損失仍需深入研究。

3.2 地下滴灌農(nóng)田灌溉管理

灌溉制度是地下滴灌系統(tǒng)運(yùn)行最為關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù),包括灌溉定額和灌水頻率兩個(gè)方面。地面灌溉單次灌溉量大,灌溉周期長(zhǎng),而地下滴灌技術(shù)的單次灌溉量小,灌溉頻率高,通常為一天1次至一周1次。地下滴灌的少量高頻灌溉可以有效將水分存儲(chǔ)在作物根區(qū),減少水分損失,符合按需供水、精準(zhǔn)灌溉的要求。

地下滴灌的灌溉制度一般以作物種類、耗水特征以及土壤的保水能力和透水性能作為依據(jù),綜合考慮土壤含水量和蒸散量,多以作物需水量或田間持水量作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。李興強(qiáng)等[63]指出茄子(Solanum melongena)在灌溉定額為225 mm的條件下,水分利用效率相對(duì)灌溉定額為275 mm處理提高8%,增加灌溉量茄子產(chǎn)量并不會(huì)得到明顯提高。Ma等[28]發(fā)現(xiàn)相較灌溉定額為65%作物需水量的處理,80%作物需水量的葡萄產(chǎn)量提高6%,而水分利用效率降低12%。產(chǎn)量與水分利用效率往往不具有同步性,適當(dāng)降低灌溉量可提高作物水分利用效率。孫章浩等[64]研究表明相較于灌水下限為60%田間持水量,灌水下限為80%田間持水量處理單次灌溉量低、灌溉頻率高,可以有效提高小麥的株高、葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累量以及產(chǎn)量,同時(shí)能延緩灌漿期旗葉葉綠素含量降低。適宜的灌水頻率可以保證作物根區(qū)在整個(gè)生育期內(nèi)擁有良好的水分與養(yǎng)分條件。有研究指出,在土壤水分虧缺量小于20%時(shí),從1天1次到7天1次的灌水頻率對(duì)玉米產(chǎn)量無(wú)明顯影響[65];哈密瓜(Cucumis melovar.Saccharinus)的產(chǎn)量周灌大于日灌,洋蔥(Allium cepa)則與之相反[66];蘿卜(Raphanus sativus)根系發(fā)育狀況良好的最適灌溉頻率為每3天1次[67]。一般來(lái)說(shuō),蔬菜等作物通常采用高頻灌溉,而果樹(shù)或大田作物可將灌水周期適當(dāng)延長(zhǎng)。地下滴灌技術(shù)的灌溉制度最符合精準(zhǔn)灌溉施肥的要求,這也是節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,充分供給灌溉水雖可提高產(chǎn)量,但會(huì)造成水資源與能源的浪費(fèi),其凈效益并非最大,不符合節(jié)水農(nóng)業(yè)要求。由于地下滴灌系統(tǒng)的特殊性,仍需進(jìn)一步完善不同土壤、不同作物的合理灌溉制度,設(shè)計(jì)中的不合理之處會(huì)影響作物的正常生長(zhǎng),過(guò)多的灌水量將會(huì)產(chǎn)生更大的蒸發(fā)損失與深層滲漏。

3.3 地下滴灌滴灌帶布設(shè)參數(shù)

滴灌管的埋深和間距是地下滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù),關(guān)系到埋設(shè)時(shí)的工作量和工程造價(jià)。確定滴灌帶埋深和間距時(shí)既要避免耕翻土壤等機(jī)械作業(yè)對(duì)地下管網(wǎng)的破壞,同時(shí)也需使作物根系處于生長(zhǎng)過(guò)程中最適的土壤水分環(huán)境下。

滴灌帶埋深與間距主要由氣候條件、土壤性質(zhì)、田間耕作以及作物種類等因素決定。滴灌帶埋深多位于地下20～70 cm,大田作物選擇埋深20～40 cm較為合適[68]。較小的滴灌帶間距適用于如小麥、苜蓿等密植作物、沙質(zhì)土壤以及氣候干旱地區(qū),玉米等稀植作物以及氣候濕潤(rùn)地區(qū)可以使用較大的滴灌帶間距。廉喜旺[69]指出滴灌帶埋深對(duì)作物各生育期生物量及產(chǎn)量的影響大于間距,采取間距80 cm、埋深30 cm布設(shè)方式的苜蓿產(chǎn)量和水分利用效率最高。Sidhu等[70]評(píng)估了不同間距和埋深對(duì)作物產(chǎn)量和灌溉水生產(chǎn)率的影響,結(jié)果表明埋深15 cm的小麥產(chǎn)量高于埋深20 cm,同時(shí)指出滴灌帶埋深和間距會(huì)影響產(chǎn)量與灌溉水利用效率,但影響未達(dá)顯著;Grabow等[71]發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)喂鄮чg距為91 cm時(shí),棉花產(chǎn)量和灌溉水利用效率均高于間距182 cm的處理,但產(chǎn)量同樣沒(méi)有達(dá)到顯著差異;Camp等[72]得出了相同結(jié)論,認(rèn)為使用更寬的滴灌帶間距可以降低地下滴灌的成本。部分學(xué)者針對(duì)滴灌帶滴頭的間距進(jìn)行研究,Enciso等[73]分析了15 cm、20 cm和30 cm滴頭間距對(duì)洋蔥產(chǎn)量的影響,發(fā)現(xiàn)滴頭間距對(duì)洋蔥產(chǎn)量沒(méi)有顯著影響。多數(shù)研究指出滴灌帶埋深與間距對(duì)作物產(chǎn)量和灌溉水生產(chǎn)率的影響并不顯著,灌溉量與氣候條件對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育與產(chǎn)量的影響更大[74],滴灌帶布設(shè)參數(shù)對(duì)應(yīng)用成本影響較大,滴灌帶間距的增加可以減少工作量與工程造價(jià)[75]。

在水分供給充足的條件下,滴灌帶埋深與間距兩因素主要作用在于調(diào)控土壤水分分布,適宜的滴灌帶間距可以使土壤水分均勻分布在作物根區(qū),適宜的滴灌帶埋深可以有效控制土壤濕潤(rùn)體位置,減少土壤蒸發(fā)和深層滲漏。目前地下滴灌滴灌帶布設(shè)參數(shù)研究主要關(guān)注對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響,而對(duì)作物影響下土壤蒸發(fā)的定量研究較少。

4 地下滴灌發(fā)展方向及應(yīng)用難點(diǎn)

地下滴灌系統(tǒng)在灌溉過(guò)程中可保持地表相對(duì)干燥、大幅減少土壤表面蒸發(fā)、有效降低深層滲漏,具有極高的節(jié)水潛力。系統(tǒng)操作簡(jiǎn)潔,可與自動(dòng)化設(shè)備配套使用,顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,一定程度上降低施肥和耕作的農(nóng)藝成本,使田間管理更加省工省時(shí),對(duì)水資源保護(hù)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。但現(xiàn)階段地下滴灌技術(shù)仍存在一系列應(yīng)用難點(diǎn)。

1)地下滴灌系統(tǒng)為減少土壤蒸發(fā),導(dǎo)致土壤表層長(zhǎng)時(shí)間處于低水分狀態(tài),不利于作物出苗及早期生長(zhǎng),這是地下滴灌系統(tǒng)難以廣泛使用的重要原因之一?，F(xiàn)階段大多數(shù)解決方案是使用其他灌溉方式保證作物出苗,而針對(duì)播種技術(shù)層面上的改良,能否有效解決出苗問(wèn)題值得進(jìn)一步探究。

2)地下滴灌系統(tǒng)的土壤含鹽量沿濕潤(rùn)鋒方向逐漸增加,導(dǎo)致濕潤(rùn)體上邊緣的土壤含鹽量增大,在氣候干旱地區(qū)地表20 cm以上出現(xiàn)土壤鹽分表聚現(xiàn)象;半濕潤(rùn)區(qū)受夏季集中降雨影響,該問(wèn)題并不顯著。為解決干旱地區(qū)土壤表層積鹽問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外目前解決方案仍為大水淋洗,可供采用的優(yōu)質(zhì)方案仍需探究。

3)灌水器堵塞是影響地下滴灌系統(tǒng)使用壽命的關(guān)鍵問(wèn)題,也是地下滴灌技術(shù)應(yīng)用最主要的難點(diǎn)。堵塞導(dǎo)致滴頭流速與灌溉量變化,灌水均勻度降低,影響土壤水分運(yùn)移過(guò)程,致使作物生長(zhǎng)發(fā)育受限。灌溉水水質(zhì)差、負(fù)壓吸泥及根系入侵等是導(dǎo)致灌水器堵塞的主要原因[59],研究灌水器堵塞的發(fā)生特征與誘發(fā)機(jī)理,建立堵塞控制方法,提高灌水均勻度是保障系統(tǒng)長(zhǎng)期高效運(yùn)行的關(guān)鍵。

4)地下滴灌系統(tǒng)管網(wǎng)與灌水設(shè)備均埋于地下,難以評(píng)估管理操作和實(shí)際情況的一致性,因此對(duì)其安裝精度與運(yùn)行管理要求較高。當(dāng)安裝、運(yùn)行和維護(hù)不當(dāng)時(shí),系統(tǒng)設(shè)備易產(chǎn)生故障,故障檢查時(shí)間長(zhǎng),維修成本高,都是該系統(tǒng)應(yīng)用的難點(diǎn)所在。

綜上所述,進(jìn)一步探究地下滴灌系統(tǒng)的特殊性和復(fù)雜性,充分發(fā)揮節(jié)水增效的優(yōu)勢(shì),優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),解決現(xiàn)階段存在問(wèn)題,可為地下滴灌技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐,對(duì)我國(guó)節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展有重要的意義。