地下滴灌技术发展及应用现状

 

　　地下滴灌是微灌技术的典型应用形式之一，它是指水通过地埋笔管上的灌水器缓慢出流，渗入附近土壤，再借助毛细管作用或重力作用将水分扩散到整个根层供作物吸收利用。由于灌水过程中对土壤结构扰动较小，有利于保持作物根层疏松通透的环境条件，并可减少土面蒸发损失，故地下滴灌技术具有明显的节水增产效益。此外，田间输水系统地埋后便于农田耕作和作物栽培管理，且地埋后管材抗老化性能增强，且不易丢失或人为损坏。本文试图对地下滴灌技术的发展和应用现状进行综述，给出目前的研究状况及存在的问题。

　　一、发展历史

　　第二次世界大战后，塑料工业的发展为滴灌技术应用带来新机遇，地下滴灌技术作为滴灌技术的一种形式开始被采用。地下滴灌管一般采用尼龙或 PVC材质，并在管壁钻孔、扎也或切口制成灌器使用。这种地下滴灌系统运行于低水头下，对水质和过滤设备要求较低，应用中面临的主要问题是供水均匀性差，滴孔易堵塞。进入20世纪70年代后，伴随着科技进步与发展，地面滴灌设备无论是在滴头类型还是毛管性能方面均得到较大改善，但对地下滴灌系统，除在毛管铺设方法及打孔手段上有所改观外，灌水均匀性差、出水孔易堵塞等问题依旧存在，地下滴灌技术的发展速度远远落后于地面滴灌技术。从20世纪80年代至今，有关地下滴灌技术及其应用的研究主要集中在改进灌水器质量、优化系统设计参数、研制过滤器和施肥装置等方面。与此相关的大量研究成果陆续涌现，其中*为醒目的是Mitcnell等人于1982年提出了地下滴灌系统设计、安装和运行管理指南，这意味着地下滴灌技术开始步入成熟阶段。

　　我国自1974年从墨西哥引入滴灌设备至今，地面滴灌技术应用和设备开发已取得长足的进展。但地下滴灌技术的初步应用则始于20世纪80 年代初期，主要用于果树作物。近年来，这些技术在山西省运城地区得到大面积应用，取得了一引起研究成果，但由于采用人工扎孔方式制成灌水器，应用中系统供水均匀性较差、出水孔易堵塞等问题没有得到很好解决，影响到地下滴灌系统的正常使用和运行。

　　二、应用及效益

　　地下滴灌技术在国外已等到广泛应用，服务对象以经济作物*为常见，多集中在果树、蔬菜和其他高产值作物上；大田作物中也有少量使用，以棉花和玉米作物为主。国内地下滴灌技术的应用以果树为主，目前在山西运城地区 7667h平方米的地下滴灌面积中，果树、蔬菜和大田作物的比例分别占总数的78.3%、4.3%和17.4%，大田作物是棉花和冬小麦。

　　地下滴灌条件下的作物产量高于或至少等于其它灌水方法下的相应值，而灌溉用水量则显著小于后者。 Adamsen对地下滴灌和喷灌进行对比的结果表明，地下滴灌下的花生产量明显高于喷灌方法下的产量，而对玉米产量，两者间没有显著差别，然而前者省水约30%。DeTar等人对地下滴灌与地面沟灌进行对比试验显示出，砂壤土质下，地下滴灌的棉花产量较高，砂质土时，两者产量基本相等，但无论对哪类土壤，地下滴灌用水量都较沟灌低40%。Hjenggeler对美国得克萨斯州西部地区进行大面积调查表明，地下滴灌与沟灌相比，棉花产量可提高20%。Phene 等人的研究结果说明，在美国南卡洛雷纳州，地下滴灌条件下的甜玉米产量比沟灌高1%～14%，番茄产量高20%，甘蓝和夏季南瓜产量均提高35% ，而玉米、棉花、高梁、甜瓜和部分蔬菜的产量基本持平。山西运城地区的资料表明，与地面灌溉方法相比，果树可节水75%，增产50%，西瓜节水60%，增产30%，而对大田作物，平均节水达50%，增加产量30%以上。地下滴灌技术不仅节水增产效果明显，还具有节省劳力、能源等诸多优点，此外还能有效地抑制杂草生长。 Grattan等人发现，对应用地下滴灌的地块在不使用除草剂条件下，田内杂草生产程度明显低于使用沟灌和喷灌方法并施用除草剂的地块，但在降雨较多的湿润地区，效果并不明显。

　　三、研究现状

　　1.设备及灌水器

　　国外使用的地下滴灌设备均来自地面滴灌系统，灌水器采用内镶式或带有补偿性能的滴头以确保系统供水均匀性。由于系统停止供水时易在管内产生负压，造成管外土壤颗粒内吸而引起滴头堵塞，故常在系统上安装真空破坏装置，这对系统运行管理要求较高。由于作物根系的亲水性，根系在毛管滴头四周的旺盛发育有可能造成灌水器孔口堵塞，有人试图在滴灌水器堵塞的目的。山西运城地区在地下滴灌中使用的灌水器是在毛管上利用简易工具人工扎眼形成出水孔，该结构形式不具备防堵和压力补偿功能，有待改进和完善。中国水利水电科学研究院在北京大兴县开展的有关地下滴灌室内外试验结果证明，对内镶式或带有补偿性能的滴头采用外包无纺布处理地埋后，既可获得较为理想的防负压堵塞效果，又能在适当的毛管间距布设范围内获得较高的灌水均匀度。对于滴头防负压堵塞问题，除考虑在地下滴灌系统中设置真空破坏装置外，研制一种既可防止负压堵塞，又具有良好压力补偿和调节功能的灌水器是十分必要的。

　　2.毛管埋深间距

　　毛管埋深通常需考虑以下几个因素：一是田间耕作深度，避免因耕翻土壤造成系统管网损坏。对无需耕作的作物（如草皮、紫花苜蓿等），可根据土壤质地和作物根系发育深度等条件减小毛管埋设深度；二是土壤条件，对土壤导水性能较强的轻质土，则可适当增加埋深来减少因地表湿润引起的无效土面蒸发损失。基耕层内含有透水性较差的黏土夹层时，毛管埋深要考虑其影响，如毛管埋在该夹层以下，会影响土壤水分向上运动，对作物生长发育不利。*后是作物生长发育期，由于幼苗根系较浅吸水范围有限，毛管埋深较大无疑不利于作物生长，但较浅的埋深又将无法满足作物后期对水分需求。有时为了保证苗期土壤墒情，作物生长前期使用其他灌溉方法，后期再采用地下滴灌方式，但会增加灌溉成本费用，降低收益率。综合考虑上述因素，毛管埋深多介于20～70cm之间。以山西运城地区情况为例，果树下的埋深一般在40～50cm，大田作物则为35～40cm较为适宜。

　　毛管埋设间距主要取决于当地气候条件、土壤质地和作物种类。对于种植在沙性土壤或干旱地区的作物而言，较小的毛管间距有助于田间土壤水分均匀分布，当然这将增加投资成本。在多雨湿润地区，可以使用较宽的间距，但这取决于作物类型、土壤条件和可接受的风险水平。一般较窄的间距多用于平播密植类作物，如草皮、小麦等，而较宽的间距则常见于蔬菜、果树、棉花、玉米等行播作物，毛管应置于窄行间。运城地区的果树滴灌一般采用3m间距，权株排列不正规的果园使用随行布设形式，棉田的毛管间距是1.2～1.5m，小麦田多采用1.0～1.2m的距。

　　3.灌溉制度

　　地下滴灌制度一般以实测或计算的腾发量、土壤和作物特性为依据制定。若按作物耗水速度确定灌水时间，应按小定额多次灌水的方式；当土壤水分下降下某个限值时才考虑灌水，则需数天供水1次。对蔬菜等水分含量较多的作物通常使用前一种灌水频率，果树和大田作物则适宜于后一种灌溉制度。Caldwell等人的研究结果表明，只要土壤含水量保持在可允许范围内，采用每日灌水1次与周灌水1次的灌溉制度对玉米产量没有影响。 EL-Gindy等人对每天灌水 1次和每 3天灌水1次的周期进行对比后发现，高频次小流量的灌溉制度不仅能较大幅度地提高番茄和黄瓜的产量，还能改善根层内的土壤水分布，提高水分利用率，这非常适宜于地下滴灌系统的运行特点。在山西运城地区，苹果树年内一般滴灌3～5次，小麦通常灌溉2～3次，每次用水230～450m3/hm2。

　　4.化肥和农药施用

　　滴灌技术的优点之一就是可以在整个作物生育期内，适时适量地通过微灌施肥技术高效地将肥料、微量元素和农药等作物生长所必需的养分和物质按比例*的施用到作物根区土壤，这既可以提高肥料利用率，又能减少因灌溉淋洗产生的溶质数量，减轻对地下水的污染，并节省大量施肥劳力。 Mikkelsen根据研究结果得出结论，与地面灌溉方法相比，地下滴灌条件下磷肥施用量较少，主要原因就是因肥料被直接施用到作物根层，明显减少了流失量。为延长地下滴灌系统使用寿命、防止灌水器堵塞，除对灌溉水进行适当过滤、清除杂质外，还可在系统中随水注入适量稀盐酸，定期清除地下滴灌系统内滋生的微生物以及灌水器内的沉淀物，这同时也能起到减轻灌溉水碱性的作用。这些措施在国外已得到普遍重视并投入实际应用，国内仍处于将化肥技术溶于灌溉水中应用的初级阶段，对系统管件进行化学处理、清除根系和沉积物的应用研究还未提到议事日程。

　　5.设计与管理

　　地面滴灌系统的设计方法同样适用于地下滴灌系统，特别是在管道水力学性能和灌水均匀性方面。地下滴灌系统的设计及管理具有自身的特殊性，首先设计中必须考虑在系统上安装进排气阀门，防止断水进行更好的过滤处理，并对系统实施定期冲洗。与地面滴灌相比，地下滴灌系统的检修更为困难，在设计和施工阶段应对此问题给予重视。

　　6.经济适宜性

　　Henggeler等人发现将棉花沟灌改为地下滴灌后，能获得较高的经济回报，对玉米大豆作物而言，与中心支轴式喷灌系统相比，地下滴灌方法具有较高的经济可行性。山西运城地区的资料数据也表明，就当地使用的简易地下滴灌系统而言，每公顷果园的投资成本是4500元、大田为6000元。该投入强度低于当地采用固定式喷灌的投入，虽高于地面灌溉的投资，但其节水、扩灌、增产效果非常明显。当然仅就灌水技术本身，很难得出哪种方法更为经济适宜的结论，它取决于自然和社会经济两大因素。其中关键因素是当地可利用的水资源数量以及获取它的成本费用随时间变化的趋势。在类似山西运城这样典型的干旱缺水地区，工业和城市用水激增导致可供农业使用的水量锐减，这对农业节水灌溉提出更高的要求。由于地下滴灌系统具有无可辩驳的节水增产效益，从而在一定程度上，增加了人们选择地下滴灌方法的迫切性和必要性。

　　7

 

　　由于地下滴灌系统埋设在地下，使得人们无法直接观测到灌水器出流状况和灌水效果。当系统需要进行检修时，往往要比地面滴灌系统投入更多的时间，耗费更多的人力物力，管理费用也相对较高。其次，为防止水中杂质引起的灌水器堵塞以及滴头负压堵塞等问题，必须在系统内增加相应的附加设备，并对管路经常进行冲洗。冲洗阀及进排所阀的安装势必增加系统的造价和运行费用，在某些情况下将致使地下滴灌技术的经济可行性大打折扣。

　　四、结论 作为滴灌技术的一种再现形式，地下滴灌技术表现出的特点和优越性使其从20世纪80年代初始，就作为一门独立的灌水技术得到相应发展。由于这种灌水形式具有显著的节水增产效果，在农业灌溉水资源日益紧缺的今天，其对灌溉农业可持续发展有着十分重要的意义和作用。

　　在地下滴灌系统设计、安装和运行管理中，应对该项技术的特殊性给予足够重视。其中毛管埋深与间距要根据当地土壤条件、作物种类、耕作措施等因素确定。为提高我国地下滴灌技术的应用水平，当务之急是研制出一种既可防止负压堵塞、又具有较佳压力补偿性能的地下滴灌灌水器，与此同时，还要积极开发与地下滴灌技术田间适宜性研究相关的工作。