减少ET的节水灌溉技术研究（刘超群,段云岭）

时间：2022-02-24 15:13:28 浏览量：次

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摘要：本文通过对渠道防渗、喷灌、微灌、渗灌、膜灌、集雨节灌、非充分灌溉等节水灌溉手段及技术的对比研究，指出在农业节水灌溉中只有进行ET管理，减少并降低无效ET，才能真正达到农业真实节水灌溉的目的，进而提高农业用水效率及水分生产率，即提高单位蒸腾蒸发耗水量的农作物产值或产量，并逐步实现水资源的可持续利用与发展。在此基础上，针对以减少ET为目的的节水灌溉措施进行了细致深入的探讨，提出了以土壤墒情监测、微控技术和控制程序为核心的节水措施——基于土壤墒情的精细灌溉。这种以减少ET为目标的精细灌溉节水措施的核心是在维持作物正常生长的前提下，采取维持墒情的滴灌控制技术，在选择合适灌水时间的同时，通过增加灌水次数同时减少每次的灌水量，以满足作物对土壤墒情的要求。

关键词：农业节水，ET，土壤墒情，精细灌溉，监测

1前言

随着社会经济及工农业生产的快速发展，水资源短缺问题日趋严重，成为严重制约国民经济可持续发展的瓶颈，与此同时地下水资源开发利用持续快速增长，地下水超采也成为社会发展中的一个核心问题[1]。20世纪70年代中国平均每年开采地下水资源572亿m3，80年代增加到748亿m3，1999年达到1116亿m3[2]。在我国北方大部分地区，由于降雨少，地表水资源匮乏，大多数中小型河流基本上处于干涸断流状态，而有水的河流也基本上遭遇了不同程度的污染，水生态环境恶劣。因此，北方短期解决地表水资源枯竭和污染造成水资源供给不足的办法就是不断开采地下水以满足生产生活需要，使地下水超采问题越来越严重。以北京市大兴区为例，二十世纪八十年代以来，永定河在门头沟区内三家店水库之后干涸断流，永定河灌渠无水可取，也不再向大兴区供水。虽然大兴区西北角的黄土岗污水灌渠为新凤河注入一定量的污水、东北角的凉水河承接北京城区的污水，但污染严重，不能直接利用。因此，全区的工农业生产和生活用水全部依赖开采地下水。由于连年干旱少雨和国民经济的快速发展，以及人口的增加，造成地下水严重超采，地下水位逐年下降，如图1所示，水资源供需矛盾日趋紧张。区内河道因缺少上游来水冲刷稀释，直接接受本区内的污水，使得河道有水皆污，水环境不断恶化。

我国是农业大国，农灌面积居世界首位，农田灌溉用水量约占全国总用水量的70%，在海河、黄河及西北内陆河三大流域内，农田灌溉用水量达到了总用水量的80%-90%[3, 4]。大兴区水务局统计资料显示，2000年-2003年4年全区平均年总用水量32633.25万m3，其中农业用水27203.75万m3，工业用水3290.75万m3，生活用水2138.75万m3，分别占总用水量的83.36%、10.08%、6.05%，由此可见，农业用水是耗水大户，也是在北方地区导致地下水不断超采的一个重要原因。但是农业灌溉用水效率不高，灌溉水利用系数低，造成水资源浪费严重。因此，在一定程度上来讲，节约农业用水，发展节水灌溉是目前解决水资源供给不足及地下水超采问题的有效途径之一。

农业灌溉用水主要包括三个方面的消耗：土壤深层渗漏，灌溉弃水以及蒸腾蒸发（简称ET）。ET包括作物棵间土面蒸发（E）和叶面蒸腾（T），它代表区域内真实的耗水量，是水分循环的重要组成部分，也是水资源管理和水利用模式评价的一个重要参数。在水资源紧缺区域，利用ET进行用水控制和水资源分配是目前国外进行水资源管理的一个新的有效手段[5]。在农业灌溉三个耗水途径中深层渗漏和灌溉弃水可以通过不同方式再利用，只是涉及到了水分的利用率高低问题，而从总体角度来讲对水分损失并没有影响，唯独蒸腾蒸发的水量不能再利用[6]。因此农业节水灌溉的关键问题是ET的消减问题，即降低和减少无效ET、有效地控制水分的散发与损失。

2常用节水灌溉措施对比研究

从灌溉水的运动来讲，农业灌溉包括从水源到田间地头的输送和田间水的分配两个过程。灌溉水的输送通常采用露天渠道和管道方式。对于露天渠道，渠道衬砌防渗是目前许多地区采用的节水灌溉方式之一。尽管渠道衬砌可以防止渠道沿途水分向深层土壤渗漏，但对减少渠道沿途水面的蒸发却基本上没有任何帮助，仅仅在一定程度上提高了输送水的利用率，而总耗水量并没有太大变化。因此，渠道衬砌并不是节水措施，达不到真正节水的目的。采用管道方式输送灌溉水，虽然可以避免输送过程中水面的蒸发和沿途渗漏，是真正的节水措施，但成本较高，适合短距离和小流量灌溉水输送。

目前田间水分配过程有小范围地面漫灌（如畦灌、沟灌）、喷灌、滴灌、渗灌、膜灌等。小范围地面漫灌是通过精耕细作，将灌溉区域分畦或成沟，通过畦或沟进行灌溉，相对于大田地面漫灌来讲，可以大大减少田间积水量，减少地面蒸发，是一种比较简易和低成本的节水灌溉方式。但是这种小范围地面灌溉必须在一定程度上控制每次灌水量，否则会产生地面径流，对控制ET 不利。喷灌是利用水能使灌溉水形成细小雨滴均匀降落到田间作物叶面和地面，通过选择合适的喷灌时间和时长，可以大大减少地面积水，从而减少ET。但在多风地区和强光照期间喷灌，细小雨滴和作物叶面水珠更容易蒸发，进而增大ET。滴灌是当今世界上节水效果最好的灌溉技术，其主要特点是以低压小流量出流实现局部灌溉，在这种灌溉方式下水分与空气接触面积及接触时间都较小，因此可以很有效地减少ET。渗灌是一种地下微灌形式，在低压条件下，通过埋设在地表下作物根系主要活动层的灌水器（渗灌管），凭借土壤毛细管作用，根据作物的生长需水量定时定量地直接向作物根部土壤中渗水供给作物水分和液体肥料，又可向作物根部供给空气[7]。这种灌溉方式对控制ET具有比较明显的作用，但因其投入稍微较高，一般应用在温室大棚种植中。与地面大水漫灌相比，喷灌技术可以节水约30%-40%，微滴灌节水一般为50%-70%[8]，而利用渗灌技术冬小麦的水分利用效率提高了41%左右，显然滴灌在节水效率上有着很大的优势。

针对各种作物生长期的需水量，各地均制定了节水灌溉制度，包括灌溉次数和每次灌溉水量，对节水灌溉起到了积极的作用。但由于在作物整个生命周期内灌溉次数较少，每次灌水量相对仍较大，地面积水时间较长，从而导致ET较大。非充分灌溉从作物生长各阶段的需水量着手，研究维持作物生长的最少灌溉水量，制定相应的灌溉制度，包括灌溉次数和灌水量，为节水灌溉提供了一种新思路。

综上，利用管道输送灌溉水、利用微滴灌技术分配田间水是目前可行的最大限度减少ET的节水措施。

3以减少ET为目标的基于土壤墒情的精细灌溉

ET为灌溉区域内真实的耗水量，农业灌溉中的真实节水落脚于ET的消减与控制上，所以节水措施也应把重点放在如何切实控制和减少无效ET上，为此本文提出了以土壤墒情监测、微控技术和控制程序为核心的节水措施——基于土壤墒情的精细灌溉。在维持作物正常生长的前提下，这种以减少ET为目标的精细灌溉节水措施的核心主要有以下四个方面：保持土壤所需墒情进行适时适量的灌溉，采用维持土壤墒情的滴灌控制技术，在选择合适的灌水时间的同时，通过增加灌水次数减少每次的灌水量。

3.1保持土壤所需墒情进行适时适量的灌溉

土壤墒情是在长期的农业生产实践中总结出来的用于反映土壤水分状况（土壤湿度）的一种方法，是土壤湿度的一种通俗、较为定性的说法[9]。作物的生长与土壤中的富含水分量紧密相关，土壤墒情的好坏直接关系到农作物的生长发育情况以及最终的产量，因此做好土壤墒情的监测分析工作对农业生产至关重要。

在以减少和降低无效ET为目标的精细灌溉节水措施中，通过监测及时提供土壤水分含量情况，以保持土壤适宜墒情和维持农作物的正常生长。在维持土壤计划湿润层深度和适宜含水率的前提下根据监测提供的土壤墒情情况进行适时适量的灌溉，这样可以在一定程度上降低ET，避免水分的无效损失。

3.2采取维持土壤墒情的滴灌控制技术

通过支管和毛管上的小孔，在低压下向土壤经常缓慢地滴水，这种方式没有喷水或沟渠流水，只让水慢慢滴出，在重力和毛细管的作用下进入土壤，使作物主要根区的土壤经常保持最优含水状况。在对农作物进行灌水时，利用滴灌技术可以达到省水省工，增产增收的目的和效果。灌溉时，水不在空中运动，不打湿叶面，也没有有效湿润面积以外的土壤表面蒸发，直接损耗于蒸发的水量最少，可以在很大程度上降低ET；另外利用滴灌容易控制水量，不致产生地面径流和土壤深层渗漏，其可以比喷灌节省大量的水。与此同时，由于作物垄间未供应充足的水分，杂草不易生长，因而作物与杂草争夺养分的干扰大为减轻，减少了除草用工。由于作物根区能够保持着最佳供水状态和供肥状态，因此也能达到增产增收的目的。

3.3选择合适的灌水时间

选择合适的灌水时间对减少和降低蒸腾蒸发量起着至关重要的作用。在传统的灌溉模式中，如果在日照比较强烈或有一定风速的情况下进行农作物灌水，除了水分的渗漏外，还有相当部分的水分以蒸腾蒸发的形式被快速损耗掉，产生较大的无效ET，这种条件下进行灌溉对水分的有效利用是不利的，因此在灌水时应选择合适的灌水时间，比如在农作物的需水期通过自动化控制进行无风的夜间灌溉，避免太阳的照射，使水分在早晨太阳出来之前基本入渗到作物根部的浅层土壤中，从而降低蒸发量。

3.4通过增加灌水次数减少每次灌水量

在选择合适灌水时间的基础上，要减少和降低ET，这种精细灌溉节水措施还要求在维持土壤墒情和作物正常生长的前提下，本着“少量多次”的原则，在对农作物进行灌水时可以减少每次的灌水量，增多灌溉的次数，利用这种方法同样可以达到不致产生田间地面径流和土壤深层渗漏的目的，有效降低棵间土面蒸发与植物叶面蒸腾，即减少了ET。

4精细灌溉技术关键点

4.1土壤墒情监测

进行土壤墒情监测，及时反映土壤水分含量，为进行适时适量灌溉提供准确的信息。目前情况下测定土壤水分含量的方法主要有烘干法、中子仪法、γ射线透射法、电磁波法、电阻法、电容法、光电法等[10]，这几种方法在土壤墒情监测中都有不同程度的运用。

在推广和应用以减少ET为目标的基于土壤墒情的精细灌溉节水措施中，需要精确、连续地测定不同时刻的土壤水分含量动态情况，以提供精确连续的土壤墒情信息。利用TDR（Time Domain Reflectometry , 时域反射仪）测定土壤含水量，已经有相当广泛的发展。这种方法，在观测土壤水分过程中可以不破坏土壤原状结构，操作简便，能长期连续工作，具有方便、快速、精确、不扰动土壤等非常明显的优点[10, 11]。

在TDR的监测下，通过预设一定的应用程序，田间地块土壤水分含量信息将会及时传送到控制系统中心，以供控制系统分析后采取下一步的灌水与不灌水操作。

4.2微控技术

以减少ET，提高水分生产率为目标的精细灌溉节水措施将采取微控技术对管道阀门的开启与关闭以及管道中流入田地的水量进行自动化控制。自动化控制系统主机设在泵房内，结合TDR及时提供的土壤水分含量信息，联合水井与支管上的压力传感器实现对阀门及干、支管流量的综合控制。基于土壤墒情的精细灌溉控制系统平面布置示意图如图2所示。

4.3控制程序

根据TDR传回的土壤中水分含量信息，结合风速和光照信息，设置控制程序，利用主管与支管上的压力差进行适时作物需水预测，然后由控制系统主机发送阀门开启与关闭指令，自动完成定量灌溉水的田间输送。

5结论及展望

ET代表着灌溉区域内的真实耗水量，在农业灌溉用水中减少和降低无效ET、提高水分生产率应是今后重点努力的方向。以土壤墒情监测、微控技术和应用控制程序为核心的基于土壤墒情的精细灌溉节水措施着眼于灌溉范围内ET的消减与控制上，在满足作物对土壤墒情的要求下，通过维持墒情的滴灌控制技术，选择合适灌水时间，增加灌水次数以及减少每次的灌水量，来控制农业灌溉中的综合耗水量，在一定时间范围内实现地下水的零超采，达到采补平衡，并最终实现水资源的可持续利用与发展。

参考文献

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