地下滴灌研究进展.doc

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1、地下滴灌技术的研究进展地下滴灌技术(Subsurface Drip Irrigation，SDI)是滴灌技术(Drip Irrigation，DI)中的一种，即滴灌毛管铺设在耕作层内，将农作物所需要的水、肥、药直接灌到作物根系区，有利于作物生长，减少土壤水分蒸发，延长滴灌管的使用寿命，同时减少大田作物耕种时滴灌毛管的铺设和回收工作，降低劳动和运行管理成本。该系统不仅能满足不同环境气候、地形、地貌、水质水源(甚至可以用糖厂废水以及有机工业废水)以及防治虫害、精准施肥的要求，同时是一个投入少、见效快、易管理、省成本的农业产业化投资项目，对农业产业化、现代化的发展具有重大的现实意义。2000年10月

2、，在南非召开的第6次国际滴灌大会上，地下滴灌技术被列为今后滴灌发展的重点技术之一。1地下滴灌技术在国内外的发展概况1.1国外发展概况早在1913年，美国的House就开始了地下滴灌的探究，但由于受当时技术水平的限制，试验中，地下滴灌技术并没有增加根区土壤含水量，同时由于应用成本较高，最终放弃了这项研究。l920年，加利福尼亚的Charles用瓦管使其周围的土壤得以湿润，并获得美国专利，这是地下滴灌的雏形。随后，许多国家的学者又采用其他材料对该技术做了一定的研究工作。二次世界大战后，随着塑料工业的发展，塑料管开始广泛用于滴灌中，滴灌技术在英国、美国、以色列等国家得到了发展，同时也推动了地下滴灌技

3、术的发展。20世纪70年代，由于地下滴灌灌水均匀性较差、堵塞严重等问题没有得到有效解决，发展速度缓慢。20世纪80年代以后，随着水资源的紧缺和环保意识的提高，人们对地下滴灌的兴趣再次高涨，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、优化系统参数设计、研制过滤器和施肥装置等方面。许多灌溉专家对此做了大量的研究工作，其中标志性的是Mitchell等在1982年提出的地下滴灌系统设计、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。1979年在美国亚利桑那州Coolidge附近安装了第一个棉花地下滴灌系统，面积0.2hm2，至1985年已有约0.8万hm2。棉田安装了地上与地下

4、管道，当地称为“亚利桑那系统”，开始了真正意义上的地下漓灌系统应用和研究。此后，以色列Nana公司的棉花和果树地下滴灌系统正常运行3年多，美国Lama等人宣布，他们地下滴灌系统已成功使用10年。美国堪萨斯州立大学从1989年开始，连续进行了10年的大田作物地下滴灌研究，已累计完成22个地下滴灌的研究项目，对地下滴灌的设计、维护和经济性及长期效应做了广泛的研究，编写了正确使用地下滴灌的多种技术指导材料。目前，世界上拥有比较先进的滴灌以及地下滴灌技术的有以色列的耐特菲姆现代灌溉和农业系统公司、普拉斯托灌溉系统集团公司，他们在美国、澳大利亚、法国、中国等设有滴灌产品生产线，产品销售和服务遍及全球八十

5、多个国家和地区。1.2国内发展概况我国地下滴灌起源于地下水浸润灌溉。1974年，现代滴灌技术进入我国，由于地下滴灌不仅具有一般滴灌节水的优点，而且便于耕作，设备不易丢失，所以国内学者也多有尝试。1978年山西晋东南地区水科所与阳城县水利局、长治农校合作，在阳城上李村进行过4年大田作物地下滴灌试验。山西省万荣县南景村农民王高升于1990年自发地安装了0.67hm2的果园地下滴灌，节水增产效果良好，掀起了运城地区地下滴灌建设高潮，已发展地下滴灌约6700hm2。但由于对地下滴灌技术本身了解不够，采用塑料管打孔的工艺存在缺陷，加上运行管理措施不力，灌水不均、堵塞等问题日益严重，导致大部分工程失败。“

6、九五”期间，中国水利水电科学院在北京市昌平区建成13.3hm2试验示范区，并开展地下滴灌田间试验研究，考核了自行研制开发的地下滴灌专用灌水器。试验示范区的建设和配套技术的应用，取得了明的节水增产效果和良好的社会效益。2001年，新疆在棉花地安装了333.3hm2的地下滴灌，使用2年，均已取得较好的应用效益。地下滴灌系统在多种作物上得到应用，从大田的棉花、玉米、西红柿、蔬菜到果园的果树等均取得了较好的节水、增产效果，系统运行良好。目前，澳大利亚甘蔗等作物地下滴灌技术应用的面积达到3万多hm2；美国各种作物约6万多hm2；中国在新疆棉花、啤酒花等作物上的应用近3万hm2，并取得了一定的经济效益。这

7、充分说明地下滴灌技术在国内外已基本成熟，并正处在大力推广的阶段。2地下滴灌系统的研究概况地下滴灌系统一般由水源、控制首部、田间控制系统、田间滴灌管线管网四部分组或。控制首部由泵及泵站、过滤系统、施肥系统、压力和流量监测保护系统、自动化控制系统(选装)组成。田间控制系统由各级主支管道，各种口径的管道压力控制阀门，排污设备和管道排水装置组成。过滤系统主要是对水源进行过滤、防止灌水器堵塞。常用的过滤器有筛网过滤器、沙过滤器、离心式过滤器和叠片式过滤器。施肥系统是将可溶性肥料或液体农药按一定剂量通过施肥设备进入地下滴灌系统。常用的施肥设备有施肥罐、开敞式肥料桶、注肥器和注射泵。保护系统是为了减少压力对

8、系统造成的破坏而在滴灌系统高处安装排气阀。灌溉系统中常用的管材是黑色的聚乙烯管。常用的灌水器有滴头、滴灌管、滴灌带、多孔管等。由于滴灌管和灌水器埋于地下，因此要选择优质的材料，延长使用寿命。目前关于地下滴灌系统的研究主要集中在以下几个方面。2.1系统设备方面国内外使用的地下滴灌系统设备均来自地面滴灌系统，通常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，因此目前的研究主要集中在灌水均匀度和滴头堵塞这两方面。吕谋超等研究了孔口式、发丝管式、内镶式3种常用灌水器应用于地下滴灌系统，分析了流量变化规律、灌水均匀度及对

9、堵塞的敏感度。中国水科院在北京大兴县开展的有关地下滴灌室内外实验结果证明，对内镶式或带有补偿性能的低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。程先军等研制了一种既具有防负压堵塞性能又具备较佳压力补偿性能的地下滴灌专用滴头，使其节水增产效果显著。Phene等在检测了运行9年之后的几条毛管的系统均匀性，并用测量值与模型值进行对比，预测出SDI的系统均匀性。Sadler等探讨了滴头对流速及均匀性测量的影响，并讨论了误差。Warick等考虑了地下滴灌情况下，使用较低流速、较多滴头和压力补偿式滴头可以在许多土壤条件下提高均匀性，特别

10、是高变异土壤。2.2系统安装方面毛管的埋深和间距是影响地下滴灌系统的主要原因，直接影响到产量和经济效益。毛管埋深主要因素有3个：一是田间耕作深度，避免因耕翻土壤造成系统网管损坏；二是土壤条件，对土壤导水性能较强的轻质土，毛管埋深直浅不宜深，以防土壤水深层渗漏，而对于壤质土，则要适当增加埋深来减少无效土面蒸发损失；三是根据作物生长发育期，较深或较浅都不利于作物对水分的要求。综合考虑，毛管埋深多介于2070cm之间。对于果树，埋深可为40cm左右，而大田作物则为2040cm较为合适。何华等进行了地下滴灌埋管深度对不同生育时期冬小麦根系生长和地上部分生长影响的试验研究，结果表明在重壤土上40cm是冬

11、小麦进行地下滴灌的最好埋深。地下滴灌系统毛管间距的变化也很大，从0.255m不等。Lama等研究了SDI相同灌水定额情况间距分别为1.5m、2.3m和3.0m三种情况下玉米的平均产量，得出的结论是1.5m是获得最高产最、最高水分利用效率的最优间距。我国学者岳兵提出可将滴头间距从上段到下段逐渐减小，以提高灌水均匀度。马孝义等经试验比较，提出合理孔距为6080cm。2.3土壤水分运行机理地下滴灌条件下有关土壤水分运行机理的研究报道得比较多，早在1975年Thomas等通过模拟SDI线水源分布选择毛管间距和深度。Philip建立了三维非饱和土壤水的地上SDI点水源的运行模型，以此模拟无限、半无限区域

12、的水分运动过程。仵峰等在线水源条件下对SDI土壤水分运动进行了模拟，认为其土壤水运动是一垂直毛管的平面二维流动，并建立了饱和一非饱和土壤水二维流动的数学模型，并采用ADI法，结合P-C法对模型进行求解。王振华等探讨了SDI条件下土壤水盐运移的特点，结果表明：滴头附近含水量最高，并向周围湿润锋处逐渐降低，对于均质中壤土，则均匀降低，湿润体近似圆柱，垂直方向土壤含水量和含盐量的分布图类似抛物线，而含盐量的分布则是在滴头附近最低，向周围湿润锋处逐渐升高。李红等介绍了SDI条件下土壤水分运动的常用模型一平面流模型和柱状流模型，详细说明了模型提出的理论、应用条件和存在的弊端。2.4系统管理方面地下滴灌系

13、统的设计有其自身的特殊性，而灌溉制度、肥药的施用以及日常的管理都会影响作物产量和系统使用寿命。Caldwell等对玉米地下滴的需水规律作了比较完整的研究，研究表明，在土壤水分亏缺量小于20%时，地下滴灌的灌水频率从1d到7d对玉米产量没有明显影响。El-Giddy等认为高频次小流量的灌溉制度可以很好地改善作物根层土壤水分布，提高水分利用率和作物产量。Camp等对棉花的SDI试验研究发现，减少氮肥施用量仍可保持相同的产量。Michelson等研究表明SDI条件下磷肥施用量较地面滴灌少，主要原因是肥料被直接施用到作物根层，明显减少了流失量。刘勇根据几年地下滴灌技术的推广应用,总结了系统运行和管理的

14、注意事项。王荣莲等介绍了几种目前常用的地下滴灌防根系入侵的措施，包括机械保护及通过灌溉系统给滴头周围土壤注入少量除草剂等从而延长系统使用寿命。3地下滴灌技术的优点和存在的问题3.1地下滴灌技术的优点3.1.1节水省肥，并能充分利用水肥。由于直接向根系提供水，供水时不会形成地表水，可以有效减少地表水分蒸发，供水稳定，土壤升温快，通气性好，水、肥、热、气协调，利于作物对水分和肥料的吸收利用，并能有效解决水资源短缺的问题。3.1.2显著提高劳动生产率。不需要每年回收和安装设备，同时还通过相应配套农艺的机械化、自动化实施，极大地提高了劳动生产率和降低了劳动强度。3.1.3提高作物产量和品质。地下滴灌管

15、埋设在地表下1040cm处，通过科学及精确地施肥、灌水，使灌溉施肥更有效，与目前的传统耕作相比，节肥30%60%。作物在各个生长环节都能有效地吸收到所需的养分和水分，从而最大限度地提高了作物的产量和品质。如广西、广东的甘蔗种植，应用地下滴灌技术，甘蔗单产从6075t/hm2提高到120150t/hm2；蔗糖分从11.0%13.0%提高到14.0%15.5%。3.1.4有效地防治病虫害。该系统对农药的施用具有独特的作用。利用环保内吸型原液农药及杀菌剂进行滴施，可对地下病虫害进行触杀、胃杀、熏蒸；可抑杀产于作物根部表土层及作物嫩叶上的虫卵及幼虫，可以对作物根系层土壤的特定病菌进行防病杀菌处理(如有

16、些作物的根腐问题)，同时，耕作表土层土壤干燥，可减少杂草生长和病菌感染，便于田间机械操作和防止土壤板结。3.1.5有效地延长多年生作物的宿根性。由于表土土壤疏松，更有利于作物呼吸和根系发育，其根系更深，对宿根性作物延长生长期更具有作用。3.1.6系统操作简单易行，可实现全自动水肥轮灌模式。由于地下滴灌系统铺设长度较长，其相应的滴灌支路间距增大，控制阀门也相对减少，从而自控系统和操作更加简易便捷。3.1.7地下滴灌系统可以用于处理过的有机废水灌溉作物。如糖厂的制糖废水和酒精发酵液通过其独特的处理配比后都可以用于地下滴灌。.3.1.8地下滴灌系统更适合用于机械化和自动化控制。因为地下滴灌系统的数据

17、采集系统控制探头都可以埋设在地下.不需要每年安装布置和回收，这对田间的机械化耕作和自动化控制有极大的便利。3.1.9滴灌管及系统设备使用年限长，由于主管道和滴灌管埋在地下，没有紫外线照射危害，没有回收、铺设和运输的机械破坏，从而使得滴灌毛管使用年限长，机械损坏小，同时电方便大田机械化操作等。3.1.10能够产生良好的环境效应。地下滴灌技术可以安全有效地将肥料或农药直接输送到作物根系附近，植物根区以_下几乎没有深层渗漏和可溶性盐类，减少了对土壤和地下水的污染，在一定程度上保护了环境。3.2地下滴灌技术存在的缺点3.2.1毛管容易堵塞问题。在地下滴灌条件下，灌水器不仅和地表滴灌一样由于存在微小颗粒

18、或水质等引起物理化学堵塞，而且还存在另外两个造成堵塞的诱因：一是灌水管道停水后，毛管产生的负压可能将土壤中微小颗粒吸入灌水器的微孔而造成堵塞；二是植物根部的向水性生长可能使根侵入滴水孔引起堵塞。在系统中应安装排气阀，减少毛管中的负压，以免土壤颗粒进入滴头中。3.2.2不利于种子发芽和出苗。毛管埋在地下一定深度，为了避免深层渗漏，表层土壤一般较干燥或供水不充分，这样将影响种子的萌芽和出苗。因此，在作物播种以后，若没有充足的降雨，则应采用其他灌水方法以保证作物整齐出苗。3.2.3一些地毛管间距偏大，滴水不均。由于地下滴灌系统埋入地下，对灌水器流量不能进行直接测量。灌水均匀度不仅受每个灌水器的工作压

19、力均匀性、温度差异和滴头制造偏差的影响，而且由于灌水器出口直接与土壤接触，受土壤的质地、密实度以及导水性能等的影响也较大，因而对系统运行的评价和灌水均匀度的测定都很困难。3.2.4运行管理要求高。由于地下滴灌系统埋于地下，发生事故不易检查和维修，增加了重复堵塞的可能性，而且系统发生故障后，检查、维修时间长，费用高，因此对系统日常运行管理非常严格，如应频繁冲洗支、毛管，以去除管中积累的土壤颗粒等沉积物。3.2.5一定程度上也受外部环境的影响。地下滴灌系统使用薄壁毛管，地面机械的行走、土壤本身的硬化或倒塌可能会使毛管变形，减少系统流量及灌水均匀度。3.2.6相对与其他灌溉系统的应用与研究起步较晚。

20、目前，地下滴灌技术仍然是一项不成熟的技术，推广这项技术一定要慎重对待。必须因地制宜，合理有效地运用地下滴灌技术。4展望面对有限的水资源和日趋恶化的水环境，高效、节水、有利环境保护的地下滴灌技术日益受到重视。目前，我国地下滴灌技术的设计理论尚不能满足实践要求，由于土质差异、作物差异，需要合理确定不同土质、不同作物灌水技术指标。研究如何将地下滴灌节水灌溉工程和农业节水综合技术合理结合，通过地下滴灌工程技术参数(埋管深度、进口压力、滴孔孔径、孔距等)来调控水分、养分在土壤中的分布与运移、作物根系的分布与生长，使水肥的利用率和利用效率均得以提高，这些都是值得重视和迫切需要解决的问题。因此，在承认地下滴灌技术的同时，也要认识到它存在的问题，需进一步对地下滴灌系统的特殊性和复杂性加以研究，以克服其缺点，充分发挥其诸多的优势，为地下滴灌技术提供合理的理论依据，这对我国节水灌溉技术的发展有着十分重要的意义。