SDI灌溉技术及其环境影响研究综述

周 迪朱 梅王振龙，2周 婷

SDI灌溉技术及其环境影响研究综述

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一、引言

我国是一个农业大国，又是一个水资源相对贫乏的国家。农业是用水大户，占总用水量的70％。随着城镇人口的增加、工业的发展，农业水资源被侵占的现象屡见不鲜，使得农业用水陷入危机。因此，大力推进节水农业是解决这一矛盾的主要途径，而发展节水灌溉技术对节水潜力的影响最大。地下滴灌（SubsurfaceDripIrrigation，简称SDI）是目前最复杂、效率最高的灌溉技术，SDI技术能够使作物产量和水利用效率同时达到最佳。

二、SDI灌溉技术

SDI技术是指水或水肥混合液通过地埋毛管上的灌水器缓慢出流渗入到作物根区土壤中，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。

SDI技术具有显著的节水、节能、省工、增产、提高农产品品质以及改善土壤环境等优点，被认为是最具发展前途的节水灌溉技术，逐步成为各国科学家研究的热点。近年来国内外关于SDI的研究较多，主要集中以下几个方面：具有更高灌水均匀度和抗堵塞的灌水器和设备、毛管埋深与滴头布置形式、土壤水盐或水肥运动规律与模拟、灌溉制度、作物生长、咸水灌溉。关于地下滴灌的环境效应也已引起了人们的关注，主要是SDI减少深层渗漏、硝态氮淋溶和地表积盐等方面的试验研究。与其他灌水技术相比，我国SDI的应用还比较少，由于其诸多的优点和日趋成熟的技术，其应用前景将非常广阔。

三、地下滴灌的灌水技术参数

1.毛管埋深

地下滴灌条件下，毛管埋深受土壤质地、作物生长状况（如根系深度）、农业生产措施（如耕作）等影响，需要因地制宜确定相应的毛管埋深。DeTar等（1996）进行地下滴灌试验，结果表明：如需要考虑地下滴灌系统多年使用和进行土壤耕作，则毛管埋深应大于25cm；如土壤不需要进行耕作（例如种植草地、苜蓿等），则毛管埋深10～ 40cm（取决于土壤类型和作物根层范围）。De Tar等（1996）对马铃薯增产效应研究表明，合理埋深为46cm。S.P.Bhattarai等（2008）研究表明在重粘土中若滴管带埋得过深将导致作物根系供养不足，不利于作物的生长。何华等（2001）进行了SDI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是冬小麦进行地下滴灌的较好埋深。诸葛玉平等（2003）认为轻质土壤导水性能较强，滴灌埋深要较浅；粘质土壤导水率小，持水量大，埋深可稍大，这样既不会造成深层渗漏，也可减小地表湿润，防止土壤蒸发。

总体上讲，地下滴灌毛管的埋深既要足够深——能避免耕作或其他农事活动的破坏，又要足够浅——以避免湿润表土为宜。综合考虑上述各种因素，毛管埋深范围在20～70cm之间。

2.毛管间距

在生产实践中，毛管间距的变化为0.25～5m不等。平播密植类作物一般采用较窄的间距，如草皮、小麦等，而行播作物则采用较宽的间距。如蔬菜、果树、棉花、玉米等。目前，棉田地下滴灌的毛管间距多为0.9～1.5m，小麦田多为1.0～1.2m。对于沙性土壤或干旱地区，减小毛管间距有助于田间土壤水分的均匀分布；而在多雨的湿润地区，可以使用较宽的间距，这还取决于作物类型、土壤条件和可接受的风险水平。

3.灌溉制度

灌溉制度包括灌水量、灌水周期（频率）两个方面。在地下滴灌中通常用作物需水量（ETc）的百分比去表示灌水量。Fangmeir等（1989）研究发现，耗水量为水面蒸发量的1.3倍时，棉花的产量最高；而耗水量与水面蒸发量相当时，用水效率最大。Powell等（1993）认为棉花和玉米的灌水量一般应为蒸发皿蒸发量的40％～100％。Hutmacher等（1995） 和 Howell等（1997）则认为，维持土壤在一定的水分亏缺水平上，如灌水量减少到0.6～0.7ETc时，棉花和玉米的产量与对照差别很小。Lamm和 Trooien （2003）证实采用地下滴灌灌水量为75％的作物需水量时玉米的产量达到最高。S.P.Bhattarai（2008）等研究表明在地下滴灌条件下灌水为50％的ETc 比90％的ETc一个季度能够多利用250mm的降雨。A.D.Mchugh等（2008）分别对地下滴灌灌水为ETc的120％、105％、90％、75％、50％五个水平进行对比，研究结果显示随着灌水量的增加，土壤侵蚀和氮素流失随之增加，在50％和75％水平时没有土壤侵蚀和氮素流失。M.A.Badr等（2010）发现当地下滴灌灌水量为40％的ETc时，水利用系数最高并获得最大的经济效益。E.D.Vories等（2009）在研究地下滴灌对美国中南部玉米的影响，结果显示当灌水量为50％的ETc时玉米的产量达到最大。

从灌水周期上讲，一般地下滴灌宜采用高频灌溉，按小定额、多次灌水的方式向作物供水，也可采用当土壤水分下降到某个设定的下限值时开始灌溉。对浅根作物如蔬菜等，一般采用高频灌溉，果树及大田作物可适当延长灌水周期。

四、地下滴灌的环境影响

近年来，关于地下滴灌条件下的环境效应越来越受到人们的关注，主要表现在SDI减少深层渗漏、NO3-淋溶和土表积盐等方面的试验研究。

1.农田小气候的影响

农田小气候是指农田贴地气层、土层与作物群体之间的物理过程和生物过程相互作用所形成的小范围气候环境。农田小气候为农田生物的生长提供了必须的环境，农田小气候的改变影响农田生物的生存。

采用地下滴灌最显著的特点是保持表层土壤的干燥，这样就减少了地表的无效蒸发。蒸发量的减少导致农田表层空气湿度的降低，从而减少作物病虫害。地下滴灌的灌溉水借助土壤毛细管的渗吸作用湿润土壤，它不产生重力水作用，因此对表层土壤结构破坏较小，基本保持土的疏松状态，土壤容重变化不大，通气状况良好。采用地下滴灌技术土层各个深度的地温要比其他灌水方式的地温高，且表层差异显著。造成这种差异的主要原因是由于地下滴灌时，浅层土壤较干燥蒸发耗热较少，土壤热通量较大，而土壤导热率和热容量又较小，热量较多集中于土壤浅层，造成土壤浅层升温较快，温度值较高，增加了昼夜温差，有利于作物的生长和产量的提高。地下滴灌条件下土壤表层干燥还有利于控制杂草的生长和害虫的繁殖。但是有研究表明在土壤容重较大的土壤中，如果采用地下灌溉可能导致作物根区的氧气含量不足，影响作物根系的呼吸作用，抑制作物的生长。为此S.P.Bhattarai等（2008）提出了地下滴灌掺氧灌溉。

2.生态环境的影响

地下滴灌最主要的优点之一是能够适时适量地将水、营养物质以及农药准确地输送到作物根部活跃区。这不仅提高了水肥利用效率，减少了水肥的投入量，而且降低了营养物质和农药的流失风险，减轻了灌溉带来的环境污染。

农业面源污染是一个全球性的严重问题，过量施用氮肥是引起农业面源污染的重要因素之一。在一些发达国家由于过量施氮，土壤和水质已受到严重污染。近年来我国作物产量并未随着施氮量的增加而明显增加，氮肥利用率只有30％～40％，大部分氮素从不同途径损失，减少水肥投入和采用适宜的灌溉施肥技术是避免氮素损失的有效方法。SDI灌溉下氮素养分灌施于根区，可以减少氨态氮的挥发损失，并且SDI实行小定额高频次的灌溉制度，硝态氮随灌溉水渗漏至土壤深层的潜势较其他灌溉技术小。

磷相对于氮素较稳定。现有研究表明当养分随水分一同灌施于作物根区时，磷素养分由于迁移性差，不易迁移出根区，可为作物根系很好地吸收，因而用量较其他灌溉技术节省。在石灰性土壤里施用磷酸尿素，滴孔周围20cm以内可利用态磷的浓度很高，分2次施用能延长磷的有效性。

地下灌溉在减少了渗漏和径流的同时，也改变了农田小气候，作物病虫害减少，杂草生长得到了控制，故农药的投入量也得到了相应的控制。A.D.Mchugh等（2008）研究表明地下滴灌条件下土壤侵蚀和农药的流失量明显小于沟灌。

五、展望

SDI的研究已经引起了国内外的广泛关注，但是相对于其他灌溉方法，SDI的研究和应用起步比较晚，尤其在国内的研究比较少，且多集中于对SDI系统的布置、土壤水盐的分布等方面。近年来的研究发现土壤盐分问题是SDI灌溉的普遍问题，这也是阻碍地下滴灌发展的一个重要因素。

今后，针对一系列环境影响，进一步开展相关研究，例如SDI灌溉引起的土壤盐碱化、根系供养不足以及SDI灌溉对温室气体的排放（CO2、N2O、CH4等）将有着积极而深远的现实意义

（作者单位：1.安徽农业大学工学院230036 2.安徽省水利水资源重点实验室 233000）

（专栏编辑：周 权）