民勤绿洲灌区精细垄膜沟灌技术参数研究

2017-03-21王文娟王以兵甘肃省水利科学研究院兰州730000

节水灌溉 2017年11期

丁林，王文娟，王以兵(甘肃省水利科学研究院，兰州 730000)

垄作是在耕作形成的垄面或垄沟内种植作物的一种耕作方式，是通过改变地表微地形，减少耕种面积，协调水、肥、气、热关系，促进作物生长，降低耕作对农田环境影响的一种保护性耕作措施[1]。平作改为垄作后，田间灌溉方式由畦灌改为沟灌，灌水定额减少，提高降水和灌溉水利用率，垄作比平作节水40%[2,3]。在垄作沟灌对作物影响方面已有专家学者作了大量的研究[4-6]，在垄沟水分入渗方面也有大量研究[7-11]，上述研究均在无膜覆盖条件下进行。随着地膜覆盖措施的应用，由于垄沟下垫面发生了变化，已有的灌水技术参数需要通过现场试验进行修正。针对垄膜沟灌技术目前研究较多的是垄膜沟灌对作物产量、水分利用、肥料利用的影响等方面[12-18]，而对垄膜沟灌技术参数的研究较少。本研究针对以上实际，在地膜覆盖条件下开展精细垄膜沟灌技术参数研究，进而提出适宜的垄膜沟灌技术参数，为技术推广应用提供技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015年9月在甘肃省水利科学研究院民勤灌溉试验站进行。试验区地处民勤绿洲和腾格里沙漠交界地带，地理坐标东经130°05′，北纬38°37′，属典型的大陆性荒漠气候，气候干燥，降水稀少，蒸发量大，风沙多。多年平均气温7.8 ℃，极端最高气温39.5 ℃，极端最低气温-27.3 ℃，平均湿度45%，多年平均降水110 mm，多年平均蒸发量2 644 mm。研究区光热资源丰富，年日照时数3 028 h，≥0 ℃积温3 550 ℃，≥10 ℃积温3 145 ℃，无霜期150 d，最大冻土深115 cm。试验区土质0～60 cm为黏壤土，60 cm以下逐渐由黏壤土变为沙壤土，土壤平均容重为1.54 g/cm3，土壤饱和含水率0.43 cm3/cm3。

1.2 试验设计

试验根据不同垄沟坡度、入沟流量、灌水定额经优化选择7个试验处理。试验地深耕、耙耱，按试验设计坡度平整起垄后覆膜，垄底宽100 cm，垄顶宽60 cm，沟宽40 cm，沟深20 cm，膜宽120 cm，在沟底按30 cm打好入渗孔，试验地规格为1×65 m，灌水定额为525 m3/hm2和375 m3/hm2两种，每个处理重复3次，各处理随机布置3个点用烘干法测定土壤含水量，试验田土壤为中透水性。具体参数设计见表1。

表1 垄膜沟灌技术参数试验设计

1.3 测定指标与方法

土壤含水量：分别在试验田垄沟覆膜后、灌水前及灌水结束48h后，用土钻取土烘干法测定试验区含水量，灌前土壤含水量每个小区测3个点，灌后从沟首到沟尾每隔20 m取一个点，每个点测定深度为0～100 cm，每隔20 cm取一个样测定。

水流推进：试验时沿试验田长度方向每隔10 m设一水尺，用秒表依次记录水流到达各水尺的时间。

沟内水深：在灌水期间每隔10 min读一次水尺读数，灌水结束时加读一次，停灌后每隔10 min读一次水尺读数，直到水尺读数为0。

灌水量：通过管道输水，水表计量灌水量。

流量：通过安装在灌溉系统首部的超声波流量计测量。

灌水均匀度：田间灌水均匀度一般由克里斯琴森均匀度系数Cu表示：

(2)

2 结果分析

2.1 水流推进分析

图1描述了灌水时各处理的水流推进过程。从图1可以看出，当灌水流量一定时，水流推进速度与入沟流量和沟底坡度有关，且呈正相关关系。试验中除T5外，其余处理水流均能在灌水结束前达到沟尾，T5处理虽然耗用灌水时间最多，但由于坡度缓、入沟流量小，水流推进速度慢，在灌水过程中过多水分渗入土壤，使水流到达不了沟尾。同样，T1处理也因入沟流量小，水流推进速度较为慢，只是T1处理坡度较大，最终使水流勉强推进到了沟尾，但其均匀度较差，沟尾入渗水量较少。

图1 各处理垄沟水流推进过程线

表2为各处理水流推进速率，从表2可以看出，各处理水流推进速度随沟长方向逐渐减小，主要是由于部分水量在推进过程中渗入土壤，前进水量减小所致。各处理中入沟流量越大，水流推进速率越大，另外，垄沟坡度也对水流推进速率有一定的影响。平均水流推进速率最大的处理为T4处理，达到了0.098 m/s。仅从水流推进速率及灌水时长来看，当垄沟坡度为1/500时，和灌水定额525 m3/hm2相对应的垄沟灌水参数为：入沟流量0.8 L/(s·m)，垄沟长度50～60 m；和灌水定额375 m3/hm2相对应的垄沟灌水参数为：入沟流量1.0 L/(s·m)，垄沟长度50～60 m。当垄沟坡度为1/1 000时，和灌水定额525 m3/hm2相对应的垄沟灌水参数为：入沟流量0.8 L/(s·m)，垄沟长度50～60 m；和和灌水定额375 m3/hm2相对应的垄沟灌水参数为：入沟流量1.0 L/(s·m), 垄沟长度50～60 m。在实际应用中，当入沟流量小于0.6 L/s 时，灌水定额应大于525 m3/hm2，垄沟长度应控制在40 m以内。

表2 各处理垄沟水流推进速率

2.2 灌水层深度分析

在灌溉过程中，水分随水流推进不断入渗到土壤中，到灌水结束后，入渗到土壤中水分多少，与入沟流量和沟底坡度等因素有关，入沟流量越小和沟底坡度越缓的处理，因灌水时间相对较长，入渗水量大于其他处理，同时存留在沟内的水层深度相应较小。灌水结束后，地面坡度和灌水定额相同条件下，入沟流量大的处理沟内水存留深度大于入沟流量小的处理。地面坡度和入沟流量相同条件下，灌水定额大的处理沟内水存留深度大于灌水定额小的处理。灌水定额和入沟流量相同条件下，沟底坡度大的处理沟内水存留深度大于沟底坡度小的处理。这一结果与不同处理所需要的灌水时长是相一致的，与不同处理在灌水过程中水的入渗量多少有直接关系。灌水结束后,垄沟水层深度占沟深的比例达到2/3以上的处理有T2、T4、T7，说明这3个处理垄沟参数及灌水参数设计和较为合理，其他处理相对较为不合理，其中T5、T1处理最不合理，在实际应用中不可取(见表3)。

表3 沟灌灌溉过程水尺深度与入渗速率

2.3 水流消退分析

由表4可知，灌水结束后，垄沟水层深度越深，入渗速率越快。虽然各处理水深下降速度随时间均呈逐渐减小的趋势，但各处理均能在60 min左右将水入渗完毕。主要原因是灌溉过程中入渗水量少的处理，则灌溉结束后水层深度大，入渗速度快；灌溉过程中入渗水量多的处理，则灌溉结束后水层深度小，入渗速度慢。各处理在灌水结束后30 min内水层下降深度占总深度的比例额均在65%以上，其中最高的T3处理占89.2%，最低的T7占68.7%，由上说明各处理沟内土壤水分在灌水后均未达到饱和状态，灌水结束后逐渐达到饱和，饱和后沟内水分入渗速率逐渐减缓。

2.4 灌水均匀度分析

根据试验实测资料，利用公式(1)、(2)计算精细垄膜沟灌不同处理的灌水均匀度如表5和表6所示。由于T5处理入沟流量小，水流未推进到垄沟末端，其灌水均匀度较差，其余6个处理灌水均匀度均在0.89以上，其中T4、T7处理灌水均匀度最高，分别达到0.98和0.94，同样T2和T6灌水均匀度也达到了0.9以上。由此可以得出，在实际作物种植及灌溉中，当垄沟坡度在1/500时，适宜的灌水定额为375～525 m3/hm2、入沟流量为0.8～1.0 L/s；当垄沟坡度在1/1 000时，适宜的灌水定额为375～525 m3/hm2、入沟流量为0.8～1.0 L/s。与已有规范与研究成果相比[19]，入沟流量可减少0.2～0.5 L/s，沟长可延长20～30 m左右。

表4 沟灌灌水结束后水深下降分析

表5 田间各处理、各测点含水量实测值 %

表6 沟灌灌水均匀度计算

3 结语

本研究针对地膜覆盖后原有的沟灌技术参数已不能适应现实要求，设定了不同单宽流量、地面坡度、灌水定额等参数，研究提出了不同精细灌溉条件下的适宜技术参数。在水流推进方面得出，入沟流量是影响水流推进速率的主要因素，流速越快，在灌水过程中入渗水量越少，灌水后均匀度较高；在适宜坡度及入沟流量方面得出，当垄沟坡度在1/500左右，灌水定额为375～525 m3/hm2时、适宜入沟流量为0.8～1.0 L/s，垄沟长度60 m；灌水定额大于525 m3/hm2时、适宜入沟流量为0.6～0.8 L/s，垄沟长度60 m。当垄沟坡度在1/1 000左右，灌水定额为375～525 m3/hm2时、入沟流量为1.0 L/s，垄沟长度60 m；灌水定额为大于525 m3/hm2时、入沟流量为0.8～1.0 L/s，垄沟长度60 m。在实际作物种植及灌溉中，应根据不同自然条件、作物种类、播种方式、土壤质地、土壤墒情、配套农艺措施等选择合适的入沟流量及灌水定额。

本研究结论是在民勤绿洲大田试验条件下完成的，不可避免受到研究区土壤质地、自然条件的影响，所以试验得出的结论有一定的局限性，在不同自然条件下的精细垄膜沟灌技术参数还需进一步研究，另外还需要研究二元覆盖及其他覆盖条件下的主要技术参数。

[1] Lal R. Ridge 2 tillgae [J]. Soil & Tillgae Research,1990,(18):107-111.

[2] 艾应伟,陈实,张先婉,等. 垄作不同土层施肥对小麦生长凡氮肥肥效的影响[J].植物营养与肥料学报,1997,3(3):255-261.

[3] 戴德. 高寒山区冷浸田水稻半旱式免耕垄作技术的增产机理[J].农业科技讯,1998,(8):26-27.

[4] 刘刚才,高美荣,朱波,等. 等高垄作垄沟的水土流失特点研究[J].水土保持通报, 1999,19(3):33-35.

[5] 王旭清,王法宏. 小麦垄作栽培技术的肥水效应及光能利用率[J].山东农业科学,2002,(4):3-5.

[6] 邓斌. 河西绿洲灌区不同耕作方式下春小麦土壤水分动态变化与产量效应研究[D].兰州:甘肃农业大学,2007.

[7] 孙西欢,王文焰. 沟灌入渗参数影响因素的试验研究[J].西北农业大学报,1994,22(4):102-106.

[8] 孙西欢,王文焰. 多参数沟灌入渗模型的试验研究[J].西北水资源与水工程,1993,4(3):46-56.

[9] 聂卫波,马孝义,王述礼. 沟灌土壤水分运动数值模拟与入渗模型[J].水科学进展,2009,20(5):668-676.

[10] 聂卫波,马孝义,王述礼. 沟灌入渗湿润体运移距离预测模型[J].农业工程学报,2009,25(5):20-25.

[11] 王利环. 波涌沟灌条件下土壤水分入渗的研究[D].太原:山西农业大学,2004.