痕量灌溉与微润灌溉技术研究进展及对比分析

夏 天，田军仓,2,3

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021； 3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021)

1 痕量灌溉技术特点及研究进展

1.1 痕量灌溉技术特点

痕量灌溉技术是我国原创、将膜及毛细管等新材料有机结合的新型节水灌溉技术。该技术的核心在于能够实现“自适应”作用的灌水器，它由具有良好导水性能的毛细管束和具有过滤功能的双层痕灌膜组成，这种双层膜结构取代了滴灌的迷宫式消能流道，并克服了滴头易堵的难题。痕灌灌水器埋在根系附近，毛细管束一端与充满水的管道连接，另一端与土壤的毛细管连接并感知土水势变化，构成了一个作物-土壤-灌溉系统的水势平衡系统，当作物吸水导致根系周围水势降低时，灌水器内的水便以毛管水的形式、极其微小的速度(10～200 mL/h)，均匀、不间断地输送到植物根系附近土壤，直至水势平衡系统重新达到平衡，此时作物停止吸水，灌溉水不再流出，如此循环，实现了作物需水触动的自适应灌溉。与滴灌相比，同等产量下痕量灌溉可节水40%～60%，并有助于改善土壤板结和返碱的现象。目前，痕量灌溉技术已在温室果蔬、大田作物、垂直绿化和生态修复中得到了应用[1,2]。

1.2 痕量灌溉技术研究进展

1.2.1 痕量灌溉技术节水增产效应

痕量灌溉符合当前农业生产节水增效的要求，为此，有学者通过大量试验对其在农业生产中的应用进行了研究。诸钧等[3]就日光温室痕量灌溉对球茎茴香生长影响的试验研究发现：痕量灌溉相比于滴灌可显著提高茴香地上部分干、鲜重，并使其耗水量减少约50%，水分生产效率提高2.3倍。安顺伟等[4]对痕量灌溉甜椒适宜施肥量的试验探究发现痕量灌溉对水肥调控效应显著，可在较常规施肥量减少25%时获得甜椒优质高产。张红军等[5]对越橘的痕量灌溉试验发现地下痕量灌溉控水头抗堵性强，便于实现水肥一体化，在土表形成3～5 cm干土层可有效减少土壤水分蒸发，保证根系水分供应。上述研究表明痕量灌溉具有一定的水肥调控和节水增产效应，但并不绝对。王志平等[6]比较了畦灌、滴灌、痕量灌溉条件下温室大桃的灌水量、产量和水分利用效率，发现不覆膜且痕灌管浅埋时大桃水分利用效率与滴灌相近且明显高于畦灌，而经济产量却显著低于滴灌、畦灌，但痕量灌溉用水量却较滴灌、畦灌减少了23%、40%。周继华等[7]就日光温室低、高痕量灌溉对生菜生长影响的试验研究表明：痕量灌溉对生菜植株生长无影响，以滴灌下生菜产量最高，但低、高痕量灌溉下生菜的水分利用效率却比滴灌增加8.2～30.7 kg/m3，节水40.1%～63%。可见，痕量灌溉对作物生长和产量的影响目前并无确定性和一致性结论，但相比于畦灌和滴灌却具有明显的节水效益。

1.2.2 痕灌管埋深对作物生长和产量的影响

作物根系是土壤水分的直接吸收利用者，也是感知土壤水分变化的“传感器”。当土壤水分胁迫时，作物根系首先感到并发出信号，使整个植株对水分胁迫做出反应，同时其根系形态结构、化学成分的数量和作物质量也发生相应变化，并影响地上部“叶光系统”的建成和产量[8]。痕量灌溉与滴、渗灌类似，也是将毛管浅埋于地下，其适宜埋深既要能使灌溉水借毛细管作用充分湿润土壤计划湿润层[9]，又要避免耕作破坏管道，同时还要最大限度地减少深层渗漏，因此，探索适宜的痕灌管埋深对指导农业生产十分必要。目前主要是通过对比试验研究痕灌管不同埋深对设施作物生长、产量和水分利用效率的影响。王志平等[6]对比研究了覆膜与不覆膜痕量灌溉对温室大桃生长的影响，发现不覆膜且痕灌管埋深小于等于3 cm时土壤水分蒸发量大于供水量，不能满足桃树需水要求，并建议桃树等浅根果树以埋深30 cm且覆膜效益最佳。安顺伟等[10]探究了痕灌管不同埋深对番茄生长的影响，发现当埋深30 cm时番茄株高茎粗表现最佳，产量和水分利用效率最高，并分别较表面覆土提高了15.2%、24%。杨明宇等[11]通过试验研究发现痕灌管埋深增加有助于减少茄子耗水量和灌溉量，以埋深10 cm时产量和水分利用效率最高。刘学军等[12]对葡萄的痕量灌溉试验研究发现痕灌管长250 m范围内灌水均匀度可达95%，埋深40 cm时湿润范围20～80 cm，并提出了葡萄生育期痕量灌溉制度。沈富、高艳明等[13,14]探究了痕灌管不同埋深对温室沙培黄瓜、基质栽培西葫芦生长及产量的影响，得到温室沙培黄瓜和基质栽培西葫芦的最适埋深分别为5、6 cm，并提出管道适宜埋深要与基质的理化性质、孔隙度、密度以及作物栽培情况相适应，同时建议对于瓜类等浅根作物管道应尽量浅埋。唐存士、师庆东[15]通过试验研究发现披碱草的密度、高度和生物量均随痕灌管埋深增加而增加，以混施保水剂、埋深25 cm时长势最好。可见，痕量灌溉管道埋深对作物生长和水分利用效率影响较大，但并非埋深越大对作物生长就越有利，在上述试验研究中，适宜埋深既要满足作物各个生育期的需水要求，又要与土壤的水分入渗特性、环境温度、湿度、水分供应等因素相匹配，因而其适宜埋深是作物属性、土壤质地、气候条件等多种因素综合作用的结果。

2 微润灌溉技术特点及研究进展

2.1 微润灌溉技术特点

微润灌溉技术又称半透膜灌溉技术，是利用功能性半透膜作为灌溉输水管，以膜内外水势差和土壤吸力作为水分渗出和扩散动力，并根据作物需水要求，以缓慢出流的方式为作物根区输送水分的地下微灌技术。它通过地埋的方式为作物供水，与滴灌相比，微润灌溉技术具有节水效果明显、有效减少地面蒸发、改善作物根区土壤环境、运行成本低、抗堵塞性能强等优点，适宜旱区作物的用水需求[16-18]。目前，微润灌溉技术已在农林业、城市绿化等方面得到了应用，同时还为治理盐碱地和沙漠化生态恢复提供了有效解决方案。

2.2 微润灌溉技术应用与研究进展

2.2.1 微润灌溉技术节水增产及微气候调控效应

目前，垄作覆膜和沟灌是温室种植条件下普遍采用的两种灌溉方式，沟灌由于一次灌水量较多，蒸发量大，棚内湿度较高，土壤长期处于淹水条件下通气性差，不但会导致真菌滋生，还不利于作物根系呼吸和还原物质的氧化。已有研究表明，微灌能显著降低相对湿度，并提高气温和土温，因此，研究微润灌溉对温室局地微气候的调控及节水增产效应具有重要意义。于秀琴等[19]就温室微润灌对黄瓜生长和产量影响的试验研究表明：微润灌相比于沟灌可显著提高棚内气温、土温并保持空气湿度相对稳定，并显著促进黄瓜营养生长，全生育期较沟灌节水54.9%，水分利用效率提高1.3倍。诸丽妹、葛岩等[20]对苹果树的微润灌溉试验发现微润灌对果树各项生长指标具有显著促进作用，且较沟灌节水28%、增产34.8%，果实品级亦有显著提高。何玉琴等[21]就微润灌对玉米生长影响的试验研究发现微润灌对玉米的产量构成具有促进和优化作用，并能显著提高籽粒品质和水分利用效率。薛万来等[17]就温室微润灌对番茄生长和水分利用效率影响的试验研究表明：全生育期内微润灌土壤水分动态变幅小于滴灌且比滴灌节水10%，番茄产量和水分利用效率均高于滴灌。陈天博等[22]基于主成分分析法，对日光温室微润灌溉番茄的产量、水分利用效率及VC品质进行综合分析，得到了番茄的微润灌溉制度。魏镇华等[23]研究了交替微润灌溉对番茄生长及产量的调控效应，发现与常规微润灌相比，间隔2 d的交替控水微润灌可明显刺激番茄根系吸水的补偿效应，增强根系吸收土壤水的能力，在稳产的前提下减少耗水量并提高水分利用效率。可见，相比于沟灌和滴灌，微润灌溉能更高效的调控和利用土壤水、气、热，因而其节水增产效益更高。同时微润灌对于温室局地气候有升温和降低湿度的作用，能使土壤长期处于通气性良好的非饱和状态，这对于促进作物根系活动和生长发育，尤其是对于黄瓜等对氧气要求严格的蔬菜而言，无疑具有明显优势。

2.2.2 微润带埋深和压力对作物生长的影响

与痕量灌溉类似，微润管(带)不同埋深和压力也会对作物生长产生影响。何玉琴等[21]研究了微润带不同埋深、间距和压力对玉米生长和产量的影响，发现埋深和压力对玉米产量和水分利用效率影响较大，以埋深18 cm、间距1管1行、压力0.60 MPa时效益最佳。张子卓等[24]研究了微润带不同埋深和压力对番茄生长的影响，得到定植94 d后，压力水头180 cm、埋深15 cm时番茄的水分利用效率和株高表现最优。田德龙、郑和祥等[25]研究了微润管不同埋深对向日葵生长的影响，发现埋深20 cm时向日葵长势和产量最优，并以轻度水分亏缺处理时水分利用效率最高。可见，与痕量灌溉相比，虽然微润灌溉也属于微小流量灌溉，但由于其出水量可通过调整压力水头调节，并且埋深、压力和间距能较好地同作物生理需水特性相匹配，因而在保水、控水、减少土壤水分蒸发和无效耗水等方面均优于痕量灌溉，并且在使用上也更加灵活。

2.2.3 微润灌溉线源入渗特性试验及数值模拟研究

(1)近年来，国内外学者对点源及线源湿润体特性做了大量研究，但对微润灌线源入渗特性的研究较少，为此，有学者做了试验研究。张俊等[26]通过室内土箱试验发现微润灌湿润体是以微润带为轴线的柱状体，其横剖面形状由土质决定，并得出湿润锋垂向和水平运移距离均与灌水时间呈幂函数关系。牛文全等[27]研究了矿化度对微润灌土壤水分入渗特性的影响，发现矿化水湿润体体积大于清水湿润体体积，矿化度增加了微润灌土壤累计入渗量，但二者之间不是单调关系。张子卓等[28]研究了膜下微润带埋深对轻度盐碱地土壤水盐运移的影响，发现膜下微润带埋深对不同深度土层洗盐效果影响显著，以埋深15 cm时平均土壤含水率和脱盐率最高。薛万来等[16]通过室内土箱试验发现微润灌湿润锋运移距离与压力水头成正比，埋深对湿润锋运移影响不显著。谢香文、祁世磊等[29]对地埋微润管的入渗试验发现地埋微润灌湿润锋运移受重力作用影响较小，土壤含水率以管带为中心呈同心圆分布。张俊、牛文全等[30]发现微润灌入渗特性受土壤初始含水率影响较大，并得到土壤初始含水率与水分扩散系数呈指数递增关系，与灌溉均匀系数成正比，与湿润体内含水率梯度成反比的结论。汤英、杜历等[31]开展了微型水库和微润圈入渗试验，发现一个微型水库可形成水平60 cm、纵向80 cm的湿润体，微润圈埋深20 cm时湿润范围为水平40 cm、纵向50 cm。李朝阳、夏建华等[32]对比研究了滴灌和低压微润灌的土壤水分分布特性，发现微润灌供水状态呈立体式分布，其湿润深度较滴灌浅，主要湿润区为5～30 cm土层，可满足浅根作物的吸水要求。

(2)与此同时，也有学者对微润灌土壤水分运移进行了模型和数值模拟研究。牛文全等[18]通过试验研究发现压力水头决定微润灌流量，埋深显著影响湿润体形状，土壤累计入渗量与灌水时间符合Kostiakov入渗模型。薛万来等[16]建立了包含土壤容重、水头、初始含水率的湿润锋运移距离预测经验模型，并通过试验验证其精度较高。张珂萌[33]通过数值模拟计算得出微润灌的灌水均匀度大于滴灌，且随灌水时间增加微润灌的水分分布均匀度更高。陈高听、郭凤台等[34]基于伽辽金有限元法，借助Hydrus 2D对微润灌土壤水分运动二维Richards模型进行数值求解，其模拟结果与田间试验结果高度吻合。可见，对微润灌线源入渗特性的研究，目前主要是通过试验和数值模拟相结合的方式，能在一定程度上为微润管的田间布设及灌水技术要素的选取提供科学指导。

3 痕量灌溉和微润灌溉技术参数对比分析

通过对痕量灌溉和微润灌溉技术研究进展的分析，所提出的两种技术参数对比情况见表1。

表1 痕量灌溉和微润灌溉技术参数对比分析表

4 痕量灌溉和微润灌溉技术存在的问题及发展趋势

4.1 痕量灌溉技术存在的问题及发展趋势

4.1.1 痕量灌溉技术存在的问题

(1)理论基础存在质疑。张国祥等[35]对于“痕量灌溉是完全依靠毛细管力达到蓄水触动式的自适应灌溉”这一论断存在质疑。因为从理论上讲，凹液面的存在是产生毛细管力和毛细管水的必需条件，一旦形成连续水流，凹液面和毛细管力将立即消失，因而毛细管水也不复存在，即毛细管水不是连续水流，因而保证痕量灌溉连续出流的力不是毛细管力。另外，只有在凹液面下的水饱和区内才可能出现毛细管现象，说明土壤-管内水势差不是产生毛细管力的驱动力。张志新[36]认为“痕量灌溉超低流量供水”实现不了“与植物自然需水规律相匹配。”因此，应进一步研究痕量灌溉实现的理论基础。

(2)试验观测时间较短。目前的试验研究大都是基于一年甚至更短系列的观测数据，观测时间较短，结论有待进一步验证。

4.1.2 痕量灌溉技术的发展趋势

主要包括以下方面：①开展痕量灌溉多点源入渗规律的研究。②开展痕量灌溉土壤水盐相互作用和水盐运移规律的研究。③开展作物根区肥力运移机制及水肥相互作用的研究。④开展痕量灌溉作物需水量、节水增产效益和最优灌溉制度的研究。⑤开展痕量灌溉水、肥、气、热耦合效应及一体化调控的研究。⑥探索适合区域特点的痕量灌溉系统设计布置理论。⑦探究灌溉水泥沙量及粒径对痕灌管出流的影响。

4.2 微润灌溉技术存在的问题及发展趋势

4.2.1 微润灌溉技术存在的问题

主要体现在试验模拟方面，包括以下几点：①目前针对微润灌线源入渗水分运移的研究仅停留在室内模拟阶段，且都是针对均质土，与大田非均质土相比有一定差距。②已有的湿润锋运移距离预测模型涉及的土壤类型偏少，用于其他类型土壤时是否具有通用性还待进一步研究。③对于非均质土入渗规律的研究几乎没有。

4.2.2 微润灌溉技术的发展趋势

主要包括以下方面：①探索适合不同土质的微润灌最优灌水技术要素组合。②开展微润灌条件下作物需水量、节水增产效益和最优灌溉制度的研究。③探索作物根区肥力运移机制、水肥相互作用以及最优水肥调控方案。④开展微润灌溉条件下水、肥、气、热耦合效应及一体化调控的研究。⑤含沙水对微润管出流和抗堵性能的影响研究。目前，对灌溉水含沙量及粒径对微润管出流和抗堵性能的影响已有研究[37,38]，但对于不同初始含水率、压力和埋深下含沙水对微润管出流和抗堵性能的影响却鲜有研究。应在今后探索微润灌用含沙水非全流过滤模式，并研究初始含水率、压力、埋深及含沙量对微润管出流和抗堵性能的影响，并分析堵塞机理，以期为含沙水微灌提供参考。

[1] 张 锐, 刘 洁, 诸 钧, 等. 实现作物需水触动式自适应灌溉的痕量灌溉技术分析[J]. 节水灌溉, 2013,(1):48-51.

[2] 诸 钧. 可按需供水的灌溉技术-痕量灌溉[M]. 武汉：华中科技大学， .

[3] 诸 钧, 金基石, 杨春平. 痕量灌溉对温室种植球茎茴香产量、干物质分配和水分利用率的影响[J]. 排灌机械工程学报, 2014,32(4).

[4] 安顺伟, 周继华, 刘宝文,等. 痕量灌溉条件下不同施肥量对甜椒产量和品质的影响[J]. 中国园艺文摘, 2013,(4):17-18,42.

[5] 张红军, 宋 杨, 窦连登. 越橘地下痕量灌溉技术初步研究[J]. 中国果树, 2014.

[6] 王志平, 周继华, 诸 钧，等. 痕量灌溉在温室大桃上的应用[J]. 中国园艺文摘, 2011,(4).

[7] 周继华, 王志平, 刘宝文. 痕量灌溉对温室生菜生长和产量及水分利用效率的影响[J]. 北方园艺, 2013,(13):51-53.

[8] 张爱良, 苗果园, 王建平. 作物根系与水分关系[J]. 作物研究, 1997,(2).

[9] 康银红, 马孝义, 李 娟，等. 地下滴灌灌水技术研究进展[J]. 灌溉排水学报, 2007,26(6).

[10] 安顺伟, 周继华, 刘宝文, 等. 痕量灌溉管不同埋深对番茄生长、产量和水分利用效率的影响[J]. 作物杂志, 2013,(3):86-89.

[11] 杨明宇, 安顺伟, 周继华, 等. 痕量灌溉管不同埋深对温室茄子生长、产量及水分利用效率的影响[J]. 中国蔬菜, 2012,(20):78-82.

[12] 刘学军, 周立华, 张建忠, 等. 葡萄痕量灌溉技术试验研究[J]. 水资源与水工程学报, 2013,(6):43-46.

[13] 沈 富, 哈 婷, 李建设, 等. 痕量灌溉管不同埋深对日光温室沙培黄瓜的影响[J]. 广东农业科学, 2014,(23):26-30.

[14] 沈 富, 刘宏久, 李建设, 等. 痕量灌溉技术在日光温室西葫芦栽培上的应用研究[J]. 湖北农业科学, 2016,(2):381-384.

[15] 唐存士, 师庆东. 痕量灌溉管埋深对披碱草密度、高度和生物量的影响[J]. 节水灌溉, 2015,(10):9-11,18.

[16] 薛万来, 牛文全, 罗春艳, 等. 微润灌溉土壤湿润体运移模型研究[J]. 水土保持学报, 2014,(4):49-54.

[17] 薛万来, 牛文全, 张子卓, 等. 微润灌溉对日光温室番茄生长及水分利用效率的影响[J]. 干旱地区农业研究, 2013,(6):61-66.

[18] 牛文全, 张 俊, 张琳琳, 等. 埋深与压力对微润灌湿润体水分运移的影响[J]. 农业机械学报, 2013,(12):128-134.

[19] 于秀琴, 窦超银, 于景春. 温室微润灌溉对黄瓜生长和产量的影响[J]. 中国农学通报, 2013,(7):159-163.

[20] 褚丽妹, 葛 岩, 潘兴辉, 等. 苹果树微润灌溉技术试验研究[J]. 节水灌溉, 2012,(4):30-31,36.

[21] 何玉琴, 成自勇, 张 芮, 等. 不同微润灌溉处理对玉米生长和产量的影响[J]. 华南农业大学学报, 2012,(4):566-569.

[22] 陈天博, 王铁良, 李 波. 温室微润灌秋冬茬番茄适宜灌溉制度研究[J]. 节水灌溉, 2013,(6):40-42.

[23] 魏镇华, 陈 庚, 徐淑君, 等. 交替控水条件下微润灌溉对番茄耗水和产量的影响[J]. 灌溉排水学报, 2014,(Z1):139-143.

[24] 张子卓, 张珂萌, 牛文全, 等. 微润带埋深对温室番茄生长和土壤水分动态的影响[J]. 干旱地区农业研究, 2015,(2):122-129.

[25] 田德龙,郑和祥,李熙婷. 微润灌溉对向日葵生长的影响研究[J]. 节水灌溉, 2016,(9):94-97,101.

[26] 张 俊, 牛文全, 张琳琳, 等. 微润灌溉线源入渗湿润体特性试验研究[J]. 中国水土保持科学, 2012,(6):32-38.

[27] 牛文全, 薛万来. 矿化度对微润灌土壤入渗特性的影响[J]. 农业机械学报, 2014,(40:163-172.

[28] 张子卓, 牛文全, 许 建, 等. 膜下微润带埋深对温室番茄土壤水盐运移的影响[J]. 中国生态农业学报, 2015,(9):1 112-1 121.

[29] 谢香文, 祁世磊, 刘国宏, 等. 地埋微润管入渗试验研究[J]. 新疆农业科学, 2014,(12):2 201-2 205.

[30] 张 俊, 牛文全, 张琳琳, 等. 初始含水率对微润灌溉线源入渗特征的影响[J]. 排灌机械工程学报, 2014,(1):72-79.

[31] 汤 英, 杜 历, 杨维仁, 等. 果树微润灌溉条件下土壤水分变化特征试验研究[J]. 节水灌溉, 2014,(4):27-30,34.

[32] 李朝阳, 夏建华, 王兴鹏. 低压微润灌灌水均匀性及土壤水分分布特性[J]. 节水灌溉, 2014,(9):9-12.

[33] 张珂萌. 微灌技术要素对土壤水分运动影响的数值模拟[D]. 陕西杨凌：西北农林科技大学, 2015.

[34] 陈高听, 郭凤台, 王利书, 等. 基于HYDRUS的微润灌溉线源入渗数值模拟[J]. 人民黄河, 2016,(4):144-148.

[35] 张国祥, 赵爱琴. “痕量灌溉”理论支撑与技术特点的质疑[J]. 农业工程学报, 2015,(6):1-7.

[36] 张志新. “痕量”无法灌溉----对“痕量灌溉”的思考[J]. 农业工程学报, 2015,(18):1-4.

[37] 谢香文, 祁世磊, 刘国宏, 等. 灌溉水泥沙量及粒径对微润管出流的影响[J]. 灌溉排水学报, 2014,(6):38-40.

[38] 祁世磊. 低压微润带出流、入渗及抗堵塞性能试验研究[D]. 乌鲁木齐：新疆农业大学, 2013.