喷灌技术在祁连山东端干旱半干旱区造林中的应用试验

王锋，王惠，宋喜功

(甘肃省天祝藏族自治县华藏林场，甘肃 武威 733200)

水是林业的命脉，有水则有林，无水则无绿，然而在林业发展中，水对植被恢复中造林的影响尤其明显。在祁连山东段供水设施的不足，使得在植被恢复中的发展后劲乏力，未来能造林的地块可能会逐渐减少，适宜造林的地块无法进行规划造林。地处干旱半干旱的特殊地理特征，在灌溉技术水平较为低下的情况下，本试验采用喷灌技术对植被恢复中的造林地条件进行了研究。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于天祝县华藏林场水泉子和墩子洼，距县城2 km，海拔2 410～2 570 m，土壤以山地栗钙土为主，兼有灰褐土，土层厚度30～100 cm。气候属大陆性高原季风气候，具有昼夜温差大、气温低、光照不足，生长期短，年降水少且分布不均等特点。根据该地区气象站的资料可知，区域年平均气温1 ℃左右，极端最高气温31.3 ℃，极端最低气温-24.3 ℃，日照时数2 600 h，年降水量450 mm左右，且多集中在7—9月，约占全年降水的70%，年蒸发量1 443 mm，最大冻土深度149 cm，多年平均无霜期160 d。

1.2 固定式喷灌设计

1.2.1 试验原理 依据水源区位置和山体走向因地制宜地进行设计。在水源区适当位置沿分支山梁上山，在山梁顶再向各分支管道塑料管配水，再从主管道上适当位置引出钢管支管道上山，喷灌单元区适当位置再向各喷灌单元输水塑料管道配水，利用重力流产生的压力水头驱动喷头工作。为降低高寒、干旱、冻土层等自然因素对管网以及其他附属设施的影响，可以利用地形的起伏落差，设置管路系统，但管道仍需覆土浅埋于地下，在每条支管道末端以及地形起伏的低洼处均设置排水阀，待冬灌结束后排空管道，以防止冻裂现象的发生。

1.2.2 喷灌类型的选择 喷灌系统一般分为固定式喷灌系统、半固定式喷灌系统、小型机组式、绞盘式喷灌机和大型平移或时针式喷灌机共五种形式。由于本次试验我们使用喷灌次数多，设置区域均在山坡地上，无法实现移动，所以比较他们各自的特点、使用价值和设置喷灌区域的立地条件，我们选用固定式喷灌系统。这种喷灌系统具有固定的泵房，阀门设备、管道都埋在地下，虽然投资较多，但节省人工、水量，从长远看是比较经济实用的。

1.2.3 灌溉需水量的确定

(1)设计灌水定额计算公式[1]

m=0.1×γh(β1-β2)/η

式中：m—设计灌水定额(mm)；γ—土壤容重(g•cm-3)；h—计划湿润层深度(cm)；β1—适宜土壤含水量上限(质量百分比)；β2—适宜土壤含水量下限(质量百分比)；η—喷洒水利用系数。

试验区作物γ为1 g•cm-3[2]，h为30 cm,β1取25.7%，β2取54.7%[3]，η取0.7[4],故m=0.1×1×30×(0.5-0.2)/0.7=128.5 m3•h-1。

根据轮灌组划分情况分别确定各级管道流量，分支管道各段流量根据所控制喷头数量确定，范围在13.9～128 m3•h-1。每条支管道控制8～9个喷头。

(2)灌水强度

①允许喷灌强度。根据《喷灌技术工程规范》(GB/T50085-2007)中“各类土壤的容许喷灌强度”的规定沙壤土的喷灌强度为15 mm•h-1[1]，考虑到本项目区地形的自然坡度等因素，按照《喷灌技术工程规范》中“坡地允许喷灌强度降低值”规定，降低40%的强度，故选用9 mm•h-1的喷灌强度。

②喷洒强度的计算

ρs1=1 000q/πR

式中：q为喷头的喷水量，q=10 m•h-1，R为射程(m),R=32 m,ρs1=(1 000×10)/(3.14×322)=3.11 mm<9 mm满足。

(3)雾化指标

根据《节水灌溉工程实用手册》[5]作雾化指标规定，牧草、饲料作物、草坪及绿化林木中喷头的雾化指标在2 000～3 000 mm。

WP=hp/d

式中：WP为雾化指标，hp为喷头工作压力水头40 m；d为喷头主喷嘴直径16 m。

WP=(350×100)/16=2 187<3 000。

1.2.4 喷头的选择 喷头的选取和喷灌强度有直接关系。[6]经方案比对，如果选用小型喷头，虽然有利于提高灌水质量，但喷头的数量和支管道的数量将成倍增加。喷头的数量较多，不利于管理，且装卸工作量增加，同时设备损坏的概率也会增大。本喷灌工程灌溉对象为林草，对灌水均匀度、喷头雾化指标的要求低于农作物的要求。选用大流量远射程喷头，可以减少喷头和配水管道的数量，利于节省投资，降低运行成本，选用ZY-3S摇臂式2喷嘴全圆合金喷头，工作压力30～50 m,喷洒半径26～38 m，喷头流量9.23～25.09 m3•h-1,接口尺寸1.5寸。本试验设计工作压力取40 m,设计喷洒半径取32 m,设计流量取15 m3•h-1。

1.2.5 喷头的布置 为了保证喷洒均匀度，本次喷头设计采用梅花形布置方式，也就是正三角布置方式。喷头间距55.4 m,喷头行距47.95 m。

1.2.6 试验设计 在首次试喷成功的墩子洼喷灌区域内，设置面积为20 m×20 m的样地7个，分别设置喷灌喷洒区(A)、人工浇灌区(B)和喷灌对照区(C)。喷灌试验从5月份开始，每月喷施3次。在8月份对样地内的目的树种和灌草的生长变化做调查，并分析比较纪录的树种、盖度、高度等因子。

2 结果与分析

2.1 喷灌效果分析

表1 样地内的目的树种调查结果

表2 样地内的灌草调查结果

由表1看出，在喷灌工程建成前，云杉的年平均生长高度为8.5 cm，人工浇灌云杉年平均生长高度为17.5cm，喷灌工程建成实施后，样地内云杉的年平均生长高度为18.7cm以上；由表2可知，在喷灌工程建成前，灌草的平均覆盖度为25%，人工浇灌后的灌草覆盖度平均为35%，喷灌工程建成后，样地内灌草的覆盖度平均为79%。未使用喷灌技术前灌草植被稀疏，使用喷灌后灌草植被生长茂盛，生态环境得以恢复。

2.2 喷灌工程成本计算

通过研究在目前运行的水泉子、墩子洼的四片喷灌区域中，对喷灌成本造价进行比较，结果表明：

由于喷灌工程是分期完成的，所以水泉子喷灌工程分别在2013年和2014年完成：2013年覆盖面积33.3 hm2，总造价86.6万元；2014年度完成覆盖面积33.3 hm2，总造价66万元。2016年又在此基础上延伸13.3 hm2，总造价为38万元。

墩子洼喷灌区的总投资造价为120万元，平均造价为15 000元· hm-2。

4 结论

喷灌技术试验是祁连山东端干旱半干旱区植被恢复造林系列技术研究之一，结果表明，喷灌工程建成后，试验区目的树种—云杉的年平均生长高度比自然生长对照样地内的云杉高度增加了1.2 cm；灌草植被的覆盖度比对照样地内灌草覆盖度平均提高54个百分点。使用喷灌后，造林区内测定林草植被的各项因子有明显的提升，生态环境有了很大的改善。通过对水泉子和墩子洼两个喷灌区域的成本计算得知，在立地条件和建设条件相对容易的墩子洼喷灌区造价为1 000元，在立地条件相对困难的水泉子喷灌区造价在1 320～1 900元，再综合所有的实施地点造价为1 488元。喷灌技术在具备水源的条件下，在祁连山干旱半干旱区的植被恢复造林中具有一定的推广价值。

：

[1] 中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检疫检验总局.喷灌工程技术规范[M].北京：中国计划出版社，2007

[2] 许宫堂，李元武，许开胜，等.石羊河流域水源涵养区不同立地类型土壤水分物理性质分析[J].农业科技与信息,2009(20):30-31

[3] 赵维俊.雷蕾.刘贤德，等.祁连山东段青海云杉林土壤理化特性研究[J].水土保持通报.2011，12(6):72-75

[4] 张燕，高峰.天祝藏族自治县循环经济初论[J].社会纵横，2008,23(5)：31-33

[5] 中华人民共和国农村水利司，中国灌溉排水发展中心.节水灌溉工程实用手册[M].北京：中国水利水电出版社，2005

[6] 中华人民共和国水利部.节水灌溉工程技术规范[M].北京：中国计划出版社，2012