广西“双高”糖料蔗基地高效节水灌溉技术应用实践

2020-05-09阮清波

广西水利水电 2020年2期

姚瑶，阮清波

（广西水利科学研究院广西水工程材料与结构重点实验室，南宁 530023）

0 引言

糖料蔗生产作为广西农业生产的优势特色产业，现已发展成为广西经济的支柱产业和农民增收的重要载体。2005年以来，其甘蔗种植面积和产糖量均占全国总产量的60%以上[1～3]，其中有33个县（市、区）被国家农业部列为糖料蔗优势区域和国家重点“双高”糖料蔗基地[4，5]。另外，糖料蔗生产年均贡献30多亿元税收，对促进广西经济社会发展、推动脱贫攻坚、保障民生具有重要作用[6]。

然而，糖料蔗总产的增加仍过多地依靠种植面积的扩大来取得，农村基础设施薄弱，存在很多问题。一是水利化程度低。70%以上蔗地没有灌溉条件，70%以上的年份受到秋旱的影响[7]；二是蔗区道路等级低，路网不健全。部分蔗区自然屯较为分散，土地零星小块，多为旱地、山坡地，蔗区运距较远、路况较差[8]。因此，对于在广西全区占有重要地位的糖料蔗生产而言，节水灌溉是生产过程中增加产量和节约用水的有效方法和必然选择[9]。由于蔗区大部分分布在丘陵坡地上，传统渠道灌溉难以适用，需要大规模发展高效节水灌溉[10，11]。通过这种方式，糖料蔗亩均产量可提高2～3 t，不仅能促进农民增产增收，还能推进农业现代化发展，做强做大做优广西蔗糖产业，保障广西工业及国民经济快速发展[12，13]。

为避免蔗糖产业依赖国际市场的风险，确保国家食糖安全[14]，广西壮族自治区党委政府于2013年提出到2020年前建成500万亩“经营规模化、种植良种化、耕作机械化、水利现代化”的优质高产高糖（简称“双高”）糖料蔗基地任务，并于2014年初开始50万亩试点建设。

本文以“双高”基地高效节水灌溉建设项目为依托，总结多年节水灌溉实践的经验和教训，提出了在高效节水灌溉条件下糖料蔗“润、湿、透、干”的科学灌溉方案和满足山丘坡地灌水均匀性要求的“分区调控、小水慢灌”的技术控制模式，为广西糖料蔗产业的可持续发展及山丘坡地灌水制度的优化选择提供科学依据和技术支持。

1 广西蔗区分布及现状

1.1 蔗区分布

广西糖料蔗种植高峰时涉及94个县（市、区），总种植面积达1650万亩，目前糖料蔗种植面积为1 548.91万亩，涉及14个地级市的74个县（市、区）、168.12万农户、752.55万蔗农（劳动力）。糖料蔗区主要集中分布于来宾、南宁、柳州、崇左等桂中旱片和左江旱片，其中，兴宾区、江州区、扶绥县3个县（区）糖料蔗种植面积均超过100万亩，原料蔗产量均超过500万t。

1.2 发展现状与不足

（1）种植片区碎片化。在1 548.91万亩糖料蔗区中，种植面积在300亩以上的片区共有1 034.08万亩，种植面积在300亩以下的片区为514.83万亩，户均糖料蔗种植面积9.21亩。其中单户拥有蔗地50亩以上的农户仅有3.12万户，蔗区面积共161.99万亩，约为总蔗区面积的10%。劳动力人均占有糖料蔗区面积仅2.06亩，一家一户分散经营种植是当前广西糖料蔗区生产的主要特点。

（2）土壤保水保肥能力差。广西糖料蔗区属砂土的蔗区面积为335.26万亩，属壤土的蔗区面积为735.45万亩，属粘土的蔗区面积328.45万亩，属土层较薄的岩溶地面积为149.75万亩，属砂、壤土的蔗区面积总为1 070.71万亩、约占蔗区总面积的70%。蔗区土壤pH值为5.0～5.5之间，有机质含量中等偏低，有效磷、有效钾缺乏，多数土壤母质含钾量偏低，土壤淋溶强烈。

（3）山丘坡地灌溉难。广西糖料蔗区耕地坡度在15°以下的共有857.05万亩，在15°以上的为691.86万亩，大部分糖料蔗种植在旱坡地、低山丘陵区，传统的渠道灌溉对地形地貌起伏变化适应性差，工程建设投资大、运行管理成本高，导致水利灌溉设施建设严重滞后，目前建有灌溉设施的蔗区面积仅占总种植面积的6.36%。

（4）机械化程度低。由于种植片区碎片化，条块分割，一家一户的经营方式使甘蔗种植具有相当的随意性，不能有效进行统一连片种植，致使耕作、砍收机械无法作业或作业效率低下，高效节水灌溉优势不能有效发挥，影响了高效节水灌溉和全程机械化作业的推进进程。

2 节水灌溉工程建设与技术发展

2.1 工程建设标准

广西于2013年7月决定开展“经营规模化、种植良种化、耕作机械化、水利现代化”的“双高”糖料蔗基地建设，并于2014年初正式开始实施，为适应山丘坡地规模化糖料蔗高效节水灌溉建设需要，自治区水利厅及时组织相关单位和技术人员配合自治区“双高”办制定“双高”糖料蔗基地水利现代化（高效节水灌溉）建设标准和系统布置要求，并出台了《糖料蔗高效节水灌溉工程设计导则》广西地方标准。主要应用有以下几点：

（1）灌水方式选择。滴灌、喷灌等田间灌溉工程和水肥一体化建设须与“双高”基地经营主体管护能力相适应，如通过土地流转由制糖企业、专业种植公司等统一经营管理的蔗区，可选择微灌、喷灌，实现水肥、水药一体化；分散农户独自管理的蔗区，宜采用管灌或半固定式喷灌方式，如需利用管道输水结合施肥、喷药，可在给水栓后接软管浇灌。

（2）工程输配系统划分。输水系统和配水系统宜分开布置，有条件修建高位水池的尽量采用高位水池方式输水，分区分压设置调蓄水池，将工程分为输水、配水两个相对独立的系统；当调蓄水池为完全调节时，其容积应满足系统作物一次关键灌水的要求；无调蓄作用的水池，其有效容积取2～4 h的用水量。

（3）田间灌溉系统。灌溉面积较大的蔗区宜划分为多个片区，每个片区作为一个灌溉控制系统，由一个田间首部控制，每个灌溉控制系统控制的灌溉面积宜控制在65～130 hm2；每个灌溉控制系统按“分区—单元系统—灌水小区”3个层次进行规划，每个分区再分为数个单元系统，单元系统分为数个灌水小区，每个灌水小区由阀门控制，为轮灌控制的最小单元。①微灌、喷灌手动控制时，一个灌水小区控制的面积宜为1.5～2.0 hm2；单口给水栓灌溉面积宜为0.25～0.60 hm2；②管灌应达到190～250 m/hm2，固定式喷灌应达到300～450 m/hm2，滴灌、微喷灌应达到100～150 m/hm2。

（4）灌水器的选择。一般滴头宜选用间距为0.3～0.4 m、滴头流量小于2.8 L/h；滴灌管（带）的设计水头宜为5～10 m、微喷管（带）的设计水压宜为10～15 m；喷灌中压喷头出水水压宜为20～50 m；管灌给水栓出水水压宜为5～10 m，出水口管径规格宜在90 mm以内。

（5）阀门的布置与选择。支管以上各级管道的首端宜设控制阀，在干、支管的末端应设冲洗排水阀，地埋滴灌的支管控制阀后应设置真空破坏阀，在管道起伏的高处、顺坡管道上端阀门的下游、逆止阀的上游，均应设进、排气阀；对于自动灌溉系统应在支管进口处安装电磁阀；在地埋管道的阀门处应设阀门井。

2.2 灌溉制度探索

2.2.1 蔗区水分运移规律及灌水指标

（1）在滴灌条件下，不同类型土壤湿润体形状和水分分布差异明显，其中：黏土、粉质粘土宽深比大于1，土壤水分集聚在上部土层，生育初期径向湿润距离约为20 cm，生育旺盛期径向湿润距离约为30 cm；粉沙质粘壤土、壤质砂土宽深比在0.6～0.8，生育初期径向湿润距离约为15 cm，生育旺盛期径向湿润距离约为25 cm；地埋滴灌条件下滴灌带适宜埋深为20 cm；利用这些特征数据指导日常灌水管理。广西糖料蔗区推荐使用滴头流量为1.36 L/h及以下、滴头间距为30 cm的滴灌带，黏土、粉质黏土、粉沙质黏壤土和壤质砂土蔗区，地表滴灌生育初期适宜的亩均灌水量约为6.71、5.67、5.50、4.79 m3/亩，生长旺盛期适宜的亩均灌水量约为12.46、10.39、8.50、6.71 m3/亩。

（2）在喷灌、微喷灌等面源灌溉条件下，黏土、粉质黏土、粉砂质黏壤土、壤质砂土等糖料蔗区，糖料蔗生育初期适宜的灌水量分别推荐使用13.3、11.0、10.0、8.0 m3/亩，生长旺盛期适宜的灌水量分别推荐使用20.0、16.7、15.0、13.3 m3/亩。对坡耕地蔗区，地面坡度5°～8°时推荐适宜灌水强度为9～16 mm/h，地面坡度9°～12°时推荐适宜灌水强度为7～12 mm/h，地面坡度13°～15°时推荐适宜灌水强度为6～10 mm/h，黏性较强的土壤取下限，黏性较弱的土壤取上限。

2.2.2 灌溉模式研究

（1）需水量及需水规律研究表明：①广西糖料蔗主产区糖料蔗生长的需水量在900～1400 mm之间，其中，萌芽、幼苗期占10%～14%，分蘖期占14%～24%，伸长期占53%～63%，成熟期占9%～13%；②糖料蔗灌溉属补充灌溉，湿润年补充灌溉定额在180～260 mm之间，平水年在340～580 mm之间，枯水年在660～760 mm之间；③糖料蔗需水量，在生长前、后期两头较低、中间伸长期较高，整体上呈“单峰”曲线的趋势变化；④糖料蔗需水系数在89～116之间，水分生产率在8.6～11.2 kg/m3之间；⑤针对广西糖料蔗区，不同灌溉方式的灌溉定额推荐采用：滴灌约150 m3/亩，微喷灌、小管出流约250 m3/亩，沟灌400～600 m3/亩。

（2）“润、湿、透、干”糖料蔗科学灌溉模式是指：①在萌芽期和幼苗期，要求土壤保持“润湿”的状态，土壤含水量占田间持水量60%-70%，湿润层深度保持在20～25 cm，保证糖料蔗种苗萌发；②在分蘖期，蔗田尚未完全封行，土壤表面蒸发量大，土壤干旱会抑制分蘖，要求土壤保持“湿润”的状态，土壤含水量占田间持水量70%-80%，湿润层深度保持在25～30 cm，亩有效苗数达到6000～7000株；③ 在伸长期，叶面蒸腾量、根系吸收能力等均达到最大，要求土壤保持“湿透”的状态，土壤含水量占田间持水量80%～85%，湿润层深度保持在35～40 cm，保证蔗株伸长和增粗；④在成熟期，水分需求减弱，要求土壤保持较低水分状态，土壤含水量占田间持水量55%～65%，湿润层深度保持在25～30 cm；⑤滴灌灌溉全生长期适宜灌水9～14次，其中在萌芽期和幼苗期灌水1～2次，每次灌水3～5 m3/亩，在分蘖期灌水2～3次，每次灌水4～6 m3/亩，在伸长期灌水4～6次，每次灌水6～8 m3/亩，在成熟期灌水1～2次，每次灌水2～4 m3/亩，砍收后一周灌水1次，灌水2～4 m3/亩，以促进宿根蔗芽次年萌发。

2.3 管网布控技术

基于全程机械化的生产要求和山丘坡地糖料蔗高效节水灌溉管网布置起伏较大的特点，实践中提出了与不同坡度条件下满足全程机械化和“宽窄行”种植要求的滴灌、喷灌等灌溉方式相适宜的管网布控技术，相应配套支管调压装置、有利于机械化耕作的地埋滴灌系统和地埋滴灌系统调压防堵装置，为保障山丘坡地蔗区灌水均匀性提供技术支撑。

（1）为契合全程机械化生产要求，滴灌带铺设长度可达到100～120 m，铺设坡度采用顺坡坡比为0.01～0.03。

（2）为满足灌水均匀性要求，要同时合理控制支管长度和管径：①当支管铺设坡度小于5°时，支管长度为80～100 m；②当支管铺设坡度为5°～7.5°时，支管长度为100～60 m之间按照坡度内插确定；③当支管铺设坡度为7.5°～10°时，支管长度为60～26 m之间按照坡度内插确定，并按照管道流速不超过3.0 m/s选定支管管径；④当支管铺设坡度大于10°时，则需采用压力补偿式滴灌带或开发新型调压设施设备才能确保支管的铺设长度超过25 m。

（3）根据喷灌田间管网布设受耕地坡度的影响研究，提出坡耕地喷头布设模式：①当耕地坡度为0°～5°时，宜选择PY30、PY40、PY50及类似性能的喷头，喷头间距系数宜为1.0左右；②当耕地坡度为5°～10°时，宜选择PY40、PY50及类似性能的喷头，喷头间距系数宜为0.81～0.85；③当耕地坡度超过10°时，虽然喷头间距满足机械化的要求，但是喷灌强度较大，应进行坡改梯。

（4）研发应用支管压力调节装置、有利于机械化耕作的地埋滴灌系统和地埋滴灌系统调压防堵装置。

2.3.1 丘坡地支管调压装置

该装置通过改变管道水力条件造成的局部水头损失，消减地形坡度引起的支管压力升高，确保支管压力均匀分布，实现山丘坡地滴灌系统支管压力调节的目的，该装置的结构见图1所示。

图1 山丘坡地支管调压装置构造示意图

实践证明，按照目前田间管网单元通用的布设模式，顺坡坡度10°时，在支管适宜的位置安装支管调压装置，能将支管内的水头压力控制在适合的范围内（见图2），满足支管调压要求，且装置日常维护简单。

图2 坡度为10°调压后田间管网压力水头变化情况

2.3.2 有利机械化耕作的地埋滴灌系统

地埋滴灌田间灌水单元一般由田间首部、支管、滴灌管、排污管构成。该系统主要是采用供水支管替代传统排污管，从传统一条供水支管、两边分别布设一条排污管的形式，改变成由三条供水支管向两组滴灌管供水，滴灌管的首尾两端均与供水支管相连（见图3）。同时在输水干管与输配水管网连接处附近旁接快速释压阀和回水管道，将输配水管网入口安全允许压力值，设定为快速释压阀泄压阀值，保护管网安全。

图3 田间灌水单元供水支管、滴灌带布设模式示意图

该系统在保证灌水均匀度和不增加工程投资的基础上，将滴灌管的长度增加一倍，即滴灌管长度可从100 m左右提高到200 m左右，田间灌水单元沿滴灌管方向的长度从200 m左右提高到400 m左右，滴灌带压力分布情况见图4，大幅减少机械耕作时调头次数和调整作业状态的频次，比传统布置更利于机械化耕作。

图4 田间灌水单元滴灌带压力分布情况

山丘坡地支管调压装置12种标准型号见表1。

表1 支管调压装置12种标准型号

2.3.3 地埋滴灌系统调压防堵装置

该装置主要包括安全调压组件及防堵塞组件，从干管分出的支管装设球阀和蝶阀，两阀前、后各设一个空气阀（见图5）。蝶阀是为了进行调压，蝶阀的开闭度根据支管所在地的压力来确定，一旦调整到合理的程度，保持不变；球阀用来控制支管的灌溉与停止。阀门前的空气阀负责排除前面的空气，阀门后的空气阀负责补充停止灌溉后支管和滴灌管的真空，防止滴灌管内吸收细小颗粒堵塞滴孔；滴灌管末端连接到冲洗管上，将该支管上所有的滴灌管连接成一个整体，有助于该整体平衡压力，提高灌水均匀性。该装置调压效果明显，价格便宜，适合山丘区大规模推广，且对防止滴灌带倒吸细小颗粒进入滴孔有良好的效果。

图5 调压防堵装置示意图

2.4 辅助控制技术

为满足糖料蔗区高效节水灌溉管理多样化的需求，先后研发并推广应用具有过滤功能的前池或高位水池、旋流喷射式施肥池、喷灌竖管快速装拆连接装置、分布式灌溉施肥装置、简易灌溉给水栓、多功能光伏喷灌施肥（药）移动装置等辅助控制技术设备和设施，方便群众推广应用高效节水灌溉。

2.4.1 具有过滤功能的前池或高位水池

山丘坡地糖料蔗区高效节水灌溉系统输水管网与田间配水管网一般通过高位水池分隔，在该水池内设置过滤池（见图6和图7），通过初步过滤，能明显减轻过滤系统的负荷、延长过滤设备的使用寿命。

喷灌、微喷灌采用鹅卵石滤料组合（4～8 mm、8～16 mm各占50%），滴灌采用鹅卵石+石英砂滤料组合（0.5～1.0 mm粒径石英砂、2～4 mm粒径鹅卵石各占50%），可基本满足过滤要求。一般500亩蔗区分为10个轮灌组，每个轮灌组50亩，根据过滤速率及过滤效果，推荐喷灌工程选用过滤墙面积为6.23 m2，微喷灌工程选用过滤墙面积为6.00 m2，滴灌工程选用过滤墙面积为6.40 m2，各灌溉方式的过滤组合见表2。

图6 过滤装置平面示意图

图7 过滤装置剖面示意图

表2 过滤组合选型

2.4.2 旋流喷射式施肥池

该装置是基于充分利用首部枢纽加压水泵的压力，把水从管道的小孔中喷射而出，形成较强的旋流，加快肥料的溶解，提高施肥效率。该施肥池由进水溶肥池、过滤网和过滤池组成；池体由水泥砖砌筑而成，底部现浇砼；过滤网采用80目的滤网；喷射搅拌管采用DN50的PVC-U管制作成回型喷射管，采用打孔机在管道上打孔，将其安装在进水溶肥池内，并与系统进水管连接；过滤池与系统的出水管相连接，并安装有施肥泵和叠片过滤器，施肥泵优先选用不锈钢的管道泵，其扬程要比系统的加压泵大5 m以上，确保水肥溶液注入灌溉系统（见图8）。

回型喷射管的管径、喷射孔的孔径和喷射角对旋流效率影响较大，实践证明：①采用喷射孔越小，水流速度越快，产生的旋流越急，溶解效率越高；②采用DN50的PVC-U管，既能保持压力，又方便打孔；③喷射孔径分5 mm和10 mm，喷射角度分0°（即水平方向）、30°和45°，其中喷射角度为0°时溶肥效率最佳。

图8 旋流喷射式施肥池平面示意图

2.4.3 喷灌竖管快速装拆连接装置

广西“双高”农垦糖料蔗区采用固定式喷灌时，为减少喷头和竖管的投入并减少喷头和竖管（喷头和竖管合为一起在当地简称为喷杆）被耕作、砍收机械损坏，通常按轮灌要求轮换喷杆进行喷灌，连接部位容易损坏，实践中设计出一种可快速装拆喷杆的连接装置（见图9）。

图9 喷灌竖管连接示意图

该装置包括镇墩基础、镇墩、支管、地下竖管、地上竖管和喷头等组件，地上竖管通过法兰盘与地下竖管相连接，喷头安装在地上竖管的顶端，镇墩及其基础作为一个整体进行浇筑，提高镇墩的抗倾稳定性；法兰盘固定于地下竖管顶端和地上竖管底端，应用时通过法兰连接，达到快速连接的目的；维修时避免敲掉镇墩更换整段地下竖管，减少维修成本。

2.4.4 分布式灌溉施肥装置

该装置由文丘里施肥器（或施肥球阀）、施肥桶、叠片过滤器、空气阀和辅助管道等组成（见图10）。使用时连接于供水干管的分支管上，可实现各灌溉小区差别化施肥（药），适合分散经营的农户使用。

采用微喷灌分布式施肥装置时，选择与灌溉流量相匹配的文丘里施肥器（或施肥球阀）非常重要，实践中文丘里施肥器的选型见表3。

图10 分布式施肥装置示意图

表3 文丘里施肥器的选型

2.4.5 多功能光伏喷灌施肥（药）移动装置

广西糖料蔗区大多分布于山丘坡地上，开展高效节水灌溉建设时为避免按零星高地设计增加整个系统建设投资和运行成本，通常不考虑零星高地的灌溉问题。为满足零星蔗区灌溉需求，实践中研制出一种光伏喷灌及施肥（药）的移动装置。

该装置搭载于三轮车上，采用太阳能光伏板发电作为电源，需要移动或者喷灌时，直接启动电动机或水泵；如不需移动或者喷灌，同时太阳能辐射较强时，可将电存到蓄电池内，以供需要时使用，整个装置如图11所示，共装配750 W的太阳能光伏板，可供500 W水泵使用，选配2组60 V 400 Ah蓄电池。

图11 光伏喷灌及施肥（药）的移动装置示意图

实践证明，该装置在晴天上午9时可提水量0.87 m3/h，中午12时提水量达到2.81 m3/h，下午13时提水量为2.60 m3/h，下午16时降至1.60 m3/h，下午17时以后将不能提水，晴天平均总提水量为12.16 m3，可为10亩蔗区提供灌溉服务。

3 节水灌溉成效

3.1 经济效益

截至2016年底，广西已在江州、扶绥、兴宾、武鸣等32个“双高”糖料蔗基地推广高效节水灌溉126.79万亩。经抽样测产验收，地埋滴灌、地表滴灌、微喷灌、喷灌和低压管灌（淋灌）等不同灌溉方式的原料蔗亩均产量比传统雨养种植模式亩均增产约40%（超过2 t），含糖分平均增加5%～8%，按2016/2017榨季原料蔗收购价480元/t计算，亩均增收1123元（按亩均一次性投入2450元，按15年平均折旧，亩均每年投入200元），已推广的126.79万亩计算，年均可增收14.24亿元。

3.2 社会和生态环境效益

通过在糖料蔗区实施高效节水灌溉，除可改善蔗区的生产条件和提高单产、降低亩均生产成本外，还可推进糖料蔗区规模化生产经营，促进土地整合、流转，并推进全程机械化生产，大幅提高劳动生产率；有利于形成蔗糖产业集群、优势区，提升蔗糖产业的竞争力，保障国内食糖安全；通过土地整合、流转，调整落后的种植方式，增加农民收入；有利于提高蔗田化肥农药的施用效率从而减少施用量，大幅减少农业面源污染，改善蔗区生态环境。