地面节水灌溉技术研究现状及发展趋势

张继伟

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150071)

0 引言

水资源短缺、水资源利用效率低是限制社会发展、工业进步及农业可持续发展的主要条件，水资源在社会发展中起着决定性作用[1]。据2021年统计，我国水资源总量约为29 040亿m3，其中，仅农业灌溉用水量就高达302亿m3，但是农田水资源利用率仅为52.95%,而发达国家的农业水资源利用率高达80.2%以上。根据相关数据统计预测，我国人口在2030年将达到16亿，粮食需求将增加到6.4亿～7.3亿t左右，根据我国目前农业发展要求，为了满足粮食需求，农业灌溉面积应该发展至0.6亿hm2左右，根据现有的农业灌溉用水量，预计在2030年农业灌溉用水量将达到6 500亿m3[2]。水资源短缺、水资源利用效率低、水资源时空分布不均等都成为限制我国农业可持续发展的主要因素。因此，大力发展农业节水灌溉技术是保证农业稳步发展及国家粮食安全的重要保证条件之一。

1 地面灌溉技术的发展要求

随着目前水资源紧缺、能源利用率较低、技术水平受限、经济实力较弱及农业生产地区管理技术水平发展不完善等现实问题，大面积推广先进的微灌技术、滴灌技术、加气灌溉技术及再生水灌溉技术受限，因此，在农业发展过程中应继续加强田间水利工程设施的建设力度。加强地面灌溉技术，主要发展要求如下。

1.1 平整土地，设置合理的灌水技术参数

对农业灌溉区域进行土地平整是提高农业灌溉效率、减少地表径流及缩短灌溉时间的基础条件。在土壤平整的基础上，进行田间水利工程技术参数的改革与优化。如，划长畦为短畦，改宽畦为窄畦，设计合理的畦灌沟参数及灌水流量，达到提高田间灌溉均匀度及灌溉效率的目的。但是由于目前我国农业生产区域较为广泛，农业生产地形包括平原、山地、丘陵，土壤质地类型较多，因此难以应用统一的水利灌溉参数与运行机制，应根据不同地区的实际生产情况进行区域实验后，通过实验结果或计算机模拟设置合理的田间水利灌溉参数。

1.2 改进地面灌溉方式，发展局部湿润灌溉方法

改进传统地面灌溉模式，实行局部湿润灌溉方法，减少田间蒸发损失，提高田间水分利用效率，局部湿润还可以减少由于灌水量较高造成土壤通气性下降，局部湿润有利于提高土壤充气孔隙度及通气性，提高作物根系呼吸效率，促进根系生长，提高根系对土壤水肥的利用效率，在促进作物增产的情况下实现节水。相关实践研究表明，通过对玉米进行交替灌溉，地面湿润面积可以降低50%～70%，节水效率提高30%～50%，作物增产幅度在5%～15%[3]。

1.3 发展间歇灌溉方法，改进沟畦灌溉设施

间歇灌溉又称为“波涌灌溉”，间歇性灌水方式保证水流呈现“波涌”推进，在土壤表层形成一层水分封闭层，水流前进距离提高1～3倍左右，减少水分的深层渗漏，提高田间灌水均匀度。改进沟畦灌溉设施主要是采用虹吸管替代人工灌溉，提高田间水分利用效率，但是需要对相关设施材料进行进一步的深入研究，逐步完善技术标准，实现技术的推广与应用。

1.4 发展节水保墒膜上灌溉技术

膜上灌溉技术是在地膜覆盖技术的基础上发展起来的一种新型地面节水灌溉方式，是将地膜平铺于畦中，通过地膜进行输水，通过放苗孔及专业灌水孔进行作物灌溉，属于局部灌溉方式，目前在新疆、甘肃、河南等地区开始广泛推广，在棉花、玉米及蔬菜等农业生产领域进行广泛应用。

2 传统地面灌溉技术类型

2.1 畦灌

畦灌是将农业生产试验区划分成多个狭长的小地块，灌溉水从毛渠放入畦中以薄层水流动，流动过程中逐渐渗透湿润土壤，包括顺畦灌与横畦灌。

与传统大水漫灌技术相比，畦灌技术可以减少深层水分渗漏，提高田间灌溉均匀度，促进作物生长，提高作物产量等优势，但是，由于畦灌技术在土壤表面形成“水层”，容易造成土壤板结，降低土壤通气性与土壤孔隙度。畦灌参数主要受到土壤质地、供水情况、地面坡度等因素的影响，主要技术参数包括畦田长度、畦灌流量、灌水量及灌水时间。畦田长度受地面坡度及土壤平整度的影响，土壤通气性较差时，应该减少畦灌流量及畦田长度。畦田宽度主要受到地形、土壤质地及机械耕作要求，一般为2～3 m，最宽不应该超过4 m。

2.2 沟灌

沟灌主要是指在作物种植行间开挖灌水沟，灌溉水进入沟渠后，在水分流动过程中借助毛细管作用浸润土壤，由于沟灌中仅在灌水沟中存在灌溉水，因此有利于保持土壤理化结构，不会造成土壤板结，但是由于需要进行挖沟，因此需要耗费大量的劳动力。

沟灌适用于宽行距作物，如玉米、棉花、高粱等。灌水沟的间距参数主要与土壤质地有关，一般在轻质土壤中的灌水沟间距较小，一般在50～60 cm左右，在重质土壤中的灌水沟间距较宽，一般在70～80 cm左右[4]。

2.3 淹灌

淹灌又被称为“格田灌”，是指在田间作物种植区域内，用较高的土埂筑造成分隔的格田，一次性引入较多的灌水量，在格田中形成一定厚度的水层，灌溉水借助自身重力作用使土壤湿润，一般适用于水稻及盐碱地冲水灌溉，在旱作作物中严禁使用。

3 节水型地面灌溉技术类型

3.1 节水型畦灌技术

3.1.1 小畦灌溉技术

小畦灌溉技术又被称为畦田“三改”技术，即长畦改短畦、宽畦改窄畦、大畦改小畦，可以提高农业灌溉效率，提高田间灌水均匀度，促进作物高产节水技术的并行发展。目前，小畦灌溉技术是我国北方应用最为广泛的地面灌溉技术之一。主要优势如下。

1)节约用水。在小畦灌溉技术下可以通过缩短畦田长度，减少灌水量，实现小额灌水量，实现节水20%～40%左右。

2)提高田间灌溉均匀度。在小畦灌溉技术下，水流较短且集中，小额灌水量易于控制，水分入渗较为均匀，可以避免土壤“积水”现象，灌水均匀度可以达到85%以上。

3)减少水分深层渗漏。可以提高田间水分利用效率，相关实践研究证明，当畦田长度在30～60 m左右，不会出现水分深层渗漏的现象。

3.1.2 长畦分段灌溉技术

长畦分段灌溉技术又被称为“长畦短灌”，主要是将一条长畦田分成若干个短畦田进行灌溉。长畦分段灌溉技术畦田宽度可以达到5～10 m，长度可以达到200 m左右，具有节水、省地、地形适应性较强、易于大面积推广等优点。

3.2 节水型沟灌技术

节水型沟灌技术主要为细流沟灌技术，是指利用软管从灌水沟重开一条小口，将灌水沟内的水分通过小口进行土壤浸润的方法，主要灌溉模式如图1所示。由于灌水沟内水浅，水流速度较慢，主要借助毛细管进行土壤浸润，湿润范围较小，有利于保持土壤结构，减少土壤板结，可以减少灌溉水的无效蒸发，提高灌溉均匀性，而且深度较大，有利于土壤保墒。

图1 节水型沟灌模式示意图

3.3 增氧渗灌技术

增氧渗灌技术是目前应用最为广泛的田间节水灌溉技术，可以显著提高水分、养分利用效率，实现精准灌溉与施肥。但是，灌溉水分入渗会驱替土壤孔隙中的空气，导致土壤出现周期性的滞水，造成土壤通气性下降，土壤氧气含量降低，作物有氧呼吸受到影响，根系呼吸速率降低，造成根系对土壤中的水分和养分吸收利用效率下降。如果根系长期处于厌氧环境或得不到足够的氧气，根系对水分和营养物质的吸收下降，也会改变植物的激素水平和酶活性，阻碍光合作用，限制营养器官的功能，植物地上部分则表现为叶片萎缩，作物鲜重和干重显著下降，最终导致作物产量和品质的下降，成为农作物高产的主要限制条件。

增氧渗灌技术是在渗灌的基础上，采用文丘里装置将空气以微气泡的形式掺入灌溉水中，提高灌溉水中O2含量，提高土壤中植株根系的呼吸速率，可以有效促进农作物植株的生长，农作物达到丰产增收，农产品质量有所提高(表1)。

表3 不同作物增氧渗灌研究进展

4 结论

地面灌溉技术是我国目前农业灌溉的主要方式之一，面对水资源短缺及利用效率低下等问题，开展节水灌溉技术的研究对于稳定我国农业可持续发展具有重要意义。本研究系统阐述了目前应用最为广泛的地面灌溉技术发展模式，并系统分析了传统地面灌溉方式的节水改革方法与研究进展，研究结果对于推动我国农业可持续发展，保证我国粮食安全具有重要意义。