温室膜下微喷灌溉技术研究进展

肖林刚,马 艳,宋兵伟,焦锐斌,邢剑飞

(1.自治区普通高校现代农业工程重点实验室,新疆阿拉尔 843300;2.新疆农业科学院农业机械化研究所,乌鲁木齐 830091;3.塔里木大学机械电气化工程学院,新疆阿拉尔 843300)

【研究意义】2019年我国温室面积达189.73×104hm2,占比超过80%,新疆约占60%,是温室大棚的主产区。温室年农业用水缺口超过300×108m2。新疆温室用肥量比大田单位面积高,肥料利用率还需提高[1]。使用节水滴灌由于滴灌的湿润体较小,土壤存在明显的干湿区域、易形成土壤次生盐渍化,不利于作物生长和土壤养分利用[2, 3]。新疆处于干旱半干旱区域,水质盐碱化,滴灌时过量冲施化肥会阻碍或限制当前温室滴灌的推广应用。研究高效节水灌溉技术对减少肥料用量和提高温室生产水资源的利用率具有实际意义。【前人研究进展】赵鹏[4]、李萍等[5]分别从节水灌溉技术应用和设备安装管理运行进行了探讨。宋克超等[6]在水资源配置和管理上开展了研究。李建民等[7-9]则从作物生长的角度研究了灌溉量和灌溉时间在农艺节水的表现。任灵通等[10]研究了 3 种灌溉定额分配模式中不同水肥管理措施对苜蓿生长规律的影响,明确苜蓿高效生长的水肥精确调控。也有研究对喷灌、微灌、滴灌和渗灌设备的各自性能和应用现状进行了分析[11,12]。满建国等[13,14]以小麦为对象,研究了微喷带的长度、喷射角度和土壤水分分布对小麦产量的影响。Home P G et al15]在秋葵灌溉方式的研究中发现,微喷带灌溉与传统畦灌相比,在保证品质和产量的情况下用水量可减少67.5～75.0 mm,土壤容重(0～30 cm土层)降低 0.20 g/cm3,且水分分布均匀。张明智[16]以设施番茄为研究对象,从农艺方面系统地分析了膜下微喷灌、膜下滴灌和微喷带灌溉的不同铺设方式对土壤和作物根系的影响,明确了温室膜下微喷灌溉对温室番茄灌溉管理技术和增产的机理。周斌等[17]对微喷带灌溉的水利特性进行了特征研究。谢楠[18]将膜下微喷灌溉技术应用于温室芹菜种植,通过芹菜耗水量、生长特性和产量研究发现,膜下微喷相较于沟灌节水增产效果显著。Li J S, Kawano H[19]认为微喷在作物的产量和水分利用效率上,土壤中水分分布均匀性要比地面上更为重要。【本研究切入点】相较于滴灌微喷灌湿润区更大,出水流量也较大,而微喷灌溉对盐分的淋洗和次生盐渍化的抑制作用鲜有报道,分析膜下微喷灌溉土壤水盐运移的研究进展,对解决土壤盐渍化问题有着重要意义。已有文献研究膜下微喷灌溉方式对设施作物土壤性状(含水率、总盐、土壤养分变化趋势)、作物生理指标、以及果实品质和产量的影响机理[20,21],需汇总分析膜下微喷灌溉对温室作物生长特性和土壤理化性状的影响。【拟解决的关键问题】收集、整理和分析国内外微喷灌溉文献资料并统计分析,分析微喷技术的应用现状以及研究成果和膜下微喷技术在温室灌溉中应用前景。

1.1 材 料

检索节水灌溉相关文献及官网实地调研数据资料。

1.2 方 法

采用文献分析及统计学及实地调研方法,对收集汇总的材料进行整理并对分析温室膜下微喷技术应用现状。

2.1 微灌技术应用

研究表明,世界微灌面积约有 1.10×108hm2,占总灌溉面积的5.00%,我国是使用微灌设施最多的国家,占世界微灌面积的35%[22, 23]。在当前微灌技术中,滴灌、渗灌和微喷灌较常用。源自于以色列的滴灌技术是目前最主要的节水灌溉方式,因其节水、节肥、抑盐和易管理特性被广泛使用[24-26]。在一些水质盐碱化严重的干旱、半干旱区域,冲施化肥使滴灌带堵塞而限制了其应用。渗灌又被称为浸灌和地下灌溉,是将类似于滴灌带的特殊管道埋入田间耕作层,受毛细管作用自下而上润湿土壤,渗灌独特的原理使其具有灌水效率高、压力小、不占地表面积的显著优势,但投资成本高、施工复杂、水质要求高、堵塞不易维修的缺点限制了推广应用。微喷技术是随着滴灌和渗灌技术发展而出现的新技术,与传统滴灌和渗灌相比,微喷具有较强的挟沙能力和抗堵塞能力,具有显著的节水、节肥、节药、节省劳动力、增产增收等效果[27-29]。表1

表1 各灌溉技术汇总

2.2 微喷灌溉技术在田间种植作物上应用

研究表明,微喷带灌溉在陆地作物种植中的应用,周斌等[17]2003年开展了单孔微喷带喷水量分布与喷射角度关系的基本特征研究,在5 m水头压力下,0.7 mm直径的喷孔在喷射角度为40°时,射程、湿润区面积、湿润区宽度均最大。孙先明等[30]进一步探索了微喷带灌溉在能量损耗、灌水均匀性和堵塞性的各指标与可行的解决方案,提出用微喷带替换滴灌带解决滴灌带易堵、投资高、湿润面积小的问题。张芳等[31]开展了风扰下微喷带喷洒均匀性的影响研究,进一步探索微喷灌户外农田环境下应用的可能。王裕智[32]做了微喷带铺设方向与播种方向垂直和平行的试验,结果表明垂直铺设方法可以改善窄行距条播密植作物在中、后期喷灌不均匀的难题且节水效果显著。焦艳平[33]、满建国等[13-14]以冬小麦为试验对象开展了微喷带对作物栽培的影响,其中焦艳平以小畦田地面畦灌为对照,研究发现微喷灌对冬小麦生长及产量具有促进作用,在灌水量减少150 m3/hm2、总施肥量降低了24.0 kg/hm2的效果下,根层土壤氧化钾和硝态氮含量还得到了相对提高;在40～80 m带长范围研究时发现,随着微喷带缩短总耗水量显著较少,籽粒产量和水分利用率显著提高;随后在40 m定长不同灌溉角度的研究中发现在35°～ 80°喷射角范围内,适当增加喷射角可显著较低冬小麦耗水量、提高籽粒灌浆和产量,在喷射角≤ 65°时会导致灌溉水在行间分布不均。杨坤等[34]也做了密植作物小麦微喷灌溉的研究,针对中后期小麦微喷带灌溉水分布特点,探讨了不同灌溉模式下小麦中后期土壤水分分布和运移规律,研究发现在压力强度最大0.15 MPa、喷管带铺设间距440 cm时达到最佳铺设灌溉应用。除此之外,学者们还针对以油菜、大豆为主的密植作物展开了株高、播种密度、孔间距、孔口径等对微喷带喷洒均匀性的研究[35-36],研究发现常规的种植密度对微喷均匀性影响不显著,微喷带的性能参数对喷洒均匀性影响较大。表2

表2 微喷均匀性在密植作物上的表现

微喷带指在带状薄壁塑料软管管壁上采用机械钻孔或激光设备以组为单位均匀打孔的塑料软管,常用的孔组有斜3孔、斜5孔和斜7孔。工作时有压水经过微喷带的出水孔喷出后,在重力和空气阻力作用下形成类似细雨喷洒效果。相比其他灌溉方式,微喷带灌溉铺设方便,投资成本较少,对水质要求低,抗堵性能好。图1

图1 微喷带结构及喷洒轨迹示意

微喷带在陆地覆膜作物灌溉应用方面,目前该技术主要运用于玉米、园林花卉、果树、烟草和甘蔗等生产种植领域中,陈永[39,40]在研究膜下微喷对甘蔗产量、工艺品质及经济效益的影响中发现,膜下微喷技术能显著提高甘蔗产量、品质及经济效益。李珠怀等[41]提出在陆地覆膜种植中,将覆膜种植工艺与微喷节水技术相结合的膜下微喷高效灌溉方式,在节水、节肥、省药和增产提效等方面都具有显著效果。西北玉米种植区进行了微喷和不同灌溉模式在覆膜(膜下滴灌、膜下微喷、膜下微润灌)和不覆膜(微润灌、管灌与微喷联合灌溉和低压管灌)的对比试验中发现,膜下滴灌玉米产量和水分利用效率最高,净效益也最高,其次为膜下微喷,为膜下微喷的推广提供了技术支持与基础[42]。表3

2.3 微喷灌溉技术在温室中应用

研究表明,石文学[43]等以沟灌为对照,研究膜下微喷和膜下滴灌灌溉方式对春大棚黄瓜产量、植株生长速度和经济效益的影响,在探索适合京郊温室黄瓜高效节水灌溉方式中认为,应优先采用膜下滴灌技术,在灌溉设备资金较为紧张地区可采用膜下微喷技术(膜下微喷较膜下滴灌每年可节约成本40%),黄瓜膜下微喷灌溉应用。赵铁伦等[44]使用不同灌溉方式(畦灌、微喷带、膜上畦灌、膜下微喷)对温室内白菜种植中矿质元素吸收及品质的影响研究时得出,使用直径为φ28.6 mm、5孔、孔径为φ0.6 mm的微喷带,膜下微喷处理白菜各部分养分含量最高。张明智[16]以温室番茄为对象开展了膜下滴灌和膜下微喷的对比研究,膜下微喷种植的番茄在株高、茎粗、叶面积指数及干物质质量方面均优于膜下滴灌;在微喷带和滴灌带管道铺设过程中,一垄双行的栽培模式中滴灌带需要铺设两管双行,而微喷带则仅需单管双行,相较滴灌微喷带可节省一半。试验确定最优微喷带性能参数组合为:管径φ32 mm、斜3孔、微孔直径φ0.8 mm、孔组间距为30 cm微喷带在灌水频率为 5 d,灌水量为 1.00Epan(Epan表示φ20蒸发皿5 d累计蒸发量)的灌溉方案措施下,微喷灌可明显促进土壤微生物和土壤酶活性等土壤环境,同时在作物根系形态发育和植株生长、番茄产量及水分利用效率方面相较滴灌模式均有明显提高。夏秀波[45]、邢英英[46]等温室番茄栽培试验中也得到了类似的结论。李晨等[47]对温室小型西瓜膜下微喷灌溉进行了研究,通过对比 4 个不同灌水时长(18、30、42 mm 和常规灌溉)的试验组西瓜全生育期(株高、茎粗、叶面积)长势、产量和品质的测定结果表明,膜下微喷条件下选用管径φ32 mm、斜5孔、微孔直径φ0.7 mm、孔组间距为28 cm微喷带,每次灌水30 mm是西瓜的最佳灌水量。孙莉莉[48]也得出同样的观点:认为膜下微喷灌溉措施具有省水、省肥、省工、省时的特点,微喷灌溉操作简单,易于在温室内安装使用。图2

图2 黄瓜膜下微喷灌溉

膜下微喷带灌溉技术应用于温室能够提高作物产量、改善土壤环境,相较于其他灌溉方式,膜下微喷灌技术人工、原料成本更低,节水节肥效果显著。

表3 不同灌溉技术模式下玉米经济效益对比[42]

2.4 膜下微喷带的结构工艺参数与灌水特性

研究表明,张明智等[49]对于微喷带水量分布和水流特性研究发现微喷带的微孔数量对流量存在呈显著性影响(0.898),微孔夹角对流量影响较小(0.140),微孔间距影响最小(-0.008),土壤湿润面积、湿润率、微喷带流量、灌水强度峰值均随着微孔数量的增加呈线性增加趋势;土壤湿润面积和微喷带流量随微孔间距和微孔夹角的增加呈先增加后降低趋势;湿润率随微孔间距和微孔夹角的增加呈减小趋势;灌水强度峰值与微孔间距和微孔夹角的增加无显著性变化规律。微孔数量对湿润面积、湿润率、流量、灌水强度峰值都呈增加趋势,微孔间距与夹角的增加与湿润面积与流量呈先增加后降低趋势,对灌水强度峰值无明显变化;在对微孔数量、微孔夹角、微孔间距3因素与流量影响分析中,通过正交试验和多元逐步回归分析得出方程:Q=22 071.74X1+11 247.09X2-7.34X3-34 430.54,模型可预估80.00%以上该3因素与流量的关系。王琪等[37]以微喷带A(铺设长度)、C(微孔直径)、B(微孔间距)3因素做了正交试验,采用极差分析方法,确定了因素主次顺序的最佳组合方案为A1B3C1。

田凌等[50]采用滴灌结合微喷水肥药的一体化系统,在设施农业灌溉中以滴灌为主、微喷为辅的补充灌溉方式,在高温天气开启微喷使水喷洒至作物表面起到调节作物周围温度的灌水方法,此种微喷带置于地膜上的方法在温度低和湿度大的环境中不宜使用。孙海伟[51]将微喷结合滴灌的水肥一体化模式应用于茶园灌溉中,施肥前后用微喷灌溉,施肥时用滴灌灌溉,此种结合方法在清洁茶树叶面的同时可提高果园湿度、提高茶芽的嫩度,起到增加作物光合作用和光线漫反射的效果,同时又能做到精准施肥。微喷灌结合滴灌在改善作物冠层生长环境的同时兼顾作物根区滴灌,此灌溉方式对温室高温环境的合理调控具有重要意义[52]。

选用粒径0.275～1.000 mm 泥沙时,微喷带在0.5、1.0、1.5 g/L 3 个泥沙浓度试验中,其中1.0 g/L时更易堵塞,其他的浓度通过性较好[53];在滴灌带抗堵性能研究方面,粒径0.075～0.10 mm 泥沙即可引起滴头堵塞,同时由于滴灌流水不连续,滴头减压路径的设置,0.03～0.038 mm的泥沙易在滴头区域沉淀引发堵塞,滴灌带管路中漩涡的存在也是泥沙沉积引发堵塞的主要诱因[54,55]。微喷带抗堵挟沙能力要优于滴灌带,更适应与河水及水质不佳的水源灌溉。

膜下滴灌技术有利于对盐碱地的开发利用和防治土壤次生盐渍化,膜下微喷灌溉土壤水盐运移的规律却鲜有报道。冶金明[56]认为覆膜可以减少土壤水分蒸发和盐分积累,膜下滴灌可微润作物根区,同时将盐分带入湿润区边缘,为灌溉区作物创造一个良好的生长环境。曹振玺等[57]认为膜下滴灌技术对土壤盐分有很好的淋洗效果,盐分随着灌溉水的流动被带至耕层下,减少作物根部附近土壤盐分含量。黄真真等[58]对新疆干旱区棉花膜下滴灌种植研究发现,膜下铺设3条滴灌带比2条滴灌带对棉花行间土壤盐分淋洗效果(0～40 cm 土层)要好,同时棉花可增产 4%～11%,提出了湿润区越大越密集排盐效果越好的看法,与汪昌树等[59]研究一致。在选用1.38和 2.7 L/h 的滴头流量做土壤盐分淋洗试验时,1.38 L/h滴头土壤湿润区较小,土壤含水量低,土壤盐分淋洗效果较差[60]。在灌水定额 52.5 mm 时,选用滴头流量 2.8和5.6 L/h 条件下,滴头流量2.8 L/h条件地表水平脱盐半径30 cm,滴头流量5.6 L/h条件下地表水平脱盐半径40 cm[61]。

微喷带指在带状薄壁塑料软管管壁上采用机械钻孔或激光设备以组为单位均匀打孔的塑料软管,常用的孔组有斜3孔、斜5孔和斜7孔。与喷射角度关系的基本特征,在5 m水头压力下,0.7 mm直径的喷孔在喷射角度为40°时,射程、湿润区面积、湿润区宽度均最大。常规的种植密度对微喷均匀性影响不显著,微喷带的性能参数对喷洒均匀性影响较大,微喷带在陆地覆膜作物灌溉应用方面,目前该技术主要运用于玉米、园林花卉、果树、烟草和甘蔗等生产种植领域中,膜下微喷灌溉措施具有省水、省肥、省工、省时的特点,微喷灌溉操作简单,易于在温室内安装使用,微喷带的微孔数量对流量存在呈显著性影响(0.898),微孔夹角对流量影响较小(0.140),微孔间距影响最小(-0.008)。

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