简介： 本文分别从地下滴灌的设计、安装、管理和经济效益角度，介绍了地下滴灌在澳大利亚棉花上应用情况。重点分析了滴灌带的布置方式、设计耗水强度、过滤器选择和出苗问题以及地下滴灌对棉花产量的影响。
关键字： 地下滴灌；设计；安装；效益
随着水资源的短缺以及人们对农业可持续发展的认识，地下滴灌（SDI）已经成为世界各国研究和应用的热点。目前, SDI在美国、法国、日本、澳大利亚等已有较大面积应用， 在一些严重缺水的国家和地区, 如中东地区的部分国家也得到应用，我国地下滴灌的研究刚刚起步。本文旨在通过分析地下滴灌在澳大利亚棉花灌溉中的应用状况，为地下滴灌在我国的应用提供借鉴。
1 基本情况
截止2000年，澳大利亚棉花种植面积为559,000hm2[1]，其中灌溉面积为450,000～500,000hm2，占整个种植面积80～90％[2]，滴灌面积占棉花种植面积的2％，地下滴灌种植面积为3100hm2，占整个棉花种植面积0.55%[3]。地下滴灌系统分别安装在31个农场，每个农场滴灌系统面积平均为100hm2，其中最大一个是790hm2，系统平均运行时间2.75年，最长为7年。
2000年，澳大利亚棉花皮棉产量734,000t，平均单产皮棉1.313t/hm2，平均灌溉定额7000m3/hm2 [1]。棉花地下滴灌比沟灌平均节约灌溉用水2560m3/hm2，节水38%，其中节约用水量在4000～6000m3/hm2，占18%；2000～4000m3/hm2，占46%；0～2000m3/hm2，占36%（如图1），灌溉水平均利用效率提高0.29kg/m3，其中提高在0.45～0.68 kg/m3之间占5％；0.23～0.45 kg/m3占54％；小于0.23 kg/m3占41％[3]（如图2）。
2 地下滴灌设计
2.1 设计耗水强度
在80年代，由于缺乏对地下滴灌的正确认识，澳大利亚把棉花地下滴灌系统设计耗水强度按地表滴灌来考虑，即采用14mm/day，通过实际运行后，发现产生了深层渗漏，现在大部分系统的设计耗水强度为12mm/day。然而高效的节水灌溉制度要求单位耗水量的生产收益最高，即使水分生产效率达到最大，试验表明（如图3、4），在充分灌溉时，棉花产量为1.82t/hm2，灌溉水生产效率为0.43kg/m3，而在亏缺灌溉50％的条件下，虽然产量为1.36 t/ hm2，但其灌溉水生产效率达0.5 kg/m3 [4]。然而，尽管亏缺灌溉在澳大利亚试验很成功，但是农场主对亏缺灌溉缺乏信心，因此推广效果不是很好。目前有一些经验用户，在用水高峰时期采用亏缺灌溉，其系统设计耗水强度采用10mm/day，有的降低到6～8 mm/day。据计算，如将系统设计耗水强度从12mm/day降低到8mm/day，则泵和过滤器的费用将减少1/3，整个系统投资将降低20％。
2.2 过滤器
根据以往美国和以色列经验，在水质较好情况下，对于筛网过滤器，一般要求所选用的过滤器滤网孔径大小是所用灌水器流道或孔口尺寸的1/7～1/10[5]。然而目前在澳大利亚棉花地下滴灌系统中，接近70％用的是地表水（如图5），灌溉水中粉粒、沙和水垢等污物含量较高。而且由于藻类生长需要光线缘故，大多数地表灌溉水中普遍存在着藻类。藻类在管道中、水中形成胶凝质和粘基质，这些基质被用于细菌粘物质的生长，并且能与悬浮物质一起形成堆积从而引起堵塞[6]。
在灌溉期内，灌溉水质会随着季节的变化而变化，很多用户直接按制造商标明的最大过滤能力来选择过滤器，导致了堵塞频率高，灌溉效率降低等问题。因此应该确定最不利的情况下，选择过滤方案[7]。对于微生物含量较高的灌溉水中，应通常采用氧化还原反应，对水质进行化学处理，同时过滤系统选型设计还应该考虑冲洗频率。目前澳大利亚棉花协会通过调查认为约有20％过滤器不符合要求。
2.3 地下滴灌带的田间布置方式
滴灌带布置的间距以及埋深不仅影响着棉花根系对水分吸收，而且影响着系统的投资。该国棉花地下滴灌滴灌带布置间距有2m、1.83 m、1.5 m和1m（如图6）[3]，布置方式有一管一行（1:1），一管两行（1:2），它们各自所占面积如图7。将近70%滴灌带布置在黑粘土中，砂壤土占19％，粘壤土占2％，混合土壤占12%（如图8）。滴灌带的埋深在250～350mm之间（如图9）。造成布置方式不一样的原因主要有：一是土壤的类型，由于澳大利亚地下滴灌系统，分别位于31个农场，地域分布很广，从昆士兰州到新南威尔士州，因此各地的土壤类型也不一样；二是成本的原因，相对于一管一行的布置方式来说，一管两行的布置方式投资要相对减少。三是由于用户一般不愿意支付实地调查费用，设计师在设计前没有进行实地调查，结果滴灌带间距以及滴头流量也没有根据土壤的物理特性来选择。
图9滴灌带布置方式
2.4 滴灌带的冲洗能力
滴灌带的冲洗能力是地下滴灌系统设计的一个重要方面，它直接影响着系统运行寿命。目前的地下滴灌系统中清洗阀太小，结果单位面积过水流量减少，流速降低，从而脏物的沉淀会积存在滴灌带末端，并产生回压，影响灌溉效果。通过运行经验表明，为了确保有足够的冲洗流速，有效冲洗流速应该在0.4～0.6m/s之间[3]。
3 出苗
地下滴灌毛管埋在地下一定深度，如果灌水量小，表层土壤一般较干燥或供水不充分，这样将影响种子的萌芽和出苗。如果要使表层土壤水分满足出苗要求，就必须增大灌水定额，这样又会产生深层渗漏，并且对于有些土壤，在滴灌带埋在一定深度条件下，即使增大灌水定额，土壤表层含水量也不会明显增大。目前该国主要采用三种方式来解决出苗问题（如图10）：一是直接用地下滴灌，即采用较大的灌水定额，但是从图7可以看出，考虑成本的原因，将近有67％面积采用一管两行的布置方式，即滴灌带不是直接埋在棉花行下，而且考虑耕作的原因，滴灌带埋在地下25cm～30cm深度（如图9中的b），因此出苗效果不是很好；二是靠苗期降雨来解决苗期所需土壤水分，但是由于气象不确定因素，风险性大；三是参照美国和以色列的经验，在出苗前，采用其它灌溉方式（主要是喷灌）对地表灌溉一次，然而系统的运行费用会有所提高。总之地下滴灌棉花出苗问题仍然没有很好地解决。
4 地下滴灌安装与管理
澳大利亚棉花协会通过地下滴灌使用情况的调查认为，地下滴灌系统在安装和管理过程中存在许多问题（如表1）。将近有55％用户认为滴灌带的布置方式没有根据土壤的类型来确定；45％用户认为在施工过程中，安装者缺乏知识；34％用户认为由于在耕作中，土地没有平整，从而在大的降雨过程中，积水不能及时排水；31％用户认为在管件安装过程中，管道之间没有连接牢固；在有的地块中，由于残留作物根系存在，有可能扎破滴灌带；在清洗管道和滴头过程中，清洗阀的尺寸过小，不能满足冲洗要求以及动物咬损滴灌带等。
还有些问题为，农场主为了考虑成本的原因，在没有咨询设计师的情况下，自己改变了原有的设计（例如去掉某些部件，像真空阀、改变过滤器的尺寸结构等），而且系统在安装运行过程中的缺乏技术支持，从而导致系统没有达到其期望的设计寿命（7－15年）。
通过多年使用，澳大利亚在对地下滴灌的安装和管理过程中得出如下经验：
①制定地下滴灌安装和管理规范，对地下滴灌用户进行管理知识培训；
②在安装之前，除去作物残留根系，防止扎破滴灌带；
③过滤器、管网要进行定时冲洗；
④在施工过程中，地下滴灌用户要主动参与；
⑤对于一些地面金属设备，为了防止其生锈，用涂料进行养护；对于塑料管道，要避免碰撞，产生裂缝。
表1滴灌系统在安装和管理中出现的问题
安装与管理问题
反应情况（%）
滴灌带布置
安装者缺乏知识
地表排水
滴灌设备连接件
作物根留残渣问题
清洗阀尺寸
动物咬损
55
45
34
31
28
28
17
5 地下滴灌的经济效益
该国地下滴灌的投资在20000～26000元/hm2之间，有些系统投资高达43000元/hm2。相对地表灌溉而言，地下滴灌增产是效益的主要来源，在管理适当、充分灌溉条件下，其皮棉最大增产幅度613kg/hm2。经过经济效益分析，他们认为：对于系统投资为22000元/hm2，皮棉至少要增产284 kg /hm2，才能持平。而对于投资28750元/hm2滴灌系统来说，至少需要增产568 kg/hm2。然而实际上皮棉增产568kg/hm2的面积只占10%，增产幅度在284～568 kg/hm2占25％，还有25％没有增加或者减产（如图11）[3]，在这种情况下，种植场主通过节约灌溉用水，扩大种植面积来增加产量。同时他们认为由于地下滴灌具有节水、省肥、节约劳动力和耕作费用等多种利益，因此地下滴灌的经济效益应综合考虑。
6 结语
地下滴灌作为一种先进灌水技术，在2000年10月的南非国际微灌大会上被列为今后微灌发展的方向之一[8]。目前世界范围的地下滴灌技术水平与其它灌溉相比，尚处于初级阶段，对地下滴灌的研究大多是基于地表滴灌的认识水平，就目前澳大利亚地下滴灌在棉花运用情况来看，其应用过程中出现了诸多问题。因此，借鉴其经验，结合我国当地实际，进一步对地下滴灌系统加以研究，以克服其缺点，这对推动我国节水灌溉的发展有着十分重要的意义。
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