地下滴灌技术节水潜力及机理研究进展

灌溉在全球粮食生产中起着极为关键的作用, 实现灌溉水资源的高效利用是保证粮食安全的重中之重[1]。世界上众多农业地区, 水土资源不匹配, 可利用水量占比小, 水资源利用率低, 地下水开采过量, 水资源成为农业发展的制约因素[2], 尤其是在中国华北平原[3]、印度河平原[4]和美国高平原和中央山谷地区[5]。利用高效的微灌技术取代地面灌溉方式, 可以提高用水效率, 减缓水资源短缺问题, 保障农业可持续发展[6]。滴灌是最为高效的微灌技术, 其水分利用效率远高于喷灌(60%~80%)与地面灌溉(50%~60%), 最高可达90%, 节水效果显著[7]。地下滴灌是在滴灌基础上形成的高效节水的新型灌溉技术, 即通过铺设在耕层中的滴灌管网系统将水和液体肥料小流量、长时间、高频率直接灌入作物根区, 供作物生长发育利用, 达到节水、节肥、增产等目的[8]。地下滴灌系统能有效减少深层渗漏和土壤蒸发, 提高水分利用效率, 同时节省劳动力并提高运行管理效率[9], 是节水效率最高的灌溉方式之一。

目前地下滴灌技术的节水潜力与节水机理尚未得到系统的论述。本文将通过梳理地下滴灌农田应用、控制试验及模型模拟的研究成果, 对比多种灌溉方式下的作物产量、灌溉量与蒸散量, 阐述地埋点源多因素影响的土壤水分运动过程, 总结地下滴灌数值模拟及模型的发展与应用, 探究地下滴灌技术的节水潜力, 并指出其关键技术参数及应用难点, 提出需进一步解决的问题。本文旨在为地下滴灌系统的广泛应用、大幅提升缺水地区用水效率提供有效途径。

1913年美国学者House首先对地下滴灌技术进行了研究, 受当时技术条件限制, 未能增加根区土壤含水量, 并因其应用成本过高而放弃[10]。1920年美国加利福尼亚的Charles发明了能使周围土壤湿润的多孔瓦罐, 被认为是地下滴灌技术的雏型[11]。进入20世纪70年代, 世界各地对地下滴灌技术进行了较大规模的田间试验, 主要应用于果树及大田作物[12]。1978年山西省水土保持科学研究所开展了为期4年的大田作物地下滴灌试验[13], 1979年美国亚利桑那州建成第一个棉花(Gossypium hirsutum)地下滴灌系统, 到1985年约有8000 hm2棉田安装了滴灌管道, 被称为“亚利桑那系统”[13]。但由于当时技术条件的限制, 早期地下滴灌系统存在灌水均匀性差, 灌水器易堵塞, 系统运行维护及管理难度大等问题。

20世纪80年代以后, 地下滴灌技术的研究集中在改进灌水器质量、优化系统设计参数、研制过滤器和施肥装置等方面[14]。1982年Mitchell等[15]编写了《地下滴灌系统设计、安装和运行管理指南》, 标志着地下滴灌技术进入规范化运行阶段。1989年前后美国堪萨斯州立大学进行了连续多年的研究, 对地下滴灌系统设计、维护和经济性及长期效应做出了广泛的讨论, 编写了多种技术材料[16]。“九五”期间, 中国水利水电科学院在北京市昌平区建成13.3 hm2的地下滴灌试验示范区, 自主研发地下滴灌专用灌水器及田间配套技术, 取得了显著的节水增产成果[17]。

21世纪以来, 国内外学者对瓜果蔬菜、棉花、苜蓿(Medicago truncatula)和玉米(Zea mays)等作物开展了大量田间试验, 主要研究了地下滴灌技术对作物生长发育的影响及其节水增产效益。部分研究基于数值模拟方法, 对多种土壤条件下土壤水与溶质运移规律进行了探讨, 并给出了最适的技术参数, 有效解决了地下滴灌系统灌溉过程中不可见的难题[18]。现阶段地下滴灌系统的研究热点主要集中在水肥气一体化的田间应用中, 2006年, Bhattarai等[19]对加气灌溉进行了研究, 指出使用地下滴灌加气技术能够缓解长时间地下滴灌产生的土壤通透性减弱问题, 增强根际土壤通透性, 提高土壤酶活性与氧气扩散率, 促进根系呼吸作用, 进而增加作物产量[20-21]。

节水农业的本质是充分利用降水并高效利用灌溉水。地面灌溉方式水资源浪费严重, 无法保证缺水地区的水资源供给平衡, 与地面灌溉相比, 喷灌技术可节水40%~50%, 滴灌可节水80%[22], 其中水分损失主要来自输水过程中灌溉水的流失、田间土壤蒸发以及深层渗漏。作物生长发育用水主要来自植物蒸腾, 土壤蒸发是作物无法利用的非生产性水资源, 地下滴灌技术在减少非生产性耗水方面具有明显优势, 可以有效降低表层土壤含水率, 控制灌溉水留存于作物根区, 并减少约10%的蒸散量, 缓解水资源短缺问题[23]。

地面灌溉、喷灌和地下滴灌3种灌溉方式对作物产量、灌溉量与蒸散量的影响有显著差异, 主要是由3种不同方式的灌水强度以及不同的土壤水分分布特征引起的。相对地面灌溉方式, 地下灌水可增加作物根区20~55 cm处的土壤含水率, 降低土壤表层的水利传导系数, 减少土壤水分向地表运动, 保持表层干燥, 土壤蒸发量显著降低39.8%[24]。Bordovsky等[25]发现地下滴灌的棉花产量和水分利用效率均高于低压管灌, 在灌水强度为2.54 mm∙d−1时地下滴灌可提高14%的棉花产量, 提高灌水强度对增产效果影响不显著。郭学良等[26]试验表明, 地下滴灌灌溉水主要分布在10~35 cm土层, 喷灌灌溉水位于10~40 cm土层, 地面灌溉水分运移至60 cm以下; 与地面灌溉相比, 地下滴灌和喷灌分别减少50.8%和37.5%的灌溉量, 苜蓿产量分别提高21%和11%, 灌溉水利用效率分别提高148%和41%。多数研究结果表明, 与其他灌溉方式相比, 地下滴灌可以将更多的灌溉水留存于植物根区, 减少土壤蒸发量与深层渗漏量, 提高作物产量与灌溉水利用效率。充分说明地下滴灌技术在降低灌溉量与提升用水效率方面的优势, 具有极高的节水潜力。

滴灌技术主要分为地下滴灌和地表滴灌两类, 两者对作物产量、灌溉量与蒸散量的影响同样显著。地下滴灌与地表滴灌的对比研究发现, 地下滴灌技术在节水增产方面具有明显优势, 在作物产量相同的前提下, 柑橘(Citrus reticulata)使用地下滴灌技术可以减少23%的灌溉量[27]; 在灌溉量相同的条件下, 地下滴灌提高9%~12%的葡萄(Vitis vinifera L.)产量和9%~11%的水分利用效率[28]; 在低灌溉量条件下, 地下滴灌对作物生长发育影响较大, 可有效提高玉米光合速率以及干物质与氮素积累量, 水分利用效率增加7%左右[29]。相对地表滴灌, 地下滴灌的土壤湿润体形状深度更大、半径更小, 且在地表形成10 cm左右的干土层[30], 降低土壤蒸发量。Valentín等[31]发现玉米地下滴灌的蒸散量相对地表滴灌降低39%, 土壤蒸发量在整个生育期内减少约40 mm, 灌溉水生产力提高25%。Umair等[32]指出冬小麦(Triticum aestivum)地下滴灌蒸散量相对地面灌溉与地表滴灌减少约80 mm与40 mm, 且在生育期后期地下滴灌的日蒸散量比地面灌溉平均降低2 mm∙d−1。地下滴灌技术的蒸散量低于地表滴灌, 主要原因是两者之间的土壤蒸发量不同, 地表滴灌需要更多的灌水量以弥补土壤蒸发所带来的损失。综上所述, 地下滴灌技术有着更高的产量、更低的灌溉量与蒸散量, 尤其土壤蒸发得到有效降低, 在水资源匮乏地区, 地下滴灌技术可作为高效节水方案。

前述大量田间试验指出地下滴灌技术能在保证产量的前提下, 有效减少灌溉量。针对地下滴灌技术减少灌溉用水的原因, 大量学者通过控制试验建立经验公式的方法对土壤水分运移情况进行了机理上的研究, 指出减少土壤蒸发和地下渗漏是提高用水效率的关键[33]。

地下滴灌土壤水分运动过程主要是土壤质地、滴头流量、灌水时间、土壤初始含水率及滴灌带埋深等多种因素共同影响[34]。灌水完成时湿润体形态呈纺锤形, 外部轮廓呈抛物线形, 土壤含水率在滴头附近处最高, 沿湿润峰方向逐渐降低; 经水分再分布后, 湿润锋垂直向下运移距离大于垂直向上运移距离[35]。地下滴灌土壤水分运动主要受土壤基质势和重力势驱使, 其中重力势是导致土壤水分向上运移距离小于向下运移距离的主要原因。

众多学者研究了土壤水分运动特征的影响因素及驱动力, 指出滴头流量和滴灌带埋深是地下滴灌性能的较为重要的参数, 而土壤质地是决定两参数的重要因素[36]。湿润峰运移距离主要受土壤质地影响, 在砂土中运移距离最大, 壤土及砂壤土次之, 黏壤土中最小[37-38]。同时湿润锋运移距离与滴头流速和灌水时长有关, 其关系可以通过幂函数[37]描述:

式中: D为湿润锋在水平/垂直方向的运移距离(cm), I为滴头流量(mL∙min–1), t为灌水时间(min), k、a、b均为经验系数。其中运移距离与灌水时间呈正相关, 而滴头流量对运移距离的影响与土壤质地有关。当流量小于土壤饱和导水率时, 运移距离与流量呈正相关; 当滴头流量大于土壤饱和导水率时, 运移距离与流量呈负相关; 土壤黏性越高, 减小幅度越大[37-40]。土壤初始含水率越高, 向上运移的距离越小, 运移速率也越小, 向下运移距离和速度与之相反[39]。某一点距滴头的距离与土壤含水率之间符合二次函数关系[41], 公式如下:

式中: ω为水平/垂直方向的土壤含水率(%), x为距滴头水平/垂直方向距离(cm), A、B、C均为经验系数。含水率随距滴头距离的增加而减小。室内双点源交汇入渗情形下, 两湿润体交汇界面处湿润锋垂直向下运移距离总是大于垂直向上的距离, 经过水分再分布后, 湿润体体积随滴头间距增大而增大[41]。张松等[42]发现滴头在砂土中埋深20 cm的情况下, 在地下5 cm处含水率达较适含水率时, 其余深度的含水率已超过饱和含水率, 不利于作物生长; 而埋深在15 cm时, 田间的土壤水分情况较好, 有利于作物生长。

相关学者就地下滴灌水氮及养分的运移情况进行讨论, 指出土壤养分的空间分布主要由水分运移进行调控, 土壤碱解氮与有效钾的含量沿湿润锋方向逐渐增加, 有效磷的趋势相反[43]。低浓度肥液将导致硝态氮在湿润锋边缘聚集; 高浓度肥液易于使硝态氮在滴头处积累, 分布与土壤含水率趋势相同[44]。相对其他灌溉方式, 地下滴灌根据不同土壤和作物类型选择适宜参数后, 可将含有养分的湿润体合理分布在作物主要根区处, 减少水分与养分的损失, 使作物更充分地利用水肥, 达到节水增产的目的。

现有成果已就大多数土壤条件下土壤湿润体的形态特征与运移过程进行了研究, 分析了各因素之间的相互关系, 但现有研究大多在控制条件下进行, 无法对土壤真实情况进行还原。实际应用中易出现的如滴灌管壁导水作用引起的土壤水分横向运移、沿管壁形成的土壤水力冲蚀通道等情况[45], 对土壤水氮分布以及土壤蒸发的影响需进一步研究。

地下滴灌土壤水分运动过程的影响因素众多, 依靠经验公式或试验方法耗时费力, 并且试验过程中不确定因素对结果影响较大。数值模拟方法可清晰直观地实现土壤内部水分运动过程可视化, 为各种土壤条件提供预测结果。在实际应用过程中使用模型对地下滴灌水氮运移影响因素进行模拟, 有助于提高技术参数优化效率, 选择最符合节水农业的技术参数, 造成不必要的水分损失。

数学模型是土壤水分运动模型软件的内在核心, 建立符合实际情况的土壤水分运动模型极为关键。Philip等[46-48]基于二维和三维地埋点源滴灌土壤水分运动模型, 研究了各种无限、半无限区域的水分运动过程, 利用球型波函数得到模型的精确解, 通过将稳态流中的非线性方程转换为线性方程, 给出了在非饱和土壤中的水分运动方程。土壤水运动理论和溶质运移对流-弥散方程是地下滴灌数学模型最常用的2个工具: 程先军等[49]基于此建立了地埋点源土壤水运动和溶质运移数学模型, 计算结果与室内试验结果具有较好的吻合性, 指出对模型滴头边界进行简化后仍能较好地分析土壤水分运移; 刘玉春等[50]利用相同理论构建了水氮运移数学模型, 发现在滴头埋深25 cm时, 地表干土层较薄, 水氮向下运移距离相对较小, 利于减少土壤蒸发。

HYDRUS-2D[51-53]、SWMS-2D[54]和WMTrace[55]等模型软件均可对地埋点源条件下土壤水分运动进行模拟, 其中HYDRUS-2D软件具有模拟精度高、应用范围广等优点, 受到学者的广泛使用。使用VG模型求解[55]、HYDRUS-2D软件反演[56]或试验实测所得土壤水力特征参数, 计算分析多因素对地下滴灌土壤水分分布的影响, 模拟结果与前文所述的试验现象吻合良好。Evett等[57]优化了ENWATBAL模型, 模拟地表、地下15 cm和30 cm滴头的能量平衡和水平衡, 结果发现, 滴头埋深15 cm和30 cm时, 地下滴灌蒸发量与地表滴灌相比分别少51 mm和81 mm; 使用埋深30 cm的滴头最大节水量可达季节性降水和灌水量总和的10%。

为减小模拟过程的复杂程度, 现阶段大部分模型均进行一定的简化, 忽略了田间土壤异质性或土壤分层等情况, 以及作物根系对土壤水分运动的影响, 导致模型与实际情况存在一定差别。因此, 建立更符合实际的数学模型仍是今后研究的重点。

地下滴灌技术可与精准施肥技术和自动化控制系统集成为水肥一体化系统, 实现精准灌溉施肥, 这也是节水农业的发展趋势。实现地下滴灌技术在农业生产中的广泛应用, 降低水资源的无效损失, 需对其关键技术参数进行选择, 根据作物种类、土壤质地、气候条件等因素制定最优灌溉制度与滴灌带布设参数, 选择满足对应要求的灌溉设备及滴灌带种类。

现阶段地下滴灌系统使用的灌溉设备源自地表滴灌, 两者最主要区别表现在滴灌带类型与过滤装置等方面。相较于地表滴灌, 地下滴灌滴头堵塞是系统应用的难点之一。仵峰等[58]对使用了8年的迷宫式、微管式和孔口式灌水器进行调查, 发现堵塞率分别达16.7%、25.0%和63.8%, 并对其堵塞原因进行了分析。在此基础上, 李云开等[59]指出灌溉水水质差、负压吸泥及根系入侵等是导致灌水器堵塞的主要原因, 通常滴头采用内镶式或压力补偿式可保证系统供水的稳定性, 减少滴头堵塞。

灌水均匀度是地下滴灌系统运行的重要参数, 也是评价系统灌水质量的重要指标。现行规范中指出系统实测灌水均匀度不应小于80%, 灌水均匀度的降低将会导致部分作物可利用水量的减少, 影响作物正常生长发育, 作物产量下降[60]。灌水均匀度通常采用克里斯琴森公式, 使用系统的流量偏差率计算, 水力流量偏差与制造流量偏差对系统流量偏差率影响最大[61]。滴头与施肥装置类型对灌水、施肥均匀度影响较大, 滴头堵塞以及制造偏差导致的出流量降低, 同样会减少灌水均匀度。Warrick等[62]发现低流速、多滴头的压力补偿式滴灌带可以在很多土壤条件下获得较高的灌水均匀度; 对具有压力调节作用的内镶式滴灌管, 采用无纺布外包方式处理后可提高灌水均匀度[17]。现有研究大部分以灌水均匀度作为指标, 评价地下滴灌系统的设计质量, 但对作物产量及耗水特征的影响研究较少。降低灌水均匀度能否保证作物不减产、减少灌溉水损失仍需深入研究。

灌溉制度是地下滴灌系统运行最为关键的技术参数, 包括灌溉定额和灌水频率两个方面。地面灌溉单次灌溉量大, 灌溉周期长, 而地下滴灌技术的单次灌溉量小, 灌溉频率高, 通常为一天1次至一周1次。地下滴灌的少量高频灌溉可以有效将水分存储在作物根区, 减少水分损失, 符合按需供水、精准灌溉的要求。

地下滴灌的灌溉制度一般以作物种类、耗水特征以及土壤的保水能力和透水性能作为依据, 综合考虑土壤含水量和蒸散量, 多以作物需水量或田间持水量作为标准进行设计。李兴强等[63]指出茄子(Solanum melongena)在灌溉定额为225 mm的条件下, 水分利用效率相对灌溉定额为275 mm处理提高8%, 增加灌溉量茄子产量并不会得到明显提高。Ma等[28]发现相较灌溉定额为65%作物需水量的处理, 80%作物需水量的葡萄产量提高6%, 而水分利用效率降低12%。产量与水分利用效率往往不具有同步性, 适当降低灌溉量可提高作物水分利用效率。孙章浩等[64]研究表明相较于灌水下限为60%田间持水量, 灌水下限为80%田间持水量处理单次灌溉量低、灌溉频率高, 可以有效提高小麦的株高、叶面积指数、干物质积累量以及产量, 同时能延缓灌浆期旗叶叶绿素含量降低。适宜的灌水频率可以保证作物根区在整个生育期内拥有良好的水分与养分条件。有研究指出, 在土壤水分亏缺量小于20%时, 从1天1次到7天1次的灌水频率对玉米产量无明显影响[65]; 哈密瓜(Cucumis melo var. Saccharinus)的产量周灌大于日灌, 洋葱(Allium cepa)则与之相反[66]; 萝卜(Raphanus sativus)根系发育状况良好的最适灌溉频率为每3天1次[67]。一般来说, 蔬菜等作物通常采用高频灌溉, 而果树或大田作物可将灌水周期适当延长。地下滴灌技术的灌溉制度最符合精准灌溉施肥的要求, 这也是节水农业的发展趋势。

在实际生产过程中, 充分供给灌溉水虽可提高产量, 但会造成水资源与能源的浪费, 其净效益并非最大, 不符合节水农业要求。由于地下滴灌系统的特殊性, 仍需进一步完善不同土壤、不同作物的合理灌溉制度, 设计中的不合理之处会影响作物的正常生长, 过多的灌水量将会产生更大的蒸发损失与深层渗漏。

滴灌管的埋深和间距是地下滴灌系统设计的重要参数, 关系到埋设时的工作量和工程造价。确定滴灌带埋深和间距时既要避免耕翻土壤等机械作业对地下管网的破坏, 同时也需使作物根系处于生长过程中最适的土壤水分环境下。

滴灌带埋深与间距主要由气候条件、土壤性质、田间耕作以及作物种类等因素决定。滴灌带埋深多位于地下20~70 cm, 大田作物选择埋深20~40 cm较为合适[68]。较小的滴灌带间距适用于如小麦、苜蓿等密植作物、沙质土壤以及气候干旱地区, 玉米等稀植作物以及气候湿润地区可以使用较大的滴灌带间距。廉喜旺[69]指出滴灌带埋深对作物各生育期生物量及产量的影响大于间距, 采取间距80 cm、埋深30 cm布设方式的苜蓿产量和水分利用效率最高。Sidhu等[70]评估了不同间距和埋深对作物产量和灌溉水生产率的影响, 结果表明埋深15 cm的小麦产量高于埋深20 cm, 同时指出滴灌带埋深和间距会影响产量与灌溉水利用效率, 但影响未达显著; Grabow等[71]发现当滴灌带间距为91 cm时, 棉花产量和灌溉水利用效率均高于间距182 cm的处理, 但产量同样没有达到显著差异; Camp等[72]得出了相同结论, 认为使用更宽的滴灌带间距可以降低地下滴灌的成本。部分学者针对滴灌带滴头的间距进行研究, Enciso等[73]分析了15 cm、20 cm和30 cm滴头间距对洋葱产量的影响, 发现滴头间距对洋葱产量没有显著影响。多数研究指出滴灌带埋深与间距对作物产量和灌溉水生产率的影响并不显著, 灌溉量与气候条件对作物生长发育与产量的影响更大[74], 滴灌带布设参数对应用成本影响较大, 滴灌带间距的增加可以减少工作量与工程造价[75]。

在水分供给充足的条件下, 滴灌带埋深与间距两因素主要作用在于调控土壤水分分布, 适宜的滴灌带间距可以使土壤水分均匀分布在作物根区, 适宜的滴灌带埋深可以有效控制土壤湿润体位置, 减少土壤蒸发和深层渗漏。目前地下滴灌滴灌带布设参数研究主要关注对作物生长发育的影响, 而对作物影响下土壤蒸发的定量研究较少。

地下滴灌系统在灌溉过程中可保持地表相对干燥、大幅减少土壤表面蒸发、有效降低深层渗漏, 具有极高的节水潜力。系统操作简洁, 可与自动化设备配套使用, 显著提高劳动生产率, 一定程度上降低施肥和耕作的农艺成本, 使田间管理更加省工省时, 对水资源保护和农业可持续发展有着重要意义。但现阶段地下滴灌技术仍存在一系列应用难点。

1) 地下滴灌系统为减少土壤蒸发, 导致土壤表层长时间处于低水分状态, 不利于作物出苗及早期生长, 这是地下滴灌系统难以广泛使用的重要原因之一。现阶段大多数解决方案是使用其他灌溉方式保证作物出苗, 而针对播种技术层面上的改良, 能否有效解决出苗问题值得进一步探究。

2) 地下滴灌系统的土壤含盐量沿湿润锋方向逐渐增加, 导致湿润体上边缘的土壤含盐量增大, 在气候干旱地区地表 20 cm以上出现土壤盐分表聚现象; 半湿润区受夏季集中降雨影响, 该问题并不显著。为解决干旱地区土壤表层积盐问题, 国内外目前解决方案仍为大水淋洗, 可供采用的优质方案仍需探究。

3) 灌水器堵塞是影响地下滴灌系统使用寿命的关键问题, 也是地下滴灌技术应用最主要的难点。堵塞导致滴头流速与灌溉量变化, 灌水均匀度降低, 影响土壤水分运移过程, 致使作物生长发育受限。灌溉水水质差、负压吸泥及根系入侵等是导致灌水器堵塞的主要原因[59], 研究灌水器堵塞的发生特征与诱发机理, 建立堵塞控制方法, 提高灌水均匀度是保障系统长期高效运行的关键。

4) 地下滴灌系统管网与灌水设备均埋于地下, 难以评估管理操作和实际情况的一致性, 因此对其安装精度与运行管理要求较高。当安装、运行和维护不当时, 系统设备易产生故障, 故障检查时间长, 维修成本高, 都是该系统应用的难点所在。

综上所述, 进一步探究地下滴灌系统的特殊性和复杂性, 充分发挥节水增效的优势, 优化关键技术参数, 解决现阶段存在问题, 可为地下滴灌技术提供科学依据和技术支撑, 对我国节水灌溉技术的发展有重要的意义。