多吉頓珠, 巴桑赤烈, 劉 玉

(1.西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院 草業(yè)科學(xué)研究所, 拉薩 850009; 2.西藏自治區(qū)水利廳,拉薩 850000; 3.中國(guó)科學(xué)院 水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心, 陜西 楊陵 712100)

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自壓噴灌技術(shù)在高寒干旱區(qū)草地植被恢復(fù)的應(yīng)用淺析

多吉頓珠1, 巴桑赤烈2, 劉 玉3

(1.西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院 草業(yè)科學(xué)研究所, 拉薩 850009; 2.西藏自治區(qū)水利廳,拉薩 850000; 3.中國(guó)科學(xué)院 水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心, 陜西 楊陵 712100)

針對(duì)高海拔、寒冷和干旱等惡劣氣候環(huán)境地區(qū)草地植被恢復(fù)的瓶頸問(wèn)題，結(jié)合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略內(nèi)涵，該研究系統(tǒng)地介紹了高寒干旱區(qū)草地自壓噴灌技術(shù)，采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)，設(shè)置圍欄、圍欄+噴灌、未圍欄3個(gè)處理的初級(jí)生產(chǎn)效益對(duì)比分析試驗(yàn)。結(jié)果顯示，圍欄封育+自壓噴灌樣地植物平均高度比未圍欄樣地增加了155.77%，比僅圍欄樣地增加了76.71%；群落蓋度比未圍欄樣地增加了152.69%，比僅圍欄樣地增加了35.96%；群落生產(chǎn)力比未圍欄樣地增加了110.00%，比僅圍欄樣地增加了24.10%。結(jié)果表明，自壓噴灌技術(shù)在水源和地形條件具備的高寒干旱草地恢復(fù)中具備一定的示范和推廣潛力，為西藏地區(qū)因地制宜，科學(xué)合理地利用水資源，為該區(qū)草地生態(tài)畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了一條新思路。

自壓噴灌; 高寒干旱區(qū); 草地植被; 恢復(fù)

西藏是我國(guó)五大牧區(qū)之一，擁有各類(lèi)天然草地0.88億hm2，草地及水資源極為豐富，僅地表水資源人均占有水量為全國(guó)平均水平的82倍[1]。受特殊的自然地理因素、氣候因素等方面影響，水、熱資源時(shí)空分配不均。而且西藏地區(qū)水利基礎(chǔ)薄弱，牧區(qū)水利研究相對(duì)滯后，對(duì)草地灌溉工程效益缺乏精確、定量研究。乃至當(dāng)前，節(jié)水灌溉技術(shù)在西藏高寒地區(qū)的應(yīng)用也是一個(gè)技術(shù)性難題。

水和草是農(nóng)牧民賴以生存的最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，兩者互不可缺，在草地生態(tài)畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展中具有重要地位[2]。受全球氣候變暖等自然因素和不合理利用等人為因素影響，截至2014年，西藏地區(qū)中度以上退化草地面積為1.126億hm2，占可利用天然草地面積的16.36%，可灌溉的天然草原面積僅占全區(qū)可利用草原面積的1%[3-4]。節(jié)約用水是我國(guó)發(fā)展不得不面對(duì)的永恒的主題，它不僅關(guān)系到國(guó)家糧食安全、生態(tài)安全，而且關(guān)乎到國(guó)家安全。農(nóng)業(yè)節(jié)水將是緩解我國(guó)水資源供需矛盾的主要途徑[5-6]，特別是在高寒干旱半干旱草地畜牧業(yè)發(fā)展區(qū)域，節(jié)水灌溉是持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。西藏地區(qū)有效灌溉面積增長(zhǎng)后勁不足、未來(lái)的有效灌溉面積增速可能減慢，區(qū)內(nèi)也逐漸加強(qiáng)關(guān)注農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉，但是自壓噴灌草地節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用研究尚未開(kāi)展成功[7-9]。本試驗(yàn)運(yùn)用自壓噴灌技術(shù)結(jié)合圍欄禁牧等措施對(duì)高寒草地進(jìn)行恢復(fù)研究，以期為自壓噴灌技術(shù)在高寒地區(qū)的推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)位于西藏拉薩市當(dāng)雄縣西南方向，沿拉日公路向西，距羊八井鎮(zhèn)約32 km的格達(dá)鄉(xiāng)境內(nèi)，格達(dá)鄉(xiāng)向西北約1.5 km處的甲多村，該點(diǎn)位置屬于念青唐古拉山西南坡的山腳。平均海拔為4 500 m。氣候?qū)俑咴疁貛О敫珊导撅L(fēng)氣候。受大氣環(huán)流和地形影響，氣候特點(diǎn)是冬季寒冷、干燥，晝夜溫差大，夏季溫暖濕潤(rùn)，雨熱同期，干濕季分明，天氣變化大。根據(jù)羊八井氣象觀測(cè)資料分析多年平均氣溫1.3℃，平均氣溫≥0℃的積溫1 800℃，地表溫度平均為5.9℃，每年11月至翌年3月份有三個(gè)月的土地凍結(jié)期，牧草生長(zhǎng)期僅90～120 d。羊八井水文監(jiān)測(cè)站多年平均降雨量470 mm，降水主要集中在7—9月份，約占全年的80%以上；多年平均蒸發(fā)量1 725.7 mm；多年平均年日照時(shí)數(shù)2 880.9 h，年均太陽(yáng)輻射總量786.7 kJ/(cm2·a)；多年平均年無(wú)霜期僅62 d。大雪、冰雹、霜凍、干旱、大風(fēng)等自然災(zāi)害頻繁。

1.2天然草地自壓噴灌設(shè)計(jì)

1.2.1天然草地自壓噴灌設(shè)計(jì)思路從位于甲多村村莊上游的山腳沖積河床尖溪水出口水(29°58′20.56″N，90°14′51.85″E；海拔4 747 m)，利用沼澤串溝(簡(jiǎn)易土渠)將水引至村莊旁修建的小型引水口兼沉砂池，主引水管長(zhǎng)1 295 m，經(jīng)主引水管引水至灌區(qū)末端，在主管0+180 m處修建容積約200 m3的蓄水池，在蓄水池設(shè)出水口，在灌溉區(qū)形成35～57 m的自然高差壓力進(jìn)行草地自壓噴灌。為降低高寒、干旱、凍土層自然因素對(duì)管網(wǎng)及其他附屬設(shè)施的影響，主管和支管全部設(shè)埋在凍土層以下，并建立地下式蓄水池。

1.2.2灌溉需水量的確定

(1) 設(shè)計(jì)灌水定額計(jì)算公式為[10]。

m=10.2rh(β1-β2)/η

(1)

試驗(yàn)區(qū)土壤容重為1.7 g/cm3，作物根系活動(dòng)深度10 cm，田間持水量取30%，土壤含水量上限取80%，下限取50%，噴灑水利用系數(shù)取0.8[10]，故實(shí)際灌水定額為m0=2/3×10.2×1.7×10×0.3×(0.8～0.5)/0.8=195.15 m3/hm2。

考慮到試驗(yàn)區(qū)氣候干燥、多風(fēng)的實(shí)際氣候條件，選取灌水定額法計(jì)算的需水量195.15 m3/hm2作設(shè)計(jì)依據(jù)。

(2) 灌水周期。

T=m/Etd

(2)

式中：T——設(shè)計(jì)灌水周期，計(jì)算值取整(d)；ETd——作物日蒸發(fā)蒸騰量，取代表年灌水高峰期平均值(mm/d)。

ETd=c[wRn+(1-w)·f(u)·(ea-ed)]=2.68

(3)

式中：c——修正系數(shù)，c=0.92；Rn——太陽(yáng)靜輻射=3.68 mm/d，ea=7.15ed=7.00；w——取決于溫度與高程的加權(quán)系數(shù)，w=0.78；f(u)=0.27(1+u/100)=1.27；灌水周期為T(mén)=19.51/0.7/2.68=5.1≈5(d)。

(3) 灌水強(qiáng)度。

①允許噴灌強(qiáng)度。根據(jù)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T50085—2007)中“各類(lèi)土壤的允許噴灌強(qiáng)度”規(guī)定[10]，沙壤土的噴灌強(qiáng)度為15 mm/h，考慮到本項(xiàng)目區(qū)地形的自然坡度等因素，按照《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》中“坡地允許噴灌強(qiáng)度降低值”規(guī)定(表1)，降低20%的強(qiáng)度，故選用12 mm/h的噴灌強(qiáng)度。

表1　灌溉需水量經(jīng)驗(yàn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

② 噴灑強(qiáng)度的計(jì)算：

ρs=1000q/πR

(4)

式中：q——噴頭的噴水量；q=9.6 m/h；R——噴頭射程(m)；R=26 m；ρs=(1000×9.6)/(3.14×262)=4.52 mm<12 mm滿足。

(4) 霧化指標(biāo)。

① 允許霧化指標(biāo)：

根據(jù)《節(jié)水灌溉工程實(shí)用手冊(cè)》作物霧化指標(biāo)規(guī)定牧草、飼料作物及緣化林木為2 000～3 000[11]。

② 霧化指標(biāo)計(jì)算:

WP=HP/d

(5)

式中：WP——霧化指標(biāo)；HP——噴頭工作壓力強(qiáng)度(57 m)；d——噴頭噴嘴直徑12 mm。Wp=(350×100)/12=2197<3000。

(5) 水量平衡分析。

來(lái)水量：5 d需水量：

Wj=(m×s)/d=(19.51×107 000)/0.7=2 982 m3/t

5 d來(lái)水量：

0.054×86 400×5=23 328 m3

需水量：

Qj=mA/Tiη=(19.51×107000)/(1000×3600×5×9)=0.013m3S-1<0.054m3S-1

平衡分析，來(lái)水量大于需水量滿足要求。

1.2.3噴灌工作制度

(1) 設(shè)計(jì)噴水時(shí)間：

td=ms/1000QTη

(6)

式中：td——日噴灌時(shí)間(h)；m——設(shè)計(jì)灌水定額(m3/hm2)，m=19.51 m3/hm2；s——系統(tǒng)控制面積，s=107000 m2；Q——系統(tǒng)流量，Q=48 m3/h；T——設(shè)計(jì)灌水天數(shù)，T=5 d；η——噴灑灌水利用系數(shù)，η=0.7；

td=(19.51×107000)/(1000×48×5×0.7)=12.43 h

(2) 噴頭在工作點(diǎn)的噴灑時(shí)間：

t=dbm/1000qη

(7)

式中：t——噴頭在工作點(diǎn)上噴灑的時(shí)間(h)；a——噴頭沿支管的間距(m)，a=21 m；b——支管的布置間距m，m=21 m；q——噴頭流量m3/h，q=9.6 m3/h；η——噴灑水利用系數(shù)，η=0.7。

t=(21×21×19.51)/(1000×9.6×0.7) =1.28 h

(3) 每日可噴灑的工作位置輪換數(shù)：

n≤td/t

(8)

式中：n——每日可噴灑的工作位置輪換數(shù)；td——每日噴灌作業(yè)時(shí)間，td=12.43h；t——噴頭在工作點(diǎn)上噴灑的時(shí)間(h)，t=1.28h。

n=12.43/1.28=9.71，取10次。

根據(jù)實(shí)際情況，主管道長(zhǎng)約1 295 m，基本沿等高線垂直方向布置，每條支管長(zhǎng)約300 m，也基本垂直等高線走勢(shì)與主管道呈直角布置，主管與支管將采用“梳齒型”方式布設(shè)。設(shè)支管20條，支管最多設(shè)15個(gè)噴頭，每個(gè)噴頭灌水強(qiáng)度初步選為12 mm/h。灌水周期為5 d。

1.2.4噴頭的選擇噴頭的選取與噴灌強(qiáng)度有直接的關(guān)系，按照《節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定[12]，土壤的允許噴灌強(qiáng)度是影響噴頭選型的主要因素之一。一般情況下，噴頭的選擇宜優(yōu)先采用低壓噴頭；灌溉季節(jié)風(fēng)大的地區(qū)或?qū)嵤?shù)下噴灌的噴灌系統(tǒng)，宜采用低仰角噴頭；草坪宜采用地埋式噴頭；同一輪灌區(qū)內(nèi)的噴頭宜選用同一型號(hào)。噴頭組合噴灌強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

ρ組合=1000q/A

(9)

式中：q——單噴頭的流量(m3/h)；A——單噴頭的有效控制面積(m2)。

按照q=9.6m3S-1，A=1385計(jì)算，則ρ組合=6.93(mm/h)<12 mm/h，可以滿足沙壤土要求。選噴頭40Py2H-270，其噴嘴直徑12 mm，壓強(qiáng)350 kPa，q=9.6 m3/h，射程26 m。

1.2.5噴頭的布置由于本項(xiàng)目區(qū)域地塊不平，且有一定的自然坡度，邊界要求也不高，故本次設(shè)計(jì)采用不規(guī)則形。噴頭及支管間距計(jì)算公式：

a=b=Kb

(10)式中：a——噴頭在支管上的間距(m)；b——支管間間距(m)；Kb——與噴灌系統(tǒng)的形式、風(fēng)速，等有關(guān)的系數(shù)，Kb=0.81；R——噴頭的射程(產(chǎn)品性能表上查的數(shù)值)，R=26 m。a=b=21 m。參照灌溉工程相關(guān)技術(shù)規(guī)程，結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際，噴頭及支管間距設(shè)在21 m。

1.3自壓噴灌試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在2012年11月1日首次試噴成功的在天然草地噴灌灌溉區(qū)域內(nèi)，設(shè)置面積為21 m×21 m的樣地3個(gè)，依次為圍欄禁牧處理(FG)、圍欄+噴灌處理(FA)和圍欄外對(duì)照區(qū)(CK)。噴灌試驗(yàn)從2013年5月份開(kāi)始，每月噴3次。2013年9月份，在每個(gè)樣地對(duì)角線上隨機(jī)選擇0.5 m×0.5 m樣方5個(gè)進(jìn)行群落調(diào)查。記錄樣方內(nèi)的植被種類(lèi)、總蓋度、分蓋度、自然高度。采用刈割法測(cè)定群落地上生物量，在實(shí)驗(yàn)室烘箱內(nèi)于70℃下烘至恒重，測(cè)定植物干重。土壤樣品采用對(duì)角線混合法采集0—10 cm土壤樣品每樣方3次重復(fù)，同樣方同土層混合，風(fēng)干研磨后過(guò)1 mm和0.25 mm篩備用[13]。土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法，速效氮用堿解蒸餾法測(cè)定，土壤群落采用酸溶—鉬銻抗比色法測(cè)定，土壤全氮采用半微量凱氏法測(cè)定，土壤pH采用復(fù)合電極法測(cè)定[14]。

數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)單因子方差分析(One-way ANOVA)比較不同處理間蓋度及生物量差異。

2　結(jié)果與分析

不同處理的方差分析結(jié)果表明，圍欄+噴灌草地群落蓋度相比圍欄草地和未圍欄草地群落的蓋度顯著增加(p<0.05)。圍欄+噴灌樣地群落蓋度比未圍欄樣地增加了152.69%，比僅圍欄樣地增加了35.96%(圖1A)。圍欄+噴灌樣地群落中植物平均高度比未圍欄和圍欄樣地也顯著增加(p<0.05)，比未圍欄樣地增加了155.77%，比僅圍欄樣地增加了76.71%(圖1B)。灌溉樣地的植被蓋度，株高明顯高于對(duì)照樣地，表明灌溉對(duì)于高寒干旱區(qū)草地植被恢復(fù)的作用十分明顯，這與高天明[15]、景美玲等[16]研究結(jié)果相同。灌溉可以補(bǔ)充天然降水的不足，改善草地生態(tài)環(huán)境進(jìn)而促進(jìn)牧草生長(zhǎng)，尤其是在西藏的高寒干旱地區(qū)灌溉對(duì)于植物生長(zhǎng)的水分補(bǔ)充顯得尤為重要。

注：CK為圍欄外對(duì)照樣地；FG為圍欄封育樣地；FA為圍欄+噴灌樣地。不同字母表示不同處理間在0.05水平上差異顯著。下圖同。

圖1不同處理間群落蓋度、植物平均高度變化

圍欄+噴灌草地群落植物鮮重和干重生物量均比圍欄草地和未圍欄草地群落的生物量顯著增加(p<0.05)。圍欄+噴灌樣地群落植物鮮重比未圍欄樣地增加了192.88%，比僅圍欄樣地增加了34.82%(圖2A)。圍欄+噴灌樣地群落中植物干重比未圍欄和圍欄樣地也顯著增加(p<0.05)，比未圍欄樣地植物干重增加了110.00%，比僅圍欄樣地增加了24.10%(圖2B)。

研究表明，作物產(chǎn)量與水分消耗量呈線性關(guān)系，灌溉對(duì)作物產(chǎn)量有重要影響，有灌溉條件的農(nóng)作物產(chǎn)量是無(wú)灌溉條件產(chǎn)量的1～2倍[9]。國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)和實(shí)踐證明，灌溉可以使天然草地產(chǎn)量提高8～10倍[16]，由于高寒地區(qū)氣候條件的影響，特別是溫度的限制，本試驗(yàn)中灌溉樣地相比對(duì)照樣地植物鮮重提高了1.9倍，植物干重提高了1.1倍?？梢?jiàn)，適當(dāng)發(fā)展灌溉草業(yè)，可大幅度增加單位面積產(chǎn)草量和牧草質(zhì)量，提高草地綜合生產(chǎn)力，減輕草地放牧壓力，促進(jìn)退化草地自然恢復(fù)[17]。

圖2不同處理間植物鮮重、干重變化

由表3可以看出，圍欄+噴灌樣地pH、有機(jī)質(zhì)、全鉀、速效氮含量均低于圍欄和未圍欄樣地，但全氮含量高于圍欄和未圍欄樣地。全磷含量表現(xiàn)為對(duì)照>圍欄+噴灌>圍欄樣地。一方面，灌溉使得土壤水分增加，一些鉀、鈉、鈣、鎂、鐵等鹽的鹽基發(fā)生淋溶現(xiàn)象或者隨水流失；另一方面灌溉使得植物生長(zhǎng)所需的水分得到相應(yīng)補(bǔ)充，土壤溶液反應(yīng)發(fā)生改變，牧草生長(zhǎng)環(huán)境得到改善，良好的生長(zhǎng)需要吸收土壤中大量的養(yǎng)分，因此土壤中pH、有機(jī)質(zhì)、全鉀、速效氮含量降低。

表2　不同處理間土壤理化性質(zhì)變化

注：CK為圍欄外對(duì)照樣地；FG為圍欄封育樣地；FA為圍欄+噴灌樣地。

3　結(jié) 論

本試驗(yàn)在西藏高寒干旱區(qū)利用自壓噴灌技術(shù)進(jìn)行草地恢復(fù)管理研究，結(jié)果表明，圍欄封育+自壓噴灌樣地植物平均高度比未圍欄樣地增加了155.77%，比僅圍欄樣地增加了76.71%；圍欄+噴灌樣地群落蓋度比未圍欄樣地增加了152.69%，比僅圍欄樣地增加了35.96%；群落生產(chǎn)力比未圍欄樣地增加了110.00%，比僅圍欄樣地增加了24.10%。自壓噴灌技術(shù)在西藏高寒干旱地區(qū)自壓噴灌技術(shù)顯著提高草地群落的蓋度和高度，使草地生產(chǎn)力顯著增加。自壓噴灌技術(shù)在水源和地形條件具備的高寒干旱草地恢復(fù)中具備一定的示范和推廣潛力，為西藏地區(qū)因地制宜，科學(xué)合理地利用水資源，為該區(qū)草地生態(tài)畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了一條新思路。

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Study on Application of Self-Pressure Sprinkler Irrigation Technology to Vegetation Restoration of Alpine Grassland

Duojidunzhu1, Basangchilie2, LIU Yu3

(1.Institute of Grassland Farming, Tibet Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences, Lhasa 850009,China; 2.DepartmentofWaterResources,TibetAutonomousRegion,Lhasa850000,China; 3.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

With regard to the problems of vegetation restoration in poor natural conditions region, and the connotation of sustainable development, we systematically introduced the application of self-pressure sprinkler irrigation technology using in the alpine grassland. The fenced-irrigated grassland was compared to the free grazing grassland and fenced grassland respectively to analyze the primary productivity. The results showed that the plant height of fenced-irrigated grassland was 155.77% higher than that in the free grazing grassland, and 76.71% more than that in the fenced grassland; the coverage of fenced-irrigated grassland was 152.69% higher than the free grazing grassland, and 35.96% more than the fenced grassland. It indicated that the self-pressure sprinkler irrigation technology had the demonstration and promotion potential in the restoration of grassland vegetation, and provided a new way for the sustainable development of animal husbandry in Tibet.

self-pressure sprinkler irrigation; alpine arid areas; Grassland vegetation; Restoration

2015-10-23

2015-11-16

國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科技項(xiàng)目”青藏高原羊八井社區(qū)天然草地保護(hù)與合理利用技術(shù)研究與示范”(201203006)

多吉頓珠(1980—),男(藏族),西藏日喀則人,碩士,研究方向:草業(yè)科學(xué)及草原生態(tài)保護(hù)。E-mail:782034969@qq.com

劉玉(1988—),男,陜西洛南人,在讀博士,研究方向:草地生態(tài)與土壤水文過(guò)程。E-mail:kingliuyu@126.com

S275.3

A

1005-3409(2016)02-0055-05