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        民勤綠洲灌區(qū)精細(xì)壟膜溝灌技術(shù)參數(shù)研究

        2017-03-21 00:41:19王文娟王以兵甘肅省水利科學(xué)研究院蘭州730000
        節(jié)水灌溉 2017年11期
        關(guān)鍵詞:壟溝技術(shù)參數(shù)均勻度

        丁 林,王文娟,王以兵(甘肅省水利科學(xué)研究院,蘭州 730000)

        壟作是在耕作形成的壟面或壟溝內(nèi)種植作物的一種耕作方式,是通過(guò)改變地表微地形,減少耕種面積,協(xié)調(diào)水、肥、氣、熱關(guān)系,促進(jìn)作物生長(zhǎng),降低耕作對(duì)農(nóng)田環(huán)境影響的一種保護(hù)性耕作措施[1]。平作改為壟作后,田間灌溉方式由畦灌改為溝灌,灌水定額減少,提高降水和灌溉水利用率,壟作比平作節(jié)水40%[2,3]。在壟作溝灌對(duì)作物影響方面已有專家學(xué)者作了大量的研究[4-6],在壟溝水分入滲方面也有大量研究[7-11],上述研究均在無(wú)膜覆蓋條件下進(jìn)行。隨著地膜覆蓋措施的應(yīng)用,由于壟溝下墊面發(fā)生了變化,已有的灌水技術(shù)參數(shù)需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行修正。針對(duì)壟膜溝灌技術(shù)目前研究較多的是壟膜溝灌對(duì)作物產(chǎn)量、水分利用、肥料利用的影響等方面[12-18],而對(duì)壟膜溝灌技術(shù)參數(shù)的研究較少。本研究針對(duì)以上實(shí)際,在地膜覆蓋條件下開展精細(xì)壟膜溝灌技術(shù)參數(shù)研究,進(jìn)而提出適宜的壟膜溝灌技術(shù)參數(shù),為技術(shù)推廣應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

        試驗(yàn)于2015年9月在甘肅省水利科學(xué)研究院民勤灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)地處民勤綠洲和騰格里沙漠交界地帶,地理坐標(biāo)東經(jīng)130°05′,北緯38°37′,屬典型的大陸性荒漠氣候,氣候干燥,降水稀少,蒸發(fā)量大,風(fēng)沙多。多年平均氣溫7.8 ℃,極端最高氣溫39.5 ℃,極端最低氣溫-27.3 ℃,平均濕度45%,多年平均降水110 mm,多年平均蒸發(fā)量2 644 mm。研究區(qū)光熱資源豐富,年日照時(shí)數(shù)3 028 h,≥0 ℃積溫3 550 ℃,≥10 ℃積溫3 145 ℃,無(wú)霜期150 d,最大凍土深115 cm。試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)0~60 cm為黏壤土,60 cm以下逐漸由黏壤土變?yōu)樯橙劳粒寥榔骄葜貫?.54 g/cm3,土壤飽和含水率0.43 cm3/cm3。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        試驗(yàn)根據(jù)不同壟溝坡度、入溝流量、灌水定額經(jīng)優(yōu)化選擇7個(gè)試驗(yàn)處理。試驗(yàn)地深耕、耙耱,按試驗(yàn)設(shè)計(jì)坡度平整起壟后覆膜,壟底寬100 cm,壟頂寬60 cm,溝寬40 cm,溝深20 cm,膜寬120 cm,在溝底按30 cm打好入滲孔,試驗(yàn)地規(guī)格為1×65 m,灌水定額為525 m3/hm2和375 m3/hm2兩種,每個(gè)處理重復(fù)3次,各處理隨機(jī)布置3個(gè)點(diǎn)用烘干法測(cè)定土壤含水量,試驗(yàn)田土壤為中透水性。具體參數(shù)設(shè)計(jì)見表1。

        表1 壟膜溝灌技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

        土壤含水量:分別在試驗(yàn)田壟溝覆膜后、灌水前及灌水結(jié)束48h后,用土鉆取土烘干法測(cè)定試驗(yàn)區(qū)含水量,灌前土壤含水量每個(gè)小區(qū)測(cè)3個(gè)點(diǎn),灌后從溝首到溝尾每隔20 m取一個(gè)點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)測(cè)定深度為0~100 cm,每隔20 cm取一個(gè)樣測(cè)定。

        水流推進(jìn):試驗(yàn)時(shí)沿試驗(yàn)田長(zhǎng)度方向每隔10 m設(shè)一水尺,用秒表依次記錄水流到達(dá)各水尺的時(shí)間。

        溝內(nèi)水深:在灌水期間每隔10 min讀一次水尺讀數(shù),灌水結(jié)束時(shí)加讀一次,停灌后每隔10 min讀一次水尺讀數(shù),直到水尺讀數(shù)為0。

        灌水量:通過(guò)管道輸水,水表計(jì)量灌水量。

        流量:通過(guò)安裝在灌溉系統(tǒng)首部的超聲波流量計(jì)測(cè)量。

        灌水均勻度:田間灌水均勻度一般由克里斯琴森均勻度系數(shù)Cu表示:

        (2)

        2 結(jié)果分析

        2.1 水流推進(jìn)分析

        圖1描述了灌水時(shí)各處理的水流推進(jìn)過(guò)程。從圖1可以看出,當(dāng)灌水流量一定時(shí),水流推進(jìn)速度與入溝流量和溝底坡度有關(guān),且呈正相關(guān)關(guān)系。試驗(yàn)中除T5外,其余處理水流均能在灌水結(jié)束前達(dá)到溝尾,T5處理雖然耗用灌水時(shí)間最多,但由于坡度緩、入溝流量小,水流推進(jìn)速度慢,在灌水過(guò)程中過(guò)多水分滲入土壤,使水流到達(dá)不了溝尾。同樣,T1處理也因入溝流量小,水流推進(jìn)速度較為慢,只是T1處理坡度較大,最終使水流勉強(qiáng)推進(jìn)到了溝尾,但其均勻度較差,溝尾入滲水量較少。

        圖1 各處理壟溝水流推進(jìn)過(guò)程線

        表2為各處理水流推進(jìn)速率,從表2可以看出,各處理水流推進(jìn)速度隨溝長(zhǎng)方向逐漸減小,主要是由于部分水量在推進(jìn)過(guò)程中滲入土壤,前進(jìn)水量減小所致。各處理中入溝流量越大,水流推進(jìn)速率越大,另外,壟溝坡度也對(duì)水流推進(jìn)速率有一定的影響。平均水流推進(jìn)速率最大的處理為T4處理,達(dá)到了0.098 m/s。僅從水流推進(jìn)速率及灌水時(shí)長(zhǎng)來(lái)看,當(dāng)壟溝坡度為1/500時(shí),和灌水定額525 m3/hm2相對(duì)應(yīng)的壟溝灌水參數(shù)為:入溝流量0.8 L/(s·m),壟溝長(zhǎng)度50~60 m;和灌水定額375 m3/hm2相對(duì)應(yīng)的壟溝灌水參數(shù)為:入溝流量1.0 L/(s·m),壟溝長(zhǎng)度50~60 m。當(dāng)壟溝坡度為1/1 000時(shí),和灌水定額525 m3/hm2相對(duì)應(yīng)的壟溝灌水參數(shù)為:入溝流量0.8 L/(s·m),壟溝長(zhǎng)度50~60 m;和和灌水定額375 m3/hm2相對(duì)應(yīng)的壟溝灌水參數(shù)為:入溝流量1.0 L/(s·m), 壟溝長(zhǎng)度50~60 m。在實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)入溝流量小于0.6 L/s 時(shí),灌水定額應(yīng)大于525 m3/hm2,壟溝長(zhǎng)度應(yīng)控制在40 m以內(nèi)。

        表2 各處理壟溝水流推進(jìn)速率

        2.2 灌水層深度分析

        在灌溉過(guò)程中,水分隨水流推進(jìn)不斷入滲到土壤中,到灌水結(jié)束后,入滲到土壤中水分多少,與入溝流量和溝底坡度等因素有關(guān),入溝流量越小和溝底坡度越緩的處理,因灌水時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),入滲水量大于其他處理,同時(shí)存留在溝內(nèi)的水層深度相應(yīng)較小。灌水結(jié)束后,地面坡度和灌水定額相同條件下,入溝流量大的處理溝內(nèi)水存留深度大于入溝流量小的處理。地面坡度和入溝流量相同條件下,灌水定額大的處理溝內(nèi)水存留深度大于灌水定額小的處理。 灌水定額和入溝流量相同條件下,溝底坡度大的處理溝內(nèi)水存留深度大于溝底坡度小的處理。這一結(jié)果與不同處理所需要的灌水時(shí)長(zhǎng)是相一致的,與不同處理在灌水過(guò)程中水的入滲量多少有直接關(guān)系。灌水結(jié)束后,壟溝水層深度占溝深的比例達(dá)到2/3以上的處理有T2、T4、T7,說(shuō)明這3個(gè)處理壟溝參數(shù)及灌水參數(shù)設(shè)計(jì)和較為合理,其他處理相對(duì)較為不合理,其中T5、T1處理最不合理,在實(shí)際應(yīng)用中不可取(見表3)。

        表3 溝灌灌溉過(guò)程水尺深度與入滲速率

        2.3 水流消退分析

        由表4可知,灌水結(jié)束后,壟溝水層深度越深,入滲速率越快。雖然各處理水深下降速度隨時(shí)間均呈逐漸減小的趨勢(shì),但各處理均能在60 min左右將水入滲完畢。主要原因是灌溉過(guò)程中入滲水量少的處理,則灌溉結(jié)束后水層深度大,入滲速度快;灌溉過(guò)程中入滲水量多的處理,則灌溉結(jié)束后水層深度小,入滲速度慢。各處理在灌水結(jié)束后30 min內(nèi)水層下降深度占總深度的比例額均在65%以上,其中最高的T3處理占89.2%,最低的T7占68.7%,由上說(shuō)明各處理溝內(nèi)土壤水分在灌水后均未達(dá)到飽和狀態(tài),灌水結(jié)束后逐漸達(dá)到飽和,飽和后溝內(nèi)水分入滲速率逐漸減緩。

        2.4 灌水均勻度分析

        根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)資料,利用公式(1)、(2)計(jì)算精細(xì)壟膜溝灌不同處理的灌水均勻度如表5和表6所示。由于T5處理入溝流量小,水流未推進(jìn)到壟溝末端,其灌水均勻度較差,其余6個(gè)處理灌水均勻度均在0.89以上,其中T4、T7處理灌水均勻度最高,分別達(dá)到0.98和0.94,同樣T2和T6灌水均勻度也達(dá)到了0.9以上。由此可以得出,在實(shí)際作物種植及灌溉中,當(dāng)壟溝坡度在1/500時(shí),適宜的灌水定額為375~525 m3/hm2、入溝流量為0.8~1.0 L/s;當(dāng)壟溝坡度在1/1 000時(shí),適宜的灌水定額為375~525 m3/hm2、入溝流量為0.8~1.0 L/s。與已有規(guī)范與研究成果相比[19],入溝流量可減少0.2~0.5 L/s,溝長(zhǎng)可延長(zhǎng)20~30 m左右。

        表4 溝灌灌水結(jié)束后水深下降分析

        表5 田間各處理、各測(cè)點(diǎn)含水量實(shí)測(cè)值 %

        表6 溝灌灌水均勻度計(jì)算

        3 結(jié) 語(yǔ)

        本研究針對(duì)地膜覆蓋后原有的溝灌技術(shù)參數(shù)已不能適應(yīng)現(xiàn)實(shí)要求,設(shè)定了不同單寬流量、地面坡度、灌水定額等參數(shù),研究提出了不同精細(xì)灌溉條件下的適宜技術(shù)參數(shù)。在水流推進(jìn)方面得出,入溝流量是影響水流推進(jìn)速率的主要因素,流速越快,在灌水過(guò)程中入滲水量越少,灌水后均勻度較高;在適宜坡度及入溝流量方面得出,當(dāng)壟溝坡度在1/500左右,灌水定額為375~525 m3/hm2時(shí)、適宜入溝流量為0.8~1.0 L/s,壟溝長(zhǎng)度60 m;灌水定額大于525 m3/hm2時(shí)、適宜入溝流量為0.6~0.8 L/s,壟溝長(zhǎng)度60 m。當(dāng)壟溝坡度在1/1 000左右,灌水定額為375~525 m3/hm2時(shí)、入溝流量為1.0 L/s,壟溝長(zhǎng)度60 m;灌水定額為大于525 m3/hm2時(shí)、入溝流量為0.8~1.0 L/s,壟溝長(zhǎng)度60 m。在實(shí)際作物種植及灌溉中,應(yīng)根據(jù)不同自然條件、作物種類、播種方式、土壤質(zhì)地、土壤墑情、配套農(nóng)藝措施等選擇合適的入溝流量及灌水定額。

        本研究結(jié)論是在民勤綠洲大田試驗(yàn)條件下完成的,不可避免受到研究區(qū)土壤質(zhì)地、自然條件的影響,所以試驗(yàn)得出的結(jié)論有一定的局限性,在不同自然條件下的精細(xì)壟膜溝灌技術(shù)參數(shù)還需進(jìn)一步研究,另外還需要研究二元覆蓋及其他覆蓋條件下的主要技術(shù)參數(shù)。

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