李 立，李小龍，顧唯甬，王盈盈

(華北水利水電大學(xué)，鄭州 450011)

0 引 言

水是生命之源，是生態(tài)之基，是生產(chǎn)之要，水是人類賴以生存和發(fā)展不可替代的重要自然資源[1]。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)、資源環(huán)境約束趨緊以及深入貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的發(fā)展理念”的新形勢(shì)下，水資源的重要性和戰(zhàn)略地位日趨突顯[2]。眾所周知，我國(guó)人口眾多，是全球人口最多的國(guó)家，人均水資源占有量約為2 200 m3，僅為世界平均水平的1/4，位列世界121位，是全球公認(rèn)的13個(gè)貧水國(guó)家之一。水資源短缺問題已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的和諧發(fā)展構(gòu)成十分明顯的約束[3]。農(nóng)業(yè)一直是我國(guó)的用水大戶，占到我國(guó)總用水量的60%以上，有些地區(qū)可高達(dá)80%。黨中央高度重視農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉問題，2016年中央一號(hào)文件提出要大力發(fā)展農(nóng)田水利建設(shè)，到2020年把農(nóng)田有效灌溉面積提高到10億畝以上，農(nóng)業(yè)畝均灌溉用水顯著下降，灌溉水利用系數(shù)提高到0.55以上[4]。地面灌水技術(shù)，作為一種傳統(tǒng)的灌水方式，與噴灌、滴灌等灌水技術(shù)相比一直存在著灌水均勻度差，灌溉水量大，深層滲漏嚴(yán)重，灌溉水利用率低等缺點(diǎn)，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，不利于節(jié)約用水[5]。在我國(guó)，傳統(tǒng)地面灌水方法仍然是最重要和最常見的灌水方式[6]，我國(guó)地面灌溉占到總灌溉面積的98%[7]。因此，積極推廣應(yīng)用農(nóng)業(yè)高效節(jié)水技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)用水效率，建設(shè)現(xiàn)代化高效節(jié)水型農(nóng)業(yè)是當(dāng)下我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要部分，其中對(duì)傳統(tǒng)地面灌水技術(shù)的研究、發(fā)展和改善仍是實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水中的重中之重。

1 膜袋灌技術(shù)概述

張澤中等[8]針對(duì)傳統(tǒng)地面灌水技術(shù)的不足，在覆膜保墑技術(shù)與適時(shí)適量精細(xì)控制灌溉技術(shù)的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)了一種地面灌溉節(jié)水新技術(shù)——膜袋灌。膜袋是膜袋灌技術(shù)的核心，它是以低密度聚乙烯為主要材料的農(nóng)用塑料地膜經(jīng)熱封形成的具有一定長(zhǎng)度的薄壁塑料袋子，膜袋表面根據(jù)農(nóng)作物的需水要求用針頭人工打上不同直徑、不同間距的出水膜孔。膜袋灌水時(shí)，先將一定量的灌溉水通過田間末級(jí)供水裝置快速輸送至膜袋中，充蓄在膜袋中的灌溉水在自壓作用下通過膜袋上的出水膜孔進(jìn)行緩慢出流灌溉。膜袋灌水過程中，膜袋內(nèi)水位在15 cm至0.5 cm左右，從高水位不斷下降，出水膜孔由微射流到滲流出水，灌溉水借助于重力作用下滲以微潤(rùn)的方式濕潤(rùn)作物根區(qū)附近土壤，而作物根部的行間或棵間的土壤保持干燥，膜袋灌技術(shù)與滴灌、微噴灌、涌泉灌這些先進(jìn)的灌水技術(shù)有相似之處，屬于局部灌溉的范疇。一個(gè)完整的膜袋灌系統(tǒng)，通常由水源工程、輸配水管網(wǎng)、小白龍塑料管、膜袋組成，在大田生產(chǎn)中可以根據(jù)農(nóng)作物壟間距、灌水周期和需水量等因素合理布設(shè)多條灌水膜袋進(jìn)行農(nóng)作物灌水。

2 膜袋灌技術(shù)的特點(diǎn)

膜袋灌技術(shù)最大的特點(diǎn)在于打破蓄水于田的灌溉理念，把蓄水于田間土壤轉(zhuǎn)變?yōu)樾钏诠嗨ご?。傳統(tǒng)地面灌溉以及噴灌、滴灌、滲灌等灌水方法的灌水理念是在一次灌水過程中，把一段時(shí)間農(nóng)作物所需的灌溉水在短時(shí)間內(nèi)一次性輸送到田間，其后農(nóng)作物利用自身負(fù)勢(shì)和毛管力吸水，田間灌水和農(nóng)作物根系區(qū)供水是同步的、連續(xù)的過程，這種灌水理念稱之為蓄水于田。膜袋灌則是把一定時(shí)期農(nóng)作物所需的水分在短時(shí)間內(nèi)一次性充蓄到灌水膜袋中，其后一段時(shí)間，膜袋利用自壓自行緩慢出流灌溉，農(nóng)作物吸水與膜袋對(duì)農(nóng)作物根系區(qū)供水同步持續(xù)進(jìn)行，直至下一次灌水。通過膜袋充水，可加快水流在灌溉區(qū)域的分布，在較短時(shí)間內(nèi)完成田間灌水任務(wù)，加快了灌區(qū)的輪灌速度，節(jié)省田間灌水工時(shí)。

膜袋灌技術(shù)相對(duì)縮短田間灌水時(shí)間，延長(zhǎng)向農(nóng)作物根部供水的時(shí)間。在灌水過程中，灌溉水中的雜質(zhì)在膜袋中有較大的空間和較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行沉淀，灌溉水不會(huì)對(duì)出水膜孔造成堵塞，降低了對(duì)灌溉水質(zhì)的要求。這也使得膜袋灌技術(shù)適用于黃河下游引黃灌區(qū)多泥沙水質(zhì)水源灌溉，同時(shí)膜袋灌技術(shù)還可以與灌溉施肥技術(shù)相結(jié)合，通過膜袋進(jìn)行水肥一體化技術(shù)應(yīng)用，能有效減少化肥點(diǎn)源污染問題。膜袋灌技術(shù)還可以根據(jù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況和需水情況合理設(shè)計(jì)出水膜孔孔徑的大小、膜孔間距以及膜孔的布置形式，進(jìn)行適時(shí)適量控制灌水。大田多條膜袋系統(tǒng)灌水時(shí)也可以進(jìn)行交替控制性灌溉，可進(jìn)一步提高作物水分利用效率。

膜袋灌水時(shí)只需將輸水軟管與膜袋相連即可，操作簡(jiǎn)便，易于農(nóng)民接受和掌握。膜袋灌水時(shí)無需其它動(dòng)力設(shè)施，減少了能源的消耗。膜袋灌技術(shù)與噴灌、滲灌、涌泉灌等先進(jìn)灌水技術(shù)相比，還具有灌水系統(tǒng)簡(jiǎn)單，田間工程量小，經(jīng)濟(jì)耐用，易于與我國(guó)當(dāng)前農(nóng)村生產(chǎn)模式相結(jié)合，便于應(yīng)用推廣等優(yōu)勢(shì)。

3 膜袋灌技術(shù)研究進(jìn)展

自膜袋灌技術(shù)提出以來，相關(guān)科研人員對(duì)灌水膜袋進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，對(duì)灌水膜袋的工藝和構(gòu)造不斷完善。現(xiàn)在比較成熟的灌水膜袋結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 灌水膜袋結(jié)構(gòu)

該型膜袋周長(zhǎng)約0.60 m，膜袋兩側(cè)對(duì)稱人工打孔，出水膜孔距膜袋邊緣2 cm，1-1為膜孔出流斷面，出水膜孔為孔1、孔2、孔3、孔4，出水膜孔孔徑大小及膜孔間距可根據(jù)要求制作。李海鑫等[9]對(duì)該類型膜袋出流均勻度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并分析了影響膜袋灌出流均勻度的因素，如膜袋出水膜孔孔徑、出水膜孔孔距、膜袋出水膜孔制造偏差、微地形變化、膜孔堵塞情況等。溫隨群等[10]對(duì)膜袋進(jìn)行了水平土箱入滲試驗(yàn)，研究了不同灌水定額下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移情況和濕潤(rùn)體的土壤水分分布狀況，發(fā)現(xiàn)該類型膜袋能夠滿足大田旱作物的生長(zhǎng)需水要求。之后，溫隨群等[11]對(duì)膜袋灌的水力特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，膜袋出水膜孔制作滿足灌水器質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，膜袋出流均勻度較好，在80%左右。張澤中等[12]對(duì)40 m長(zhǎng)膜袋進(jìn)行水力性能試驗(yàn)，研究了工作水頭、孔距、孔徑3個(gè)因素對(duì)膜袋出流均勻度的影響。

以上這些文獻(xiàn)關(guān)注的大多都是膜袋供水系統(tǒng)膜孔出流均勻性的問題，而對(duì)膜袋灌水土壤濕潤(rùn)均勻性的問題研究較少。由于膜袋的膜孔出流方式近似于小孔出流，亦稱之為點(diǎn)源入滲，膜袋灌是依靠灌溉水自身重力和土壤水吸力為主的主動(dòng)供水方式，與常規(guī)的地面灌溉、點(diǎn)源滴灌入滲相類似。由于大田膜袋灌的膜孔間距往往較小，使膜袋下方的土壤濕潤(rùn)區(qū)相連，形成一條沿膜袋方向的濕潤(rùn)帶，類似滴灌系統(tǒng)中的線源滴灌。但是與點(diǎn)源滴灌不同，點(diǎn)源滴灌所形成的土壤濕潤(rùn)鋒之間不銜接，不相互影響，所以不存在土壤濕潤(rùn)均勻度的問題。但在膜袋灌情況下，相鄰膜孔所形成的濕潤(rùn)鋒存在交匯問題，土壤濕潤(rùn)區(qū)的相互銜接形成了膜帶灌水濕潤(rùn)帶的均勻度問題。它存在灌水均勻度的問題，但這一問題分兩個(gè)方面：①出流均勻度；②土壤濕潤(rùn)均勻度。這是兩個(gè)不同的問題，在膜袋灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，后者是前者的基礎(chǔ)。膜袋灌根區(qū)土壤的水分環(huán)境問題是膜袋灌水技術(shù)設(shè)計(jì)中最根本問題，也是膜袋灌水技術(shù)的設(shè)計(jì)目的，它直接關(guān)系到膜袋灌水質(zhì)量的好壞。有必要對(duì)膜袋灌水土壤濕潤(rùn)均勻性的問題加以研究。

4 膜袋灌水均勻性問題

膜袋灌技術(shù)的核心思想是灌水均勻，不產(chǎn)生地表徑流和深層滲漏，只濕潤(rùn)作物根區(qū)土壤，減少棵間蒸發(fā)和深層滲漏，還要達(dá)到一定的濕潤(rùn)面積，以提高農(nóng)田灌溉水利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)水的目的。膜袋灌水土壤濕潤(rùn)均勻性問題會(huì)直接影響農(nóng)作物對(duì)水分的利用，灌水均勻性也是衡量膜袋灌水質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)，也將影響到膜袋灌技術(shù)的應(yīng)用和推廣。一般用克里斯琴森均勻系數(shù)評(píng)價(jià)土壤水分的灌水均勻性[13]，即：

式中：H為總?cè)由疃?，cm；Δh為取樣間隔深度(本試驗(yàn)中的間隔深度相等)，cm；θi為地表以下不同深度處的含水率值，%。

本試驗(yàn)在室內(nèi)水平土箱中進(jìn)行。在試驗(yàn)室中采用尺寸為100 cm×80 cm×80 cm的有機(jī)玻璃土箱，內(nèi)裝供試土壤，供試土壤經(jīng)風(fēng)干碾碎后過2 mm篩，備用。供試土壤質(zhì)地為沙壤土，風(fēng)干后含水率為2.75%(占干土重的百分比，下同)，田間持水率為17.57%，干容重1.58 g/cm3；土壤顆粒組成中，沙粒占83.5%，粉粒占14.7%，黏粒占1.8%。將試驗(yàn)土壤按干容重分層(10 cm)裝入試驗(yàn)土箱，厚度取70 cm。試驗(yàn)系統(tǒng)由供水系統(tǒng)、灌水膜袋及試驗(yàn)土箱組成。供水系統(tǒng)由自制供水水箱完成，水箱供水量由電磁流量計(jì)計(jì)量。灌水膜袋有2條，膜袋結(jié)構(gòu)見圖1，膜袋長(zhǎng)1 m，膜孔直徑0.05 mm，膜孔間距分別為30、50 cm，沿試驗(yàn)土箱長(zhǎng)邊布設(shè)在土箱中心，膜袋同一截面上孔1和孔3、孔2和孔4出流情況相同，可簡(jiǎn)化處理為2個(gè)出水膜孔；2條膜袋按預(yù)定的灌水量灌水，灌水結(jié)束后72 h，采用取土烘干法測(cè)量濕潤(rùn)體內(nèi)不同位置上的土壤含水率分布。利用直徑為2 cm的土鉆取不同深度土樣，主要沿膜袋方向、垂直膜袋2個(gè)方向進(jìn)行取樣。膜孔間距為30 cm時(shí)，觀測(cè)膜袋中間的兩個(gè)出流斷面膜孔之間的濕潤(rùn)體，沿膜袋方向兩膜孔間每隔7.5 cm取樣，垂直膜袋方向沿膜袋中線向兩側(cè)每隔7.5 cm取樣，取樣深度均為10 cm。膜孔間距為50 cm時(shí)，沿膜袋方向兩膜孔間每隔12.5 cm取樣，垂直膜袋方向沿膜袋中線向兩側(cè)每隔7.5 cm取樣，取樣深度均為10 cm。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值。試驗(yàn)結(jié)果見表1，其中Cuh為沿膜袋方向的灌水均勻度，Cuv為垂直膜袋方向的灌水均勻度。

表1 膜袋灌水土壤濕潤(rùn)均勻系數(shù)表

由表1可知，膜袋灌水均勻系數(shù)均在70%以上，按照 《節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50363-2006)，當(dāng)Cu大于70%時(shí)，屬于高均勻度節(jié)水灌溉技術(shù)[14]。

膜袋膜孔間距一定時(shí)，同一條膜袋，沿膜袋方向和垂直膜袋方向上膜袋灌土壤濕潤(rùn)均勻性都隨灌水量的增加而增大；灌水量對(duì)沿膜袋方向的灌水均勻度影響顯著，灌水量小，膜孔下方濕潤(rùn)土體面積較小，沿膜袋方向相鄰膜孔間濕潤(rùn)鋒交匯時(shí)間晚、交匯程度小，造成沿膜袋方向的土壤中水分分布不均勻，膜孔下方含水量較大，交匯鋒處的含水量較??；灌水量對(duì)垂直膜袋方向的灌水均勻度影響不明顯。

膜袋灌水量一定時(shí)，膜孔間距對(duì)沿膜袋方向上膜袋灌土壤濕潤(rùn)均勻性影響顯著，對(duì)垂直膜袋方向的灌水均勻度影響不明顯。膜孔間距小，沿膜袋方向相鄰膜孔間濕潤(rùn)鋒交匯時(shí)間早、交匯程度大，沿膜袋方向的灌水均勻度較高；當(dāng)膜袋灌水量增大時(shí)，膜孔間距對(duì)沿膜袋方向的灌水均勻度的影響會(huì)變?nèi)酢?/p>

綜上所述，膜袋灌水時(shí)還應(yīng)考慮濕潤(rùn)帶內(nèi)土壤濕潤(rùn)均勻性問題，膜袋灌水量和膜孔間距對(duì)膜袋灌水土壤濕潤(rùn)均勻性都有影響，尤其是沿膜袋方向上。膜袋灌水設(shè)計(jì)要同時(shí)考慮灌水量和膜孔間距的影響，提高其灌水均勻系數(shù)，進(jìn)一步提高膜袋灌水質(zhì)量和灌溉水的利用效率。

5 結(jié) 語(yǔ)

膜袋灌技術(shù)灌水均勻度較高，提高了水分利用效率，且對(duì)灌溉水質(zhì)要求較低，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的地面灌水新技術(shù)，它的應(yīng)用和推廣是緩解我國(guó)水資源危機(jī)和提高糧食產(chǎn)量的重要途徑之一。同時(shí)，膜袋灌技術(shù)也將會(huì)對(duì)大田旱作現(xiàn)有的地面灌水技術(shù)進(jìn)行改革和模式重組，為引黃灌區(qū)糧食核心建設(shè)和國(guó)家糧食生產(chǎn)提供新思路和技術(shù)支撐。