周 迪朱 梅王振龍，2周 婷

SDI灌溉技術(shù)及其環(huán)境影響研究綜述

周 迪1朱 梅1王振龍1，2周 婷1

一、引言

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，又是一個(gè)水資源相對(duì)貧乏的國(guó)家。農(nóng)業(yè)是用水大戶，占總用水量的70％。隨著城鎮(zhèn)人口的增加、工業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)水資源被侵占的現(xiàn)象屢見不鮮，使得農(nóng)業(yè)用水陷入危機(jī)。因此，大力推進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)是解決這一矛盾的主要途徑，而發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)對(duì)節(jié)水潛力的影響最大。地下滴灌（SubsurfaceDripIrrigation，簡(jiǎn)稱SDI）是目前最復(fù)雜、效率最高的灌溉技術(shù)，SDI技術(shù)能夠使作物產(chǎn)量和水利用效率同時(shí)達(dá)到最佳。

二、SDI灌溉技術(shù)

SDI技術(shù)是指水或水肥混合液通過地埋毛管上的灌水器緩慢出流滲入到作物根區(qū)土壤中，借助毛細(xì)管作用或重力作用將水分?jǐn)U散到整個(gè)根層供作物吸收利用。

SDI技術(shù)具有顯著的節(jié)水、節(jié)能、省工、增產(chǎn)、提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)以及改善土壤環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具發(fā)展前途的節(jié)水灌溉技術(shù)，逐步成為各國(guó)科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。近年來國(guó)內(nèi)外關(guān)于SDI的研究較多，主要集中以下幾個(gè)方面：具有更高灌水均勻度和抗堵塞的灌水器和設(shè)備、毛管埋深與滴頭布置形式、土壤水鹽或水肥運(yùn)動(dòng)規(guī)律與模擬、灌溉制度、作物生長(zhǎng)、咸水灌溉。關(guān)于地下滴灌的環(huán)境效應(yīng)也已引起了人們的關(guān)注，主要是SDI減少深層滲漏、硝態(tài)氮淋溶和地表積鹽等方面的試驗(yàn)研究。與其他灌水技術(shù)相比，我國(guó)SDI的應(yīng)用還比較少，由于其諸多的優(yōu)點(diǎn)和日趨成熟的技術(shù)，其應(yīng)用前景將非常廣闊。

三、地下滴灌的灌水技術(shù)參數(shù)

1.毛管埋深

地下滴灌條件下，毛管埋深受土壤質(zhì)地、作物生長(zhǎng)狀況（如根系深度）、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施（如耕作）等影響，需要因地制宜確定相應(yīng)的毛管埋深。DeTar等（1996）進(jìn)行地下滴灌試驗(yàn)，結(jié)果表明：如需要考慮地下滴灌系統(tǒng)多年使用和進(jìn)行土壤耕作，則毛管埋深應(yīng)大于25cm；如土壤不需要進(jìn)行耕作（例如種植草地、苜蓿等），則毛管埋深10～ 40cm（取決于土壤類型和作物根層范圍）。De Tar等（1996）對(duì)馬鈴薯增產(chǎn)效應(yīng)研究表明，合理埋深為46cm。S.P.Bhattarai等（2008）研究表明在重粘土中若滴管帶埋得過深將導(dǎo)致作物根系供養(yǎng)不足，不利于作物的生長(zhǎng)。何華等（2001）進(jìn)行了SDI埋管深度對(duì)不同生育時(shí)期冬小麥根系生長(zhǎng)和地上部分生長(zhǎng)影響的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明在重壤土上40cm是冬小麥進(jìn)行地下滴灌的較好埋深。諸葛玉平等（2003）認(rèn)為輕質(zhì)土壤導(dǎo)水性能較強(qiáng)，滴灌埋深要較淺；粘質(zhì)土壤導(dǎo)水率小，持水量大，埋深可稍大，這樣既不會(huì)造成深層滲漏，也可減小地表濕潤(rùn)，防止土壤蒸發(fā)。

總體上講，地下滴灌毛管的埋深既要足夠深——能避免耕作或其他農(nóng)事活動(dòng)的破壞，又要足夠淺——以避免濕潤(rùn)表土為宜。綜合考慮上述各種因素，毛管埋深范圍在20～70cm之間。

2.毛管間距

在生產(chǎn)實(shí)踐中，毛管間距的變化為0.25～5m不等。平播密植類作物一般采用較窄的間距，如草皮、小麥等，而行播作物則采用較寬的間距。如蔬菜、果樹、棉花、玉米等。目前，棉田地下滴灌的毛管間距多為0.9～1.5m，小麥田多為1.0～1.2m。對(duì)于沙性土壤或干旱地區(qū)，減小毛管間距有助于田間土壤水分的均勻分布；而在多雨的濕潤(rùn)地區(qū)，可以使用較寬的間距，這還取決于作物類型、土壤條件和可接受的風(fēng)險(xiǎn)水平。

3.灌溉制度

灌溉制度包括灌水量、灌水周期（頻率）兩個(gè)方面。在地下滴灌中通常用作物需水量（ETc）的百分比去表示灌水量。Fangmeir等（1989）研究發(fā)現(xiàn)，耗水量為水面蒸發(fā)量的1.3倍時(shí)，棉花的產(chǎn)量最高；而耗水量與水面蒸發(fā)量相當(dāng)時(shí)，用水效率最大。Powell等（1993）認(rèn)為棉花和玉米的灌水量一般應(yīng)為蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的40％～100％。Hutmacher等（1995） 和 Howell等（1997）則認(rèn)為，維持土壤在一定的水分虧缺水平上，如灌水量減少到0.6～0.7ETc時(shí)，棉花和玉米的產(chǎn)量與對(duì)照差別很小。Lamm和 Trooien （2003）證實(shí)采用地下滴灌灌水量為75％的作物需水量時(shí)玉米的產(chǎn)量達(dá)到最高。S.P.Bhattarai（2008）等研究表明在地下滴灌條件下灌水為50％的ETc 比90％的ETc一個(gè)季度能夠多利用250mm的降雨。A.D.Mchugh等（2008）分別對(duì)地下滴灌灌水為ETc的120％、105％、90％、75％、50％五個(gè)水平進(jìn)行對(duì)比，研究結(jié)果顯示隨著灌水量的增加，土壤侵蝕和氮素流失隨之增加，在50％和75％水平時(shí)沒有土壤侵蝕和氮素流失。M.A.Badr等（2010）發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)叵碌喂喙嗨繛?0％的ETc時(shí)，水利用系數(shù)最高并獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。E.D.Vories等（2009）在研究地下滴灌對(duì)美國(guó)中南部玉米的影響，結(jié)果顯示當(dāng)灌水量為50％的ETc時(shí)玉米的產(chǎn)量達(dá)到最大。

從灌水周期上講，一般地下滴灌宜采用高頻灌溉，按小定額、多次灌水的方式向作物供水，也可采用當(dāng)土壤水分下降到某個(gè)設(shè)定的下限值時(shí)開始灌溉。對(duì)淺根作物如蔬菜等，一般采用高頻灌溉，果樹及大田作物可適當(dāng)延長(zhǎng)灌水周期。

四、地下滴灌的環(huán)境影響

近年來，關(guān)于地下滴灌條件下的環(huán)境效應(yīng)越來越受到人們的關(guān)注，主要表現(xiàn)在SDI減少深層滲漏、NO3-淋溶和土表積鹽等方面的試驗(yàn)研究。

1.農(nóng)田小氣候的影響

農(nóng)田小氣候是指農(nóng)田貼地氣層、土層與作物群體之間的物理過程和生物過程相互作用所形成的小范圍氣候環(huán)境。農(nóng)田小氣候?yàn)檗r(nóng)田生物的生長(zhǎng)提供了必須的環(huán)境，農(nóng)田小氣候的改變影響農(nóng)田生物的生存。

采用地下滴灌最顯著的特點(diǎn)是保持表層土壤的干燥，這樣就減少了地表的無效蒸發(fā)。蒸發(fā)量的減少導(dǎo)致農(nóng)田表層空氣濕度的降低，從而減少作物病蟲害。地下滴灌的灌溉水借助土壤毛細(xì)管的滲吸作用濕潤(rùn)土壤，它不產(chǎn)生重力水作用，因此對(duì)表層土壤結(jié)構(gòu)破壞較小，基本保持土的疏松狀態(tài)，土壤容重變化不大，通氣狀況良好。采用地下滴灌技術(shù)土層各個(gè)深度的地溫要比其他灌水方式的地溫高，且表層差異顯著。造成這種差異的主要原因是由于地下滴灌時(shí)，淺層土壤較干燥蒸發(fā)耗熱較少，土壤熱通量較大，而土壤導(dǎo)熱率和熱容量又較小，熱量較多集中于土壤淺層，造成土壤淺層升溫較快，溫度值較高，增加了晝夜溫差，有利于作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高。地下滴灌條件下土壤表層干燥還有利于控制雜草的生長(zhǎng)和害蟲的繁殖。但是有研究表明在土壤容重較大的土壤中，如果采用地下灌溉可能導(dǎo)致作物根區(qū)的氧氣含量不足，影響作物根系的呼吸作用，抑制作物的生長(zhǎng)。為此S.P.Bhattarai等（2008）提出了地下滴灌摻氧灌溉。

2.生態(tài)環(huán)境的影響

地下滴灌最主要的優(yōu)點(diǎn)之一是能夠適時(shí)適量地將水、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及農(nóng)藥準(zhǔn)確地輸送到作物根部活躍區(qū)。這不僅提高了水肥利用效率，減少了水肥的投入量，而且降低了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和農(nóng)藥的流失風(fēng)險(xiǎn)，減輕了灌溉帶來的環(huán)境污染。

農(nóng)業(yè)面源污染是一個(gè)全球性的嚴(yán)重問題，過量施用氮肥是引起農(nóng)業(yè)面源污染的重要因素之一。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家由于過量施氮，土壤和水質(zhì)已受到嚴(yán)重污染。近年來我國(guó)作物產(chǎn)量并未隨著施氮量的增加而明顯增加，氮肥利用率只有30％～40％，大部分氮素從不同途徑損失，減少水肥投入和采用適宜的灌溉施肥技術(shù)是避免氮素?fù)p失的有效方法。SDI灌溉下氮素養(yǎng)分灌施于根區(qū)，可以減少氨態(tài)氮的揮發(fā)損失，并且SDI實(shí)行小定額高頻次的灌溉制度，硝態(tài)氮隨灌溉水滲漏至土壤深層的潛勢(shì)較其他灌溉技術(shù)小。

磷相對(duì)于氮素較穩(wěn)定。現(xiàn)有研究表明當(dāng)養(yǎng)分隨水分一同灌施于作物根區(qū)時(shí)，磷素養(yǎng)分由于遷移性差，不易遷移出根區(qū)，可為作物根系很好地吸收，因而用量較其他灌溉技術(shù)節(jié)省。在石灰性土壤里施用磷酸尿素，滴孔周圍20cm以內(nèi)可利用態(tài)磷的濃度很高，分2次施用能延長(zhǎng)磷的有效性。

地下灌溉在減少了滲漏和徑流的同時(shí)，也改變了農(nóng)田小氣候，作物病蟲害減少，雜草生長(zhǎng)得到了控制，故農(nóng)藥的投入量也得到了相應(yīng)的控制。A.D.Mchugh等（2008）研究表明地下滴灌條件下土壤侵蝕和農(nóng)藥的流失量明顯小于溝灌。

五、展望

SDI的研究已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，但是相對(duì)于其他灌溉方法，SDI的研究和應(yīng)用起步比較晚，尤其在國(guó)內(nèi)的研究比較少，且多集中于對(duì)SDI系統(tǒng)的布置、土壤水鹽的分布等方面。近年來的研究發(fā)現(xiàn)土壤鹽分問題是SDI灌溉的普遍問題，這也是阻礙地下滴灌發(fā)展的一個(gè)重要因素。

今后，針對(duì)一系列環(huán)境影響，進(jìn)一步開展相關(guān)研究，例如SDI灌溉引起的土壤鹽堿化、根系供養(yǎng)不足以及SDI灌溉對(duì)溫室氣體的排放（CO2、N2O、CH4等）將有著積極而深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義

（作者單位：1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院230036 2.安徽省水利水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 233000）

（專欄編輯：周 權(quán)）