地下节水灌溉技术研究综述.pdf

宁夏农林科技，Ningxia Journal of Agri.and Fores.Sci.&Tech.2023，64（07）：41-46，61基金项目：宁夏自然科学基金（2022AAC03432、2023AAC02054）；2022 年度宁夏青年拔尖人才培养项目。作者简介：李永梅（1979），女，山西平遥人，助理研究员，在读博士研究生，主要从事旱区水环境与水土资源调控及植物遥感等研究。*通信作者：王浩（1953），男，北京人，博士，教授级高工，中国工程院院士，主要从事水文水资源研究。收稿日期：2023-01-05地下节水灌溉技术研究综述李永梅1，2，王 浩1，3*，赵红莉3，张鹏程1，张立根41.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川7500212.宁夏农林科学院农业经济与信息技术研究所，宁夏 银川7500023.中国水利水电科学研究院水资源所，北京1000384.宁夏建筑科学研究院集团股份有限公司，宁夏 银川750021摘要：地下节水灌溉技术作为一种新型灌溉方式备受关注，对缓解农业水资源不足，保证粮食安全及促进农业现代化具有重要意义。概述了地下节水灌溉技术的研究进展，探讨其在农业生产中的应用潜力和发展前景。通过对地下滴灌、地下渗灌、微润灌溉、直插式根灌、涌泉根灌与微孔陶瓷根灌 6 种地下节水灌溉技术要点、存在问题及研究现状进行详细总结与分析，指出地下节水灌溉技术面临的主要挑战以及未来发展方向，这不仅对于深化人们对该技术工作原理和应用方式的理解起到重要作用，而且对于该技术创新及科学高效灌溉方案的提出具有重要指导意义。关键词：地下滴灌；渗灌；微润灌溉；直插式根灌；涌泉式根灌；微孔陶瓷根灌中图分类号：S607文献标识码：A文章编号：1002-204X（2023）07-0041-06doi:10.3969/j.issn.1002-204x.2023.07.011The Summarize of Subsurface Water-Saving Irrigation TechnologyLi Yongmei1,2,Wang Hao1,3*,Zhao Hongli3,Zhang Pengcheng1,Zhang Ligen4(1.School of Civil and Hydraulic Engineering,Ningxia University,Yinchuan,Ningxia 750021;2.Institute ofAgricultural Economy and Information Technology,Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences,Yinchuan,Ningxia 750002;3.Department of Water Resources,China Institute of Water Resources and HydropowerResearch,Beijing 100038;4.Ningxia Academy of Building Research Co.,Ltd.,Yinchuan,Ningxia 750021）Abstract Subsurface water-saving irrigation technology has attracted much attention as a new irrigation method,which is of great significance in alleviating the shortage of agricultural water resources,ensuring food security,and promoting agricultural modernization.This article aims to outline the research progress of subsurfacewater-saving irrigation technology,explore its potential application and development prospects in agriculturalproduction.Through a detailed summary and analysis of the key technical points,existing problems,andresearchstatusofsixsubsurfacewater-savingirrigationtechnologies,includingsubsurfacedripirrigation,subsurface seepage irrigation,micro-moisture irrigation,straight tube root irrigation,bubbled-root irrigation,microporous ceramic root irrigation,the main challenges and futuredevelopment directions faced by thetechnology are pointed out.This not only plays a crucial role in deepening peoples understanding of theworking principles and application methods of the technology,but also provides important guidance for theinnovation of this technology and the development of scientific and efficient irrigation solutions.Key words Subsurface drip irrigation;Subsurface seepage irrigation;Micro-moisture irrigation;Straight tube rootirrigation;Bubbled-root irrigation;Microporous ceramic root irrigation4164 卷 07 期节水灌溉（water saving irrigation，简称 WSI）就是科学高效利用灌溉水资源1，是节水、增产、高效灌溉技术与管理方法的统称。节水灌溉可最大限度地减少水分浪费，提高灌溉水的利用效率，确保农作物生长需水量得到满足。发展节水灌溉既是缓解农业水资源不足，保证粮食安全的重要途径，又是促进农业现代化的一个关键举措1。随着水资源短缺问题日益突出，现代农业对节水灌溉提出更高要求。地面节水灌溉由于将灌溉设备布置在地表，棵间蒸发量大；同时由于灌水流量大引起的水分渗漏现象严重，一定程度上造成水资源浪费。因此，国内外相关专家提出灌溉方式由地表向地下转移的观点，地下节水灌溉作为一种新兴的灌溉方式，受到了相关研究人员的广泛关注。众多研究发现，由于地下灌溉水流速慢，没有蒸发和渗漏，节水潜力大2；同时水分容易被土壤吸收并被植物利用，能更好地提升作物产量和品质3。因此，发展地下节水灌溉技术实现高效精准灌溉，促进作物提质增效，成为未来节水灌溉技术发展的主要方向之一。本文在介绍地下节水灌溉技术原理及优势的基础上，对地下滴灌、地下渗灌、微润灌溉、直插式根灌、涌泉根灌及微孔陶瓷根灌 6 种地下节水灌溉技术，从技术要点、存在问题及研究现状进行详细梳理，探讨地下节水灌溉技术所面临的挑战，并提出其未来发展方向，对地下节水技术的进一步发展和应用推广具有重要指导意义。1地下节水灌溉技术概述地下节水灌溉是一种通过在土壤中埋设管道或灌溉设备，将水分输送到植物根系附近，以最大限度地提高水分利用效率，从而实现高效节水的灌溉方式。地下节水灌溉系统一般由管道输水系统、灌溉设备和控制系统组成，其中地下管道输水系统要根据具体的应用需求选择合适的材料和规格，可以是塑料管、混凝土管或金属管；灌溉设备包括滴灌管、渗灌管、微孔陶瓷及高分子半透膜材料等，这些设备需要根据植物的需水量和生长阶段进行布置和调节，以实现精确的水分供应；控制系统通常是自动控制系统，它可以根据土壤水分状况、气象条件和植物需水量等参数，实现灌溉水量和灌溉频率的自动控制。与传统的地表灌溉方式相比，地下节水灌溉可以减少土壤表面的水分蒸发和损失，提高水分利用效率；可以避免过量的灌溉水在土壤表面积聚，减少土壤盐碱化的风险；可以减少土壤表面的水流速度和冲击力，降低土壤侵蚀的风险，有助于保护土壤质量和生态环境；可以根据植物需水量和生长阶段，精确控制灌溉水量和灌溉频率，提高灌溉均匀性，为作物提供适宜的水分供应，从而提高农作物产量和质量。由于地下节水灌溉技术具有节水、节能、减少土壤侵蚀和提高农作物产量等优势，在果树和蔬菜种植、农田灌溉以及草坪和园林绿化等领域具有广阔的应用潜力。2地下节水灌溉技术分类2.1地下滴灌技术地下滴灌是将毛管和灌水器埋设在土壤中，灌溉水通过地埋灌水器缓慢滴入土壤后，扩散到整个作物根层的一种高效节水灌溉技术，它是在滴灌基础上形成的。在合理设计条件下，作物根系处于半球形湿润区，地表则保持相对干燥，能有效避免地表蒸发，降少深层渗漏，提高水分利用效率；同时操作系统简洁，可与自动化设备配套使用，能有效节省劳动力，显著提高运行管理效率，具有稳产增产等优点4-5。但地下滴灌技术在应用中也存在一系列问题6：由于表层土壤长时间处于干燥状态，不利于作物出苗及早期生长。现阶段的解决方案是采用其他灌溉方式作为补充，以确保作物早期生长，而从播种技术层面上能否有效解决此问题还需进一步探究。由于土壤盐分沿着湿润锋方向增加，造成土壤湿润体上边缘的含盐量增大，因此在干旱地区土壤 20 cm 以上出现盐分表聚现象。目前解决该积盐问题的方案仍为大水淋洗，其余优质方案还需深入探究。地下滴灌系统首部工作压力一般达到 3040 m，维持系统运行需要耗费大量电力，而我国大部分农田的电力设施不到位，在一定程度上制约了地下滴灌技术的推广。由于灌水器埋设在地下、灌溉水质差、负压吸泥及根系入侵等原因，会引起灌水器堵塞问题，不仅影响地下滴灌系统使用寿命,而且引起滴头流速与流量变化，进而影响土壤水分运移过程，最终影响作物生长发育。今后研究灌水器堵塞发生特征、诱发机理及抗堵控制技术，是发展地下滴灌技术的关键所在。2.2地下渗灌技术地下渗灌是指将供水干管、支管及渗水管埋置在地下，灌溉水通过地下供水管输入地下渗水管中，通过渗水管道上微小孔隙渗入土壤，而后利用土壤的毛管力促使水分运移的灌溉方法。在渗灌过程中，水分不会由于土壤毛细现象而运移到土壤表层造成地表蒸发，不仅提高水资源利用效率，而且减少土壤表层李永梅，等地下节水灌溉技术研究综述4264 卷 07 期李永梅，等地下节水灌溉技术研究综述的盐分积累。此外，地下渗灌灌溉技术能有效避免地下深层渗漏，对土壤机械结构破坏小，使土壤保持良好的通透性7，有助于提高作物的产量和质量。目前渗灌技术在应用中存在以下问题：渗水微孔堵塞，导致渗水均匀性降低。国内外专家结合渗水微孔堵塞的原因，在渗灌管孔径大小、分布及材料方面开展大量研究，对渗水器的设计进行改进，使其抗堵性、耐用性有所提升。但渗水管的抗堵性能与灌水均匀度仍需深入研究。渗灌管道抗压性小，在使用时会因受挤压而产生断水现象。国内渗灌技术多局限于理论研究与栽培示范，目前该技术不够成熟，渗灌设备急需本地化，在理论与技术应用上都需要继续开展深入研究8，尽快让渗灌系统同本地土壤、水质类型及主栽作物相匹配。2.3微润灌溉技术微润灌溉是采用高分子半透膜材料制成的一种新型节水灌溉装置（即微润管）9，灌溉水在膜内外水势的驱动下，透过微润管壁上的微孔孔隙缓慢渗出，输送至植物根区的一种灌溉方法10，它是一项全新理念的节水灌溉新技术。微润管是由深圳市微润灌溉技术有限公司于 2007 年研制成功，管壁上不仅分布着数量巨多的微孔，而且孔径为纳米级，已经有三代产品（表 1）。微润灌溉技术具有出水量稳定、抗堵塞能力强、安装和维护简单等众多优点11，已成为国际领先的仿生型连续灌溉系统，在干旱半干旱地区具有广阔的应用前景。表 1微润管产品特点、性能及应用微润管特点性能应用第一代产品（又称水缆灌溉或半透膜灌溉）薄纳米孔膜，外有无纺布套层保护，具有双层结构高效节水、安装简单、管理方便、成本低园林绿化、农业灌溉等领域具有高效的节水效果第二代产品单层的厚薄膜纳米管，厚度约为 1 mm出水量稳定、抗高温高寒、机械强度高西部地区严峻的沙漠环境及山丘地区中应用具有突出优势第三代产品单层的厚薄膜纳米管，厚度约为 1 mm出水稳定性、抗堵性进一步加强应用更广，成为国际领先的仿生型连续灌溉系统微润灌溉技术的一个重要特点是它能模拟植物持续吸水的过程，并以连续灌溉方式持续为作物根系补充适量水分，实现了作物吸水与灌溉供水在时间上的同步性，使作物耗水量与田间灌水量相匹配，保障作物始终在最佳灌溉条件下生长，进而提高作物产量，改善作物品质12-13。其次，微润灌溉出水量小且稳定，不会产生水分渗透、肥料流失、土壤团粒结构破坏等问题，反而使得土壤保持良好的通气性和充足氧气，从而利于土壤有效养分的分解，改善作物的营养状况14。此外，微润灌溉运行不需要外部动力设备，具有运行成本低，管理方便等优势15。目前，关于微润灌溉的研究主要集中在出流量和入渗量16-18、湿润体水分运动规律19-22，以及微润灌溉对玉米、番茄、黄瓜、向日葵等作物生长及产量的影响23-28。在微润灌溉条件下土壤养分运移规律、对不同种植模式作物生长的影响、对农田生态系统、对耗水型作物及作物生长旺盛期的适用性开展的相关研究均较少15，今后应加强的这些领域的相关研究，促进该技术推广应用。2.4直插式根灌技术直插式根灌是一种依托传统地面滴灌设施，采用直插式渗灌滴头和导水微管把水直接灌溉至一定深度植物根系土壤层的灌溉新技术29-30。实现直插式根灌的主要装置是“直插式渗灌滴头”，它的组成部件主要有导水微管、滴头、接头和堵头，其中导水微管由塑料材质制成，内径为 58 mm，长度为 3040 cm；在导水微管下端 10 cm 范围内的管壁上分布有直径1.01.2 mm 的微孔，灌溉水通过导水微管下端的微孔渗入土壤中。由于渗水微孔直径小，能有效减小土壤颗粒向导水竖管的侧向力，防止土壤泥粒进入竖管中；同时，每次灌溉结束后可以排空导水微管中的水分，进而避免植物根系向微管中生长。因此直插式根灌具有较强的抗堵性。此外，直插式根灌滴头安装简便，检修、维护方便。直插式根灌技术将地表灌溉水分导灌至一定深度的土壤层，通过缩短水分入渗路径，实现水分的越层灌溉，进而达到精准灌溉的目的。直插式根灌技术结合了地面滴灌与地下渗灌的优点，有效减少表层土壤水分蒸发，大幅度提高灌溉水利用效率29-32。中国科学院寒区旱区环境与工程研究所利用直插式根灌技术在塔克拉玛干沙漠公路防护林、塔里木河下游红枣生态经济林及中卫沙坡头环保生态示范基地开展了应用试验，就直插式根灌技术对土壤层湿润深度的作4364 卷 07 期李永梅，等地下节水灌溉技术研究综述用、土壤水分分布状态、变化过程、各层土壤水分的消退特征进行了分析，取得一定成果32-35。目前直插式根灌技术处于起步阶段，尚有许多科学问题需要进一步地深入研究，例如：在土壤水分入渗转化特征、增加土壤湿润层深度33、有效抑制土壤表层水分蒸发损失33-35、提高灌水效率35等。2.5涌泉根灌技术涌泉根灌技术是吴普特等36在陕北山地枣树种植中综合考虑滴头堵塞、地表滴灌蒸发量大及果树根系深等实际问题，在滴灌技术基础上创造出的一种地下局部灌溉技术。涌泉根灌技术是通过地下埋设的网管将水肥直接输送至布设在树木根部的灌水器进行灌溉。涌泉根灌灌水器采用迷宫式流道，流道长、过水断面大且灌水器外部有套管保护，其抗堵塞能力强，使用寿命较长，同时还具有制作简单，材料价格低廉等优势。而且由于输水管网和灌水器均埋设于地下，对耕作影响较小，利于田间管理，适用于根系分布相对较深的果树灌溉。涌泉根灌技术对于根系分布相对较深的果树等经济林的节水灌溉具有较高的应用价值37。目前相关学者在涌泉根灌灌水器材料与水力特性38-39、水肥入渗特征与土壤湿润体特性40-47、土壤水氮运移特性48-51，以及对作物水分利用、生长及产量等的影响52-57方面开展相关研究，取得一定成效。但在实际应用中仍有许多关键技术需要进一步研究，主要包括以下几个方面：灌水器外壳在使用过程中柔韧性和强度变差，出现开裂，不仅增加维护成本，而且抗堵塞能力降低。在土壤水肥入渗特征等方面，存在研究周期短，缺少长期连续田间观测数据支持，难以掌握实际土壤水氮运移特性及规律。涌泉根灌研究对象与研究模式单一，今后要根据当地土壤条件、作物生育特征，加强涌泉根灌技术的田间应用研究，探究其在解决灌水均匀度，减少水肥深层渗漏，提高水肥利用率等方面的作用。2.6微孔陶瓷根灌技术微孔陶瓷根灌是将微孔陶瓷灌水器与供水毛管连接，并埋设于作物根部附近，灌溉水经过供水毛管进入微孔陶瓷灌水器中，在灌水器内外水势差的驱动下实现出流，进而直接向作物根部进行灌水的一种新型灌溉方式。微孔陶瓷灌水器是借鉴陶罐灌溉节水节能的优异性能和独特材料，结合现代制备工艺，开发出的一种微孔陶瓷灌水器，灌水器内部有相互连通的微米级孔隙，可供灌溉水流通过。微孔陶瓷根灌具有能耗低、抗堵性能强、小流量连续灌溉等优点58-62，能为作物生长提供相对稳定的土壤水分环境。目前，对微孔陶瓷灌水器的制备、结构、性能，以及水分出流机理、陶瓷灌水器应用关键技术参数、对作物的影响等方面开展了相关研究58-62。但目前微孔陶瓷根灌技术研究尚处于初级阶段，今后在以下几方面需继续开展研究：根系生理和代谢研究。微孔陶瓷灌水器为作物全生育期提供稳定的土壤水分环境，深入研究微孔陶瓷根灌技术下土壤环境对作物根系呼吸、养分吸收等的影响，以揭示微孔陶瓷根灌技术对植物生长的影响机理。针对不同作物缺乏相应的应用技术参数（包括原料参数、工艺参数与灌水器性能参数）开展研究，为适用于不同作物灌水器的选型、优化、设计、研制提供参考。研究微孔陶瓷灌水器与植物根系之间的界面相互作用，研究通过微孔陶瓷根灌技术对植物根系环境进行调控，以促进植物的生长，优化根灌效果。3地下节水灌溉技术的挑战及未来发展方向地下节水灌溉技术作为一种高效利用水资源的灌溉方式，虽然在农业领域取得了一定的成就，但仍然面临着一些挑战：技术和设备挑战。首先，设计和安装地下灌溉系统需要专业知识和技能，包括灌溉系统设计、管道布局、滴灌器选择等。其次，滴灌器容易受到水中的杂质、土壤中微生物与化学物质的影响，导致堵塞，影响灌溉效果。此外，滴灌器的性能会随着时间的推移而下降。因此，地下节水灌溉技术的推广应用面临技术创新与设备更新升级等挑战。水资源和水质挑战。地下滴灌技术需要稳定的水源供应，以确保灌溉的持续性和可靠性；同时，水中的化学物质、微生物和悬浮物质可能会影响灌水器的性能。因此对灌溉水源及水质进行实时监测和科学处理是确保地下灌溉系统正常运行所面临的又一挑战。维护和管理挑战。地下灌溉系统的维护和管理难度大，需要农民和农业生产者具备相应的技术和知识，才能正确操作和维护地下灌溉系统。这是地下节水灌溉技术的推广和普及面临的又一挑战。土壤和植物管理挑战。为确保植物根系得到适当的水分供应，需要同时掌握土壤水分状况和作物根系生长及生理情况，来进行科学供水。这是地下节水灌溉技术实现提质增产所面临的又一挑战。能源和经济挑战。水泵和控制系统一般需要稳定的能源来驱动。此外，地下管道与灌水器的安装和维护成本相对较高，对农民和农业生产者4464 卷 07 期李永梅，等地下节水灌溉技术研究综述的经济承受能力提出了一定的要求。为了克服这些挑战，可以采取相应的措施和解决方案。首先，通过技术培训和知识传递，提高农民和农业从业者对地下节水灌溉技术的认识和理解，促进其广泛应用。其次，与水资源管理和分配机制相结合，制定相关政策和措施，以确保水资源的合理利用和公平分配。此外，加强维护和管理，包括定期检查和维修灌水器、清洗管道等，确保系统的正常运行。同时，政府和相关机构可以提供财政支持和补贴，降低地下节水灌溉技术的成本，促进其推广和应用。最后，加强能源供应，确保地下灌溉系统的可持续运行。通过这些措施可以克服技术、经济和管理方面的挑战，推动地下节水灌溉技术的发展，为农业生产可持续发展作出贡献。今后地下节水灌溉技术需要不断进行优化和改进，未来的发展方向如下：技术创新是地下节水灌溉技术发展的关键。需要加强对设备和系统的研发和创新，引入新材料和新技术，提高其性能和效率，降低成本，以便更多的农民和农业生产者能够承担并使用这项技术。同时，还需要加强对地下节水灌溉技术的应用研究，探索适合不同地区和作物的灌溉方式和管理方法。智能化和自动化是地下节水灌溉技术未来发展的主要方向之一。通过引入传感器、无线通信、遥感技术等，实时监测地下管道的运行状态、土壤水分分布和作物需求情况，实现地下节水灌溉系统的智能化管理和控制，提高灌溉的精确性和效率。节能和可持续性是地下节水灌溉技术未来发展的又一方向。地下节水灌溉技术还可以与其他农业资源利用技术相结合，实现资源的综合利用和循环利用。例如，可以将地下节水灌溉技术与太阳能和风能等可再生能源、雨水收集利用等技术相结合，实现能源和水资源的综合利用，减少能源消耗。同时，地下节水灌溉技术的发展也要注重农业生态环境的保护，在技术应用过程中，要减少农药和化肥的使用，注重水资源的合理利用和保护，采取生态友好的农业生产方式，保护土壤和水体的健康，实现可持续灌溉管理。数据驱动的决策支持也是未来地下节水灌溉技术主要发展方向之一。利用大数据和人工智能技术，将灌溉数据和植物生长数据进行分析和建模，为决策者提供科学的灌溉管理建议，优化灌溉效果和水分利用效率。4结语地下节水灌溉技术具有节水、节能、提高水分利用效率、减少土壤侵蚀和提高农作物产量等优势，在农业领域具有广阔的应用前景。虽然地下节水灌溉技术在实际应用推广中还存在一些不可避免的问题，面临一些挑战，但通过技术创新、智能化和自动化、资源综合利用以及农业生态环境保护等方面的努力，地下节水灌溉技术能够更好地满足现代农业生产的需求。参考文献：1 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