1.3　微咸水滴灌研究进展

1.3.1　微咸水滴灌发展历程

滴灌思想起源于1860年德国人采用排水暗管的灌水过程,1913年美国科罗拉多州立大学的House开发了专门的滴灌系统并进行了应用,作为滴灌技术的发展起点成为了世界上第一个真正意义上的滴灌工程。1920年德国首次通过设备使水从孔眼流入到土壤当中,在灌溉水出流上进行了创新(Nakayama等,1986；Abbott,1984；山仑,1990)。1934年美国进行了首次滴灌管试验研究,随着塑料工业的发展,此后英国、荷兰及苏联的研究学者将滴灌技术应用到温室中,对花卉与蔬菜进行灌溉。20世纪50年代,以色列研制成功了长流管式滴头,使滴头堵塞的问题得到了初步解决(薛志成,1998)。在第二次世界大战以后,滴灌技术得以长远发展。20世纪70年代中期,以色列、澳大利亚、美国、新西兰、南非等国家开始大面积使用并推行滴灌技术；80年代初期电子计算机在滴灌系统上得以应用。

我国1974年从墨西哥引进滴管技术,新疆生产建设兵团最先展开试验研究。发展至1996年,全国滴灌面积约为7.3万hm2。随后在河北、河南、山西、甘肃、新疆等地的推广面积逐步增大,2010年全国滴灌面积发展至140.7万hm2,2013年发展至307万hm2,占总灌溉面积的约4.8%。

膜下滴灌技术是将具有增温保墒作用的覆膜种植技术与高频少量的滴灌技术结合而成的一种新型灌溉技术,将滴灌带铺设于地膜下,同时连接输水管道,即可组成田间膜下滴灌系统(李秀芩,2003)。膜下滴灌技术最早出现在20世纪50年代的以色列。美国研究者曾于20世纪80年代初在温室内做过有关膜下滴灌技术的试验,经过多年的发展,现已广泛应用于农业灌溉实践,国外膜下滴灌技术主要用于水果、蔬菜、花卉等经济价值高的作物(Kirkham,1999)。我国新疆生产建设兵团于1995年引进膜下滴灌技术,1996年新疆生产建设兵团农八师将棉花薄膜覆盖栽培技术与滴灌技术相结合,从而形成了独特的棉花膜下滴灌技术,实现了节水、增产、节肥、增效等效果(严以绥,2003)。2002年,新疆生产建设兵团农八师进一步发展和改善了利用河水进行膜下滴灌技术,同时也对膜下滴灌的造价、滴灌器、管材等进行了研究,使其亩投资大大降低。结果显示,在棉花和番茄上运用了膜下滴灌技术的新疆天业集团,其棉花产量可提高30%～50%,番茄收入可增加2倍左右,而膜下滴灌棉花的灌水量比常规灌溉降低一半(陈伊锋,2008)。

目前,膜下滴灌技术除在新疆大面积推广外,还辐射推广到20多个省(自治区、直辖市),在甘肃、陕西、内蒙古等省(自治区)也得到了大面积的推广和应用,应用的作物品种也高达30种以上,包括玉米、番茄、草莓、甜瓜、洋葱、辣椒、卷心菜等。国内外学者多年对膜下滴灌的研究结果表明,膜下滴灌可使作物根密度增加、茎秆变粗、叶面积指数增大、早熟、产量增加和品质变优(粟晓玲等,2005；Wang Fengxin等,2009；Bhella等,1984,1985,1988；Tiwari等,2003；Spiers等,1986)。

人们把滴灌技术引入微咸水利用称为微咸水灌溉的一次革新。利用微咸水进行农业灌溉,其成功的关键在于是否能够控制土壤中的盐分累积达到限制作物生长的水平,以尽量减轻盐分对作物的危害程度。大量研究结果表明,采用滴灌的方式进行微咸水灌溉比传统的地面灌溉在减少水资源消耗的同时可获得更高的产量(李金刚等,2017；王毅等,2011)。一方面滴灌能够适时适量地进行灌溉,在作物根区创造出适宜的水、肥、气、热条件；另一方面由于淋洗作用,盐分向湿润锋附近积累,因而滴头下土壤含盐量比较小,有利于作物生长,但长期的微咸水滴灌很可能造成盐分向表层积聚,这些盐分会随着灌溉水或降水向下移动到作物根区,从而抑制作物对水分和养分的吸收,影响作物的生长和产量。从防止土壤次生盐碱化与盐碱地利用的角度讲,膜下滴灌可以认为是一个重大创举,滴灌与覆膜种植的有机结合不仅可以减少棵间蒸发,抑制地下水盐分上移,而且在滴灌的淋洗作用下,可以为作物根系创造一个良好的水盐环境。膜下滴灌技术被认为是最适合用于微咸水灌溉的方式(阮明艳,2007)。

微咸水滴灌技术在国外已经发展了100多年,研究内容主要集中于微咸水滴灌的水盐运移及分布规律、微咸水滴灌对作物生长的影响等方面。我国关于微咸水滴灌的实践是从1974年引入墨西哥滴灌设备后开始的,最初只是小规模的试用,1980年后进入了理论及应用的研究阶段,微咸水滴灌在田间得到了较大范围的实践。

1.3.2　微咸水滴灌土壤水盐运移研究进展

研究土壤水盐运移规律,定量分析土壤水盐对作物生长的影响,建立合理的灌溉制度,对于发展节水农业、防止土壤盐渍化和次生盐渍化具有重要的意义。关于微咸水滴灌土壤水盐运移及分布,国内外学者进行了大量的研究,主要集中在灌溉水质、滴头流量、灌水量和土壤初始含水率对微咸水滴灌土壤水盐运移影响方面。

研究表明,滴灌条件下土壤水分和盐分迁移过程所形成的湿润体是以点源为中心的一个椭球体或球体。Oron等(1999)则认为这种看法与实际情况是有一定偏差的,湿润体形状除了受重力的作用之外,还受到了土壤性质和作物根系分布的影响。吕殿青等(2001)对膜下滴灌土壤盐分分布特性进行了研究,并在滴灌条件下将盐碱地的盐分分布划分为达标脱盐区、未达标脱盐区和积盐区,通过一系列室内试验就灌水量、滴头流量、土壤初始含水量和初始含盐量对盐分分布特征进行了研究。Bresler(1973)、Clothier(1992)认为在地下滴灌条件下,盐分会被淋洗至更深的土体中,减轻对作物根系的危害,并且滴头附近改善的水分状况可以抵消水中盐分的影响。

王全九等(2000,2001)对膜下滴灌盐碱地水盐运移特征和影响因素进行了试验研究,结果表明,土壤盐分的运移较土壤水更易受到表面积水的影响,因此土壤含盐量的等值线分布不像湿润体那样规则；滴头流量和土壤初始含水量的增加利于水平压盐,而不利于垂直向下压盐。因此,利用膜下滴灌开发盐碱地滴头流量不宜过大,洗盐时间的选择要合理。土壤初始含盐量的增加也不利于盐分的淋洗,对于不同的盐碱地要根据土壤的盐碱化程度确定合理的淋洗需水量。王春霞等(2010)研究了灌水矿化度与灌水量对棉田滴灌湿润体水盐分布的影响,结果表明,3.5g/L矿化度的微咸水滴灌下在10～40cm深度内盐分没有积累,可以满足耕作层内棉花生长,且该矿化度水质进行膜下滴灌在不小于23m3/667m2灌水定额下可行。马东豪等(2005)分析了在田间条件下,滴头流量、灌水量及灌水水质对微咸水点源入渗水盐运移的影响,结果表明,湿润锋与时间呈幂函数关系,滴头流量越大,深度方向上盐分累积越多,而水平方向上盐分含量增加越不明显,充足的灌水量可以确保盐分的淋洗,但灌水矿化度增加会增加表层土壤含盐量。王振华等(2005)的室内试验结果证明地下滴灌条件下湿润体含水量的分布是在滴头处最高,向四周逐渐降低,而含盐量则是在滴头处最低,向周围逐渐升高。由于重力势的作用,在底部湿润锋处的含盐量最高,盐分分布与水分分布范围相同,含量相反,最终湿润体的形状是类圆柱体。逄焕成等(2004)在麦季利用3～5g/L矿化度的微咸水进行补充灌溉,两年后没有发生积盐现象,微咸水灌溉带入土体的盐分通过咸淡水轮灌和雨季自然淋洗,1m深土体总盐量达到周年平衡。

马洁等(2010)以田间试验为基础对棉花滴灌土壤盐分的变化规律进行了分析研究,结果表明,滴灌为浅灌且可控性强,不会产生深层渗漏,土壤含盐量在整个灌水时期内较低,而其他时期相对较高；25～40cm土层含盐量较低,表土层含盐量较高,40cm以下土层为湿润区的底部,为盐分积聚区；在水平方向上,毛管之间湿润区的交界处为含盐量相对较高的积聚区。万书勤等(2008)对华北半湿润地区微咸水滴灌番茄耗水量和土壤盐分变化进行了研究,结果显示,番茄整个生育期累计耗水量随着灌溉水盐分浓度的增大而降低,随着土壤基质势控制的降低而降低；而水分利用效率随着灌溉水盐分浓度的增大略有增大的趋势,随着土壤基质势控制的降低明显升高；微咸水灌溉3年后,整个土体0～90cm深度土壤盐分没有明显增加。宁松瑞等(2014)总结了近年来膜下滴灌棉田水盐运移特征。从短期来看,膜下滴灌可以淋洗浅层土壤盐分,保证棉花正常生长；但从长远来看,由于膜下滴灌灌溉定额较小,无法将盐分从根区土体中排出,棉田始终处于积盐状态,土壤盐碱化程度不断增加。

1.3.3　微咸水滴灌对作物生长的影响研究进展

对于微咸水滴灌对作物生长的影响方面,Rotem等(2002)认为利用咸水滴灌可以保持作物高产,这是其他灌水方法不可能达到的,研究结果表明,采用滴灌方式进行咸水灌溉比传统的地面灌溉可获得更高的产量,同时大大减少了水资源的消耗。郑凤杰等(2015)研究了不同矿化度微咸水滴灌对盆栽向日葵的生长影响,发现矿化度在2～3.5g/L时作物籽实的营养品质有了明显的改善和提高。魏红国等(2010)在新疆南疆地区研究了咸淡水交替滴灌对棉花产量及品质的影响,结果表明,采用微咸水2250m3/hm2和淡水1500m3/hm2轮灌棉花产量较高,不同的咸淡水滴灌对棉花纤维品质没有显著性的影响。杨启良等(2009)研究了3种不同滴灌方式对苹果幼树生长和水分传导的影响,发现滴灌方式对其有显著影响。孟宝民等(2001)对盐碱荒地膜下滴灌甜菜的生育规律进行了试验研究,结果表明,在盐碱这个特殊条件下,滴灌改变了耕层的土壤小气候,在充分节水的情况下,降低了膜下耕层土壤的盐分,膜内0～40cm的含盐量明显下降,其排盐碱效果非常明显,膜间含盐量比膜内高,盐分被排到膜间土壤。在膜下滴灌条件下,甜菜的叶片数较正常的少,功能叶保持的时期长,水分已不是产量的限制因素,增施氮肥能提高产量；生长中心转移早,块根干物质积累时期长,糖分增长和糖分积累的时期相对延长,含糖率提高。邢文刚等(2003)进行了西瓜利用微咸水膜下滴灌与畦灌的应用研究,结果表明,3g/L的微咸水膜下滴灌比相应的畦灌节水67.6%,西瓜增产30.7%,含糖量增加9.73%,在生育期内,膜下滴灌0～60cm土层土壤的积盐量仅为畦灌的32.3%。

综上所述,前人对微咸水滴灌已经进行了大量的研究,利用微咸水滴灌能够满足土壤作物生长对水分的需求,但灌溉的同时会带入土壤一定量的盐分,特别是在无合理的田间管理制度作为保证的条件下,如果长期使用微咸水灌溉,还会引起土壤次生盐渍化。因此,微咸水灌溉必须要在一定的前提条件下进行,其主要有以下两方面内容：一是要保证在微咸水灌溉的条件下,土壤含盐量不超过作物生长所允许的限度,从而保证作物的产量；二是保证一定周期内土体盐分达到平衡,土壤不发生盐分累积。而这些前提条件则主要通过合理的水盐调控方法来实现。因此,在研究微咸水灌溉条件下土壤水盐分布及作物耐盐性的基础上,结合试验地区气候、水质及土壤条件研究微咸水灌溉合理的水盐调控方法,建立作物水盐生长模型,是推进微咸水灌溉大面积推广的必要前提。