第 31 卷 第 18 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 Vol 31 No 18 2015 年 9月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep 2015 1 痕量 無法灌溉 對 痕量灌溉 的思考 張志新 新疆維吾爾自治區(qū)水利廳 水利水電規(guī)劃設(shè)計管理局 烏魯木齊 830000 摘 要 該文從為什么要灌溉 灌溉水的來源 作物的需水 耗水 規(guī)律 土壤在灌溉中的作用 灌溉系統(tǒng)的任務(wù)這五 個問題出發(fā) 談及對 痕量灌溉 的思考 筆者認(rèn)為痕量灌水器無法滿足大田作物高峰需水期的需水要求 在大田作物 需水高峰期痕量灌溉系統(tǒng)無法將水輸送到植物根區(qū) 而在大田作物非需水量高峰期又有可能供水過量 哈密痕量灌溉試 驗本質(zhì)上是小流量地下滴灌 哈密痕量灌溉試驗的初步結(jié)論可以看出 痕量灌溉灌水器流量太小不能滿足棗樹需求且不 具備自適應(yīng)能力 水分利用率的算法及試驗設(shè)計不科學(xué) 理論和實踐都證明 痕量灌溉的 超低流量供水 實現(xiàn)不了 與 植物自然需水規(guī)律相匹配 對痕量灌溉不能實現(xiàn) 自適應(yīng)灌溉 原因進(jìn)行了分析 關(guān)鍵詞 灌溉 痕量灌溉 地下滴灌 新疆 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2015 18 001 中圖分類號 S275 4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號 1002 6819 2015 18 0001 04 張志新 痕量 無法灌溉 對 痕量灌溉 的思考 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2015 31 18 1 4 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2015 18 001 http www tcsae org Zhang Zhixin Trace quantity irrigation is impossible Thinking about trace quantity irrigation J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2015 31 18 1 4 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2015 18 001 http www tcsae org 0 引 言 灌溉是一門涉及多種學(xué)科的交叉學(xué)科和邊緣學(xué)科 是 系統(tǒng)工程 一名稱職的灌溉科技工作者應(yīng)該對以下問題有 比較清醒的認(rèn)知 為什么要灌溉 灌溉水的來源 作物的 需水 耗水 規(guī)律 土壤在灌溉中的作用 灌溉系統(tǒng)的任 務(wù) 這些問題看似簡單 真正了解和掌握并不容易 第一個問題 為什么要灌溉 當(dāng)然是作物缺水唄 這種回答只對了 80 要知道還有施肥灌溉 壓堿洗鹽 灌溉等等 現(xiàn)代化的灌溉具有多功能性 第二個問題 水從哪來 當(dāng)然必須有水源唄 這種 收稿日期 2015 08 21 修訂日期 2015 09 09 作者簡介 張志新 陜西寧強人 研究員 中國水利學(xué)會原微灌學(xué)組副組長 新疆維吾爾自治區(qū)專家顧問 主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)的研究與推廣 新疆烏 魯木齊市黑龍江路 77 號新界大廈 A 座 1301 室 830000 Emal 3302356402 回答只對了一半 因為還必須有灌溉系統(tǒng)把水從水源輸 送到作物根部附近土壤中 第三個問題 作物的需水 耗水 規(guī)律 完全正確 的回答得靠植物生理學(xué)家 但稱職的灌溉科技工作者一 定知道一年生作物從種到收 多年生作物從苗期到衰老 期以及每年從春到冬 不同時間他們生長所需要的水量 是不一樣的 其規(guī)律呈正態(tài)分布 嚴(yán)格講一天 24 小時的 需水 耗水 也是不一樣的 需水 耗水 量則不僅與 氣候有關(guān) 還與作物種類及作物品種有關(guān) 第四個問題 除了設(shè)施農(nóng)業(yè)中的水培 基質(zhì)培等 作物都必須栽培在土壤中 灌溉必然與土壤打交道 大 家知道微灌是局部灌溉 特別是微灌中最節(jié)水的滴灌 只濕潤作物根系附近土壤 是灌溉作物而不是灌溉土壤 但作物仍然必須從土壤中吸取水分和養(yǎng)分 離不開土壤 在灌溉中土壤可起到水的存儲作用 土壤水庫 將毛 爭鳴與討論 編者按 本刊2015年31卷第6期刊登了 痕量灌溉 理論支撐與技術(shù)特點的質(zhì)疑 一文 引發(fā)了針對近幾年發(fā)展起來的 痕量灌溉新技術(shù) 的討論 編輯部曾收到一篇 對 質(zhì)疑 回應(yīng)的論文 終因作者堅持不按專家審稿意見修改 沒有達(dá)到發(fā)表要求而 未能刊出 深表遺憾 近期 收到對該問題討論的又一篇論文 該文作者通過生產(chǎn)實 地調(diào)查 結(jié)合理論分析論述了對痕量灌溉的一些認(rèn)識和思考 認(rèn)為理論和實踐都證明 痕量灌溉的 超低流量供水 實現(xiàn)不了 與植物自然需水規(guī)律相匹配 論文經(jīng)過專 家審核和作者的多次修改 最后通過審核 予以刊登 歡迎各位專家學(xué)者參與討論 希望在討論和爭鳴中推動節(jié)水技術(shù)的健康發(fā)展 借此機會征集爭鳴與討論的觀點及論文 有關(guān)該論文及其他涉及本刊內(nèi)容 爭鳴與討論的文稿請發(fā)送至王柳郵箱 wangliu tcsae org 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2015 年 2 管水存儲在土壤中供作物利用 因此 農(nóng)田水利專業(yè) 的學(xué)生不但要學(xué)作物栽培 還必須學(xué)習(xí)土壤學(xué) 土壤是 由固體 液體和氣體三相物質(zhì)組成的非常復(fù)雜的疏松多 孔體 土 水 植物關(guān)系是土壤 水分 植物 大氣諸因素 之間相互作用 反饋影響的結(jié)果 構(gòu)成一個由土壤到大 氣的相互反饋連續(xù)系統(tǒng) 土壤水是由土水勢高的向土水 勢低的地方流動 總土水勢由基質(zhì)勢 溶質(zhì)勢 重力勢 壓力勢和溫度勢組成 土壤吸力是指土壤水基質(zhì)勢和溶 質(zhì)勢之和 實際上一般只計入基質(zhì)勢 因為基質(zhì)勢和溶 質(zhì)勢均為負(fù)值 為使用方便故把基質(zhì)勢和溶質(zhì)勢的負(fù)值 定義為基質(zhì)吸力和溶質(zhì)吸力 土壤吸力越大作物吸水越 困難 沒有土壤水動力學(xué)深厚根基的人是說不清土壤 水 作物 大氣之間的關(guān)系的 第五個問題 灌溉系統(tǒng)的任務(wù) 灌溉系統(tǒng)的任務(wù)是 將作物需要的水 或可溶性營養(yǎng)物 從水源輸送到作物 根系附近土壤中供作物吸收利用 本文將從這五個問題出發(fā)談一些對 痕量灌溉 的 思考 對 痕量 是否能實現(xiàn)灌溉進(jìn)行分析 1 痕灌灌水器流量無法滿足大田作物高峰需水期 的需水要求 在滴灌發(fā)展實踐中灌水器有向小流量發(fā)展的趨勢 采用小流量灌水器的確帶來一系列好處 滴灌帶 管 鋪設(shè)距離長 減少支管及相應(yīng)的管件數(shù)量 管網(wǎng)造價低 管理方便等等 但有前提 必須滿足作物高峰耗水時的 需水要求 不是越小越好 1 吐魯番地區(qū)是新疆最早試驗并推廣滴灌的地區(qū) 2007 年以前除個別從苗期即開始采用滴灌技術(shù)的外 全 部以失敗告終 其核心問題就是設(shè)計日耗水強度太小 多年實踐經(jīng)驗證明吐魯番地區(qū)葡萄灌溉 設(shè)計日耗水強 度必須大于 8 mm d 以此推算 每平方米日灌水量不得 低于 8 mm 1 m 2 0 008 m 1 m 2 0 008 m 3 即 8 L d m 2 假設(shè)滴灌系統(tǒng) 24 h 工作 其最小灌水器流量應(yīng)為 8 L 24 h m 2 0 3333 L h m 2 為安全考慮 設(shè)計上對于每 平方米布置一個滴頭的情況 灌水器流量至少應(yīng)選擇 0 4 L h 的灌水器 哈密市的氣候條件與吐魯番基本相同 哈密痕量 灌溉試驗區(qū)南北長 500 m 東西寬 36 m 為 6 年生棗園 行 距 3 m 株距 2 m 據(jù)稱痕量灌溉不需安裝過濾器 哈密試驗實際安裝了 離心 網(wǎng)式過濾器 2015 年痕量灌溉地在繼續(xù)運行 從項 目區(qū)相關(guān)負(fù)責(zé)同志處得知 2015 年有相當(dāng)多控水頭不出水 從新疆水利水電科學(xué)研究院 2014 年負(fù)責(zé)哈密痕量灌溉的 同志處得知 哈密試驗區(qū)痕量控水頭流量的確偏小 該試 驗地立有灌溉系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)牌 數(shù)據(jù)如表 1 所示 作物確 實受旱 哈密試驗實際上進(jìn)行的是利用痕量控水頭為灌水 器的小流量地下滴灌試驗 表 1 哈密痕量灌溉試驗布置及測試結(jié)果 Table 1 Experimental arrangement and test results of trace quantity irrigation in Hami region 灌溉方式 Irrigation mode 處理 Treatment 布置方式 Arrangement mode 工作壓力 Operation pressure m 灌溉定額 Total irrigation quota m 3 666 7 m 2 1 毛管長度 Drip line length m 一次灌水時間 Irrigation time per time h d 1 痕控頭流量 Flow rate L h 1 均勻度 Uniformity 1 單向 10 335 500 13 5 0 12 65 2 單向 7 5 366 250 150 24 0 0 10 92 3 單向 5 319 250 250 13 5 0 13 95 痕量灌溉 Trace quantity irrigation 4 雙向 7 5 416 300 200 24 0 0 14 95 注 地形坡度 1 240 沙壤土 資料來源于試驗地所立標(biāo)牌 Note Topographic slope was 1 240 sandy loam data was obtained from scutcheon in the test field 2013 年 5 月 筆者去南疆五地州講課 受邀與自治 區(qū)水利廳農(nóng)牧水利處副處長張明義同志專程去痕量灌溉 工程現(xiàn)場進(jìn)行了考察并錄了像 現(xiàn)場是一個國有企業(yè)單 位大院 面積 2 7 hm 2 40 畝 栽植果樹也因根本滿足 不了作物需水正在拆除痕量灌溉系統(tǒng)安裝新的微噴灌系 統(tǒng) 這是筆者首次見到的痕量灌溉失敗的現(xiàn)場 我們都 很遺憾 不知道 痕量灌溉 名稱的含義 聽說新疆還 有幾處痕量灌溉工程 估計命運都差不多 2 大田作物需水高峰期痕量灌溉系統(tǒng)無法將水輸 送到植物根區(qū) 痕量灌溉所稱的 自適應(yīng)灌溉 其含義是 出水 量可以和植物的需水量相匹配 的自適應(yīng) 即灌水系統(tǒng)能 適時適量地按作物需水規(guī)律供水 并及時送達(dá)植物根區(qū) 實現(xiàn)作物耗水與需水的完全吻合 這的確是我們追求的目 標(biāo) 但實踐證明這種假設(shè)想法是行不通的 其一 植物需 水耗水多與少 痕灌控水頭的出水量并無變化 其二 植 物高峰耗水期所需要的水根本就無法輸送到植物根區(qū)去 筆者見到的痕量灌溉系統(tǒng)面積 2 7 hm 2 40 畝 輸配水管 網(wǎng)主管為直徑 25 mm 的 PE 聚乙烯 管與地角一個高約 3 m 容積 3 m 3 左右的小水塔相連 是有一個低壓水頭的 3 痕量灌溉在大田作物非需水量高峰期又有可能 供水過量 圖 1 是 2015 年 6 月 29 日拍攝的試驗區(qū)照片 筆者 從照片濕潤情況分析可能是以下幾種情況所致 因為系 24 小時不停地灌水 非高峰耗水期灌水必然太多 痕灌 管埋設(shè)偏淺或管下有不透水土層 痕灌管埋設(shè)位置不在 作物主要根系區(qū) 當(dāng)然從照片看蒸發(fā)損失不會太小 特 別是哈密地區(qū) 也說明痕量灌溉根本不具有自適應(yīng)能力 哈密試驗實際上進(jìn)行的是利用痕量控水頭為灌水器的小 流量地下滴灌試驗 第 18 期 張志新 痕量 無法灌溉 對 痕量灌溉 的思考 3 圖1 實拍哈密地區(qū)痕量灌溉試驗地照片 2015 06 29 Fig 1 Photograph of trace quantity irrigation experimental field in Hami region 4 哈密痕量灌溉試驗初步結(jié)論 新疆水利水電科學(xué)研究院 極端干旱區(qū)痕量灌溉技 術(shù)適宜性試驗研究 試驗分析報告主要內(nèi)容如下 痕 量灌溉在前期 6 月 15 日之前 用滴灌進(jìn)行了 3 次灌溉 約 20 d 灌一次水 共用水 165 m 3 666 7 m 2 從 6 月 15 日至 8 月 15 日使用痕量灌溉 每天供水 13 5 24 h 處 理 3 和處理 4 分別用水 155 與 195 m 3 666 7 m 2 處理 3 和處理 4 總用水量分別為 320 與 360 m 3 666 7 m 2 表 2 滴灌大田從 4 月初至 8 月 12 日 10 20 d 灌一次水 總 灌水量為 521 5 m 3 666 7 m 2 表 3 2 表 2 哈密痕量灌溉實施表 2 Table 2 Schedule of Hemi trace irrigation 2 灌水量 Irrigation amount m 3 666 7 m 2 1 前期 Earlier stage 中期 Middle stage 后期 Later stage 處理 Treatment 04 06 15 06 16 07 10 7 11 08 15 合計 Total 管長度 Length of tube m 說明 Introduction 處理 3 Treatment 3 165 90 65 320 250 250 順坡單側(cè) 供水 處理 4 Treatment 4 165 90 105 360 300 200 雙側(cè)供水 注 報告中沒有處理 1 和處理 2 的資料 Note There were no data about treatment 1 and treatment 2 in the report 表 3 滴灌 對照 灌溉制度表 2 Table 3 Drip irrigation control schedule 2 序號 No 時間 Time 面積 Area 666 7 m 2 用水量 Water amount m 3 灌水定額 Irrigation quota m 3 666 7 m 2 1 灌溉定額 Total irrigation quota m 3 666 7 m 2 1 1 04 02 04 13 16 003 71 1 2 04 24 05 01 12 272 54 5 3 05 16 05 21 9 925 44 1 4 06 02 06 12 17 365 77 2 5 06 16 06 26 7 763 34 5 6 06 28 07 09 13 590 60 4 7 07 11 07 20 13 643 60 6 8 07 23 08 02 14 950 66 4 9 08 04 08 12 225 11 835 52 6 521 5 從報告中數(shù)據(jù) 表 2 3 及報告內(nèi)容可得出以下初 步結(jié)論 1 痕量灌溉灌水器出流量太小 不能滿足棗樹需水 要求 滴灌棗樹長勢旺盛 痕量灌溉的棗樹生長勢弱 明顯受旱 2 試驗處理 3 系 24 h 連續(xù)供水 并有 10 m 的工作 水頭壓力 棗樹仍然受旱 說明痕量灌溉不具備自適應(yīng) 能力 即使存在所謂的纖維束與土壤毛細(xì)管相連 也不 能滿足作物所需要的水分供應(yīng) 3 整個報告回避敏感的棗子產(chǎn)量和品質(zhì)問題 從棗 樹的長勢表現(xiàn)推斷 有可能痕量灌溉的產(chǎn)量比滴灌低 品質(zhì)比滴灌差 4 水分利用率系按實際灌水量算出與行業(yè)算法不一 致 根據(jù)表 2 表 3 直接差減計算 該算法的科學(xué)性值得 推敲 所以得出滴灌水分利用率較低 痕量灌溉水分利 用率較高的錯誤結(jié)論 痕量灌溉較滴灌節(jié)水 31 38 6 2 而且 完全不考產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量空談節(jié)水無 意義 極端例子是不灌溉最節(jié)水 5 所選擇的對照是一個設(shè)計 施工 管理都較差的 滴灌系統(tǒng) 2 該對照不能代表滴灌 嚴(yán)格地講 應(yīng)選用設(shè) 計 施工 管理良好 灌溉制度合理的小流量灌水器滴 灌系統(tǒng)才具備典型性 作為對照才有意義 6 痕量灌溉控水頭的測試流量與廠家給出要求的流 量差異很大 痕灌管鋪設(shè) 500 m 地形坡度 1 240 工作 壓力 10 m 水頭 流量偏差達(dá) 54 2 不滿足節(jié)水灌溉灌 水均勻度的基本要求 5 痕量灌溉是一種小流量地下滴灌 從痕量灌溉系統(tǒng)供水形式看 非常贊同張國祥同志 的意見 應(yīng)該肯定 痕量灌溉對更小流量供水和膜過 濾在地下滴灌系統(tǒng)中的應(yīng)用做了有益的嘗試 痕量灌溉 應(yīng)歸屬于地下滴灌 只是用了膜過濾和纖維束結(jié)構(gòu)的滴 頭 3 痕量是一個化學(xué)的量級概念 是微量的 1 1 000 將 痕量的概念引入到節(jié)水灌溉領(lǐng)域 來表明痕量控水頭單 位時間出水量的量級是滴灌的 1 1 000 2 微量灌溉的流量單位是 L h 滴灌灌水器特別是小流 量滴灌帶 每米流量小于 1 L h 而每米有 3 個出流口很 常見 痕量灌溉灌水器 痕量控水頭 流量如果是滴灌 的 1 1 000 根本無法實施灌溉 痕量灌溉控水頭一般都 在 100 mL h 0 1 L h 以上 根本不存在數(shù)量級上的差 別 痕量灌溉的提法既不科學(xué)也無必要 出流量 100 mL h 0 1 L h 左右的灌水器用于家庭養(yǎng)花及小面積溫室可能 可以 大農(nóng)業(yè)絕對不行 既然屬于地下滴灌 在沒有充分的證據(jù)說明痕量灌 溉不會產(chǎn)生堵塞的情況下 就必然具備地下滴灌所具有 的優(yōu)點和問題 應(yīng)用技術(shù)必須經(jīng)過較長一段時間的實踐 檢驗 特別是地下滴灌 僅有一兩年的試驗結(jié)果是說明 不了問題的 一般說 地下灌溉需要用 4 5 年的試驗資 料來驗證其抗堵塞 節(jié)水和增產(chǎn)效果 才比較可信 6 痕量灌溉不能實現(xiàn) 自適應(yīng)灌溉 原因分析 1 土壤水的來源 土壤水來源于地下水 降水或灌溉 2 土壤水的消耗 土壤的消耗途徑有兩個 一是土壤蒸發(fā) 二是植物 根系吸取利用 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2015 年 4 3 土壤水的運移規(guī)律 土壤水是由土水勢高的向土水勢低的地方流動 當(dāng) 土壤表層蒸發(fā)或植物根系層土壤水被植物吸取利用后 其土水勢降低 土壤水便從水土水勢高的地方向土壤表 層或植物根系層流動 4 植物根系對土壤水有量的要求 植物的耗水是有規(guī)律的 如果所補充水量能滿足植 物耗水 植物就能正常生長 反之植物將受旱 土壤水 向植物根系補充水分流量的大小取決于根系周圍土壤的 含水總量 5 痕量控水頭毛細(xì)管束太小 即使具有微細(xì)孔隙材料的灌水器與土壤充分接觸與 土壤微小孔隙實現(xiàn)無縫連接 但由于痕量控水頭下層具 有微細(xì)孔隙材料通量小 控水頭很小 不能給土壤沒 有接觸微細(xì)孔隙材料的其他土壤補充水量 無法滿足植 物耗水需求 供水管加大壓力其灌水器具有微細(xì)孔隙材 料受擠壓可能形成壓力流孔道加大對土壤的供水量 但 這種水絕不是毛管水 而主要是壓力水給土壤的供水 6 加大控水頭出水量的方法 一是加大上下兩層透水材料的過流面積增加通量 使其有足夠的毛細(xì)管給土壤供水 這種方法可能很難做 到 二是加大灌水器工作壓力增加控水頭出水量 這和 一般地下滴灌灌水器沒有區(qū)別 理論和實踐都證明 痕量灌溉的 超低流量供水 實現(xiàn)不了 與植物自然需水規(guī)律相匹配 參 考 文 獻(xiàn) 1 張志新 等 灌溉工程規(guī)劃設(shè)計原理與應(yīng)用 M 北京 中 國水利水電出版社 2007 2 北京普泉科技有限公司 華中科技大學(xué)痕量灌溉研究中 心 新疆水利水電科學(xué)研究院 極端干旱區(qū)痕量灌溉適宜 性實驗資料匯編 R 新疆哈密 2014 8 3 張國祥 趙愛琴 痕量灌溉理論支撐與技術(shù)特點的質(zhì)疑 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2015 31 6 1 7 Zhang Guoxiang Zhao Aiqin Query about theory and technical properties of trace quantity irrigation J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2015 31 6 1 7 in Chinese with English abstract Trace quantity irrigation is impossible Thinking about trace quantity irrigation Zhang Zhixin Administration Bureau of Water Resources and Hydropower Planning and Design Xinjiang Uygur Autonomous Region Water Resources Department Urumqi 830000 China Abstract The paper analyzed trace quantity irrigation from five aspects including reasons for irrigation the source of irrigation water crop demand for water the role of soil during irrigation process and functions of irrigation system The author thinks that trace quantity irrigation is unable to meet the water requirement of crop in field at the demand peak because trace quantity irrigation system is unable to transport water to root zone of plant During period other than peak demand the water supplied by emitters of trace quantity irrigation system may be much more than that required by crops In fact trace quantity irrigation in Hami city is nothing but the subsurface drip irrigation with low flow rate and results of the experiments showed that the flow amount of trace irrigation emitter was so small that it was unable to meet the water requirement of jujube trees it did not have the self adaptive ability whose algorithms and experimental design were unreasonable Theory and practice showed that the trace quantity irrigation with super low flow rate could not match with the water requirement of plant This paper also explored the reasons why trace quantity irrigation could not achieve self adaptive irrigation Key words irrigation trace irrigation underground drip irrigation Xinjiang