河套灌区膜下滴灌研究进展

姬祥祥，张体彬，朱晓华，周 翔，毛 鑫，冯 浩，何建强

(1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100； 2. 中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；3. 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100)

1 河套灌区农业节水发展现状

河套灌区位于黄河上中游内蒙古段北岸的冲积平原，东西长250 km，南北宽50 余km，总土地面积119 万hm2，现引黄有效灌溉面积60.16 万hm2，农业人口100余万，是亚洲最大的一首制灌区和全国三个特大型灌区之一[1]。河套灌区是黄河冲积平原，地势平坦，土质深厚，耕作性能良好，自古有“天下黄河、唯富一套”之美誉，已成为国家重要的商品粮油生产基地。河套灌区降雨量少，年降雨量在130～210 mm之间，蒸发量大，多年平均2400 mm左右，无霜期短，属于温带大陆性干旱气候，是典型的没有灌溉就没有农业的地区。黄河流经灌区南部边缘345 km，引黄灌溉条件便利，多年平均引黄水量约51.8 亿m3左右，其中93%用于农业灌溉[2]。

作为国家重要的商品粮基地，受国家政策的拉动以及农民增收意识驱动，近年来河套灌区灌溉面积呈逐年增加之势，需水量增长态势十分明显。然而，由于国家对黄河水资源实行全流域统一管理，内蒙古河套灌区的引黄指标从过去的50余亿m3减少至40亿m3左右，加之长期大水漫灌且排水不畅的灌溉方式，造成灌区地下水位上升，且矿化度较高，土壤盐渍化严重[3, 4]，灌区水资源供需矛盾日益尖锐，发展节水农业势在必行。为此，21世纪以来，河套灌区采取了一系列的农业节水措施，主要包括骨干渠道衬砌防渗工程措施；平整土地、减方缩块、畦沟灌等田间节水措施；调整种植结构、减少秋浇面积、合理确定秋浇定额的秋浇灌溉制度改革措施；以及发展覆膜种植等节水高效的农业管理措施等[5]。以上节水措施实施之后，每年引黄水量有所减少，平均为47.8 亿m3，但与国家规定的引黄指标相比，仍有较大差距[6]。因此，单独依靠引黄水量已不能满足灌区农业生产要求，而灌区地下水资源相对丰富，合理开发利用地下水资源，弥补地表水的不足，已成为补充灌溉用水、保障农业生产安全的必然选择。为此，针对优化水资源配置、合理利用地下水，河套灌区近年来开展了大量的研究工作[7-9]，提出了地表水和地下水联合运用的“井渠双灌”制度，指出在一些合适区域，当春夏季节黄河水量较少时，抽取地下水灌溉作物，满足作物生长需水，同时控制地下水位上升，防止土壤次生盐渍化，而当秋季黄河水量较丰富时，采用引黄渠灌，洗盐保墒，补充地下水资源。“井渠双灌”灌溉方式可充分发挥地下水库的调蓄功能，使作物得到及时灌溉、保证农业生产的同时，又可以以灌代排，防止土壤次生盐渍化，节约地表水资源[10, 11]。

河套灌区地下水位多年平均埋深1.5 m左右，相对于华北、西北内陆干旱地区，地下水资源丰富，补给来源广，补给量大[12]。李继超等人[13]研究也认为灌区开发地下水是可行的，但要遵循“地表水-地下水-土壤水”三水转化规律，以“以补定采、以渠保井、以井补渠”为原则，推行井、渠相结合的开发模式。杨路华等人[14]研究认为灌区地下水利用要做到“三亩补给，一亩开采”，开采量以1 100～1 500 m3/hm2为宜。另外，武汉大学杨金忠教授等人[2]通过分析计算，指出河套灌区不同矿化度地下水可开采总量为16.6 亿m3，地下水的总补给量为28.42 亿m3。按照土地面积计算，地下水矿化度小于3 g/L、可实行“井渠双灌”的土地面积有29.75 万hm2，约占灌区总灌溉面积的52%，其中可实行“纯井灌”的区域占1/4，亦有6.67 万hm2以上。但目前这部分井灌区内除部分沿山地带，包括狼山山脉冲积扇一带和部分低凹地采用井灌外，其余大部分地区均采用黄河水灌溉，这与当前日益紧张的水资源供需矛盾极不相符。

以上分析表明，必须寻求一种科学合理的方式开采利用地下水资源，用以补灌作物、满足作物生长所需水分，降低地下水位、防止土壤次生盐渍化，同时也要防止过度开采，以免地下水位降至过低，形成漏斗，破坏地下水环境[15]。因此，采取何种灌溉方式来科学合理地利用地下水资源，是河套灌区发展“井渠双灌”要考虑的首要问题，这也为膜下滴灌技术的引入提供了可能。

2 膜下滴灌技术与灌溉制度制定

覆膜种植技术具有增温、减蒸，保持土壤水分和抑制盐分向土表运移的作用，而滴灌是一种小流量、高频率和长时间的局部灌溉方式，可以减少深层渗漏，实现节水、节肥、增产[16]。膜下滴灌是将覆膜种植技术和滴灌节水灌溉技术结合起来的一种新型农业技术，同时具有节水、抑盐、增温等独特优势，开辟了农业节水、盐碱地治理和次生盐碱化防治的新方法和新思路，在中国西北干旱地区得到了广泛的应用[17]。已有研究指出，采用大面积膜下滴灌能够显著降低内陆干旱灌区地下水位，防止灌区地下水位抬升引起土壤次生盐渍化的发生[18]。特别是对于地下水矿化度较高的区域，膜下滴灌更是此类(微)咸水最佳的利用方式。还有研究指出，只要灌溉制度合理，微咸水灌溉不但不会引起作物减产，还会因咸水入渗效果好、微量元素含量高等作用，具有一定的增产效果[19]。膜下滴灌的技术优势及其在其他地区农业节水、盐碱地治理、盐渍化防治及地下咸水利用方面取得的成效及研究进展，前人已做过较为详细的综述[17, 20-23]。

关于膜下滴灌灌溉制度的制定方法，主要有根据土壤水分适宜下限值制定、根据作物需水量制定，以及根据土壤基质势制定等几种，下面进行简要介绍。

(1)根据土壤水分适宜下限值制定。土壤水分适宜下限值亦称灌水始点，是指适宜于作物生育的最低土壤水分限量，是指示灌水的重要指标之一。它决定着作物灌水的开始时间和灌水次数，也影响灌水量的确定，对制定作物的灌溉制度具有重要的现实指导意义。蔡焕杰等[24]、冯海萍等[25]、龚雪文等[26]、何雨江等[27]通过设置不同的水分控制下限处理，探究并制定了包括番茄、甜瓜以及棉花等不同作物采用膜下滴灌的灌溉制度，效果良好。高龙等[28]研究结果指出在膜下滴灌条件下灌水定额相同时，灌水间隔过大和过小分别会造成相对不利的水分条件和盐分条件，导致棉花生长受到胁迫而减产。灌水间隔相同时，灌溉定额越大，主根区土壤含水率越高，棉花产量越高，但同时灌溉水生产效率越低。

(2)根据作物需水量制定。作物需水量是科学制定不同地区灌溉用水定额的依据[29]。郑建华等[30]采用不同控水系数的方法，即以0.4～1.0倍的作物需水量(ETc)分别在洋葱苗期、发叶期、鳞茎膨大期和成熟期来指导膜下滴灌灌溉，并寻求了优化的灌溉制度。宇宙[31]利用大田试验和气象资料、确定了试验区充分灌水条件下覆膜滴灌玉米作物系数(Kc)，并利用玉米作物系数公式与11个气象站点数据所得整个赤峰市ET0，从而计算出赤峰市ETc，最后还采用农田水量平衡公式计算出赤峰市不同降雨年型覆膜滴灌玉米灌溉水量，利用空间插值法分析其空间分布情况并推荐出合理灌溉制度。

(3)根据土壤基质势制定。土壤基质势能够摆脱土壤类型、耕作施肥、盐分含量等因素对土壤水分有效性的影响，直接衡量土壤基质对水分的吸纳能力，反映土壤水分对作物的有效供给状况。通过监测土壤水势，可以直接制定作物灌溉计划，该方法较其他方法更加方便、简单[32, 33]。近年来，多位学者通过控制滴头下土壤水基质势下限，制定了多种作物的滴灌灌溉制度[34-37]，并结合膜下滴灌、垄作、咸水灌溉等多种农艺措施，在我国新疆内陆、宁夏平原、松嫩平原等多个区域、多种类型的盐碱地上，实现了对根区土壤水盐环境的调控和作物的种植[38-41]，取得了显著的效果。

3 膜下滴灌技术在河套灌区的研究现状

由于历史上河套灌区地表水资源一直相对丰富，造成当地农民节水意识普遍较差，同时黄河水含沙量较高，平均5.56 kg/m3，不适于喷灌、滴灌等灌水方式[42]。虽然灌区内湖泊分布范围广，地下水资源也较丰富，可作为膜下滴灌良好的水源[43]，但是当地农民长期以来习惯以黄河水进行大水漫灌浇灌农田，湖泊水及地下水资源一直没有被充分关注和利用，所以膜下滴灌技术在河套灌区研究和应用一直较少。直到最近几年由于引黄配额的缩减，地下水等其他可开发利用水资源逐渐受到重视，才有学者逐步开展了一些研究工作。

最初，王敬安等[44]通过设置番茄膜下滴灌与大田漫灌对比试验，探讨了番茄膜下滴灌节水、增产效果及其生产实践意义。叶志勇等[45]通过设计9个不同灌溉定额和滴水次数的水分处理，探讨了膜下滴灌对加工型番茄产量的影响，给出了试验区加工型番茄最佳的膜下滴灌灌溉制度。随后人们对于膜下滴灌的研究工作逐渐扩展到玉米、葵花等大田作物。韩翠莲等[46]通过与普通灌溉进行对比分析，指出玉米膜下滴灌种植能实现农业节水、增产、增效，值得在河套灌区推广，并给出了详细的玉米膜下滴灌栽培技术流程，对推广玉米膜下滴灌栽培技术，起到了积极的作用。杜斌和屈忠义等[47]依据大田试验，通过Penman-Monteith公式和水量平衡法对膜下滴灌作物系数进行修正，以期研究膜下滴灌灌溉制度。结果表明，膜下滴灌玉米、葵花耗水量分别为445和340 mm，较传统灌溉分别节水12.7%和4.5%，此结果为河套灌区大田作物膜下滴灌灌溉制度的制定提供了理论依据。另外，考虑到当前河套灌区栽培习惯，龚雪文等[48, 49]于2011-2013年将膜下滴灌与套种栽培结合起来，研究了膜下滴灌条件下套种农田土壤水热迁移规律，指出套种膜下滴灌条件下，农田合适的土壤水分状况有利于根区良好水热环境的形成，从而更有利于作物的生长。研究结果对于套种和膜下滴灌耦合作用下土壤水热迁移理论的发展具有一定的推动作用，并为套种栽培和膜下滴灌在河套灌区的推广和节水高效栽培体系的建立提供参考。

以上分析表明，关于膜下滴灌在河套灌区的研究对象，逐步从最开始的番茄等蔬菜作物，发展至玉米、葵花等大田作物；研究内容也逐步由单纯的膜下滴灌和传统灌溉的对比试验研究，发展至膜下滴灌土壤水热迁移规律、作物耗水规律及膜下滴灌灌溉制度的制定等方面，并逐步考虑当地栽培习惯，寻求与膜下滴灌配套适宜的栽培技术。但总体看来，膜下滴灌在河套灌区的研究工作尚处于起步阶段，很多研究内容还有待于进一步细化和深入探讨。

4 河套灌区膜下滴灌下一步研究重点

相对于西北其他旱区或华北地区，河套地区地下水资源相对丰富，且易于开采。随着近年来黄河来水量的衰减，灌区配水额度不断减少，为保证灌溉用水需求，各地积极开发地下水资源进行井渠双灌，如2003年灌区就现打抗旱应急水源井20 855眼，这无疑为膜下滴灌的应用创造了条件[45]。同时，随着水资源的日益短缺，小麦、玉米等高耗水作物在河套灌区的种植面积明显减小。如2000年，河套灌区小麦种植面积达24.68 万hm2，占灌区总灌溉面积的44%，而目前小麦种植面积仅为8.004 万hm2左右，与此同时葵花、瓜果等低耗水、耐盐碱的经济作物种植面积逐年增加[1]，这为推广投资成本相对较高但节水效果明显的膜下滴灌技术提供了可能。另外，随着农民素质的提高和经济收入的增加，节水意识和集资打井的积极性增强，相对于以前更易于接受膜下滴灌这类节水灌溉新技术。因此，膜下滴灌在河套灌区具有较好的应用前景，可为灌区农业的可持续发展发挥积极作用。结合研究现状，笔者认为河套灌区膜下滴灌下一步的研究重点应包括以下几个方面。

(1)膜下滴灌土壤水热盐耦合迁移机制和调控方法。了解土壤水热盐运移规律，是制定相应灌溉制度的基础。因此，应针对河套灌区不同区域、不同地下水环境，重点研究利用地下水膜下滴灌条件下，土壤水热盐运移规律和耦合机制，并结合引黄秋浇灌溉措施，分析典型区域地下水与SPAC(Soil-Plant-Atmosphere Continuum)系统之间盐分周年平衡问题，结合其他农艺措施，寻求河套灌区膜下滴灌土壤水热盐综合调控方法。

(2)膜下滴灌作物耗水规律及灌溉制度制定。膜下滴灌技术在某个地区得以推广的前提条件，就是要建立一套科学、合理且又易于农民掌握、实用的灌溉制度。应着重研究膜下滴灌条件下，不同作物、不同生育时期的耗水规律，探讨膜下滴灌作物的节水机理，确定不同作物膜下滴灌灌水定额、灌水时期、灌水次数和滴头流量等技术参数，制定相应的膜下滴灌灌溉制度，同时考虑控制适宜的地下水埋深，维持地下含水层水量平衡[10]。

(3)地下(微)咸水资源的利用。河套灌区浅层含水层广泛分布的多为咸水或微咸水，地下水矿化度大于2 g/L的面积占50%以上[50]。合理开发利用地下(微)咸水资源，以缓解地表淡水资源的缺乏，已在我国西北内陆旱区、华北等多个地区的农业生产中发挥着重要的作用[51]。目前河套灌区(微)咸水灌溉制度、地下水矿化度对作物生长的影响、以及微咸水膜下滴灌土壤水盐分布、运移规律和配套措施等许多问题，均有待深入、系统地研究。

(4)膜下滴灌区域农业种植结构调整。膜下滴灌技术的实施，必须有配套的灌溉首部系统、各级管网布置等工程投入，相对于引黄渠灌投入成本较高，因此其更适用于经济价值更高的经济作物。这就需要对拟推广区域农业产业结构进行重新布置和调整。其此过程中，必须充分调研当地经济水平和长期农业生产习惯等外界条件，以及土壤条件、地下水埋深及矿化度水平等自然因素，进行综合考虑，科学布局。

(5)地下水资源的承载力变化和合理配置。就整个区域而言，研究河套灌区地下水资源的承载力大小，分析其随着膜下滴灌技术的推广将如何变化，以及如何合理利用和配置地下水和地表水资源，以满足上述既保障农业生产又控制地下水位合理埋深的要求，将是在河套灌区推行“井渠双灌”和膜下滴灌要研究的内容。

(6)基于先进技术手段的栽培技术体系和生态效益研究。应进行针对不同作物、与膜下滴灌相结合的其他配套农艺措施，如垄作、套种、水肥一体化等栽培技术体系的研究，以及采用膜下滴灌等农业节水措施后，农田气候条件和周边环境的变化及其应对措施等宏观生态效益的研究等。特别需要指出的是，以上研究工作的开展要注意采用一些先进的研究技术手段，比如数学模型、遥感技术、地理信息系统、同位素示踪技术等。其中模型模拟已经成为研究膜下滴灌条件下土壤水盐运移与灌溉管理措施制定和评估的一个重要手段[52]。相对田间试验观测，数值模拟的人力、物力及时间成本较低，且可通过设置不同情境进行分析比较[53]。具体到河套灌区膜下滴灌的研究工作，可以用到土壤水盐运移模型、根系吸水模型、水文生态模型、作物生长模型、生物地球化学模型等多种模型。因此，数学模型的应用在研究河套灌区膜下滴灌土壤水盐动态和灌溉制度的制定上有着重要的科学指导意义，可为模拟和预测整个区域农业生产的可持续发展提供科学工具。

总之，膜下滴灌技术在河套灌区的研究和推广是一项巨大的系统工程，只有先通过建立典型试区，针对不同膜下滴灌灌溉制度，以及与不同农艺措施结合的配套模式，从土壤、作物、灌水量、水质、经济效益、生态环境等多方面进行系统研究，同时注意培养农民节水意识和加强用水管理体制，才可使膜下滴灌技术在河套灌区的农业节水和可持续发展上发挥更为积极的作用。