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节水农业概论山西农业大学孙敏山西农业大学第六章设施化节水灌溉技术喷灌技术1滴灌技术2微喷灌技术3渗灌技术4自动化控制灌溉技术5第一节喷灌技术喷灌是利用水泵加压或自然落差将水通过压力管道送到田间，经喷头喷射到空中，形成细小的水滴，均匀喷洒在土壤上，为作物正常生长提供必要水分条件的一种先进灌水方法。喷灌技术与传统的地面灌溉相比：灌水均匀、节水、增产、省力、节地、适应性强调节田间小气候、防止干热风和霜冻对作物的伤害可广泛地应用于除水道外的大田作物以及果树等喷灌有多种形式，不同的喷灌形式适应不同的场合，发展喷灌要因地制宜，才能充分发挥其节水和增产效果。1.喷灌技术的适用范围(1)农田耕作面积大，机械化程度高的粮食主产区；(2)山地或丘陵地区地形起伏大，地面倾斜坡度大，其他节水灌溉技术难以使用的地方；(3)土壤透水性较强，采用地面灌溉比较困难的地方；(4)灌溉水资源不足或高扬程灌区；(5)需要调节田间小气候的作物，包括防干热风和防霜冻的地方；(6)劳力紧张或从事非农业劳动人数较多的地区；(7)水源有足够的落差，适宜修建自压喷灌的地方；(8)实用于风少或灌溉季节风小的地区。优点①节水效果显著喷灌通常采用管道灌输水、配水，输水损失很小，喷灌可以根据作物需水的状况，适时适量地灌水，一般不产生深层渗漏和地面径流，水的有效利用率可达80%以上。2.喷灌技术的特点喷灌与地面灌溉相比，比明渠输水灌溉省水30%~50%。在透水性强、保水能力差的土地，省水可达70%以上。喷灌是利用喷头直接将水比较均匀地喷洒到作物面上的，能够很好地控制喷水强度、灌水量和灌水均匀度。喷水后地面湿润比较均匀，通常灌水均匀度可达80%~85%。②提高农作物产量和产品品质由于喷灌能严格控制土壤水分、保持肥力，喷灌对增加农作物产量的作用是多方面的。首先，喷灌可以控制喷洒时间或喷洒速度，适时适量地满足农作物对水分的要求，这对于精细控制土壤水分，保持土壤肥力，保护土地表层的团粒结构，促进作物根系在浅层发育，以充分利用土壤表层养分以及适应换茬时，两种作物对水分的不同要求极为有利。喷灌时灌溉水像降雨一样湿润土壤，不破坏土壤结构，为作物根系生长创造了良好的土壤、水分环境；可以根据供水条件和作物需水的规律进行精确供水。喷灌还可以调节田间小气候，增加近地层空气湿度，调节温度和昼夜温差，避免干热风、霜冻对作物的危害，可显著提高水果、蔬取茶叶、烟草等经济作物的品质。在高温季节可以起到降温的作用，并能冲掉作物茎叶上的尘土，有利于作物的呼吸和光合作用，有效地改善了农业生态环境，有明显的增产效果。与传统地面灌溉相比，采用喷灌的粮食作物增产10%~20%，经济作物增产20%-30%，果树增产10%-20%，蔬菜增产1-2倍。③提高耕地利用率喷灌可以大大减少田间内部沟渠、田埂的占地，增加了实际播种面积，可提高耕地利用率7%~15%。这对于单产较高的小麦等条播作物进一步提高产量效果十分明显。⑤喷灌设备品种齐全，能满足各方面的需要喷灌系统装备组成及其可移动程度分为固定式、半固定式、移动式、定点喷洒机组及行走喷洒机组几种。固定式喷灌系统除喷头外，其他设备固定不动。④对地形的适应性强，可避免土壤盐碱化喷灌可用于各种类型的土壤和作物，受地形条件的限制小。例如，在砂土地或地形坡度较大、高低起伏不平的地面也可以采用喷灌。在地下水位高的地区，地面灌溉使土壤层过沛易引起土壤盐碱化，用喷灌来调节上层土壤的水分状况，可避免过量灌溉造成的盐碱化由于喷灌对地形的适应性强，可以大大减少对田间渠系建设及管理维护，节省大量农田地面平整的工程量。⑥喷灌可节省劳动力喷灌能在世界范围内得以迅速发展的原因之一，是为了提高农业劳动生产率。我国农业经营正在向集约化、规模化方向发展，同样面临着提高农业劳动生产率的问题。喷灌系统的机械化程度高，可以大大降低灌水劳动强度，提高作业效率，免去年年修筑田埂和田间沟渠的重复劳动，节省大量的劳动力。各种喷灌机组可以提高工效20-30倍。⑦喷灌适合于大面积灌溉、农业机械耕作技术集成的配套与实施喷灌是实现农业现代化不可缺少的节水灌溉技术。缺点①抗风能力差在进行喷灌作业时，喷出的水滴受风力的影响，会改变水舌的形状和喷射距离，使小水滴沿着风向飘落，改变了各方向的射程和水量分布，出现喷洒不均匀和漏喷等现象。为满足灌溉的需要，只有增加灌水量。因此，通常在3~4级以上风力时应停止喷灌。②蒸发损失大由于水喷洒到空中，比地面灌溉时的蒸发量大。尤其在干旱季节，空气相对湿度较低，蒸发更大，在水滴降落到地面之前，将会蒸发掉10姊。因此，为避免蒸发对水资源造成的浪费，可以改在夜间进行喷灌。③消耗能源地面灌溉只要将水通过渠道或管道送到地头即可实现自流灌，喷灌则要利用水的压力使水流破碎成水滴，喷洒到规定范围内。对于行走式喷灌机，还需要有一定的动力进行牵引，这些都需要多消耗一部分能源。④可能出现土壤底层湿润不足的问题在喷灌强度过大，土壤入渗能力低的情况下，会出现土壤表层很湿润而底层湿润不足的问题。采用低强度喷灌，使喷灌强度低于土壤入渗速度，并延长喷灌时间，可使灌溉水分渗入到下层土壤，且不产生地面积水和径流。此外，由于喷灌系统的工作压力较高，对其配套的基础设施也有较高的耐压要求，这就使得基础设施的投资比较大。如固定管道式喷灌系统13500~18000元/hm2；半固定管道式喷灌系统4500~6750元/hm2；卷盘式喷灌机约4500元/hm2；大型机组约6000/hm2。这也是当前制约喷灌发展的主要因素之一。第二节滴灌技术滴灌技术利用管道将水通过直径约l0mm毛管上的孔口或滴头送到作物根部迸行局部灌溉。它是目前干旱缺水地区昀有效的一种节水灌溉方式，其水的利用率可达95%。1.滴灌技术的适用范围滴灌技术是一种低水头灌溉，它既适合大面积长期种植的高秆作物，如，果园、葡萄园的灌溉，也适合蔬菜、花卉等经济作物、大面积农作物以及温室大栅的灌溉；在干旱缺水的地方亦可用于大田作物灌溉，还可用于高扬程抽水灌区及地形起伏较大地区的灌溉，同时在透水性强、保水性差的砂质土壤和咸水地区也有一定的发展前景。2.滴灌技术的应用情况世界滴灌技术发展昀有代表性的国家首推以色列，其温室种植90%采用滴灌，主要用于高附加值的蔬菜、水果、花卉等作物。以色列温室滴灌的昀高水利用率为95%。美国是世界上滴灌面积推广应用昀多的国家，20世纪90年代初就己超过了60×104hm2，约占全国当时灌溉面积的3%，美国雨岛公司生产的紊流压力补偿滴灌带，紊流态出水，抗堵塞性好，压力补偿能使出水均匀，并可以埋于地下，减少水蒸发损失。他们的配套产品也很发达，如化肥、农药注入器等。美国目前使用的滴灌控制器有机械电子式和电子式交流与直流多种自动控制器。法国生产的滴灌肥料农药混合器代表了当今国际领先水平。其工作原理是：水流迸入混合器内，驱动主活塞，与之相连的注人活塞随之上下运动，从而吸入待注的溶液进人混合室。其特点是不用电力，依靠水压驱动，能调节浓度，有较好的精度控制，精度上比普通的压差式施肥方法有很大提高。我国1974年引进墨西哥滴灌设备，当时仅有3个试点，面积约5.3hm2，到1980年达到0.87×104hm2，经济效益十分显著。后来，北京、河北、山东、山西、河南、陕西、新疆等省市(区)也都进行了果树、蔬菜以及大田粮棉作物的滴灌试验，均取得了较好的经济效益。20世纪90年代以后，随着内镶式滴灌管、压力补偿式滴头和滴灌管、薄壁滴灌带先后在我国开发成功，使滴灌技术得到了较大面积的推广，而且滴灌己由果树、蔬菜等少数经济作物转向行播大田作物的灌溉，如新疆棉花滴灌发展得非常迅速，取得了良好的节水增产效果，由此还诞生了一种新的节水灌溉技术——膜下滴灌。这种被称为膜下滴灌的节水技术在我国的新疆地区推广应用了11.33×104hm2，中国因此成为世界上农田采用滴灌节水技术规模昀大的国家。3.滴灌技术的特点①不误农时，一播全苗由于滴灌具有灌溉及时的优点，为各种作物在任何墒情条件下抓住农时，保证全苗，提高单产奠定了基础。对大田春播时，只要早春积雪融化后，气温和地温达到种子适合发芽的温度时，不论田间墒情如何，都可进行播种。对墒情较差的地块先播种后滴水，采用干播湿出的方法，出苗均匀，出苗率高。优点②节水、节能、省工在滴灌条件下，灌溉水湿润部分土壤表面可有效减少土壤水分的无效蒸发。同时，由于滴仅湿润作物根部附近的土壤，其他区域土壤水分含量较低，因此，可防止杂草的生长。另外，加滴灌系统不产生地面径流，且易掌握精确的施水深度，非常省水，利用率可达95%。一般比地面浇灌省水30%~50%，有些作物可达80%左右，比喷灌省水10%~20%。滴灌工作压力低，灌溉水利用率高，所以在减少了灌水量的同时，也降低了灌水的能量，这在高扬程灌区效果更明显。滴灌便于自动控制，用来施肥(药)，既省肥(药)，又节省劳动力，非常方便。③灌水均匀滴灌可有效控制每个滴头的出水量，灌水均匀度高，一般可达80%~90%。④环境湿度低，病虫害发生率低滴灌灌水后，根系周围土壤的通透条件良好，通过注入水中的肥料可为作物提供足够的水分和养分，满足作物要求的稳定和较低吸力状态；而灌水区域地面蒸发量却很小，因而有效控制保护了地面的湿度，大大降低了作物病虫害的发生频率。⑤增加作物产量、提高产品品质滴灌技术能够及时适量地向作物根区供水、供肥，为作物生长提供了良好的水分、养分条件，它可以在提高农作物产量的同时提高和改善农产品的品质，使农产品的商品率和经济效益大大提高。⑥滴灌对地形和土壤的适应能力较强由于滴头能够在较大的工作压力范围内使用，且出流量均匀，所以它几乎可以适宜于任何复杂的地形，甚至在乱石滩上种的树也可用滴灌。在一定条件下，滴灌还可适应于微咸水灌溉及地形有起伏的地块和不同种类的土壤。存在的问题滴灌的主要缺点是投资较高，容易堵塞，由于滴头的流道较小，滴头易于堵塞，对水质要求高。且滴灌灌水量相对较小，容易造成盐分积累等问题。第三节微喷灌技术微喷灌是通过低压管道系统，以小的流量将水喷洒到土壤表面进行灌溉的一种灌水方法。它是在喷灌和滴灌技术基础上逐步形成的一种新型先进灌水技术。1.微喷灌技术的适用范围微喷灌技术具有喷水流量小(一般为50~150L/h，昀少可达到30L/h)，工作压力低(一般为10~30m水头)，配套功率小，小型微喷灌可减少到550~750W，喷水高度低（在2m以内)、喷水直径小(4.5~9.0m)，水滴细小、喷洒均匀、受风的影响很小，设备轻巧移动方便、管件齐全、装卸简单以及适用于分散地块和一家一户使用等特点。采用微喷灌可直接实现对作物的灌溉或调节保护地室内环境湿度或温度；或通过微喷灌实现清洗作物叶面灰尘等。主要应用于地面灌溉的作物，如果树、苗圃、药材、蔬菜、花卉、茶叶、木耳以吸其他经济作物;或其他灌水方式难以保障的保护地特种作物，如温室育苗、花卉栽培或观赏作物对湿度有较高要求的作物。2.微喷灌技术的应用情况微喷灌工程是一种新型的灌水工程。它在投资、使用方面具有一定的优越性，因此它的发展前景十分广阔。随着科学技术和社会经济的发展，世界各地的微喷灌技术和其工程发展十分迅速。20世纪80年代后，在不少国家和地区微喷灌工程己逐渐替代了地面灌溉和其他灌溉方法，微喷灌工程在节水、节能、高效、增产等各方面均取得了显著的经济效益和社会效益。3.微喷灌技术的特点微喷灌除具有喷灌和滴灌的主要优点外，还具有以下独特的优点。①工作压力低，节约能源与喷灌相比，微喷灌管道工作压力大大降低，从而减少了抽水扬程，可节约能耗50%以上，并可降低管材要求和能源消耗，节省运行费用。优点②不易堵塞与滴灌相比，微喷灌不易堵塞。由于微喷灌工作压力较高，微喷头出流孔口和流速均大于滴灌的滴头流速和流量，因此不易被细小的固体颗粒、微生物及化学沉浮物堵塞，从而大大减小了灌水器的堵塞。一旦形成堵塞，也易于发现和处理。③节水效率高微喷灌可有效地将水送到作物的根部，由于用管道输水，基本上没有水渗漏损失；微喷灌采用了小的灌水定额和浸润入渗机制(作物从环境中摄取水分)，在微喷灌喷洒的过程中，有部分水滴被粉碎