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河套灌区地面灌溉灌水质量评价及技术要素优化

范雷雷  
【摘要】:干旱半干旱地区,实现水资源的高效利用是农业可持续发展的重要途径。河套灌区是我国一首制特大型引黄灌区。受输配水制度影响,灌水不适时特点突出,同时由于地下水可用资源有限,灌区高效节水灌溉技术(滴灌、喷灌等)应用难度较大,地面灌溉(畦灌、沟灌)在未来一段时间内仍会是灌区灌溉主要方式。畦田灌水质量是影响作物产量和水分利用效率的重要因素,针对河套灌区大畦块导致的灌水效率低等问题,探求变化环境下适宜灌水技术参数是改善当前地面灌溉技术的关键所在。研究河套灌区盐渍化土壤垄背地膜和秸秆覆盖下沟灌土壤水盐迁移特征,明确沟灌作物产量及水分利用效率变化规律,可为灌区沟灌栽培技术推广提供借鉴。本文以河套灌区上、中游试验区为主要研究区域,从灌区农业生产实际需求出发,开展畦灌与沟灌试验,分析不同灌水技术要素对灌水质量的影响,采用WinSRFR模型模拟、数值计算等方法确定最优灌水技术参数组合,并结合实测资料分析不同垄背秸秆覆盖量下的土壤水盐运移规律,确定适宜秸秆覆盖量。主要研究结果如下:(1)对比分析不同土壤类型下畦田规格对农田灌水质量及水分生产效率影响发现,畦田规格由1亩增加至3亩时,灌水时间延长,水流推进过程中渗漏损失增加,造成灌水效率和灌水均匀度下降,尽管产量略有增加(1.87%~5.81%),但水分生产效率降低8.49%~21.05%。结合WinSRFR模型模拟,对影响畦灌灌水质量的入畦流量和灌水时间等主要技术参数进行了系统研究,确定了不同土壤类型下典型田块规格获得最优灌水效果时所需灌水时间和入畦流量组合。除黏壤土1亩较小田块和砂土3亩较大田块灌水效果无法达到最佳,其余工况均可获得最优灌溉管理参数组合。(2)砂土畦田规格(80m×25m)较大时农田灌水效果较差。利用WinSRFR模型模拟分析不同变量参数对灌水质量影响发现,采用“改进田块规格+控制灌水时间”灌溉设计方案后灌水效果较典型田块得到显著改善,建议将砂土较大田块按照垂直分割缩块(80m×12.5m),此时在较大流量水平(q=2.08~2.40L/(m·s))下灌水效率可从67%~80%提升至97%~99%,灌水均匀度从0.59~0.79提高至0.84~0.95,储水效率从1.17降低至0.76,可节省灌水时间20%以上。中等流量(q=1.60L/(m·s))情况下在获得更优灌水质量的同时可以节省40%的灌水时间,节水效果显著。(3)通过田间试验发现,农业生产中化肥、种子、地膜等费用占比较大,占总成本的70%以上;畦宽缩小后机械成本较对照增加0.3~4.6倍,尽管水费略有减少,但总成本仍增加2.72%~9.98%。采用模型模拟、数值计算相结合的方法,确定精细畦灌最优单宽流量q为2.81L/(m·s)、灌水时间t为21.21min、畦宽B约为10.7~14.2m。建议灌区推广节水新技术时适当对农民发放节水补贴,用以增加农民积极性。(4)通过构建农机耗油量数学模型,计算不同田块农机耗油量,并与实测值对比,其决定系数R~2为0.9824,RMSE为0.32L,结果可靠。考虑农机效率后,灌区砂壤土适宜畦长由90-100m减小为80-100m,单宽流量由2.5-3.5L/(m·s)降为1.5-3.5L/(m·s),畦宽由5.7-8.0m增加为5.7-13.3m。尽管灌水效率、灌水均匀度较未考虑农机效率前分别减小2.21%~6.07%、6.82%~7.08%,但无显著差异。(5)通过模型模拟与理论分析相结合的方法,分析3种灌水深度控制目标(即水流恰好推进至尾端时关口(Zmin0),灌溉水入渗量最小的1/4田块内的平均入渗水深等于计划需水水深时关口(Zlq=Dreq),最小灌水深度等于计划需水水深时关口(Zmin=Dreq))条件下不同沟长、田面坡度以及入沟流量对沟灌灌水质量的影响,确定有坡度且入沟流量较小(S_0=1‰、Q=1、2L/s和S_0=2‰、Q=1L/s)的100m中沟与零坡度或坡度较小时(S_0=0、1‰)的150m长沟最适采用的控制目标为Zmin=Dreq,其他工况建议采用Zlq=Dreq。(6)覆膜和秸秆覆盖均能有效抑制沟灌盐分聚集,生育末期各处理土壤含盐量较对照显著减少42.76%~52.30%。秸秆覆盖量达到1.2kg/m~2时,过量秸秆覆盖会造成播期土壤温度偏低,降低玉米出苗,使得玉米产量和水分利用效率较覆膜处理略有减少,但差异不显著(P0.05)。建议采用0.9~1.2kg/m~2的垄背秸秆覆盖量代替常规地膜覆盖,以减少地膜残留带来的环境影响。


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