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1、田间水肥一体化地面灌溉系统介绍刘玉春1，姜红安2，夏辉1*（1. 河北农业大学城乡建设学院，河北 保定 071001；5102. 保定中法供水有限公司，河北 保定 071501）摘要：目前水肥一体化喷灌和滴灌系统耗能高、投资高、对水质要求高，而地面灌溉仍然是大田作物应用的主要灌水技术，针对以上现实本文提出田间水肥一体化地面灌溉系统。田间水肥一体化地面灌溉系统由进水管、施肥器、田间输水管和地面灌溉灌水器四部分组成，其中施肥器是无压施肥装置，地面灌溉灌水器是田间分水软管和出水口为一体、在生产过程中一次性成型的地面灌溉灌水设施。田间水肥一体化地面灌溉系统不仅能够实现水肥一体化，且具有低碳环保、灌水效
2、率高、便于与农业机械化相结合的优点，适宜在大田作物生产中大面积推广应用。关键词：地面灌溉；水肥一体化；灌水器；施肥器中图分类号：S275.315Introduction of surface fertigation systemLiu Yuchun1, Jiang Hongan2, Xia Hui1(1. Hebei Agricultural University, HeBei BaoDing 071001;2. Baoding Sino French Water Supply Co. Ltd, HeBei BaoDing 071501)2025303540Abstract: At prese
3、nt surface irrigation is still the main irrigation technology application for fieldcrop. And the fertigation system of sprinkling or drip irrigation system has the defect of highenergy consumption, high investment and high water quality requirements. A surface fertigationsystem is put forward in thi
4、s paper based on the above actuality in crop irrigation. The surfacefertigation system is composed of four parts, intake pipe, fertilizer applicator, water delivery pipeand surface irrigation watering device. The fertilizer applicator is a kind of pressureless fertilizerapplicator suitable for surfa
5、ce irrigation. The surface irrigation watering device is a kind ofdistributive hose with several water outlets in a fixed spacing, is linked with water delivery pipeand is used to distribute water to furrow field or irrigation ditch. The surface fertigation systemcan realize irrigation and fertiliza
6、tion simultaneously, has the advantage of low carbon and highirrigation efficiency, and facilitates with agricultural mechanization. The surface fertigationsystem is worth extensive application in field crop production.Keywords: surface irrigation; fertigation; watering device; fertilizer applicator
7、0 引言水肥一体化技术是将灌溉与施肥融为一体的农业新技术，具有肥效快，养分利用率高的特点，既有利于节水节肥、提高作物的产量和品质，也有利于农田环境保护。面对我国日益加深的水环境危机，农业水肥一体化技术是我国农业发展的战略方向已经成为共识。1 问题的提出目前水肥一体化技术多针对喷灌和微灌系统而言，需要的压力大，灌水器对水质要求高，田间灌水器密集不便于田间机械化作业，系统投资也较高。因此水肥一体化喷灌和微灌系统大多应用于设施农业栽培、果园栽培以及经济效益较好的其他作物，在我国常年灌溉地带的西北内陆地区棉花等大田经济作物栽培中应用较广。受系统压力要求高、投资高的制约，水基金项目：国家自然科学基金(3
8、1171495; 41101338); 河北省自然科学基金(E2012204079; E2011204108;C2012204054); 农业部科技成果转化基金项目(2012GB2A200028); 高校博士点基金项目(2012302110001)作者简介：刘玉春，（1971-），女，博士，副教授，从事节水灌溉理论与技术方面的研究。E-mail:liuyuchun5-1-肥一体化喷灌和滴灌系统在我国不稳定灌溉地带和水稻灌溉地带，在大田作物生产中的应用还很有限，而且这种状况在我国会一直延续下去。4550556065707580与喷灌和滴灌技术相比，地面灌溉技术仍然是当今世界各国应用最普遍的农田灌
9、溉技术，根据 FAO 统计数据1，美国 2005 年总灌溉面积 2472.2 万公顷，地面灌溉面积 1077.4万公顷，占总灌溉面积的 43.6%；我国 2006 年总灌溉面积 6293.8 万公顷，地面灌溉面积 5933.8万公顷，占总灌溉面积的 94.3%。地面灌溉具有供水压力低、灌水流量大，灌水速度快，更适宜与农业机械化生产相结合的优点。但地面灌溉技术也存在以下问题亟需改进：（1）田间灌水施肥设施贫乏，地面灌溉技术仍沿用传统的田间开挖临时毛渠引水入畦、入沟的灌水方式，施肥也大多采用人工撒肥的方式施肥，灌溉系统最后一公里缺乏田间配套设施，如此的“毛细血管”不足，尽管“骨骼”强壮，却也削弱了
10、渠道防渗等节水灌溉工程效益的发挥。由此导致田间水肥利用效率较低，据研究我国地面灌溉条件下平均田间灌溉水利用效率为 52%2，肥料利用效率在 9%72%之间，平均 35%3。改进地面灌溉施肥技术具有较大的节水节肥潜力。（2）地面灌溉灌水劳动强度大，用工多、而我国的劳动力成本日益增长，从而灌水成本也提高了，成为制约农业生产的一大瓶颈，2012 年河北省易县约 2 万亩麦田出现季节性的抛荒，浇水难和浇水贵是原因之一4。针对地面灌溉仍然是大田作物主要灌水技术的现实，水肥一体化喷灌和滴灌系统耗能高、投资高、对水质要求高的问题，本文提出了一种田间水肥一体化地面灌溉系统，通过无压施肥器和地面灌溉灌水器实现地
11、面灌溉的水肥一体化。2 田间水肥一体化地面灌溉系统的组成目前美国和澳大利亚等国在渠灌和管灌系统中采用虹吸管和闸管等地面灌溉配水设备，其中田间闸管灌溉系统由移动软管和管道上配置的多个供水闸门组成，可以替代毛渠完成田间输配水过程，国家节水灌溉北京工程技术研究中心十五期间在引进国外先进技术和设备的基础上，自主研制开发了田间闸管灌溉系统5，具有节水、节能、省地、投资少等优点，但未考虑与施肥的结合，因此需要进一步研发相关配套设备以实现畦灌和沟灌的水肥一体化。北京市农业技术推广站与沟灌技术相结合，开发了一套简易沟灌施肥装置6 ，将覆膜沟灌水肥一体化技术应用在果树和蔬菜的灌溉中，目前正在试验中。李石开和李波
12、发明了大田水肥一体化集中供给系统7，提出了一套实现地面灌溉水肥一体化的施肥装置，但系统需要用电，不方便大田中与渠道和低压管道输水灌溉系统使用。王树奇发明了农田灌溉配水软管8，提出了地面灌溉田间灌水装置。这些探索研究为实现地面灌溉水肥一体化奠定了基础。本文提出的田间水肥一体化地面灌溉系统，由进水管道、施肥器、田间输水管道和田间灌水器四部分组成，见图 1。进水管道从水源取水进入田间输水管道和施肥器。施肥器由溶肥罐及其安装在溶肥罐前后的进水软管和出水软管组成，进水软管通过阀门与田间输水管道相连引水溶肥，出水软管通过阀门与田间输水管道相连将水肥混合液送进田间输水管道；溶肥罐上面有进肥口，上面可固定可调
13、开度的漏斗将肥料直接均匀地投加到溶肥灌中实现干式进肥，也可将沼液等液体肥料通过进肥口引入溶肥罐实现湿式进肥。田间输水管道用以取代地面灌溉中的渠道（一般为农渠）输水进入地面灌溉灌水器，依据水源流量大小、田块大小和每条田间输水管道上地面灌水器的数量，可设计多条田间输水管道，可用作全移动输水管道。地面灌溉灌水器是田间分水软管和出水口为一体、在生产过程中一次性成型的地面灌溉灌水设施，包括单向供水的地面灌溉灌水器和双向供水的地面灌溉灌水器两种类型，是水肥-2-一体化地面灌溉系统区别于水肥一体化喷灌和滴灌系统的灌水设施，地面灌溉灌水器用以取代地面灌溉中的田间临时毛渠配水至田间灌水沟或灌水畦，是水肥一体化地
14、面灌溉技术能够859095100105得以实现的关键。地面灌溉施肥器和灌水器是实现田间水肥一体化地面灌溉的关键施肥和灌水设施，服务的农业生产对象十分广泛，如小规模的日光温室大棚、蔬菜种植，大规模的大田作物种植、蔬菜种植、果树生产等均可以采用。目前市场上的压差式施肥罐、文丘里施肥器等施肥装置，需要的压力较高，多在喷灌和滴灌系统中使用，不便于渠道和低压输水灌溉管道中应用，而本文提出的地面灌溉无压施肥器则可以实现在渠道和低压输水灌溉管道中应用。利用市场上现有的多种型号和多种材质的管材和管件能够组装成具有同样功能的地面灌溉施肥器和灌水器，但成本高，水力性能不可靠，也不方便广大的农业生产用户使用。亟需开
15、发简便实用、价格合理的施肥器，亟需开发田间分水软管和出水口为一体、在生产过程中一次性成型的地面灌溉灌水器，并提供多种规格、多种材质、多种价位的地面灌溉施肥器和灌水器供广大农业生产用户选用，为地面灌溉用户提供成本低、方便农业生产用户安装使用的灌水施肥设施。鉴于我国广大的地面灌溉面积、劳动力成本的逐年提高，地面灌溉的水肥一体化设施将是一个广阔的市场。图1 田间水肥一体化地面灌溉系统示意图Fig. 1 Sketch of surface fertigation system3 田间水肥一体化地面灌溉系统的规划设计田间水肥一体化地面灌溉系统的规划设计内容应包括：（1）灌水畦和灌水沟设计：田间水肥一体化
16、地面灌溉系统的地面灌溉灌水器直接向灌水畦和灌水沟供水。需要考虑地形条件、作物种类、种植模式、农业机械化作业的要求进行-3-畦田或灌水沟布置，畦灌时设计畦田长度、宽度和畦埂，沟灌时设计灌水沟间距、长度和灌水沟断面，具体设计要求可参考地面灌溉相关文献9,10,11。（2）地面灌溉灌水器的选择和布置：地面灌溉灌水器垂直于灌水沟或畦田长度方向布置，根据地形条件确定单向供水还是双向供水，田块坡向单一时采用单向供水，灌水器间距110115120125130135140145等于灌水沟或畦田的长度；地形有起伏时采用双向供水，灌水器间距等于灌水沟或畦田的长度的二倍。灌水器的长度和数量依据田块大小确定。灌水器出
17、水口的流量和出水口的间距是选择地面灌溉灌水器的技术参数，出水口流量根据田间土壤性质、地面坡度和畦田或灌水沟长度计算，并依据目前地面灌溉的生产实践经验选择，畦灌时参考畦田入畦单宽流量确定，沟灌时参考入沟流量确定；出水口间距则依据田间灌水沟或畦田间距选择。（3）田间输水管道的规划设计：依据田块大小、地形情况、地面灌溉灌水器的布置情况，确定田间输水管道的间距和条数。依据地形条件确定田间输水管道是单向供水还是双向供水，据此确定田间输水管道的间距；单向供水时田间输水管道的间距为灌水器长度，双向供水时依据田块地形、灌水器的布置确定。根据田间输水管道所控制的灌水器条数、出水口数量和出水口流量从尾端分段计算至
18、首端确定田间输水管道的流量，据此计算确定适宜管径。（4）地面灌溉施肥器的选用和布置：依据田间输水管道的流量和管径大小、选择容量适宜、管径适宜的施肥器。田块面积较小时，可以将施肥器安装在供水管道上，多条田间输水管道共用一个施肥器；田块面积较大时，或田块分属不同的农户时可以分户设置田间输水管道和施肥器，并在田间输水管道的首端安装水表以方便计量收费。（5）供水管道设计：根据供水管道控制的田间输水管道条数和流量从尾端分段计算至供水管道取水部位，确定供水管道的流量，据此计算确定适宜管径。结合水源流量大小确定一次供水同时工作的田间输水管道数目，一次供水无法供给全部田间输水管道时，将田间输水管道划分成轮灌组
19、，分组轮灌供水。4 田间水肥一体化地面灌溉系统的优点（1）系统通过简易灌水施肥装置融灌溉和施肥于一体，实现了地面灌溉的水肥一体化，可以使地面灌溉这一古老的灌水方法焕发新的生机。田间水肥一体化地面灌溉系统能够实现大田作物的小定额灌溉，提高大田作物的水肥利用效率，同时可以减少灌水施肥用工，降低大田作物的生产成本，为大田作物粮食生产奠定良好的基础。（2）系统地面灌溉灌水器为无压出流、流量大，因此对水源水压和水质要求低，可直接从低压输水灌溉管道出水口取水，可通过渠道取水设备从引渠道引水，也可通过地形高差或水泵加压与田间的坑塘、水窖和水池等小水源相连使用，可以增加山丘区小水源的灌溉面积和方便程度，因此可
20、以充分利用田间的水源条件，具有低碳环保的优点。（3）田间输水管道和地面灌溉灌水器结合使用，替代田间农渠和临时毛渠，可完成从渠道斗渠到田间灌水沟或灌水畦的直接配水，解决了渠道和低压管道输水灌溉系统的田间输配水问题，既可以大大减少田间输水的渗漏损失，提高田间水利用效率，又可以增加输水速度，提高灌区的灌水效率，能够缓解大田作物关键期灌水时间紧任务重的问题。（4）结合田间水源条件、地块条件、土质条件、作物种植条件，田间水肥一体化地面灌溉系统可大可小，可以配置多条田间输水管道和多条田间灌水器，施肥器则依据所控制田块的施肥要求设计。与喷灌和微灌灌水器相比，地面灌溉田间灌水器间距大、数量少，使用时每个灌水畦
21、或灌水沟配置一个出水口，多余的部分弯折压在田间灌水器底部，铺设简单一-4-次完成，灌溉完毕将田间灌水器盘卷收回即可，便于运输、存放或移浇另一片土地，因此便于移动，便于与农业机械化生产相结合。田间输水管道和田间灌水器可以选用不同管径和管材，投资可高可低。既适用于单农户、小地块如日光温室大棚使用，也适用于种粮大户大规模灌水施肥使用。1501551605 结论本文针对地面灌溉仍然是大田作物主要灌水技术的现实，水肥一体化喷灌和滴灌系统耗能高、投资高、对水质要求高的问题，提出了一种田间水肥一体化地面灌溉系统。该系统结构简单、低碳环保、投资低，对水质要求低，是延长我国灌溉系统最后一公里，丰富我国灌溉系统毛
22、细血管的工程措施，适宜在我国不稳定灌溉地带和水稻灌溉地带、在大田作物生产中大面积推广应用，考虑到地面灌溉的普遍性，地面灌溉的水肥一体化设施将是一个广阔的市场。参考文献 (References)1 FAOSTATOL.2012.12.30. http:/faostat.fao.org/site/291/default.aspx2 高占义, 许迪. 农业节水可持续发展与农业高效用水M.北京: 中国水利水电出版社, 20043 朱兆良,文启孝.中国土壤氮素M.南京:江苏科技出版社,19924新 浪 财 经 . 河 北 易 县2万 亩 麦 田 抛 荒农 民 称 种 小 麦 亏 钱OL.2012.11.305中 国 农 业 节 水 . 不 用 安 装 滴 灌 设 施 , 照 样 实 现 水 肥 一 体 化165170OL.2012.5.15.6 李石开,李波.大田水肥一体化集中供给系统P.中国 201020636959.20107 王树奇. 农田灌溉配水软管P.中国 200420038673.20048 郭元裕.农田水利学M. 北京：水利水电出版社,19979 蔡守华. 旱作物地面灌溉节水技术M. 河南郑州: 黄河水利出版设,201210 李文斌. 地面灌溉优化灌水技术研究及实用手册M. 北京：中国水利水电出版社,2007-5-
