新疆滴灌用水灌溉制度研究应用

Research and Application of Drip Irrigation System in Xinjiang

摘要: 新疆地处我国西部内陆腹地，气候干旱降水稀少蒸发强烈生态脆弱，形成了我国典型的“荒漠绿洲灌溉农业”格局，目前新疆大面积推广应用滴灌高效节水技术，研究分析滴灌用水灌溉制度，为农业水资源高效利用管理提供技术支撑尤显迫切。本文以农业灌溉分区为基本单元，综合考虑不同地理区位、气候土壤、有效降水对滴灌用水响应，采用彭曼作物系数及滴灌试验综合研究分析滴灌用水灌溉制度。结果显示：1) 划分了5个一级40个二级灌溉分区构建了9种粮食、12种经作、1种苜蓿牧草、7种果类、1种林地共30种作物滴灌用水灌溉制度。2) 研究取得灌溉分区1623个滴灌用水定额，全疆田间滴灌用水定额372 mm，其中北疆灌区365 mm，东疆灌区429 mm，南疆灌区378 mm，呈现东疆 > 南疆 > 北疆与灌区地理环境气象水文、植物水分蒸散需水变化特征一致。3) 研究取得灌溉分区30种滴灌作物2345个滴灌用水灌溉制度，如北疆塔城灌区滴灌综合作物灌水次数及灌溉定额为8.2~9.5次和325~400 mm；东疆吐鲁番灌区滴灌综合灌水次数及灌溉定额10.0~11.7次和464~547 mm；南疆巴州灌区滴灌综合灌水次数及灌溉定额为8.9~9.6次和397~427 mm。研究成果为干旱区新疆滴灌高效用水管理应用提供了依据。

Abstract: Xinjiang is located in the hinterland of Western China, the climate is arid, the precipitation is scarce, the evaporation is strong, and the ecology is fragile, forming a typical pattern of “desert oasis irrigation agriculture” in China. At present, it is particularly urgent for Xinjiang to popularize and apply drip irrigation high-efficiency water-saving technology in a large area, study and analyze drip irrigation water irrigation system, and provide technical support for the efficient utilization and management of agricultural water resources. In this paper, taking the agricultural irrigation division as the basic unit, considering the response of different geographical location, climate, soil and effective precipitation to drip irrigation water, the penman crop coefficient and drip irrigation experiment were used to comprehensively study and analyze the drip irrigation system. The results showed that: 1) Five primary and 40 secondary irrigation zones were divided, and a total of 30 crop drip irrigation systems including 9 kinds of grain, 12 kinds of economic crops, 1 kind of alfalfa forage, 7 kinds of fruits and 1 kind of woodland were constructed. 2) The results showed that there were 1623 drip irrigation water quota in irrigation area, and the field drip irrigation water quota in Xinjiang was 372 mm, including 365mm in North Xinjiang irrigation area, 429 mm in East Xinjiang irrigation area and 378 mm in South Xinjiang irrigation area. The results showed that East Xinjiang > South Xinjiang > North Xinjiang had the same change characteristics with geographical environment, meteorology, hydrology and plant evapotranspiration. 3) The results show that there are 2345 drip irrigation systems for 30 kinds of drip irrigation crops in different irrigation zones, such as 8.2~9.5 times and 325~400 mm for drip irrigation in Tacheng Irrigation District of Northern Xinjiang, 10.0~11.7 times and 464~547 mm for drip irrigation in Turpan Irrigation District of eastern Xinjiang, 8.9~9.6 times and 397~427 mm for drip irrigation in Bazhou Irrigation District of Southern Xinjiang. The research results provide a basis for the application of efficient water use management of drip irrigation in Xinjiang.

1. 引言

新疆位于我国西部 [1] 73˚40'~96˚23'E，34˚25'~49˚10'N，远离海洋深居内陆腹地，具有洪冲积平原、山间盆地谷地、荒漠戈壁广泛多样性地理环境特征 [2]。多年平均气温10.4℃，≥10℃平均积温3335.4℃，多年平均降水量154.1 mm仅为全国年均水平的23%，多年平均蒸发量2125.4 mm为降水量10倍以上，干旱指数高达10~15。降水稀蒸发强气候干生态脆弱，形成了我国典型的“沙漠绿洲纯灌农业”格局 [3]。干旱新疆水资源总量多年平均832亿m³，土地面积平均水资源量2.23 m³/hm²，仅为全国平均水平的17%。据2018年水利统计资料显示 [4]，新疆地方系统农业用水量386.19亿m³，占当年引用水总量的91.7%，滴灌等高效节水灌溉面积245.97万hm²，占总灌溉面积501.72万hm²的49%，农业用水占比大用水量高。本文基于干旱区新疆规模化发展以滴灌为主要模式节水灌溉技术，研究应用滴灌用水灌溉制度，为落实最严格的农业水资源总量控制及定额管理提供依据。

2. 材料与方法

2.1. 研究区概况

新疆山脉与洪积冲积、山前平原、山间盆地相间，以中部天山形成南疆、东疆和北疆格局，水资源水生环境、自然地貌水文土壤、农业气象等差异较大。灌溉分区以86个县(市)级为覆盖全疆灌区范围，综合新疆灌区地理位置、海拔高程、作物生长、年积温和无霜期、降水蒸发、土壤类型及质地因素，新疆滴灌农业灌区具有降水少蒸发量大，海拔气温、积温无霜期变化较大特点，新疆土壤类型分布有36种 [5] 之多，灌区多以棕钙土、淡棕钙土、草甸土、棕漠土、绿洲灰棕漠土、盐土、沙土分布，土壤质地多以粉沙、沙壤、中轻壤质，以及戈壁砾质土分布，灌区尚未见自然和灌溉形成团粒状结构良好的土质，因此，干旱新疆农业生产节水灌溉用水管理显得突出重要。

2.2. 研究内容方法

本研究分析在2014年新疆18种作物灌溉用水定额应用基础上，结合滴灌推广应用作物种类，近年扩充至灌区30种作物滴灌用水灌溉制度：9 种粮作(冬麦、春麦、春玉米、夏玉米、水稻、谷子、土豆、大豆、薯类)；12种经作(棉花、油菜、葵花、甜菜、蕃茄、葡萄、打瓜、西瓜、甜瓜、辣椒、胡萝卜、其它蔬菜)；1种苜蓿；7种果树(苹果、红枣、核桃、梨树、无花果、枸杞、其它果树)；1种林地(防护林、生态林和苗圃)，涵盖了灌区大田作物种类。滴灌用水制度研究包括滴灌用水定额及作物生长期用水分配灌溉制度。滴灌用水定额及灌溉制度相关研究数据，源于各县1950~2018年气象站点农业气象资料、新疆统计年鉴2018、新疆农业用水定额技术研究应用 [6]、新疆2013~2018滴灌作物需水量与灌溉制度试验研究成果汇编 [7]，以及中国科学院资源环境科学数据中心关于新疆地理和土壤质地分布信息。

基于灌区水土要素合理配置水资源节约利用目标，以行政辖属结合灌溉分区为基本单元，综合考虑灌区用水地理区位(前山、平原、盆地)、气候土壤(粘壤土、壤土质、沙土质)分布、作物需水及有效降水响应，构建灌区30种滴灌作物用水定额及灌溉用水制度。

1) 不同气候土壤及地理区位环境，对滴灌作物生长水分综合影响Z_k由下式构成：

$Z_k=f\left(k_{\text{1}},k_{\text{2}},k_{\text{3}},k_{\text{4}},\cdots ,k_n\right)$ (1)

式中，k₁为滴灌作物生长需水灌溉用水时间，d；k₂为滴灌作物生长区土壤类型及土壤质地；k₃为滴灌作物生长所处不同地理区位(平原、山前、盆地)环境；k₄为滴灌作物生长区位气温、积温、日照、降水、蒸发等气象因素。

2) 作物需水及用水响应，采用彭曼-蒙特斯(P-M)分析 [8]：

$E{T}_0=\frac{0.408\cdot \Delta \cdot \left(R_n-G\right)+\gamma \cdot \frac{900}{T+273}\cdot u_2\left(e_a-e_d\right)}{\Delta +\gamma \cdot \left(1+0.34\cdot u_2\right)}$ (2)

式中，ET₀为参考作物蒸腾量，mm/d；∆为温度–饱和水汽压关系曲线在T处的切线斜率，kPa/℃；R_n为净辐射，MJ/m²·d；G为土壤热通量，MJ/m²·d；γ为湿度表常数，kPa/℃；T为平均气温，℃；u₂为2m高水平处风速，m/s；e_a为饱和水汽压，kPa；e_d为实际水汽压，kPa。式(2)参数较多简化计算采用彭曼软件，利用当地平均气温T、水气压e_d、2米高风速u₂、日照时数n计算ET₀。

基于作物需水响应的滴灌作物用水量ET按下式分析：

$ET=E{T}_0\cdot K_C-P_0$ (3)

式中，ET为滴灌作物用水量，mm；ET₀为参考作物蒸腾量，mm；K_C为作物系数；P₀为有效降水量，mm。

式(3)中K_C为作物生长期需水量与参考作物蒸腾量比值，由下式计算：

$K_C={\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}E{T}_i/E{T}_{0i}}$ (4)

式中，i为作物生长的第i阶段；n为作物生长划分的阶段数目；ET_i为作物生长的第i阶段需水量，mm；ET_0i为作物生长的第i阶段参考蒸腾量，mm。

式(3)中P₀由下式分析：

$P_0=10\gamma H\left(W_2-W_1\right)+\left(E{T}_d-K_d\right)t$ (5)

式中，P₀为有效降雨量，mm；γ为土壤干容重，g/cm³；H为根系吸水层深度，cm；t为前后两次测定土壤含水率相隔时间，d；ET_d为时段内日均蒸腾量，mm/d；K_d为t时段内日均地下水有效补给量，mm/d；W₁、W₂为降雨前、后测得土壤重量含水率，%。降水量P与有效降水量关系为P₀ = Pa，新疆南疆a = 0.35；北疆a = 0.52；全疆a = 0.41 [6]。

3) 不同土壤质地地理区位，滴灌用水定额有所差异，考虑土壤质地地理区位对用水定额影响，采用系数面积分布加权分析：

$M_{加权}=M_0{K}_{\text{1}i}{K}_{\text{2}j}$ (6)

$K_{\text{1}i}=\{\begin{array}{l}{M}_0=\text{667}{\gamma }_{i}H\beta \\ i=\left(\text{1}\right),\left(\text{2}\right),\left(\text{3}\right)\\ \left(\text{1}\right),\left(\text{2}\right),\left(\text{3}\right)=粘壤土,壤土质,沙土质\end{array}$ (7)

同时，与(2)相比，获得(1):(2):(3) 比例系数：

$1:\left(1\right)/\left(2\right):\left(3\right)/\left(2\right)$ (8)

于是，不同土壤质地滴灌用水定额为：

$M_{综i}={\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{M}_0{A}_i}$ (9)

$K_{2j}=\{\begin{array}{l}{D}_i=f\left(E{T}_0\right)\\ i=\left(\text{1}\right),\left(\text{2}\right),\left(\text{3}\right)\\ \left(\text{1}\right),\left(\text{2}\right),\left(\text{3}\right)=前山带,平原带,盆地区\end{array}$ (10)

同时，与(2)相比，获得 (1):(2):(3) 比例系数：

$1:\left(1\right)/\left(2\right):\left(3\right)/\left(2\right)$ (11)

于是，不同地理区位滴灌用水定额为：

$M_{综j}={\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{M}_0{A}_j}$ (12)

所以，灌区不同土壤质地及地理区位滴灌用水定额加权：

$M_{加权}=\left(M_{综i}+M_{综j}\right)/2$ (13)

式中，M_加权为灌区综合加权滴灌用水定额，mm；M₀为基本滴灌定额，mm；K_1i为不同土壤质地调节系数，下标i为粘土质、粉砂土、沙土质；K_2j为不同地理区位调节系数，下标j为前山带、平原带、盆地区；γ为土壤容重，t/m³；H为滴灌作物湿润层深度，m；β为田间持水量(占干土重)%；D_i为不同地理区位作物3月~9月蒸腾量，mm。

4) 滴灌作物用水定额与灌区气象影响要素有关，考虑气象因素拓展分析各灌区滴灌用水定额，采用地统多元回归分析 [9]：

$M=\{\begin{array}{l}{X}_i{}_{\text{1}},X_i{}_{\text{2}},X_i{}_{\text{3}},X_i{}_{\text{4}},\cdots ,X_{in}\\ k_0+k_{\text{1}}{x}_{\text{1}}+k_{\text{2}}{x}_{\text{2}}+\cdots +k_n{x}_n\\ R\ge R_{\left(a,n\right)}\\ F\ge F_{\left(a,n\right)}\end{array}$ (14)

式中，M为回归分析确定各灌区滴灌用水定额，mm；X_in为影响因子(灌区高程、气温、降水、蒸发、蒸发蒸腾、日照、相对湿度、作物种类等)；k_n、x_n为回归方程检验系数和自变量因素；R、F为检验相关系数和方差：R_(a,n)、F_(a,n)为相关系数和方差临界值，其中a、n分别为置信度和统计样本数。

5) 滴灌用水灌溉制度，由滴灌用水定额、灌水定额、灌水次数及灌水时间组成，基于式(14)滴灌作物全生长期灌水次数：

$N=M/m$ (15)

$m=10\gamma H\left(W_2-W_1\right)$ (16)

式中，N为滴灌作物灌水次数；M为滴灌用水定额，mm；m为滴灌灌水定额，mm；γ为土壤干容重，g/cm³；H为根系吸水层深度，cm；W₁、W₂为灌水前、后土壤重量含水率，%。

本研究数据处理分析采用Excel 2003系统。

3. 结果与分析

3.1. 滴灌作物用水定额

基于上述综合信息和研究方法，采用式(1)~(14)综合考虑灌区土壤质地和地理区位作物用水影响系数及扣除灌区有效降水量，获新疆86个县域5个一级40个二级灌溉分区1623个滴灌用水定额。限于篇幅本文给出14个地州30种作物滴灌田间灌溉定额，见表1所示。由表1成果按灌溉分区进行滴灌作物种类生理需水分析结果见表2，可以看出灌区单子叶、双子叶、旱作水稻3类，滴灌田间灌溉定额分别为432 mm、465 mm、1217 mm。其中：北疆灌区单子叶、双子叶、旱作水稻3类，分别为411 mm、438 mm、1199 mm；东疆灌区分别为474 mm、510 mm、1203 mm；南疆灌区分别为446 mm、479 mm、1238 mm，分析表明，双子叶作物田间用水定额大于单子叶作物，与当地灌区作物水分生物学特征吻合。

Table 1. Field irrigation quota of drip irrigation crops (unit: mm)

表1. 滴灌作物田间灌溉定额(单位：mm)

注：红枣种植主要为南疆四地，核桃主要为和田灌区，无花果主要为克州，梨树主要为巴州灌区，枸杞主要为博州及克拉玛依灌区，苹果以阿克苏及北疆灌区。

Table 2. Field irrigation quota of drip irrigation crop species in irrigation area (unit: mm)

表2. 灌溉分区滴灌作物种类田间灌溉定额(单位：mm)

由灌区综合作物滴灌田间灌溉定额见图1，可以看出，和田、喀什、克州、阿克苏、巴州、吐鲁番、哈密、乌鲁木齐、昌吉州、博州、伊犁州、塔城、阿勒泰和克拉玛依14个地州灌区，滴灌田间灌溉定额分别为380、375、372、381、380、498、359、405、354、360、351、345、348、389 mm；由灌溉分区分布情况看，北疆滴灌田间灌溉定额365 mm，东疆429 mm，南疆378 mm，全疆372 mm，滴灌田间灌溉定额呈现东疆 > 南疆 > 北疆，这与灌区地理生境区位、有效降水气象水文、植物水分蒸散及作物需水特征吻合，研究成果进一步验证完善了干旱区新疆滴灌用水定额技术指标 [10]。

Figure 1. Field irrigation quota of comprehensive crop drip irrigation in each irrigation area

图1. 各灌区综合作物滴灌田间灌溉定额

3.2. 滴灌作物用水灌溉制度

3.2.1. 滴灌用水灌溉定额

滴灌作物用水灌溉制度由灌水定额、灌溉定额、灌水次数和灌水时间构成，灌溉定额是滴灌作物全生长期单位面积的用水量，灌溉定额遵循滴灌用水定额技术指标，鉴于此，基于5个一级40个二级灌溉分区1623个滴灌用水定额，作为滴灌用水灌溉制度技术分析参数。

3.2.2. 滴灌作物灌水定额

灌水定额是滴灌作物生长过程中某次灌水单位面积灌水量，采用式(16)灌水定额计算与滴灌用水实际差别较大，基于2013至2018年新疆5个灌溉试验站，历时6年14种大田滴灌作物试验结果表明，滴灌灌水定额区间38 mm~45 mm~50 mm，既可保持土壤水分贮存有效利用，符合滴灌局部湿润灌溉特征减少灌水频次，又可获得节水增产节能降耗效果 [7]。同时，近10年国内科研院所新疆滴灌试验 [11] - [102] 结果见表3表明，滴灌大田作物灌水定额35 mm~50 mm，旱作水稻55 mm~75 mm，反映了新疆滴灌灌水定额实际可借鉴。

Table 3. Research results of drip irrigation experiment in Xinjiang in recent years

表3. 近年新疆滴灌试验灌水定额研究成果

3.2.3. 滴灌作物灌水次数及灌水时间

滴灌作物灌水时间，因作物种类、品种、产量水平、阶段生长及农业措施不同有所区别，同时，滴灌作物灌水时间有明显地域性，与当地作物不同生长阶段，灌水习惯、灌水经验、气象及灌溉工程供水能力等有关。因此，滴灌以适时适量满足作物需水灌溉为基本前提，具体灌水时间以当地作物不同生长时段对水分需要节点制定。表4为新疆30种不同滴灌作物生长期灌水时段，基于不同作物生长期灌水节点为起始时间，滴灌作物实施灌水周期，大田常规作物滴灌周期5 d~15 d；滴灌旱作水稻灌水周期5 d~10d；果树园艺类滴灌作物7 d~15 d。滴灌作物灌水周期调整的基本遵循：作物生长前期灌水周期略长，作物需水峰期灌水周期缩短，作物生长后期灌水周期适当拉长。对于大田粮食、经济蔬菜等当年生作物，滴灌可采用“干播湿出”灌水方法，对于盐碱化农田，应以冬春灌水压盐适墒播种。

由以上滴灌灌溉定额和灌水定额参数分析，采用式(15)计算，形成全疆5个一级40个二级灌溉分区30种作物2345个滴灌制度成果。限于篇幅，仅列出北疆、东疆、南疆部分滴灌作物制度见表5~9所示。由分析结果看出，北疆塔城灌区滴灌作物随塔城盆地不同地理区位生境，综合灌水次数及灌溉定额分别为8.2次和325 mm、8.6次和346 mm、9.5次和400 mm和9.5次和387 mm；北疆昌吉灌区滴灌作物随准噶尔盆地南原、南缘中区和东丘陵生境，综合灌水次数及灌溉定额分别为9.4次和406 mm、10.1次和435 mm、8.3次和325 mm；东疆吐鲁番滴灌作物随吐鲁番盆地不同区位生境，综合灌水次数及灌溉定额分别为10.6次和493 mm、10.0次和464 mm、11.7次和547 mm；南疆和田滴灌作物随塔里木盆地及昆仑山不同区位生境，综合灌水次数及灌溉定额分别为9.0次和428 mm、8.7次和413 mm、9.2次和438 mm，南疆巴州滴灌作9.6次和427 mm、9.8次和413 mm、8.9次和397 mm。综合5个灌区明显看出，滴灌用水灌溉制度变化与作物生长地理区位土壤气象水文环境相关，滴灌制度用水尺度，反映了地理海拔区位高、气温偏低有效降水增多土壤质地及农田水利较好状态下减少的基本特征。

Table 4. Irrigation periods of different crops in Xinjiang irrigation area

表4. 新疆灌区不同作物生长期灌水时段

Table 5. Drip irrigation system in Tacheng Irrigation District of Northern Xinjiang (unit: mm)

表5. 北疆塔城灌区滴灌制度(单位：mm)

Table 6. Drip irrigation system in Changji Irrigation District of Northern Xinjiang (unit: mm)

表6. 北疆昌吉灌区滴灌制度(单位：mm)

Table 7. Drip irrigation system in Turpan irrigation area of eastern Xinjiang (unit: mm)

表7. 东疆吐鲁番灌区滴灌制度(单位：mm)

Table 8. Drip irrigation system in Hetian Irrigation District, southern Xinjiang (unit: mm)

表8. 南疆和田灌区滴灌制度(单位：mm)

Table 9. Drip irrigation system in Bazhou Irrigation District of Southern Xinjiang (unit: mm)

表9. 南疆巴州灌区滴灌制度(单位：mm)

4. 讨论

滴灌灌溉定额和灌水定额是滴灌用水灌溉制度两个重要基础参数，按现有计算模型和水量平衡可以较为方便获得。然而，鉴于滴灌用水灌溉制度技术应用性指标要求，不仅需要理论计算分析，更需结合实际应用具有很强的实践应用性。因此，需要考虑多影响因素进行综合研析取舍，否则，滴灌灌溉定额和灌水定额定量是否合适，会对滴灌作物全生长期用水量需求和某生长阶段出现“饥饱不均”现象，从而影响灌区滴灌节水和水资源利用效率问题。由此，对于滴灌用水灌溉制度研究分析，在综合考虑新疆地区不同地理区位、气候土壤、有效降水对滴灌用水响应，采用彭曼作物系数理论分析的同时，注重理论与灌区应用实际相结合，着力对近年国内有关科研院所新疆开展滴灌试验成果，以及新疆2014年发布的农业灌溉用水定额地方标准结合应用实践，进行了广泛深入综合研究分析和汲收，研究结果对干旱区新疆滴灌用水技术管理具有实用价值。

5. 结论

本文以新疆5个一级40个二级灌溉分区为基本单元，分析获得灌溉分区1623个滴灌用水定额值，在此基础上综合研究分析构建了灌区30种作物2345个滴灌用水灌溉制度成果。滴灌用水灌溉制度在用水尺度方面，与灌区地理海拔区位高度、气温下降、有效降水增多、土壤质地及农田水利较好等状态呈现相应减少的基本特征。

NOTES

^*通讯作者。