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现代灌溉水肥安全高效利用原理研究与应用——中国水利水电科学研究院李久生团队成果

2017-11-15

以喷灌和微灌为重要标志的现代灌溉技术在中国集约化农田灌溉中发挥着越来越重要的作用。但由于水肥管理技术相对缺乏和落后,严重影响了工程效益的发挥。同时,随着水资源供需矛盾的加剧,再生水的安全利用以及灌溉活动对农田生态环境的影响日益受到重视,安全高效的灌溉管理措施成为推动现代灌溉技术可持续发展的关键。

围绕灌溉水肥管理中存在的科学和技术问题,中国水利水电科学研究院李久生研究员团队开展了“现代灌溉水肥安全高效利用原理研究与应用”研究,针对不同地区的典型作物,对喷灌和微灌水分消耗机制与水肥调控原理、作物对水肥热调控的响应开展了系统深入的研究,提出了较为完善的喷、微灌系统性能优化调控技术,创制了多种国内市场亟需的喷灌产品,显著提升了国产产品的市场占有率。通过发表论著、技术培训、示范区建设等途径,使研究成果得到较大规模的推广应用,为喷、微灌技术的发展提供了科学依据和技术支撑。研究成果先后荣获“国际灌排委员会(ICID)2016年度节水技术奖”和“美国农业与生物工程学会(ASABE)2017年度微灌奖”。

一、系统揭示了喷灌冠层截留与节水效果的关系,构建了基于能量平衡的冠层截留水量损失估算方法,提出的喷灌水滴分布模型被国际上广泛采用,解决了喷灌水量消耗损失估算和水分利用率评价的难题

获得了不同生育期冬小麦和夏玉米的喷灌冠层截留水量变化范围,明确区分喷灌作物冠层有效与无效截留损失;系统分析了农田环境及气象要素与冠层截留损失间的定量关系,建立基于能量平衡的喷灌作物冠层截留水量及其消耗损失估算模型,得出喷灌冬小麦冠层净截留损失几乎为零、夏玉米冠层净截留损失仅占灌水量的4%6%的结论;发现冬小麦喷灌过程中作物蒸腾接近为零,夏玉米喷灌过程中作物蒸腾显著小于地面灌溉,揭示了喷灌对作物蒸腾的抑制机理;消除了长期以来对喷灌节水效果的疑虑,为喷灌技术在中国的快速发展奠定了重要的理论基础。

二、完善了喷、微灌系统性能田间评价标准,发展了考虑水肥施入、田间分布淋失及作物响应全过程均匀性的喷、微灌系统性能优化理论,提出了不同生态区喷、微灌均匀系数确定方法

从20世纪90年代开始,系统开展了喷灌和滴灌灌水施肥性能的测试与评估研究,成果被有关教材和水利行业标准《灌溉用施肥装置基本参数及技术条件》采用。提出了考虑水肥施入过程、土壤分布和淋失及作物吸收状况的均匀性评价新思路,系统探索了土壤水氮分布均匀性与喷、滴灌均匀系数的关系以及作物对水肥的响应机制,为完善喷、滴灌系统性能田间评价标准提供了依据。喷灌方面选取华北平原和内蒙古半干旱区的代表性作物,滴灌方面选取新疆干旱区和华北平原半湿润区的大田及温室作物,确定了不同气候区喷、滴灌均匀系数的取值范围。

三、系统揭示了喷、微灌水肥调控原理和作物响应机制,以水肥热联合调控为核心,提出了不同生态区和种植条件下的喷、微灌水肥高效利用模式

主持完成国家自然科学基金项目“滴灌施肥灌溉系统运行特性及氮素运移规律的研究”,出版专著《滴灌施肥灌溉原理与应用》,被众多高校用作教科书或重要参考书,对滴灌水肥一体化领域的研究发挥了引领作用。系统研究了不同土壤质地、不同生态区和种植条件下的喷、微灌水肥热调控原理和作物响应特征,针对我国广泛采用的膜下滴灌技术,揭示了通过增加生育前期表层土壤温度、减少棵间蒸发、改变农田小气候、增加氮素在根区土壤中的比例、提高水肥吸收利用率等水肥热综合调控手段实现节水增产的机制。较完整地提出了我国北方主要气候区典型作物的喷滴灌水肥管理模式,为喷、微灌技术应用决策和优化管理提供了有力工具。

四、开展了大型喷灌机变量灌溉技术研究,建成了变量灌溉试验研究平台,系统探讨了变量灌溉分区原理与方法、系统控制方法和水分管理技术,丰富了大型喷灌机设计与管理理论

系统揭示了大型喷灌机条件下土壤理化性质和作物产量的空间变异特征,提出了变量灌溉适宜性评价准则和阈值,发展和完善了基于土壤可利用水量的变量管理分区方法;发明了精确控制变量灌水深度的电磁阀循环周期设置方法,在桁架方向通过调节喷头上方安装的电磁阀占空比实现对喷洒过程的精准控制,在喷灌机行走方向通过研发的低成本地缘识别器实现了管理分区的精确控制,自主建成国内首台可实现变量灌溉的圆形喷灌机,实现了基于云端的互联网智能远程管控。

五、对再生水滴灌引起的系统运行稳定性、环境影响及调控措施开展了系统深入研究,定量评价了再生水病原体的污染风险和营养物质对作物的有效性,提出了再生水水肥管理模式,为再生水的高效安全利用提供依据

深入解析了再生水滴灌系统的堵塞规律和演化机制,针对以生物堵塞为主的再生水滴灌系统提出了经济实用的加氯加酸化学处理方法和运行管理规程。探明了滴灌条件下大肠埃希氏菌在土壤-作物系统中的迁移、衰减规律及其影响机制,提出再生水灌溉条件下病原体污染防治技术措施。利用同位素示踪技术及氮素平衡分析,得出二级处理再生水中的氮素可替代肥料氮的量为3062 千克/公顷,进而提出了再生水滴灌条件下施肥灌溉制度的确定方法。

六、研制出多种国内市场亟需的喷灌产品,打破了国际技术和设备的垄断,推动了我国喷灌产品的升级换代和国产化进程,取得显著的经济和社会效益

研发出适用于升降式喷头的具有记忆功能的旋转角度控制装置和自动换向装置,发明适用于旋转射线喷头的角度控制装置和大范围流量调节装置,研发出散射式、涡轮驱动和齿轮驱动三种类型升降式喷头以及高均匀旋转射线喷头等多功能系列产品;发明了新型镁合金喷灌移动管道材料配方和防腐处理工艺,开发出单位长度重量比常用铝合金管道低30%的轻质镁合金管道及其配套管件,实现了喷头和镁合金移动管道的产业化,园林升降式喷头年产100万只,镁合金移动管道年产6 000吨,标准化配套管件年产5万套,部分产品出口到美国、巴西、墨西哥、伊朗等国家,大大提升了国产园林升降式喷头的市场占有率,在北京、河南、山西、内蒙古、河北、黑龙江、山东、浙江等地推广应用2.5万余亩,经济和社会效益显著,推动了喷灌产品的升级换代,全面提升了我国的喷灌技术水平。

七、推广应用前景

“现代灌溉水肥安全高效利用原理研究与应用”项目以现代灌溉系统性能优化调控与管理为核心,以提高水肥利用效率和效益为目标,在华北平原建成了温室蔬菜滴灌水肥高效利用示范区1.84万亩、棉花滴灌水肥高效利用示范区32.5万亩、大田粮食作物喷微灌水肥高效利用示范区52万亩,在新疆建成棉花膜下滴灌水肥高效利用示范区4万亩,在黑龙江建成玉米膜下滴灌水肥热高效调控示范区4万亩、喷灌水肥高效利用示范区5万亩,在内蒙古建成喷灌水肥一体化高效利用示范区2.75万亩。成果应用期间累计节水2.16亿立方米,取得了节水、增产、增效和减少面源污染的效果。现代灌溉系统性能优化调控原理与关键设备的推广应用将为全面提升我国灌溉系统和设备的性能及运行管理水平、实现我国节水灌溉技术的精量化和智能化提供重要的理论基础和科学依据,具有广阔的应用前景。