膜下滴灌技术及其机理

膜下滴灌技术及其机理一、膜下滴灌的概念及来源1、问题的提出兵团棉花膜下滴灌技术始于石河子垦区，地处新疆天山北麓，全国第二大沙漠-古尔班通古特沙漠的南缘。该区年降雨量100-200mm，蒸发量高达2000-2400mm，属干旱-干涸地带，没有灌溉就没有农业。本区属新疆工农业经济发达的天山北坡经济带，但水资源相对匮乏。要维持当地经济可持续发展，维护生态平衡，唯一的出路就是节水。由于农业用水量比高达95％，因此，节水的首要对象是农业节水。2、膜下滴灌定义膜下滴灌，顾名思义，是在膜下应用滴灌技术。这是一种结合了以色列滴灌技术和国内覆膜技术优点的新型节水技术。利用使带肥的灌溉水成滴状、缓慢、均匀、定时、定量地灌溉到作物根系发育区域，使作物根系区的土壤始终保持在最优含水状态。地膜覆盖具有保墒、提墒、灭草、增加地温、减少作物棵间水分蒸发的作用。膜下滴灌，即在滴灌带或滴灌毛管上覆盖一层地膜。这种技术是通过可控管道系统供水，将加压的水经过过滤设施滤“清”后，和水溶性肥料充分融合，形成肥水溶液，进入输水干管-支管-毛管（铺设在地膜下方的灌溉带），再由毛管上的滴水器一滴一滴地均匀、定时、定量浸润作物根系发育区，供根系吸收。膜下滴灌技术应用3、滴灌的发展1996年在农八师121团25亩盐碱地上首次进行了膜下滴灌试验。1999年兵团开始推广，2006年底，面积达610万亩。此间由兵团科委、石河子大学等单位承担的“干旱区棉花膜下滴灌综合配套技术研究与示范”课题荣获2004年度国家科技进步二等奖。4、地膜的种类按照地膜的性能与应用范围，一般将地膜划分为以下几种类型：（1）无色透明地膜：优点膜透光性好，土壤增温效果明显，早春可使耕层土壤增温2～4℃，高温时期膜下地表温度可达60℃以上，适用于东北、西北、华北等低温、寒冷的干旱与半干旱地区应用。缺点透明地膜因为透光性好，覆盖下面易生杂草，所以在铺膜前最好喷洒除草剂。低压高密度聚乙烯地膜（HDPE）：俗称高密度地膜或普通地膜，厚0.015mm左右。强度高、光滑、柔软性差、保温保水性同高压膜，不易粘着土壤、透明性和耐候性差不适于沙质土壤地覆盖线型膜（L-LDPE）兼具前两者优点高压低密度聚乙烯地膜（LDPE）：俗称高压地膜或普通地膜，厚0.015mm左右。透光好、柔软性好、易与土壤粘着适于北方地区（2）有色地膜：其增温效果不如无色地膜，但对光的吸收、反射、透过光的成分具有较强的选择性，在控制杂草、防治病虫害、控制温度、改善地面光环境等方面具有独特的效果。黑色地膜：在聚乙烯树脂中加入2～3%的碳黑制成。优点膜透光率很低，阳光大部分被膜吸收，膜下杂草因缺光黄化而死，具有较好的灭草作用。缺点对土壤的增温效果不如透明膜，一般可使土温升高1～3℃。而且自身较易因高温而老化。应用适用于夏季覆盖，在蔬菜棉花、甜菜、西瓜、花生等作物上均可应用。黑白条带膜•中间为白色，利于土壤增温；两侧为黑色，可抑制垄帮杂草滋生。绿色地膜：能有效阻止可见光（0.4-0.72微米波长的光），故抑草和灭草效果好，增温效果优于黑色膜，对茄果类蔬菜具有明显的促长作用，且着色较好。主要用于：效益较高的果菜类栽培。聚乙烯树脂原料中加入一定量的绿色母料银灰色地膜：银灰色地膜是在聚乙烯原料中加入含铝的银灰色母料。银灰色地膜透光率在60%左右，除具有普通地膜的增温、增光、保墒及防病虫作用外，突出特点是可以反射紫外光，能驱避蚜虫，减轻因蚜虫而传播病毒病的发生和蔓延。主要用于：夏秋季高温期间防蚜、防病、抗热栽培。实践证明，夏秋季节用于覆盖黄瓜、西瓜、番茄、菠菜、芹菜、莴苣、棉花、烟草等作物，不但有良好的防病虫作用，还能改善这些农作物的品质。红色膜美国农业科研人员研究了彩色地膜对草莓和番茄及其他作物的增产效果。发现红色地膜比黑色地膜更能刺激作物生长，植物会利用更多的能量进行地上部分的光合作用。红色地膜能透射红光，同时可阻挡其它不利于作物生长的色光透过，因此使作物生长旺盛。实践证明，红色农膜能满足水稻、玉米、甜菜等对红光的需要，可使水稻秧苗生长旺盛，甜菜含糖量增加，胡萝卜长得大，韭菜叶宽肉厚、收获期提前。黑白双面地膜：乳白色向上，有反光降温作用；黑色向下，有灭草作用。主要用于夏秋蔬菜抗热栽培。厚度为0.02-0.025mm。（3）特种地膜除草膜在薄膜制作过程中掺入除草剂，覆盖后单面析出除草剂达70～80%，膜内凝聚的水滴溶解了除草剂后滴入土壤，或在杂草触及地膜时被除草剂杀死。国内厂家生产的杀草膜采用的除草剂主要有：①扑草净主要用于水稻、花生、玉米及果树，但对黄瓜甜椒、豆类、西红柿等有药害，忌用。②除草醚、敌草隆、除草剂1号可用于茄子、黄瓜、西红柿等蔬菜。有孔膜在地膜吹塑成型后，经圆刀切割打孔而成。孔径及孔数排列是根据栽培作物的株行距要求进行的。在普通地膜上用激光打出微孔，每平方米打200、400或800孔，以增加地膜透气性，防止膜下土壤CO2含量过高。降解膜（1）光降解膜：在吹塑过程中混入一定量的“促老化材料”制成地膜。这种地膜经过一定时间（40、60、80天）后，能自行老化降解破碎成小块，进一步降解成粉末掺混于土壤中，不造成污染，对土壤结构无不良影响。这种地膜在光的照射下降解，但是被埋入地下的不能够降解。（2）生物降解膜：依靠微生物的活动来分解。把淀粉均匀的撒在膜内，依靠微生降解淀粉的同时把地膜降解掉。生物降解膜的主要缺点是强度不够，容易被撕破。不同灌溉方式组图畦灌作物长势滴灌作物长势滴灌对比畦灌误解“滴灌不能提供足够的水”浇作物而不是浇地省水：农田水分消耗途径植株蒸腾棵间蒸发农田渗漏膜下滴灌湿润层和作物根系生长区省肥：肥料可做到适时、适量随水滴灌到作物根系部位，易被作物根系吸收，且肥料无挥发、无淋失，提高肥料利用率30%以上。不同灌溉方式肥料分布影响示意图省农药：水在管道中封闭输送，避免了水对病虫害的传播。另外，地表无积水，田间地面湿度小，不利于滋生病菌和虫害。因而除草剂、杀虫剂用量明显减少，可省农药10%～20%。省地：由于田间全部采用管道输水，地面无常规灌溉时需要的农渠、中心渠、毛渠及埂子，可节省土地5%～7%。省工和节能：地面灌水，打毛渠、挖土堵口，劳动强度大，采用滴灌后，只观测仪表、操作阀门，劳动强度轻；膜内滴灌，膜间土壤干燥无墒，杂草少，且土壤不板结，田间人工作业（包括浇水、锄草、施肥、修渠、平埂、病害治理等）和中耕机械作业等大大减少，人工管理定额也大幅度提高。不同灌溉方式田间管理对比能局部压盐碱：膜下滴灌向土壤中不断补充纯净水，农膜阻止了土壤中水分的蒸发，将土壤中部分水分提升到地表所形成的湿润区内，有一个脱盐区，（利于幼苗成活及作物生长）和集盐区。由盐碱地上的试验可看出，农田耕作层盐份逐年减少，田间作物产量逐年提高。滴灌改良盐碱地情况增产：由于科学调控水肥，水肥耦合效应好，土壤疏松，通透性好，充分利用水、肥、土、光、热、气资源，使作物生长条件优越，作物普遍增产15%-50%。新疆经验，各种作物均进行缩行增株，提高种植密度。以玉米为例：采用常规灌，播种密度4000-4500株/亩，采用滴灌，播种密度5000-6000株/亩。二、地膜覆盖栽培的生态效应1.土壤增温效应由于覆膜的阻隔减少了膜内外热量消耗、扩散，减少土壤中热能以长波辐射的形式向外辐射；夜间地膜内凝聚一层细小的水珠放出热量，仍保留在地膜下的空间，由于水份不能向外蒸发，减少了汽化热的损失，因此使膜内土温在较大时间内保持稳定。随气温增高，土壤增温效果下降；晴天增温多，阴天增温少；起垄覆膜增温值高于平地覆膜增温值，宽膜增温效果优于窄膜。在一天当中增温最高值出现在17-19时，最低值出现在7-9时。春季低温期，在1-10cm的土层中可增温2-6℃，最高可达10℃。增温效应随土层深度增加而减少，愈接近表层、增温值越大；2.土壤的水分效应地膜覆盖阻止土壤水分蒸发，使土壤含水量的变化趋于平缓。设施蔬菜栽培，采用膜下暗灌技术，减少了地面水分蒸发和浇水次数，使设施内空气湿度降低，对控制蔬菜病害的发生与传播有利。3.促进微生物活动和养分的分解覆膜增温、墒情好，促进微生物的繁殖与活动，从而增加微生物数量。东北农业大学观测，覆膜后土壤中细菌增加80%～140%，放线菌增加70%～125%，硝化细菌增加40%～57%，自生固氮菌数量增加4%～8%。由于微生物的代谢活动，加速了土壤养分的释放，使土壤中可给态养分含量增加，从而提高土壤供肥能力。同时试验表明，覆膜后土壤有机质、全氮、全磷、全钾均有下降趋势。因此，覆膜栽培要重视增施有机肥，补充土壤有机养分，不断提高土壤肥力。4.改善土壤性状能有效避免因降雨和灌水的冲刷而造成的土壤板结现象，增加土壤的总孔隙度1~10%，同时增加土壤水稳性团粒。5.增加了近地面CO2浓度由于地膜阻隔了土壤空气和大气的气体交换，使土壤中二氧化碳(CO2)含量比裸地栽培显著增加。覆膜使地表和株间二氧化碳(CO2)浓度提高，为地膜作物、蔬菜光合作用提供了较充足的二氧化碳(CO2)肥源，有助于增产。6.增强了田间光照强度覆膜后由于地膜本身及膜下附着的水珠反射，使植株中下部叶片光照增强，主要是增加了反射光的光照强度。河北农业大学测定，反射光在地表和株高1/2处分别高于裸地3.4%和5.5%。由于覆膜增加了群体内反射光，对促进作物光合作用、增加干物质积累，对提高产量是有利的。7.抑制了土壤返盐、抑制杂草、减少虫害覆膜后一般全盐含量降低30.9%～42.7%，盐化重的土壤效益更明显。由于覆膜后膜下地表温度可达40～50℃，可使杂草枯萎闷死。覆膜使播期、生育期提前，可躲过害虫发生的高峰期，因而减少了虫害。二、膜下滴灌技术的特点：高效节水抑制土壤盐碱化提高肥料的利用率提高土地利用率减少机耕作业，降低机耕成本提高作物产量和品质节约农药，抑制病虫害的传播，抑制杂草生长提高劳动生产率、提高农民（工）收入滴灌施肥的增产机理水肥同步，水肥被直接输送到根区，缩短了养分向根部运动的距离，保证了根系的快速吸收。水将肥料直接输送到根区，养分分布高度均匀，降低了肥料与土壤的接触面积，减少了土壤对肥料养分的固定，提高了肥料的利用率。氮肥利用率达58－65%，磷肥利用率为22－28%，较常规灌溉施肥的氮、磷肥利用率提高20－25个百分点和5－10个百分点。节省氮肥30%左右，节省磷肥10%左右，节水50%以上，棉花平均增产15%左右，每公顷增收节支1000－1500元。随水施肥采用的是少量多次的方法，使根系活动区土壤常保持在适宜的含水量和最佳的营养水平，为根系生长维持了一个相对稳定的水肥环境。随水施肥可根据气候、土壤特性及作物不同生育期的营养特点，灵活调节供应养分种类、比例及数量，从而满足作物高产优质的需要。传统种植和膜下滴灌种植密度对比品质、质量提高：膜下滴灌营造了良好的生长和环境条件，因而，不但产量高，而且品质好。以棉花为例：棉花的成熟度好，纤维长度增加0.4-0.7mm，纤维的整齐度高，外观光泽好。传统种植和膜下滴灌玉米对比三、膜下滴灌技术的效益分析1、节水效益膜下滴灌与传统的裸地滴灌进行了对比试验，发现膜下滴灌的节水效果优于裸地滴灌。裸地滴灌灌溉定额为4620m3/hm2，膜下滴灌灌溉定额为2805m3/hm2，膜下滴灌比裸地滴灌节水39.6%。2、经济效益就用水而言，农民以方便、省力、省钱为原则，甚至宁愿大水漫灌也不去费钱、费事、费工地搞节水，除非节水的收益大于投入。近年来，学者们围绕膜下滴灌技术的应用效益进行了大量的实证研究。一致认为，膜下滴灌技术具有显著的经济效益。采用大田膜下滴灌技术的棉花，比常规灌溉每公顷增产384.75公斤，增幅达10.28%。籽棉价格按3.4元/公斤计，每公顷可增加产值1308.3元。扣除成本投入后，膜下滴灌每公顷纯收入为2921.55元，比常规灌溉增收1085.7元。膜下滴灌加工番茄平均亩产量增加1000公斤，增产率5.00%，每公顷增收达4477.50元。膜下滴灌技术的玉米，每公顷增产幅度达43.37%，收益增加3715.35元。膜下滴灌用于