焦有权,李婵娟,杨林林,韩敏琦

(1.北京农业职业学院,北京 102442;2.北京市密云水库管理处,北京 101512)

0 引 言

北京市2014年发布了“关于调结构转方式发展高效节水农业的意见”,明确在北京建设观光采摘果园6.7万hm2左右,并把发展节水抗旱农业列为结构调整的重点任务;2017年中央一号文件提出了“大规模实施农业节水工程”和“强化农业科技推广”等加快培育农业农村发展新动能的若干意见。2020年《北京市节水行动实施方案》出台,指出“农业节水增效,要大力推进节水灌溉”;2021年《北京市“十四五”时期乡村振兴战略实施规划》发布,要推进都市型现代农业高质量发展,抓好“菜篮子”稳产保供。

林果业是现代农业的重要组成,京郊山区果园大部分位于西部、北部及东北部山区,与平原地形相比,山区果园的地形一般较为复杂,地形存在落差和坡度较大,果园的灌溉供水条件较差,一般是从低处水源加压提水上山,在田间地头采用不同形式的灌溉方式。与平原地块相比,无论在管道铺设,还是运行维护等方面,山区果园的灌溉用水成本相对较高。因此,果园的保障与发展不仅有利于当地农业增产增收,还有利于绿色生态屏障、水源涵养以及生态休闲功能的发挥,在促进首都经济社会协调发展方面具有重要的作用[1]。

经过多年的节水技术推广,加上近年来北京市关于调结构转方式发展高效节水农业的工作推进,对于地形条件较好的山区果园,目前基本摒弃了传统的漫灌形式,应用了喷灌、滴灌、小管出流等节水技术,取得了一定的增产、节水、省工等效果,得到了农户及社会的肯定。2021年起,在“进村入户走基层”三年专项行动中,水利与建筑工程系对接帮扶房山区佛子庄乡东班各庄村经济合作社,该社由于集体经济薄弱,村庄唯一集体经济果园位于村北大石河河岸陡峭的山坡上,受当地地形条件所限,无法提水灌溉和精准施肥,虽然10hm2的果园苹果已经挂果,但果树生长矮小,无法达到预期的经济作物种植目的。

多年来,国家各部门对节水工程的建设非常重视,也取得了一定效益。但是由于一些地区土壤贫瘠,水分下渗快,造成有些地方节水工程修建后潜力发挥不足,相比之下显得效果不太明显,这说明在技术应用领域里实用性以及合理性方面与用户要求有一定差距。山区果园立体节水调控技术是利用化学物质调控土壤和作物的水分状况,以达到提高土壤保水、抑制土壤蒸发、防止渗漏、减少植物奢侈蒸腾、增产调质,进而实现节约供水和高效利用降水目的的一种新型生物节水技术。与其它节水技术相比,化控节水技术更具有操作简便、投入少、见效快等优点,有望成为适宜北方地区果蔬节水、增产、调质型农业综合技术[2]。

1 研究内容

项目示范点依托北京市房山区佛子庄乡东班各庄村北山坡苹果地,开展基于滴灌技术的山坡地果园水肥一体化研究。果园地块散落不规则,地形落差较大,局部有梯田,坡度大小不一,地表裸露较多,土质为粗砂土,保水性能较差,水土流流失严重,属于典型的山地地貌特征。果园种植苹果树,简易梯田围护,田间道路老旧,山上供水主管道破损严重,供水条件较差,需要进一步完善和维护。经调研走访,当地村委及农户很重视山地果园的经营,对增加节水灌溉工程提高苹果产量有很高期望,也有一定的积极性。但是村民受技术手段所限,村集体经济薄弱,无力采取相关工程技术措施,无法提水灌溉,致使10hm2的果园几乎荒芜,刚挂果的果树干旱严重。2022年7月在区农业农村局,水利与建筑工程系与东班各庄村经济合作社签署协议,拟定院方组织帮扶团队开展智力帮扶和技术服务工作,结合村集体经济增收的产业需求,发挥学院科技挂职、科技小院及科技帮扶优势,向该村提供治理帮扶[3]。

1.1 果园高效节水灌溉技术适宜性选配

充分调研园区果园基本现状,如作物品种、气象条件,以及土、水、肥条件和生育阶段划分的不严格等,分析影响作物需水系数, 调研收集北京地区近年来的降雨量数据、降雨特点及时间分布规律等,考虑典型山区果园地形地貌、土壤数据,结合果树的种植分布,在众多的节水灌溉技术中,如小管出流、喷灌、微喷灌、渗灌和滴灌等技术,选定适合沙土地果园灌溉的滴灌作为首选技术,并配合关键生育期的施肥技术,选用滴灌水肥一体化技术。

1.2 果园滴灌水肥一体化技术配套研究

果园滴灌技术综合配套研究除了按照滴灌规范等相关要求进行滴灌系统设计外,还要考虑滴灌技术适应地形落差,如何与田间雨水收集技术协调布置,满足果园灌水要求、便于田间操作等开展研究。将可溶性固体或液体肥料,在关键生育期,按土壤养分含量和果树的需肥规律和特点,配兑成的肥液与灌溉水一起,通过可控管道系统供水、供肥,使水肥相融后,通过管道和滴头形成滴灌,均匀、定时、定量浸润作物根系发育生长区域,使主要根系土壤始终保持疏松和适宜的含水量。

1.3 应对山坡地形变化引起的压力补偿研究

由于山坡地地形高差变化较大,常规的滴头设备对压力的敏感性较大,在地形高低落差较大的区域,通过滴头的自身补偿机理,实现复杂地形变化对系统的恒压保障,需要选用成本低廉,补偿效果较好,灌溉均匀度较高的滴头设备,满足压力补偿需求成为本项目研究的一个要点。

1.4 提升节水增效的示范效果

细化水肥一体化措施,划分示范单元,通过增加施药设施,增加对果树病虫害的防治;同时结合示范区的实际情况,进一步细化高效节水灌溉技术规程,尤其体现系统的运行管护和后期维护的技术管理措施,提升节水增效的示范效果[4]。

2 技术路线和研究方法

2.1 技术路线

根据本项目研究内容,前期进行调研,采集果园种植基本资料,组织专业人员集中分析讨论,对果园地形、面积、边界、坡度及高差等进行勘测,制定滴灌水肥一体化设计方案,根据资金预算,进行局部工程施工示范,完善配套措施,集成高效灌溉系统,编制操作使用规程,开展系统运行维护和系统安全管理培训,建立示范点。山坡地果园高效节水灌溉技术的研究本质是实现SPAC整体节水,在农业节水领域通过深入研究土壤-作物-大气连续体(Soil-plant-atmosphere Continuum,SPAC),SPAC是一个复合系统,水分在其中的运行是连续的,贯穿于土壤、作物和大气三者之间,灌溉水、降雨进入农田后在SPAC系统中的运动过程是由多个系统组成的耦合系统,系统耦合过程中存在一系列的系统界面,水分在SPAC中运行时往返通过的界面包括:作物-大气、土壤-大气、土壤-根系、潜水层-土壤层等之间的多个界面。若将根区“土壤—作物”视为一个整体,则水分进入农田后主要有地表径流、土壤表面蒸发、植株叶面蒸腾以及深层渗漏四个方面消耗途径,基于这一理论指导,耗水调控关键技术也以上四个方面展开。

2.2 材料与方法

灌溉果园示范区选在东村河北山坡地,地处阳坡,为苹果树,树龄4a,初始挂果,技术管理几乎为零,无灌溉设施,坡地杂草生长茂密。

本工程利用山坡下河道边原有大口井,利用潜水泵提水加压,重点配置主干管、干管和田间支管,设计必要的轮灌组,管道选用柔性PE管,以适应较大的地形变化,配置主要管件有灌溉管道、滴头、三通等管件、过滤器、阀门,计量设备、阀门箱等。

前期进行工程测量,得到精准的1:500小区域地形图,进行比较精准的田间系统设计,后期根据生产进度进行灌溉管路、灌水器等组件的田间布置与安装。进行灌溉系统运行维护指导,使灌溉系统达到正常的使用功能。进行日常灌溉技术应用指导,发挥节水灌溉技术优势,达到高效灌溉。根据后期使用情况,对东村果园用户开展节水灌溉技术的应用培训和维护指导[5]。

3 工程实施结果

项目所在的果园地块面积不大,涉及灌溉方式较为简单,即便如此,也有灌溉工程基本的组成内容,有供水管网部分、灌水器及附件、控制阀组及附件部分、水源设备和其他工程。

3.1 供水管网部分

节水灌溉工程中输、供水管道组成供水管网,是灌溉工程的重要组成部分,利用压力管道输水原理,将水源输、配到灌水器,在整个管网系统中,管网整体或局部如果出现问题,会影响整个灌溉工程的正常运行。节水灌溉工程供水管网的组成及型号参数,见表1。

表1 节水灌溉工程供水管网的组成及型号参数

3.2 灌水器及附件

一般而言,根据灌水器的结构和水体流出形式,工程上通常分为滴头、微喷头、小管灌水器和渗灌管(带)等4类。为了配合灌水的要求,灌水器还需要配套相关的附件,如毛细管、插箭、闸阀、旁通、堵头等。灌水器结构及附件,见表2。

表2 灌水器结构及附件

3.3 控制阀组及附件部分

节水灌溉工程中控制阀组及附件是非常重要的组成,通常有自动控制系统和手动系统两种形式。参照北京市地方标准《节水灌溉工程自动控制系统设计规范(DB11-T722-2022)》的规定,节水灌溉工程自动控制系统包含系统首部测控单元和田间灌溉测控单元,田间部分有灌溉控制器,从整体性来看,有集中式控制系统和分布式控制系统两种。本项工程较为简单,属于手动系统。控制阀组及附件,见表3。

表3 控制阀组及附件

3.4 水源设备

农业灌溉设备的水源可以是地表水、地下水或人工水体等。地表水包括河流、湖泊和蓄水池等,地下水则需要通过井水或泵送来获取。人工水体一般是指经过人工储存和调节的水库或水塘。水源设备则是将水从水源提升到灌溉系统中的关键设备及配套设施。农业灌溉水源的设备同,见表4。

表4 农业灌溉水源的设备

3.5 其他

采运及安装费及不可预见费。农业灌溉工程通常位置较为偏远,在实际工程中,很多不可预见的情况也较为常见。很多工程还涉及大量的临时设施,在工程建设取费时,就必然考虑临时设施费,一般是指施工企业为进行建筑安装工程施工所必需的但又未被划入施工临时工程的临时建筑物、构筑物和各种临时设施的建设、维修、拆除、摊销等费用。供水、供风、场内供电、简易混凝土搅拌系统、施工排水、场地平整、道路养护、夜间照明及其他临时性设施[6]。

4 研究创新与实践效果

4.1 研究创新

1)面向复杂地形地质条件,推广滴灌水肥药一体化系统的集成,是对现有高效节水灌溉技术的创新与发展,能够有效的扩大滴灌技术的应用场景。

2)项目将带动全系农业水利、工程测绘、水质检测等领域的技术专家共同参与,为水利工程专业群人才培养中节水灌溉技能的培养提供真实案例。

3)引导校企合作企业参与农业建设,共促人才培养和技术服务质量提升,为乡村振兴做出贡献。

4.2 实践效果

1)围绕“进村入户走基层”活动,切实帮助农民群众解决愁盼事、操心事,助推乡村产业发展、农民收入提高,促进农民群众对“三农”工作满意度提升。

2)能有效提升经济水平和资源水平略低的京郊山区农村提高农民的收入、提升社会效益和生态效益。

3)项目注重运行操作和维护管理,充分延长先进技术的使用寿命,避免出现“重建设、轻管理”的项目弊端。