涌泉根灌节水灌溉技术特点_应用及展望_何振嘉

0 引 言

中国是水资源消费大国，全国总水量和人均水资源占有量均不到世界平均水平，尤其在农业生产中，水资源供需矛盾十分严峻[1-3]。虽然中国已经发展、推广并应用了部分现代化节水灌溉技术，取得了一定成效，但总体来看，中国目前仍处在发展灌溉农业的阶段，节水灌溉因缺乏足够的经济支撑能力和技术支持手段尚未在全域内进行普及使用[4-6]。节水工作的重点和难点主要在于有效地减少输水过程损耗和降低棵间蒸发量，因此，如何将这 2 个方面的灌水技术要素相结合将是节水灌溉工作的重点。涌泉根灌技术是一种通过将灌水器埋设于不同土层深度处进行地下局部灌溉的节水灌水技术，该技术首先使用于果树灌溉，果树根系分布深度较大，利用涌泉根灌技术可使灌水直接进入土壤深处，并能直接作用于果树根系，由于从地下开始进行水分入渗，较原有滴灌方式在很大程度上降低了灌溉过程中的水分消耗和地面蒸发损失[7-9]。涌泉根灌灌水器内部设置了不同形式的过水流道，因此提高了对流量控制的精度，此外，由于灌水器外部设置了保护套管，避免了滴头出现堵塞问题，不仅制作材料和方法较为简单，使用寿命也获得较

收稿日期：2020-02-01 修订日期：2020-03-20 基金项目：中国博士后科学基金（2019M660817）

作者简介：何振嘉，工程师，研究方向为节水灌溉与农业水资源利用。

Email：471128226@qq.com

大提升，较滴灌具有更显著的优势[10-13]。另外可根据果树不同的种植密度和不同类别果树根系分布情况，通过调整灌水器埋设间距和埋设深度以提高其使用效率，具有很强的操作灵活性[14-16]。一般而言，各种灌水技术条件下润体的大小与形状对果树生长影响较大，因此对湿润体点源入渗的研究是涌泉根灌技术要素研究的基础， 国外学者对滴灌条件下点源入渗湿润体特性以及水分入渗方面进行了较多研究。Ben-Asher 等[17]研究了滴灌条件下湿润半径与时间关系表达式并进行模拟检验，由于在试验设计时忽略了重力向的影响作用，在大流量长时间灌溉条件下的模拟值与实测值有较大偏差；Patel 等[18] 对滴灌条件下作物根区湿润体进行了研究，揭示了滴灌土壤水分运移机理；Kohn 等[19-20]通过灌水器地埋试验， 研究结果表明将灌水器埋于地下可显著降低水分损耗， 提高灌水利用效率；Cote 等[21-25]利用Hydrus 模型对滴灌条件下水分运移情况进行了模拟，研究表明土壤质地和灌水量对湿润体形状有较大影响；Skaggs 等[26]通过数值模拟，模拟了不同初始含水率、不同土壤质地条件对滴灌水分运移的影响，结果表明湿润锋运移和湿润体内部水分分布受土壤质地及土壤初始含水率影响较大。国内部分学者对涌泉根灌对湿润体水分入渗和氮素运移等方面做了一些工作，对于山地果树灌溉，涌泉根灌较传统微灌方式表现出了更佳的水肥利用效率[27-28]。但可以看到的是，该技术的推广和应用也具有一定的局限性，本文从涌泉根灌技术在节水灌溉技术应用中的特色出发， 介绍了涌泉灌溉技术结构特点、工作原理、灌溉方式、

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布置形式、水力性能以及投入成本与运行管理等方面的特点，分析了涌泉根灌与传统微灌之间的优势，探讨了该技术在田间水分利用、土壤水氮运移以及对作物产量影响等，在总结对比前期研究取得进展基础上，提出以往研究存在的不足并对该技术未来发展做出展望。

1 涌泉根灌技术提出背景及特点

1.1 涌泉根灌技术的提出背景

一般而言，果树相较于其他粮食作物具有显著的经济效益，虽然前期投入成本较高，且随着土壤熟化程度和田间管理程度的不断提高，后续投入逐年降低，而收益量将逐年增大，因此做好果树田间水肥管理是确保其保质增产的必要手段。相较于传统漫灌，中国目前在果树灌溉中推行的节水效果较好的灌溉技术主要有：地表滴灌[29-31]、地下滴灌[32-34]、微喷灌[35-37]、涌泉灌[38-39]和地下渗灌[40-41]等，但此类微灌方式在果树灌溉尤其是山地果树灌溉的应用中均存在一定的局限性。灌水器是微灌系统的核心，灌水器设计压力、流量和质量好坏直接关系微灌系统的设计、投资成本、灌水均匀度、系统使用寿命、灌水质量和作物增产效果。由于果树根系分布较深，地表滴灌需消耗大量水分才可入渗到根区，输水损耗较大，且铺设于地表的毛管易老化，既不利于节水， 又会增加投入成本，且严重影响耕作。此外，滴灌系统出流量过小，滴头易被土壤颗粒堵塞，由于经济林作物对果实品质要求较高，小流量高频率的灌溉方式不宜使用；地下滴灌虽然降低了输水过程中的水分损耗，但由于滴头埋设于地下，存在严重的堵塞风险，且堵塞后不易被发现、管理和维修；微喷灌也是目前广泛应用的节水灌溉技术，但黄土台塬区和丘陵沟壑区风蚀程度较大且蒸发漂移损失较大，不利于节水灌溉的推行；涌泉灌具有地面水分损失过大以及灌水均匀度较差等问题；而地下渗灌同样存在渗水孔易堵塞、维修管理困难且工程寿命较短等问题。

1.2 涌泉根灌溉技术的特点

涌泉根灌技术是吴普特等[42]针对中国陕北山地矮化密植枣树在滴灌的基础上提出的一种灌溉技术，该技术将全部输水管网和灌水器埋设于地下，水肥可直接输送至作物根区进行灌溉，在很大程度上降低了黄土高原地区地表灌溉时产生的土壤水分蒸发损失，克服了地上微灌和地下渗灌的缺点，实现了由灌溉土壤到灌溉作物的根本转变。涌泉根灌灌溉系统由灌水器和灌水器套管组成，灌水器结构和灌水器剖面见图 1。涌泉根灌灌水器由灌水器内芯、过水流道以及外壳组成，灌水器内芯外壁布满过水流道，高一般为 30 cm，外径 4 cm，可根据枣树根系分布情况进行不同埋深的设置，灌水器与配套套筒管过螺口直接安装或拆卸，配套套管为 PVC 材料，壁厚2 mm，内径 4 cm，外径 4.2 cm；涌泉根灌灌水器一般采用迷宫式流道，且流道较长，过水断面大（最小流道宽度 2 mm），不易产生堵塞问题，在实际使用过程中，为防止土壤中颗粒进入灌水器产生堵塞，可在灌水器套管进行一定程度的开孔，开孔部分可采取纱布包裹。由于

灌水器和套管是 2 个独立的部件，即使产生堵塞，也可经过简单拆卸对内部灌水器进行修理或更换，而不影响地埋输水管网系统。涌泉根灌灌水器流道较宽、流量较大，10 m 工作压力时出流量可达到 6～8 L/h，灌水器流态指数为 0.52，紊流效果较好，且具有压力补偿性能，流量系数 5.3，水力性能良好，制造流量偏差系数小于 0.05，按照美国农业工程师协会（ASAE）标准， 属于优等灌水器。

图 1 涌泉根灌灌水器结构及剖面示意图

Fig.1 Schematic diagram of structure and section of irrigation device of bubbled-root irrigation

涌泉根灌工作原理为通过在毛管上安装直径为4 mm 的微管，然后将微管插入到埋设于土壤中的涌泉根灌水流进水口中，为保证灌水顺利输送至灌水器内部，安装时要确保进水口一端与地面持平或高于地面 1～2 cm，由于灌水器被包围在比其直径稍大的套管内，灌水在流道中经过消能从出水口流出，再经由套管以面源出流的方式导入土壤进行灌溉。一般而言，灌水器有 1 个出水口， 灌水通过流道后，由出水口灌至土壤，且出水口位于内芯内侧，避免了出水口与土壤直接接触。在灌水器顶端设置有通气溢流口，与进水口隔绝，仅与内芯空心内侧连通。当土壤入渗流量大于灌水流量时，溢流口水管仅为通气使用，而土壤中的水分饱和后，水流会通过灌水器与套管之间的空隙经由溢流口导往另一个湿润区，继续进行灌溉。

涌泉根灌灌水器制作方法简单，材料价格低廉。与其他微灌方式相比，采用涌泉根灌每公顷投资能够减少2.67～3.33 元。微灌技术整体造价较高，尤其在灌水器和管道系统的成本较大，因此不合理的布置方式也会造成材料浪费和投入成本增大，同时也造成水资源浪费，影响节水增产效果。而涌泉根灌灌水器出流量大，根据枣树灌溉定额，2 个灌水器的布置方式即可满足单株枣树单次灌水需求，朱德兰等研发的压力补偿式流道使 1 棵枣树只需

配备 1 个灌水器即可满足灌溉，极大降低投入成本。吴普特等[43]进行了不同灌水方式产出效率方面的研究，结果表明，涌泉根灌较滴灌年运行成本可降低 2 030 元/hm2，

但净收入增加了 2 480 元/hm2，较滴灌单位水量产值提高

3.3 元/m3。由于其全部输水管网和灌水器均埋设于地下， 因此对地面耕作影响较小，有利于田间管理，且能通过

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抑制土壤蒸发改善土壤水分状况，有效防止土壤板结和龟裂。图 2 为涌泉根灌系统示意图。

a. 涌泉根灌灌水方式

a. Irrigation methods of bubbled-root irrigation

b. 涌泉根灌田间布置

b. Field layout of bubbled-root irrigation

图 2 涌泉根灌系统示意图

Fig.2 Schematic diagram of bubbled-root irrigation system

涌泉根灌技术可根据果树作物对水肥的需求程度， 按适宜的水肥配比将其通过微管连接的灌水器直接输送于果树根部，既克服了输水过程中水分损耗、降低了地面蒸发量，又极大地缓解了灌水器堵塞问题和提升了灌水器使用寿命，使毛管的使用寿命由原来的 5～8 a 提高至现在的 20 a，较微灌系统的使用寿命提高 6～20 a，此外，可减少 10%～20%无效蒸发和灌溉损失，较滴灌增产达 76%，肥效提高 28%。因此，与上述先进微灌技术相比，涌泉根灌灌水技术具有出流量大、抗堵性能较好、灌水均匀度高、制作成本低、增产、节水节肥效果较好以及适应起伏地形和便于田间管理等特点。

目前对于涌泉根灌的研究尚处于初级阶段，且仅国内部分学者在涌泉根灌水分入渗、土壤水氮运移以及对果树产量等方面进行了研究，国外尚未见到有关涌泉根灌相关研究文献。由于此项技术也适宜坡地果树灌溉， 在中国黄土台塬区和丘陵沟壑区均具有广阔的推广前景，因此，基于涌泉根灌开展进一步深入的研究工作具有十分重要的科研价值和生产实际意义。

2 涌泉根灌技术应用成效

2.1 涌泉根灌技术对土壤水分的影响

土壤水分对农业生产具有十分重要的影响，土壤中水分变化与灌溉程度、作物水分消耗、蒸腾强度等因素息息相关，因此对于土壤水分变化的影响是研究灌溉技术效果的重要基础。大量研究表明，涌泉根灌灌水方式

对土壤水分运动具有显著影响。牛文全等[44]设置了 5 个土壤初始含水率梯度，通过室内土箱试验研究了初始含水率对涌泉根灌土壤水分扩散的影响，结果表明，土壤初始含水率对涌泉根灌形成的湿润体形状并无显著影响，但土壤初始含水率越大，形成的湿润体体积越大。李耀刚等[45]研究了不同流量条件对涌泉根灌土壤水分入渗的影响，研究发现，流量越大，湿润体内形成的高含水区域越大，但湿润体内水分分布的均匀度却会有一定程度的降低。张智韬等[46]探究了土壤容重、初始含水率、灌水器埋深等因素对涌泉根灌湿润体土壤水分入渗的影响并建立了相关数学模型，结果表明，土壤水分入渗速率与土壤容重呈负相关关系，与土壤初始含水率呈正相关关系，与灌水器埋深关系不显著。叶胜兰等[47]研究了不同流量对涌泉根灌湿润体特征值和土壤水分变化的影响，结果表明，湿润锋运移速率与灌水器流量呈正相关关系，且重力势对土壤水分分布运移起主导作用。何振嘉等[48]研究了灌水器流量对涌泉根灌湿润体的影响，结果表明，湿润体形状为椭球体，湿润锋运移规律符合幂函数关系，流量越大，湿润锋运移扩散距离越大。刘风华等[49]研究了红壤区土壤容重对涌泉根灌水分入渗的影响，结果表明，土壤容重与水分入渗影响显著，并与入渗率、湿润锋运移速率、累积入渗量均表现为显著的负相关关系。费良军等[50]研究了不同流量对涌泉根灌湿润体特征值和水分入渗的影响，研究表明，湿润锋运移变化规律符合时间尺度上的幂函数关系，且随流量的增大而增大。通过上述研究表明，流量越大越有利于湿润锋的运移和湿润体高含水区域体积的增加，土壤初始含水率越高，形成的湿润体体积越大，但土壤容重越大，越不利于湿润锋运移和湿润体体积的增大，因此涌泉根灌灌水技术较为适宜土壤初始含水率较高、土壤容重较小的区域，且通过选择流量大的灌水器可有效提高其灌水效果。刘显等[51]研究了不同灌水器间距条件下，双点源入渗对涌泉根灌湿润锋运移的影响，结果表明灌水器间距与湿润锋运移距离和湿润体体积均表现为显著的正相关关系，而与交汇面湿润深度呈负相关关系。吴恒卿等[52] 设置了不同灌水器流量和灌水器间距对涌泉根灌水分入渗运移影响试验，结果表明，双点源布设方式对湿润锋运移和水分入渗均具有显著影响，灌水器流量越大，湿润体表层土壤含水率越高，而深层土壤含水率越低。由于枣树灌溉定额为灌水量 80 L，理论上需布置 1~4 个灌水器才能满足其灌溉需求，通过涌泉根灌灌水器工程布置情况的研究来看，1 棵枣树布设 2 个灌水器灌水效果较好，即可满足枣树单次灌水需求，这与张陆军等[8]研究结果相一致。同时，部分学者对涌泉根灌水分运动情况进行了数学模拟，也取得了一定成果，尤其是利用 HYDRUS 软件的相关研究较多。李耀刚等[53]利用 HYDRUS-3D 软件对涌泉根灌柱状出流边界入渗模型进行了求解，研究结果表明，水分运移速率与流量呈负相关关系，而灌水器套管开孔区长度变化对湿润体形状、大小影响不显著， 但显著影响土壤湿润体内水分分布。李耀刚等[54]利用

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HYDRUS3D 软件对涌泉根灌水分入渗三维模型进行求解，结果表明，HYDRUS 软件模拟与实测值的相对误差不超过 12%，同一入渗深度处，灌水器流量与湿润锋运移速率、土壤含水率呈显著的正相关关系。樊向阳等[55] 利用 Hydrus-3D 模型模拟涌泉根灌土壤水分入渗过程并与实际情况对比，结果表明，Hydrus-3D 模型精度较高， 可用来进行土壤水分运动过程的模拟，同时给出了最优双点源布设间距和埋深。通过数值模拟，能够根据土壤条件，快速、准确地推算出最优灌水器流量以及灌水量等技术要素，有利于田间灌水效率的提高。由于地下滴灌系统布置的对称性，灌水器滴头沿毛管排列紧密，每个滴头形成的饱和区很快会重迭，可简化成线源沿垂直毛管和深度方向的二维水分运动，虽然涌泉根灌灌水方式符合土壤中点源入渗过程，但由于涌泉根灌套管与土壤接触面积较大而形成较大的出流界面，水分在土壤中的入渗方程呈典型的三维面源出流入渗，与地下滴灌、渗灌等微灌技术差异较大[45]，因此，地下滴灌等微灌技术相关土壤水分运移研究成果并不完全适应于涌泉根灌。

2.2 涌泉根灌技术对土壤水氮运移特性的影响

随着农业生产的发展，氮肥施用量急剧增加，但由于施肥方式和灌溉措施不当，导致氮素通过挥发、地表径流和深层渗漏等方式进入地下水系统，既造成了氮素使用效率降低、农田养分大量流失，又对空气和水环境造成严重污染，此外还影响了食物的生物学品质。在目前实际生产中的传统地面灌溉、一些节水灌溉技术如喷灌、微灌等，均为结合灌溉进行施肥，大量研究围绕灌溉水在田间分布情况开展，而肥料尤其是氮素在农田分布情况和有效性情况研究较少，且现有的研究多集中于小麦、玉米等粮食作物。基于此，大量学者对涌泉根灌在施肥条件下的灌水技术要素和水氮运移特性进行了相关研究，丰富了涌泉根灌技术在水肥条件下的综合评价内容。刘显等[56]设置了 4 种不同肥液浓度的涌泉根灌室内土箱入渗试验，研究结果表明，湿润体内部相同位置处土壤含水率、NH +-N 和 NO --N 含量均随肥液浓度的增大而增加，同时发现了 NO --N 易伴随水分的运移而流失的现象。何振嘉等[57-58]在原状土上进行了涌泉根灌肥液入渗试验，结果表明涌肥液质量浓度对涌泉根灌入渗能力、同一位置处土壤含水率、NH +-N 和 NO --N 均随肥液质量浓度增大而增大，形成湿润体体积越大，而相同深度处，土壤含水率也与肥液浓度呈显著的正相关关系，并表现为表层低、中层高、底层低的分布特征。由于肥液入渗过程中，代表毛管孔隙持水能力达到最大， 剩下的为非毛管孔隙，而非毛管孔隙的大小决定土壤通气透水能力，土壤已达到接近饱和或已经饱和的状态， 入渗量随时间基本呈线性分布，由于尿素溶液中带负电荷的土壤胶体被肥液中带正电荷的铵根离子和钙离子所中和，肥液中的钙离子把土壤胶体中的钠离子进行了置换，各个胶体之间产生吸引，有效改善了土壤团聚体的分布，特别是非毛管孔隙中的水稳性团聚体，孔隙中形成较好的通气透水能力，因此入渗率提高，导致相应时

间段内的累积入渗量增加，肥液浓度越大，肥液中的正电荷越多，进而与带负电荷的土壤胶体中和幅度越大， 相应产生的土壤团聚体越大，对肥液入渗的促进效果越显著，故而造成在同一时刻各湿锋运移距离随肥液浓度的增大而增大现象。入渗肥液浓度越大对涌泉根灌湿润体累积入渗量和湿润锋运移距离的增加效果越显著。结合费良军等[59]研究来看，当肥液浓度为 41.7 g/L 时，枣树根系对水分的吸收效果最好，而肥液浓度为 33.3 g/L 时氨态氮转化率最高。因此，在确定涌泉根灌水肥耦合制度时，应适当减少肥液浓度的施加以提高铵态氮转化率，促进作物更好地进行水肥吸收。何振嘉[60-61]通过涌泉根灌不同灌水器埋深肥液入渗试验，发现了累积入渗量与Kostiakov 模型存在显著的相关性，灌水器埋深越大， 表层土壤含水率则越低，湿润锋运移距离越小，灌水结束时，土壤 NH +-N 含量出现的峰值越低，有利于减小地表水分蒸发和养分流失。距灌水器中心越远，氮素含量越低，而随着再分布时间的延长，NH +-N 含量在反硝化作用的影响下逐渐升高，NO --N 含量则表现出降低趋势， 这与费良军等[59]研究结论一致。由于土壤胶体对铵态氮有吸附性，铵态氮的最大值均出现在灌水器埋深处，土层越深，土壤越密实，孔隙度越小，通过形成厌氧环境促进反硝化作用的进行。刘显等[62]和李晓等[63]分别研究了不同初始土壤含水率和不同灌水器流量对涌泉根灌肥液入渗氮素分布和水氮运移特性的影响，结果表明，湿润体体积与土壤初始含水率呈正相关关系，初始含水率越大，湿润体内水分、NH +-N 和 NO --N 的分布范围越大。同一土层深度处氮素含量与灌水器流量呈正相关关系，水分运动对 NH +-N 含量的分布及运移不显著，对NO --N 含量的分布及运移较显著，这与何振嘉等[64]研究结果一致，此外，在研究中还发现，在一定浓度范围内， 单位含水率的变化可引起肥液浓度变化，并推导出了湿润体内土壤含水率和 NH +-N 浓度分布的数学模型，可通过模型较为精确地估算不同位置处土壤含水率及 NH +-N 含量。基于上述研究，涌泉根灌条件下水肥共施需要充分考虑肥液浓度、流量、灌水器埋深以及不同初始含水率对土壤氮素运移效果的影响，由于上述研究尚未考虑土壤微生物环境、土壤温度等条件等对氮素转化过程的影响，因此相关研究尚需进一步试验验证。

2.3 涌泉根灌技术对作物水分利用和产量的影响

作物水分利用效率是衡量作物产量与用水量关系的重要指标，节水农业的目的即通过提高水分利用效率来降低水分消耗，同时获得高产的目标。众多学者通过控制外部条件来降低水分消耗以达到节水灌溉的目的，如非充分灌溉和调亏灌溉等节水方式的应用，以及结合保护性耕作节水型农艺的发展，如利用秸秆、地膜覆盖或其他保墒覆盖等措施的应用。大量研究表明，相较于其他节水灌溉方式，涌泉根灌表现出了更佳的节水增产效果，车银伟等[27]研究了不同灌水定额对涌泉根灌枣树产量和水分利用的影响，结果表明，涌泉根灌相较于滴灌和管灌，对枣树生理指标具有更显著的促进作用，但灌

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溉水利用效率与灌水定额呈负相关关系，这与何振嘉等[65] 研究结果一致，此外，研究也表明涌泉根灌枣树土壤含水率与灌水定额呈正相关关系，且对 30～60 cm 土层深度范围内土壤含水率有较大影响，灌水定额为 135 m3/hm2 时的水分利用效率最高，而果实膨大期灌水能显著提高枣树产量。强敏敏等[66]研究了调亏灌溉对涌泉根灌山地枣树生长与产量的影响，结果表明，轻度和中度水分亏缺能通过抑制枣吊生长而显著提高果实产量，轻度调亏较充分灌水的产量提高了 22.1%（P＜0.05）。何振嘉等[67] 通过田间试验，同样得到了对枣树进行一定的水分亏缺处理可促进枣树果实体积增大的类似结论，而中水中肥处理获得的枣树产量最大。何振嘉等[68-69]通过田间涌泉根灌非充分灌溉试验表明，灌水次数相同时，枣树产量与灌水定额呈正相关关系，而与水分利用效率和灌溉水利用效率呈负相关关系，且作物系数值随灌水定额的增大和灌水次数的增多而增大，这与车银伟等[27]研究结果一致。此外，覆盖条件对涌泉根灌水分利用和产量也有较大影响。何振嘉等[70]研究了不同覆盖方式对涌泉根灌条件下枣树的土壤水分、热效应、枣树产量及水分利用效率的影响，结果表明，秸秆覆盖对涌泉根灌土壤含水率的保持效果优于地膜覆盖，而对温度的提升作用则弱于地膜，水分利用效率较地膜覆盖提高 24.56%，产量较地膜覆盖提高 29.32%。何振嘉等[71]研究了不同覆盖方式下涌泉根灌枣树时土壤的水热效应及产量，也得到了相同结论。结合上述研究可知，涌泉根灌灌水技术水分利用效率较高，且能显著促进果实产量的提高，通过与保护性耕作节水型农艺措施相结合，也能极大地提高其节水保肥和增产效能。

3 不足与展望

3.1 不 足

众多学者从涌泉根灌灌水技术要素对土壤含水率、湿润锋运移规律、土壤水氮运移特性和分布规律进行了大量探讨，并通过大田试验，研究了涌泉根灌技术对种植作物水分利用效率和产量的影响，取得了一定成果， 丰富了涌泉根灌技术要素内涵，也为高效节水的灌水技术的推广提供了广泛的理论依据和技术支撑。但根据目前研究现状来看，仍有较多关键技术要素尚需取得突破， 主要包括以下几个方面。

3.3.1 涌泉根灌研究对象较为单一，缺乏田间试验数据支撑

综合目前研究现状来看，众多研究主要集中在土壤湿润体方面，对单点源入渗[15,16,55-63]以及双点源交汇入渗[50-51]入渗对湿润体形状、体积大小、含水率分布和运移规律等方面做了大量研究工作，对其机理也进行了清晰明确的分析和说明，针对不同土壤初始含水率、不同土壤容重、不同灌水器流量、不同灌水器埋深以及不同肥液浓度条件对涌泉根灌湿润体特征值的变化特征也进行了全面系统的分析。但将该节水灌溉技术要素应用到田间试验的还较少，目前仅西安理工大学和西北农林科技大学对涌泉根灌在枣树和苹果树的田间试验中进行了

一些尝试性的研究，也针对性地提出了适宜枣树、苹果树田间灌溉的涌泉根灌灌溉制度，但由于缺乏综合充分的田间试验数据支撑，在实际田间灌溉中的应用效果综合评价和某些参数选用的合理性尚缺乏试验验证。

3.3.2 涌泉根灌研究周期较短，缺乏对施肥情况连续系统观测

中国在盐碱地改良、农田灌排条件下的土壤溶质运移等方面做了大量研究工作[72-73]，对于传统地面灌溉、滴灌、喷灌等方面的土壤养分运移特性及技术要素方面也开展了一些工作[74-75]，而对于微灌农田土壤氮素运移也进行了部分研究[76-77]，但对于涌泉根灌土壤养分运移利用的研究尚十分少见。此外，已有的关于涌泉根灌土壤养分和氮素运移相关研究持续时间较短，连续性较差， 尤其是涌泉根灌灌水技术在施肥条件下氮素分布运移和分布情况仅进行了室内或田间湿润体入渗试验，观测周期一般在 1～10 d 范围内，对后期是否发生土壤养分淋失或深层渗漏等情况研究不充分。涌泉根灌技术在田间实际应用周期尚较短，自推广以来，仅在中国陕北地区枣树和苹果树种植中使用了该技术，但施肥条件下的田间试验较少，尤其缺乏对该技术长期使用条件下应用成效的多年连续系统观测资料。此外，农田土壤养分状况是各种营养物质综合反映的结果，目前关于涌泉根灌水肥一体化方面的相关研究大多局限于氮肥，对于其他肥料研究尚缺乏一定研究，因此该灌水技术对土壤养分状况分布、运移转化以及综合利用效果不明。

3.3.3 涌泉根灌灌水器性能短板

从实际灌水效果来看，灌水器局部灌溉量有限，如果流量设置过大，会导致单位时间内进入灌水器中的水量过大，涌泉根灌方式灌水过程中会引起土壤水分入渗能力减弱，在灌水器保护套管中形成一定程度的积水[57-59,64]，当灌水器内部水头高于出流孔时，将产生一部分水分无法入渗到土壤中，造成一定程度的水肥损失，因此，在实际使用中，要根据当地土壤条件，设置适宜的灌水器初始流量以避免造成水肥浪费。涌泉根灌技术多采用迷宫型流道灌水器，5 m 工作压力时，流量可达到 12 L/h，较为适宜在高压区工作，如处于低压区，则会导致灌水器抗堵塞性能降低，且该技术目前主要应用于坡地果树灌溉， 由于支管垂直于等高线布置，毛管平行于等高线布置， 山坡地高差过大会对自压灌溉系统中灌水器流量产生较大偏差，导致灌水均匀度降低。由于涌泉根灌灌水器制造工艺水平和制备材料选取都会对灌水器制造产生一定偏差，尤其是灌水器外壳与流道的贴合度会引起流量变化，且材料性能也会通过影响灌水器外壳注塑成型和外壳与内芯匹配程度进而造成灌水出流差异。此外，有研究表明，涌泉根灌灌水器外壳在使用 1～2 a 后，由于柔韧性和强度较差，容易产生开裂现象[10]。

3.2 展 望

3.2.1 灌水器性能有待改进

灌水器水力性能的评价旨在提出适宜各类灌溉条件的灌水器设计思路。材料选配、流道形式尺寸等因素对灌水器水力性能有决定性影响，但由于流道结构复杂且

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涉及参数较多，而各指标对其水力性能指标的影响性质也不同，因此很难准确、快速确定水力性能较优的流道参数尺寸。众多学者从涌泉根灌灌水原理和改进性能出发研发了一些涌泉根灌灌水器，如螺纹式涌泉根灌灌水器、反冲洗式涌泉根灌灌水器、地埋式间歇供水式涌泉根灌灌水器、斜齿迷宫宽流道式涌泉根灌灌水器以及压力可调式涌泉根灌灌水器等，对于改善灌溉效果具有显著作用。但上述灌水器在实际使用中存在一定问题，如迷宫流道灌水器在面临地形起伏较大区域时灌水均匀度低，压力补偿式灌水器在工作压力小于 5 m 时，不具备压力补偿性能。此外上述灌水器均存在一定的能量浪费、灌水器结构复杂，制造困难等问题，因此，更高性能的配套灌水器产品研发工作仍需进一步推进。此外，灌水器是微灌系统中最重要的组成部分，现有研究表明，涌泉根灌灌水器材料的选择对其水力性能具有显著影响[10,12]，目前主要采用的灌水器和灌水器套管制作材料为聚乙烯材料，但对于该种材料在田间长时间留存是否会通过降解引起环境污染等问题尚需进一步明确。同时，制备模塑收缩率较好、弹性模量大、灌水器外壳自然回弹率高以及抗裂性能强的新型材料也是进一步要研究的方向，如高密度聚乙烯材料、低密度聚乙烯材料、线性低密度聚乙烯材料、乙烯-醋酸乙烯共聚物材料以及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯材料等。

3.2.2 灌溉制度有待优化

在水分供给不足条件下，作物灌溉制度是对有限可供水量在作物全生育期内进行灌水时间和灌水定额的最优分配，为了更合理的配置和优化水资源利用，众多学者在粮食生产中提出了非充分灌溉和调亏灌溉等节水灌溉方式。研究表明，对作物进行一定程度的水分亏缺不一定会对产量产生显著降低，且对作物生理节水和抗旱性能有一定的促进作用。国内外学者对不同灌水方式条件下苹果树、梨树以及葡萄等作物灌溉制度进行了较多研究。结合目前研究来看，关于涌泉根灌灌水效果的研究主要为枣树和苹果树等，且涌泉根灌灌溉制度也仅在中国陕北黄土高原地区山地枣树种植上取得了一定研究进展，但由于研究周期较短、限制因素较为单一、缺乏充分的数据支撑且对于不同水文年条件下灌溉制度的研究尚不充分，不能形成统一、明确的灌溉制度标准或手册。因此，基于不同水文条件的涌泉根灌最优灌溉制度仍有待进一步优化。另外，由于涌泉灌溉灌溉技术的优越性，具有极大的推广价值。因此，对于其他地区土壤类型条件、地形条件、气候条件以及其他种类果树的适宜性尚缺乏试验验证，对应果树的涌泉根灌灌溉制度研究也是未来研究的一个重点。

3.2.3 涌泉根灌土壤水氮运移与利用

氮素在土壤中运移遵循“氮随水动”的规律，但由于氮素自身特性和土壤介质等条件不同，不同种类的氮素在土壤中迁移转化又有各自的差异。灌溉对土壤水氮运移的影响属于溶质在非饱和土壤中运移范畴，而影响水氮运移的主要因素有灌水技术要素、灌水量、土壤特

性、施肥量和肥液浓度等。结合目前大量研究来看，众多学者对涌泉根灌水肥入渗条件下土壤容重、初始含水率、灌水器流量、埋深以及肥液浓度对涌泉根灌湿润体特征值以及湿润体内部水氮运移分布特性的影响进行了广泛探讨，但对于田间水肥共施条件下土壤水氮运移相关方面的研究尚处于初级阶段，尤其是涌泉根灌条件下田间水肥利用方面的研究尚属空白。因此，为探究涌泉根灌技术在保水保肥和提高水肥利用率以及灌水均匀度、减小氮肥深层渗漏损失等方面的研究尚需继续开展。另外，作物根系对水分的吸收效果和生物量累积程度是水肥灌溉的最大目标，而氮素浓度过大或过低，均会对作物生长和产量产生一定不利影响，因此，不同种类的氮素以及不同氮素浓度对涌泉根灌水氮利用效率和氮素转化效率的影响也是重要的研究方向。

3.2.4 涌泉根灌信息化与自动化管理

在现代科技的推动下，自动化技术与信息化管理手段不断更新发展，在各个领域都进行了广泛使用。农业灌溉信息化是以信息改造提升传统灌溉的具体体现，是推动水利现代化的重要措施之一。利用现代科技手段深入开发和广泛利用农业水利灌溉信息资源，对与全面提升灌溉效率和效能具有显著影响。同时，农业灌溉自动化信息化可以提高信息采集、传输的时效性和自动化水平。中国在滴灌系统自动化系统方面做了大量的研究工作，也取得了可应用于实际的良好成果，实现了对土壤墒情的动态监测、作物生长指标的有效监管以及气象数据的实时获取，并极大推动了灌水自动控制和灌区的动态管理工作成效，而涌泉根灌条件下的信息化与自动化管理工作尚未开展。通过结合果树种植最优灌溉制度， 精确控制灌溉时间，灌水量、灌水周期以及最优水肥配比，并通过自动化管理中自动控制系统进行统一管理， 能够有效节省人力物力、提高灌区管理工作效率和效能。因此，实现涌泉根灌灌溉信息化进程、全面提高灌溉管理工作科技含量，是降低投入成本、能耗、改善田间管理环境以及保障水资源最优化配置的重要途径。

4 结 论

涌泉根灌是一种克服了滴灌、微喷灌、涌泉灌和地下渗灌等缺点的节水灌溉技术，并已于中国陕北黄土高原地区进行推广应用，取得了显著的成果。由于红枣是陕北地区特色产业，利用涌泉根灌技术进行红枣灌溉， 不但能极大地节约水肥消耗，缓解陕北地区水资源严重不足带来的巨大压力，更能有效地提高水肥利用率。而该技术的推广和应用也具有一定的局限性，对于其他地区土壤类型条件、地形条件以及其他种类果树的适宜性尚缺乏试验验证。本文从涌泉根灌技术在节水灌溉技术应用中的特点出发，对涌泉根灌技术在节水灌溉技术领域中的优点进行分析，探讨了该技术在田间水分利用、土壤水氮运移以及对作物产量影响等方面的研究进展， 提出了涌泉根灌技术存在田间试验单一、研究周期不连续、施肥条件下相关研究不足以及灌水器性能等方面存

第 8 期 何振嘉等：涌泉根灌节水灌溉技术特点、应用及展望 293

在的问题，同时明确了涌泉根灌灌水技术在灌水器性能改进、典型果树灌溉制度优化、土壤水氮运移与利用以及信息化与自动化管理等方面需进一步研究的方向，对于进一步完善涌泉根灌节水灌溉技术利用具有一定借鉴意义。

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第 8 期 何振嘉等：涌泉根灌节水灌溉技术特点、应用及展望 297

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农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2020 年

Characteristics, application and prospects of bubbled-root irrigation

He Zhenjia1, Fan Wangtao1, Du Yichun1, Pan Daili2

(1. Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co., Ltd., Xi’an 710075, China;

2. Research Center of Ecological Environment, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China)

Abstract: Bubbled-root irrigation is an efficient water saving technique for irrigation of fruit trees that has been used in China. It is a subsurface micro-irrigation technology that can directly deliver water and fertilizer to the crop root zone for local irrigation. This study reviewed the characteristics, application status of the bubbled-root irrigation technique and proposed its development directions. The structural characteristics, working principles, irrigation methods, layout, hydraulic performance, costs and operation management of bubbled-root irrigation technology were summarized. The advantages of bubbled-root irrigation compared with traditional micro-irrigation were discussed. In addition, the application effect of this technology in fields was reviewed. The problems and developmental direction were proposed. The bubbled-root irrigation was better than drip irrigation, micro-sprinkling irrigation, and underground seepage irrigation because it overcame the shortcoming of those irrigation technologies such as the emitter clogging, aging of pipelines and low water use efficiency for fruit trees. The bubbled-root irrigation in fruit trees could not only save water and labors but also improve water and fertilizer use efficiency. Compared to the drip irrigation, the bubbled-root irrigation could lower the cost by 2 030 Yuan/hm2 and increase the benefit by 2 480 Yuan/hm2. Because the pipelines were buried into the soils, the influence of operations on soil surface such as tillage was small and thus it facilitated the field management. Meanwhile, the soil moisture condition could be improved by inhibiting evaporation and preventing soils from hardening and cracking. The technique had high water use efficiency and could enhance the yield. However, it would face challenges such as less practices, irrigation system to be optimized, the performance of emitter to be optimized an so on. Attentions should paid to the following areas: 1) improving and optimizing the performance of the irrigation equipment; 2) improving the level of informatization and automation management of bubbled root irrigation on the basis of the existing technology; 3) improving the performance of irrigation devices; and 4) optimizing irrigation systems of typical fruit trees. The bubbled-root irrigation has been promoted and applied in the Loess Plateau in northern Shaanxi, China and has achieved remarkable results. The use of bubbled-root irrigation technology for jujube irrigation greatly saved water and fertilizer consumption, alleviated the pressure caused by the serious shortage of water resources in northern Shaanxi and effectively improved the water and fertilizer utilization rate. However, the promotion and application of this technology also had certain limitations. Future studies should test if the technique is suitable to the other areas since the soil types, topographic conditions and the types of fruit trees in the other regions may change. The review would provide valuable information for the cultivation of fruit trees with less water and high yield.

Keywords: irrigation; nitrogen; soils; bubbled-root irrigation; research progress; prospects