3.3 微润灌溉技术示范
3.3.1 示范地点与规模
建立微润灌溉示范点5处，示范面积114亩。
2012年在宁夏同心王团高效节水灌溉园区开展微润灌溉技术的示范。建设枣树微润灌溉示范区10亩，示范推广的微润灌设备有微型水库、一代微润管。
2013年，在中国灌溉试验宁夏中心站开展微润灌溉试验示范。试验站新栽杏树、桃树等经果林50亩，其中微润灌溉试验区10亩。示范推广的微润灌设备有微型水库、微型圈及二代微润管。
2014年在中国灌溉试验宁夏中心站开展枣树微润灌溉试验4亩，示范微润设备为三代微润管。
2014年在宁夏吴忠市孙家滩高效节水灌溉示范区开展微润灌溉技术示范，建设枣树微润灌溉示范区40亩。示范推广的微润灌设备为三代微润管。
2014年在宁夏大武口种植大户苗圃、设施温室推广微润灌溉技术示范，建设苗圃、温室微润灌溉示范区50亩。示范推广的微润灌设备主要为三代微润管。
3.3.2 示范推广技术主要内容
微润灌溉技术是深圳微润灌溉有限公司研发的新型灌溉技术。微润灌溉以地下给水方式将水分与肥料直接送入根区层，避免了径流损失、渗漏损失和蒸发损失，水分利用效率大幅度提高。灌溉系统运行的驱动能量为水位能和土壤势能，消耗动力较少，且全自动化运行，节省运行费用。微润灌溉以连续灌溉为特征，在灌溉行为上区别于以往的各种灌溉方式，对农田实际耗水量及节水潜力的理解也将发生新的变化。微润灌溉的给水器有3种，即管状的微润管、管状的微润圈、袋状的微型水库。
3.3.3 试验监测主要内容
选择宁夏水科院灌溉试验站微润灌溉示范区作为主要试验监测区。
试验区共安装试验观测井3个，其中微型水库灌溉监测设置2个观测井，微型圈试验区设置1个观测井。在观测井处同时设置PR2/6土壤水分观测管，分别距灌水器10cm、20cm、40cm、60cm。观测井内全部换填干土，初始含水率在3%左右，以利于初始灌水时观测湿润过程及湿润峰的变化。
安装水表分别监测微型水库和微型圈试验区的供水量，充水时开始记录水表读数；初始灌水后的7d内，每日8：00、12：00、18：00观察土壤湿润锋变化情况，并用记号笔画出湿润锋线。结合每次观测湿润锋，使用PR2仪器获取土壤含水率数值，观察土壤水分运移情况。
3.3.4 示范区应用效果及评价
3.3.4.1 土壤容重测定
2013年对微润灌溉试验示范区土壤容重进行测定，测定结果见表3.1。
表3.1 试验区土壤容重测定结果
3.3.4.2 土壤田间持水量测定
2013年对微润灌溉试验示范区土壤田间持水量进行测定，测定结果见表3.2。
表3.2 试验示范区土壤田间持水量测定结果体积含水率%
3.3.4.3 试验区有效降雨量分析
在试验区设置雨量器，实时、实地观测试验区5—10月的次降雨量。根据资料，在宁夏中部干旱风沙区，当降雨量小于5.1mm时，对土壤含水量的贡献可以忽略，属无效降雨。因此本次降雨数据只采用大于5.1mm的次降雨量，据此统计，试验区4—10月次降雨总量为146mm。依据《农田灌溉试验规范》中规定，有效降雨量为次降雨量与降雨有效利用系数之积，而降雨有效利用系数α的经验值取为：次降雨小于50mm时，α为1.0；次降雨为50～150mm时，α为0.80～0.75；次降雨大于150mm时，α为0.70。据此测算，2013年试验区有效降水量为146mm，合计94m3/亩，见表3.3。
表3.3 2013年度试验区降雨情况表
3.3.4.4 灌水量监测
2013年5月试验区微润灌溉建成并开展灌溉试验，截至9月30日灌溉停水，微润灌溉共灌溉水量15m3/亩。试验区2013年4月30日初春沟灌1次，灌水量60m3/亩；10月中旬试验区沟灌1次，灌水量60m3/亩。2013年灌水期 （5—10月）有效降雨量146mm，折合亩降雨量94m3/亩。桃树一个完整生育期总用水量为229m3/亩，其中灌水量135m3/亩，有效降雨量94m3/亩。灌水量中微润灌溉用水量15m3/亩，大水沟灌水量120m3/亩。
3.3.4.5 土壤水分监测
1.微型水库土壤水分监测
在离水源10m处安装玻璃观测井，见图3.6，在距离微型水库10cm、20cm、40cm及60cm处分别埋设1m深土壤水分监测探管，见图3.6，从8月16日至9月17日进行了连续1个月的土壤水分监测。监测结果见图3.7、图3.8。
图3.6 微型水库观测井及土壤水分监测探管
图3.7 1号观测井微型水库附近土壤水分变化情况
图3.8 2号观测井微型水库附近土壤水分变化情况
在微型水库充满水后，离水库10cm处土壤剖面30～40cm深度土壤含水率最先出现变化，在3d之内从4%左右上升到13%，最大含水率达到18%后开始降低，逐步到田间持含水率值。20～30cm深度土壤含水率变化滞后30～40cm深度土壤含水率变化2d左右，土壤含水率从3%左右在第5d上升到14.9%，并且在达到最大值18.6%以后开始平稳降低。10～20cm深度和50～60cm深度处的土壤含水率同时紧跟在20～30cm深度土壤含水率变化，都在灌水第5d土壤含水率从3%上升到12.9%以上，50～60cm土壤含水率在8月22日后开始略高于10～20cm深度土壤含水率，并且两层深度的土壤含水率变化最后都稳定在田间持水率附近。0～10cm土壤含水率变化最慢，在灌水半个月后开始缓慢上升，最后与田间持水率持平。由于观测井深度在80cm，60～100cm深度处的土壤由于100cm以下土壤的影响一直保持稳定的含水率，在11%左右。从以上不同深度土壤分析情况看，除了60～100cm深度土壤含水率基本不变，其他深度的土壤含水率都在微型水库的影响下先后出现土壤含水率的上升，并且在1个月稳定补水后，各层土壤含水率最后趋于稳定，且维持在田间持水率附近。
离微型水库20cm远处的土壤含水率在8月29日前基本无变化，从8月29日之后，各层土壤含水率开始缓慢上升，首先上升的是50～60cm深度处，从3%左右上升到9月3日的15.3%；30～40cm深度土壤含水率上升幅度略缓于50～60cm深度土层，在9月10日该层土壤含水率达到14.5%。除了60～100cm深度的土壤含水率一直保持在13%左右外，其他深度的土壤含水率都在若干天之后缓慢上升，最后稳定在田间持水率左右。
离水库10cm探管土壤变化先于20cm探管土壤变化12d，也就是从水库开始释水，10cm探管在3d后土壤含水率开始变化，并且从30～40cm深度土壤含水率开始上升，之后20～30cm深度开始变化，接着向上10～20cm和向下50～60cm基本同时上升。离水库20cm探管土壤含水率在灌水后15d开始变化，也就是探管10cm土壤含水率向外延伸到20cm探管花了12d时间，土壤剖面含水率变化从50～60cm开始升高，之后土壤水分向下、向上分别延伸，最后趋于田间持水率。
2号观测井远离水源在100m毛管处，灌水后10d（8月24日）微型水库释水达到10cm探管处，离水库10cm探管土壤剖面50～60cm含水率首先开始上升，经历15d后土壤含水率接近田间持水率，在50～60cm含水率逐渐升高的同时，30～40cm深度土壤含水率也逐渐开始上升，但升高幅度不大，与其他深度的土壤含水率升高幅度一样，在灌水后1个月（9月17日）土壤含水率接近田间持水率。与1号观测井土壤含水率变化相比，2号观测井土壤含水率上升较慢，这可能由于毛管太长，离水源100m处水压不足造成。
从1号观测井和2号观测井土壤湿润锋变化情况看，微型水库具有较好的释水能力，若维持2m水头，在灌水1个月左右80cm以上土层土壤含水率都在田间持水率附近，具有较好的根系生长环境，非常有利于植物的生长。但从2个观测井土壤含水率变化时间来看，2号观测井微型水库释水不如1号观测井迅速，且水平释水速度较慢，这可能是由于毛管太长，2m水头压力对于100m远处微型水库释水相对较小，造成均匀度受限。但土壤湿润深度能达到60～80cm，对于幼树根系生长是足够的。微型水库不论从垂直湿润深度和水平湿润范围都显示了较好的土壤湿润能力，并且在长期灌水的情况下，土壤含水率在田间持水率左右，其制造了最适合植物根系生长的土壤环境，具有推广应用的潜力。
2.微型圈土壤水分监测
3号观测井安装在微型圈试验区，远离水源100m处，微型圈埋深20cm。该观测井的10cm探管在微型圈充满水后首先从10～20cm土壤层含水率开始变化，灌水后6d（8月20日）该层土壤含水率升高到17.4%，之后一直维持在该水平，直到灌水1个月后含水率降低到田间持水率附近。紧接着该层土壤含水率变化的是20～30cm深度土壤，该层土壤含水率在灌水后7d（8月21日），在第9d（8月23日）、第10d（8月24日）上升速度非常快，从第7d的8.2%快速上升到第10d的14.4%，之后该层土壤含水率含量也长期稳定在田间持水率上下。30～40cm深度土壤含水率变化比较滞后，在灌水后第10d（8月24日）开始变化，一旦开始变化，升高速度较快，在2d之内土壤含水率由第10d的3.5%迅速升高到12.8%，之后与10～20cm土层、20～30cm土层含水率一样维持在田间持水率左右（图3.9）。
图3.9 3号观测井微型圈附近土壤水分变化情况
20cm探管土壤含水率变化滞后于10cm探管3d（8月24日），并且土壤剖面含水率变化也与10cm探管不同，该探管10～20cm、20～30cm深度土壤含水率几乎同时开始升高，并且在2d之内从5.0%左右上升到田间持水率（13.2%）附近。40cm以下的土层土壤含水率基本不变，不受微型圈释水影响。
根据试验结果分析，微型圈释水深度在50cm范围内，湿润情况较好，在1个月左右土壤含水率都维持在田间持水率附近，创造了较好的植物根系生长环境，有利于植物根系的生长与呼吸，提高幼树的成活率。但微型圈湿润范围较小，对于树龄较大的果树而言，微润圈能否提供足够水量仍需继续研究。根据已取得的试验结果，建议将微润圈应用于3年以下树龄的果树。
3.微润管土壤水分监测
微润管于2014年5月22日安装，离树干水平距离30cm，垂直深度30cm，平行于树行左右各1根，分别为1m长，树与树之间用φ16PE管连接输水，在水平方向距离微润管10cm、20cm、40cm、60cm处分别安装1m深土壤水分监测探管。安装试水无恙后掩埋，经过15d左右的正常运行后进行每周一次的土壤水分监测，监测效果见图3.10。
图3.10 与微润管不同距离、不同深度的土壤水分变化图
从图3.10可以看出，6月9日和6月30日土壤水分变化曲线几乎一致，这显示了微润管在稳定水头供水情况下湿润范围、湿润深度基本不变，非常稳定。该试验区土壤田间持水率为13.2%，而土壤田间持水率和凋萎系数之间的土壤含水率是最适合作物根系吸水的状态，两图显示土壤在深度10～60cm区间具有较好的土壤含水率，基本都在10%左右，非常有利于枣树根系吸水。由于微润管埋深30cm，表层土壤10cm以上土壤含水率较低，有效降低了土壤水分蒸发，使灌溉水最大限度被作物吸收。
从与微润管不同距离水分探管看，当土壤水分探管距离微润管10cm时，土壤剖面20cm土壤含水率最高，最接近田间持水率，30～60cm土壤层含水率几乎一致，都在10%左右（田间持水率75%），而表层土壤10cm处和深层土壤100cm处的土壤含水率较低，在6%以下，基本不能被作物根系吸收。对于距离微润管20cm的探管，40cm深度土壤的含水率最高，接近田间持水率，30cm深度次之，在土壤含水率在10%～13.2%（田间持水率）之间，20cm、10cm土壤含水率逐渐降低，到60cm深度土壤含水率降到6%左右。离微润管40cm距离土壤水分探管数据监测显示，40cm、30cm、20cm土层深度土壤含水率逐渐降低，20～40cm土层含水率都在10%左右，非常有利于根系吸水，而10cm、60cm土壤含水率相对降低，不利于根系吸收。离微润管60cm土壤水分探管数据分析显示，20～40cm土壤水分非常接近，均在8%～10%之间，而10cm、60cm及100cm土层土壤含水率相对较低。
从图3.11中数据分析看，当水箱水头保持为2m，微润管埋深在30cm时，在垂直方向土壤水分较好的土层为10～60cm，在水平方向上土壤水分湿润距离为80cm，围绕微润圈土壤湿润范围基本呈水平方向长、垂直方向短的椭圆形扩散。由于试验区是沙性土壤，出现这样的湿润形状，一方面可能是由于表层土壤翻耕造成土质松软，非常有利于水分扩散，而往垂直方向由于深层土壤密实度高，且试验区部分地方在土壤深度60cm左右有钙积层，导致土壤水分在垂直走向距离小于水平走向距离，所以出现以上的土壤湿润形状。综合分析，在2m水头情况下，微润管在容重为1.56g/cm3的沙性土壤中湿润范围在水平方向和垂直方向上湿润范围至少可达到60cm。在设计铺设微润管时，可按照作物根系范围确定铺设微润管数量和铺设深度。
图3.11 离微润管不同距离土壤剖面水分变化图
3.3.4.6 土壤湿润锋监测
在灌水前7d每天8：00、12：00、18：00分别监测土壤水分变化，同时用记号笔在观测井玻璃上画出土壤湿润锋范围。7d之后，每天8：00重复以上工作，坚持1个月不间断记录水表读数、土壤含水率值，并画出土壤湿润锋图，湿润锋变化图见图3.12。
图3.12 观测井湿润锋变化图
1号观测井微型水库湿润土壤剖面从10cm和30cm开始，且湿润锋成葫芦状不断向外延伸，最后形成水平湿润直径60cm、垂直湿润直径80cm的椭圆体，如果一棵树左右各安装一个微型水库，两个水库水平湿润范围达到120cm，湿润深度80cm。根据在阿克苏地区对中龄期苹果的根系空间分布研究，在水平距离0～125cm的土壤范围内是苹果树根系分布的重要区域，在0～80cm的土层范围内是中龄苹果树根系分布的重要区域。从这个结论看，微型水库能较好满足中龄果树阶段及之前阶段的土壤湿润范围，具有较好的推广价值。
3号观测井为微型圈观测井，微型圈成条状安装在观测井玻璃后面，深度20cm左右。从湿润锋走向看，土壤湿润形状从剖面20cm展开，且成条状，微型圈最终湿润范围为水平宽度40cm、垂直深度50cm，在垂直微型圈剖面上形成一个水平宽度40cm，垂直深度50cm的椭圆。从该湿润范围和效果看，该种微润产品值得推广应用，但若用在经果林上，应选择果龄较小，根系范围不大的果树。
3.3.4.7 示范区微润灌应用效果
微润灌溉技术在宁夏的推广应用，引进产品有微型水库、微润圈及微润带，经过宁夏水利科学研究院两年多的试验研究，结合对土壤水分含量、果树生长量、土壤养分等参数监测，评价应用效果。
（1）微型水库埋深15～20cm，湿润范围水平方向60cm，垂直方向80cm；安装两个时，可形成水平120cm，纵剖面80cm的湿润体。微型圈埋深20cm，可形成水平40cm纵向50cm的湿润体。微润管埋深为30cm，在容重为1.56g/cm3的沙性土壤中，在水平方向和垂直方向上湿润范围分别至少为60cm。
（2）在维持2m水头不变的情况下，微型水库释水效果较好，从开始充满水到水分湿润土壤水平直径40cm，垂直直径70cm需要15d左右，且土层土壤水分最后均稳定在田间持水率上下；微型圈从开始充满水到水分湿润土壤水平直径40cm需要10d，垂直直径60cm需要20d，土壤水分在灌水1个月后维持在田间持水率上下。微润管在安装完成20d左右形成稳定的土壤湿润范围，在湿润范围内土壤含水率基本维持在10%左右，为田间持水率75%左右，具有较好的水、气状态，非常有利于作物根系吸收水分。
（3）不同微润灌溉技术产品均能使各土层土壤水分保持在田间持水率上下，为植物根系提供了较好土壤水分环境，有利于作物或果树的生长。
（4）微润灌溉慢慢湿润土壤，释水量较少，且首先从30～40cm的土层开始，然后是50～60cm，最后才是10～20cm土层，对于北方干旱地区，有效减少了土壤表面蒸发，降低了作物的腾发量及无效耗水，提高水分利用效率。
（5）微润灌仅在补充压力水头时耗能，在灌溉过程中是不需要机械动力驱动的灌溉系统，所以从节能角度看，系统的运行能耗比滴灌降低60%以上，日常运行费用降低，从而起到节本增效的作用，为农民带来更大的经济效益。
3.3.4.8 微润灌投资分析
微润灌水源供给方式多样，且储水器容积大小不一，因此只对试验区水源投资进行相应估算。以试验示范的杏树、桃树、枣树种植区为对象进行投资概算。
利用微型水库、微润圈及微润管进行果树灌溉，田间果树栽植行间距为3.5m×3.5m，亩均种植55株，地块长宽为114m×40m，试验铺设微型水库6行；铺设1条微型圈2行，铺设2条微型圈2行、微润管6行，面积11亩。利用微润带进行蔬菜种植，在两行果树间铺设微润带3条，栽植油麦菜、空心菜等叶菜，地块长宽为114m×3.5m，试验铺设微润带3条，面积0.6亩。
（1）水源投资。50亩地为一个单元，根据微润管灌水标准，1m微润管一天出水量为2L，50亩地一天灌水量为10m3（株距为3.5m、行距为3.5m果树种植模式），根据用水需求：建设38m的Φ50mm小管井1眼，经费760元；10m3砖砌水箱一个，经费4000元；5m3/h出水量自吸式水泵一台，经费800元；水位控制器一部，经费50元。因此50亩微润灌水源总投资为5610元，亩均投资112元。
（2）输水管网投资。输水主管为PE材质Ф63管道，长度50m，投资500元，平均投资71元/亩；输水支管为PE材质Ф32管道，长度74m，投资162元，平均投资14.7元/亩；对于微型圈和微型水库设备，采用Ф16的PE管为毛管，长度2064m，投资1444元，平均投资131元/亩。
（3）微润灌设备投资。在装配微型水库时每棵树左右两侧各配备一个，则微型水库亩均投资1620元/亩；微型圈（配置1根微润圈），小果树648元/亩，大果树（配置2根微润圈）1296元/亩；微润管（1棵树2m微润管），则微润管亩均投资760元/亩；在行间距为3.5m的两行果树间（间距3.5m）铺设3条微润带，则其总长度为342m（每条长度114m），则投资为1368元，折算为亩均投资为2280元/亩。
（4）安装劳务费用。实验区设置期间共雇佣4名工人，负责开挖沟槽、管路安装、充水检查、埋土回填等工作，共施工9d，70元/（人·d），安装劳务费360元/亩。
不同微润灌设备总投资：在试验区，储水器放置位置距试验地较近，因此输水主管道（PE材质Ф63管道）仅需50m，如水源供给地距田块距离较远时投资随之增加。如果每种产品附件费按10%计算，微型水库亩均投资为2449.5元/亩。微润圈（配置1条）亩均投资为1380元/亩。微润圈（配置2条），亩均投资为2093元/亩。三代微润管亩均投资为1503元/亩。
微润灌溉系统工作过程中消耗动力较小，驱动水从微润管中向土壤扩散的动力是土壤的势能及水位的位能。因此，微润灌溉系统是节能系统，只要水槽有水，灌溉过程就可以24h不停地连续进行。动力费用的节省，使得系统的运行成本降低，试验区运行费用基本只有电费。而维护费用一般只发生在来年系统启用的时候，在北方冬季会有冰冻发生，因此开春系统启用的时候在田间会偶尔某个部位出现冻胀破坏，但是只需要把微润灌剪开，用φ16直通重新接通即可，维护费用基本为φ16直通使用经费。微润灌溉技术是新技术，经过3年的田间试验示范发现该产品运行费用极低，一经安装，便可“傻瓜”般自行运行。
3.3.4.9 技术应用效果评价
（1）微润灌技术将半透膜技术原理引入灌溉领域，用半透膜的透水原理拟合生物半透膜的吸水过程，从而做到了灌溉系统的供水过程与植物的吸水过程在时间上同步，用微量的水以缓慢渗透方式向土壤给水，不需要复杂的过滤系统，可用原水直接灌溉，可在任何场合安装。
（2）根据在中国灌溉宁夏中心站试验场开展的微润灌溉试验和对灌溉水量、土壤水分变化、土壤湿润锋、作物长势的监测结果分析，微润灌溉较滴灌节水60%以上，且土壤水分保持在田间持水率附近，给植物根系提供了较好土壤环境，幼树成活率高，长势良好。微型水库埋深10cm，湿润范围水平直径60cm，垂直深度80cm。微型圈埋深20cm，湿润范围水平宽度40cm，垂直深度50cm。
在维持2m水头不变的情况下，微型水库释水效果较好，从开始充满水到水分湿润土壤水平直径40cm、垂直直径70cm需要15d左右，并且土壤水分最后稳定在田间持水率上下，1棵果树安装两个微型水库能较好地满足幼树的生长，桃树栽种时只有主干，到8月中旬桃树平均每棵新生长量为244.5cm。微型圈从开始充满水到水分湿润土壤水平宽度40cm需要10d，垂直深度60cm需要20d，土壤水分在灌水1个月后维持在田间持水率上下，幼树安装1根微型圈能很好满足用水，到8月中旬桃树平均每棵新生长量为160.2cm。二代微润管共铺设4根，每根长117m，有一根出水效果较好，一根次之，其他两根基本不出水，致使种植的蔬菜因受旱出不了苗，其灌水效果较差。三代微润管当水箱水头保持为2m，微润管埋深在30cm时，微润管在容重为1.56g/cm3的沙性土壤中，无论水平方向和垂直方向上，湿润范围至少为60cm，灌水效果较好。
（3）微润灌溉慢慢湿润土壤，释水量较少，对于北方干旱地区，有效减少了土壤表面蒸发，提高水资源利用效率。在作物施肥上，微润灌溉技术可直接把肥料融化在水源，随着输水管网进入灌溉设备为作物所用，能够较好地实现水肥一体化控制。由于产品自身特点，微润设备较好的应用了半透膜原理，使土壤水分长期稳定在田间持水率上下，实现了理想的作物根系吸收、生长环境，是值得大量推广应用的新型节水灌溉技术。
3.3.5 对技术完善的建议
（1）2012—2014年，宁夏水利科学研究院分别引进深圳微润灌溉有限公司的微润灌产品，其中有微型水库、一代微润管、微型圈、二代微润管及三代微润管。通过3年的试验研究发现，微型水库及三代微润管在灌溉技术、湿润土壤上表现出较好的灌水优势，但二代微润管部分管段出现灌水均匀度差的现象，造成种植蔬菜出苗率降低，建议厂家在生产时进一步严把质量关，生产灌溉均匀度高且稳定性较好的产品。
（2）微润灌溉技术是一种新型的节水灌溉方式，在水资源极度紧张的干旱半干旱地区，该项技术将发挥重要的作用。通过投资分析，微润管产品投入较高，田间亩均投资是滴灌设备的1.5倍左右。为了能够更大范围的推广应用这一先进灌溉技术，建议产品开发单位应继续研究如何降低产品成本，使得普通农户更容易接受这一新事物，为我国节水农业技术的发展提供新的途径与手段。
（3）现微润灌溉设备主要应用在城市绿化、大棚蔬菜、沙漠绿化等方面，近年深圳微润灌公司也开展了湖北橘树、新疆枣树、青海枸杞、内蒙古苜蓿等方面的应用试验研究，但对宁夏特色作物如枸杞、葡萄等还没有开展过微润灌试验，特别对黄河水水质对微润灌灌水质量的影响研究还是空白。从技术产品开发部门角度，应继续加大在典型干旱半干旱气候特征，且为农牧交错带及过渡带的宁夏地区开展更为充分的相关试验研究，从而为在相近地区进行大规模的推广应用提供技术支撑。