田间灌溉节水技术
田间灌溉节水技术，是指灌溉水进入农田后，通过采用良好的灌溉方法，最大限度地提高灌溉水利用效率的灌水技术的总称。良好的灌水方法，不仅能灌水均匀，而且可以节水、节能、省工，保持土壤良好的物理化学性状，获得最佳的生态和经济效益。田间灌溉节水技术，一般包括改进地面灌水技术，喷灌、微灌等新灌水技术，以及抗旱补灌技术。
（一）改进地面灌水技术
灌溉水在田间流动过程中呈一定深度的水层，借重力和毛管作用下渗或浸润土壤，这种灌水方法称为地面灌溉，也称重力灌水法。传统的地面灌有畦灌、沟灌、格田淹灌和漫灌四种形式。地面灌水方法是世界上最古老的，也是目前应用最广泛的灌水技术。据统计，全世界地面灌占总灌溉面积的90%左右；我国98%灌溉面积也是采用地面灌。由于传统地面灌技术存在灌溉水损失大，需要劳力多，生产效率低，灌水质量差，易造成环境恶化（盐碱化）等问题。因此，改进地面灌水技术已引起人们重视。
1.小畦“三改”灌溉节水技术
国内外大量实验证明，畦灌用水量随灌水时间和畦长的增加而增大，如陕西洛惠渠的实验表明，当畦长为30～50m时，小麦的灌水定额一般为45～60m3/亩，而当畦长增加到80～100m时，其灌水定额在80m3/亩以上。小畦“三改”灌溉节水技术就是把长畦改短畦、宽畦改窄畦、大畦改小畦的灌水方法，其关键作用是使灌溉水在田间分布均匀，节约灌溉时间，减少灌溉水的深层渗漏流失。以达到增产节水的目的。
小畦“三改”灌水技术，在陕西省洛惠渠、渭惠渠灌区推广应用，一般节水30%以上，灌水均匀度80%以上，增产10%～15%，井灌浇地效率可以提高60%。河北廊坊的实验表明，在小麦畦宽1.5～3.0m情况下，45m畦长的灌水定额不超过45m3/亩，而75m畦长的灌水定额则达到60m3/亩以上，小畦三改技术大大降低了灌水成本，促进了粮棉增产。
2.长畦分段畦灌技术
长畦分段畦灌技术是把一条长畦分为若干个设有横行畦埂的小畦，用塑料软管或者地面纵向输水沟将灌溉水送入畦内，自上而下或自下而上进行灌水的方法。长畦分段畦灌技术的畦竟可以宽至5～10m，畦长可达200m以上，但其单宽流量并不增大，而且要按设计计算，确定分段畦长和放水时间。
20世纪80年代以来，陕西省宝鸡峡灌区和冯家山水库灌区，总结推广长畦分段畦灌技术，较传统畦灌有明显的节水节能优势。根据测定，长畦分段畦灌技术比一般长畦灌溉可以节水40%～60%，灌溉效率可以提高1倍以上。田间畦埂少，节省筑畦劳力，减少占地，便利耕作，容易实行小定额灌水。因此，它是一种经济效益较高的节水型灌水技术，适合地广人少，劳力不足，水源缺乏的地区。
3.膜上灌节水技术
膜上灌或膜孔灌节水技术，简称膜上灌，是新疆建设兵团创造和发展起来的一种节水灌溉技术。它是由地膜栽培技术发展而来，将地膜栽培的垄上覆膜改为垄间覆膜，灌水时水由膜上推进，提高了水流运动速率，水由放水孔和渗水孔渗入土壤和作物根部。由于水流运动快，减少了灌水地块首部的水分深层渗漏，提高了灌水均匀度，同时水多分布于作物根部和耕层，缩短了水分供给作物的距离。而在非灌溉季节，由于地膜覆盖极大地减少了土面蒸发，明显提高了作物的水分利用率和灌水效率。所以自1986年试验以来，这项技术在新疆推广迅速，膜上灌作物从棉花发展到粮食、瓜菜、甜菜和葡萄等，并从新疆向北方其他省区推广。
膜上灌还可以保持土壤结构，表层土壤疏松不板结，可以充分发挥地膜热效应，增温效果明显而稳定；土壤水分分布均匀，改善了土壤的水、肥、气、热环境条件。我们在陕西渭北旱源进行的冬小麦膜上灌实验证实，膜上灌小麦的土壤容重显著小于对照（分别为1.28g/cm3和1.21g/cm3），土壤空隙度也有相似的变化。
膜上灌的节水增产效应是非常明显的。新疆尉犁县膜上灌示范区，棉花生育期灌水每公顷978 m3，较常规灌溉节水41%，每公顷产皮棉1692kg，增产5%；我们在陕西渭北进行的玉米膜上灌试验发现，较常规畦灌增产17%以上，节水50%～60%；阿勒泰地区甜菜膜上灌，较常规灌节水72%，增产43%，含糖量提高了三个百分点。
4.涌流灌节水技术
涌流灌又称为间歇灌，是常规地面畦灌方法的一种改进和发展。传统的地面灌溉方式是连续向沟（畦）田输入一个大致不变的水量，直到灌完一个沟（畦）田为止，在水流推进过程中，由于入渗，水流量会逐渐减少，而涌流灌则是以一定的或变化的周期交替向几个沟（畦）田供水。与常规沟灌相比，水流推进速度是连续灌溉的1.2～1.6倍，可解决长畦（沟）灌水难的问题；灌水均匀度高达80%以上，还可防止肥料流失，使其保存在作物根层。涌流灌节水节能效果明显，据在陕西省径惠渠灌区419个畦组试验表明，畦长350～640m时，涌流灌较连续灌平均节水21%。而河北廊坊在小麦上的比较实验结果证明，畦长在200m左右时，较连续灌速度提高50%，节水33%，作物产量和质量也有提高。
涌流灌的基本技术是，用大流量把灌溉水输送到畦（沟）内，待流到一定距离后，暂停供水，过一定时间后再大流量供水，如此间歇反复地向畦（沟）供水。由于灌水畦（沟）处于有水浸润和水流消失的反复交替状态，土壤入渗率降低了，因而它的用水效益高于常规沟灌。
通常，涌流灌是在两个灌水组间交替进行灌水，两灌水组间设有带控制器的涌流阀。灌水时，按选定的灌水周期时间启动控制器，自动控制阀门的开或关，周期性地向两个灌水组放水。完成一次灌水需要几个放水和停水周期，才能湿润灌沟（畦）的全部长度。
5.控制性分根交替灌溉技术
控制性分根交替灌溉（Controlled roots-divided alternative irrigation，CRAI）技术是西北农林科技大学的科技人员根据作物光合作用、蒸腾失水与叶片气孔开度的关系以及根系对作物水分利用效率的影响于1997年提出的一种新型的地面灌水技术。传统的灌水方法，追求田间作物根系层的充分和均匀湿润，而CRAI技术则强调在土壤垂直剖面或水平面的某个区域保持干燥，而另一部分区域灌水湿润，交替控制部分根系干燥、部分根系湿润，以利于作物部分根系处于水分胁迫时产生的根源信号脱落酸供给地上部分叶片，以调节气孔保持最适开度，达到以不牺牲作物光合产物积累而大量减少气奢侈蒸腾耗水而节水的目的。同时通过不同区域根系的交替干湿锻炼，提高根系的吸收功能，增加其对水分和养分的利用，另外还由于减少了土壤的湿润面积，可减少作物棵间的蒸发损失。CRAI也不同于过去所说的局部灌溉，因为局部灌溉始终是维持同一区域的土壤湿润，另外区域的土壤则始终保持干燥。
在常规地面沟灌条件下，其田间操作非常简单，即每条沟在两次灌水之间实行干湿交替，始终保持一部分根系生长在较干燥的土壤中。也可以用于大田作物和果树、蔬菜的滴灌和渗灌系统。在盆栽和大田玉米实验上的结果证实，CRAI技术具有显著的节水增产效益（表4.3）。
表4.3 大田玉米交替隔沟灌节水效益
（二）喷灌节水技术
喷灌是喷洒灌溉的简称。它是利用专门的系统（动力设备、水泵、管道等）将水加压（或利用水的自然落差加压）后送到喷灌地段，通过喷洒器（喷头）将水喷射到空中，并使水分散成细小水滴后均匀地洒落在田间进行灌溉的一种灌水方法。喷灌系统由水源工程、首部装置、输配水管道和喷头等部分组成。
1.喷灌的优缺点。
喷灌与地面灌水方法相比，具有以下优点。
一是节水。由于喷灌溉可以控制灌水量和均匀度，所以喷灌不会产生深层渗漏和地表流失，灌水也比较均匀。据试验，一般喷灌比地面灌节水30%～50%，灌水均匀度可达80%～90%。
二是适用范围广。无论是小麦、玉米、水稻、棉花、大豆等大田作物，还是蔬菜、瓜果等经济作物，都可以采用喷灌。喷灌不要求地面十分平整，这对不适合地面灌的山地、丘陵、源坡地等地形复杂的地区和沙性土壤地区，发展农田灌溉十分有利。
三是省工、省地。由于喷灌机械化程度高，又便于采用小型电子控制装置，所以劳动生产效率高。如喷灌结合施肥、喷药，节省劳力就更为显著；采用喷灌可大大减少沟、渠、畦、埂占地，可以腾出7%～13%的土地种植作物。
四是改善生态环境。由于喷灌可以采用较小的灌水定额，从而使土壤水分保持在作物正常生长的适宜范围内；对耕层土壤不会产生机械破坏作用，保持了土壤团粒结构；还可以调节田间小气候，增加近地面空气层湿度，在炎热的夏季起降温作用，减少干热风的危害，在寒冷季节可以防霜冻，增高叶温和地温；并能冲洗掉茎叶上尘土，有利于作物叶片呼吸及光合作用。因此，喷灌的增产效益十分明显，小麦、玉米、棉花、大豆等粮棉作物，喷灌比沟灌增产10%～30%，经济作物增产20%～30%，蔬菜则可成倍增产。
喷灌也有一些局限性，一是受风的影响大，一般在3～4级风时应停止喷灌；二是直接蒸发损失大。尤其是在旱季，水滴落地前可以蒸发掉10%。因而宜在早晚风力小时进行喷灌。三是在喷灌强度大，土壤入渗低时可能出现土壤底层湿润不足情况。
2.喷灌“三要素”
喷灌的主要技术特征是：灌溉水必须均匀的分布地面；喷洒后地表不产生超渗径流或积水；喷洒水滴不应击打土壤结构，不得伤害作物造成减产。以上几方面构成喷灌“三要素”，即喷灌强度、喷灌均匀度和喷灌雾化指标。
（1）喷灌强度（P）即单位时间内喷洒在单位面积上的水量。一般用一定时间（t）喷洒在一定面积内土壤表面水深（h）来计算，即P=h/t。
（2）喷灌均匀度 指喷灌面积上水量分布的均匀度，常用喷灌均匀系数（Cu）表示，即：Cu=1-Δh/h。式中，Δh指喷洒水深平均离差，mm；h为喷洒水深平均值，mm。
（3）喷灌雾化指标 指喷洒水滴直径的大小，一般用喷头工作压力水头（H）与喷头喷嘴直径（D）之比，即H/D表示。
按照国家《喷灌工程技术规范》要求，喷灌均匀系数Cu一般不低于75%。喷灌强度在不同质地土壤要求不一，从沙土到黏土的允许喷灌强度8～20mm/h。不同作物由于其茎叶生长的支撑强度不同，对雾化指标的取值（H/D）为：蔬菜及花卉为4000～5000，大田作物及果树3000～4000，牧草和草坪2000～3000。
3.喷灌系统的分类
喷灌系统的种类很多，按其设备组成和组装形式的不同，可分为管道式喷灌系统和机组式喷灌系统两大类型。管道式喷灌系统以输配水管网为主体，灌溉水管道输送、分配到田间各灌溉部位，其结构紧凑，使用灵活，机械利用率高，单位喷灌面积投资较低，在节水灌溉中具有广泛前景。
（1）管道式喷灌系统 分为全固定式、全移动式和半固定式三种类型。全固定管道式喷灌系统：这种喷灌系统除喷头可装御外，在整个灌溉季节，甚至连年固定不动。通常将各级管道埋入地下，喷头安装在固定的竖管上。该系统适用于蔬菜、果树等经济价值高的作物，以及城市园林、花卉、草地的灌溉。
全移动管道式喷灌系统：这种喷灌系统的各个部分、水泵、动力机及各级管道直至喷头都可以拆卸移动，可在不同地块轮流使用，适用于大田作物的喷灌，但在高秆密植作物种植区以及在土质黏重或地形复杂的情况下，将给设备的拆装移动带来困难。
半固定管道式喷灌系统：这种喷灌系统一般是泵站和干管固定不动，支管和喷头可以移动。与全固定管道式喷灌系统相比，由于支管可以在灌溉过程中重复使用，所以减少了管材用量，降低了投资；与全移动管道式喷灌系统相比，由于机泵、干管固定，只移动支管和喷头，因此运行操作较方便，提高了生产率，设备投资低于全固定式喷灌系统。半固定管道式喷灌系统适用范围较广，几乎适用于所有旱作物，如谷物、蔬菜、果树、药材等，在平原和山丘地区均可使用。
（2）机组式喷灌系统 是把喷灌系统的各组成部分，组配成一个整体来满足喷灌要求。喷灌机的种类很多，按运行方式可分定喷式和行喷式两类。按组装形式、喷洒控制面积大小和喷洒特征的不同又有不同的机型。
定喷式机组是指喷灌机组在一个固定的位置进行喷洒，达到作物灌水定额后，按预定程序移动到另一个位置进行喷洒，在灌水周期内灌完计划的面积。行喷式机组是在喷灌过程中一边喷洒一边移动（或转动），在灌水周期内灌完计划面积。按喷灌机组控制面积大小分类，喷灌机可分为三大类：
一是大型喷灌机组，如中心支轴式（自走）喷灌机，平移式（自走）喷灌机和大型流动式喷灌机。其控制面积可达67hm2以上，因其投资高，地形要求严格，多在美国、澳大利亚和以色列等经济发达国家使用。
二是中型喷灌机组，主要有卷管式（自走）喷灌机，双悬臂式（自走）喷机、滚动式喷灌机和纵横式喷灌机，其中卷管式（自走）喷灌机在国内外应用和生产甚多。我国从1982年研制成功卷管式喷灌机，目前已有多个厂家生产。
三是小型喷灌机组，在国外主要是拖拉机悬挂式喷灌机，国内主要是手推（抬）式轻小型喷灌机，其动力多为2.2～8.8kW动力带动，控制面积多在6.7～13.3hm2范围。由于手推（抬）式具有结构简单、体积小，使用灵活，价格较低等优点，在我国喷灌技术中是使用较大的一种机型，生产厂家甚多。
（三）微灌节水技术
微灌是根据作物需水要求，通过低压管道系统与安装在末级管道上的灌水器，将作物生长所需的水分和养分以较小的流量均匀、准确地直接输送到作物根部附近的土壤表面或土层中的新型灌水方法。包括滴灌、微喷灌、小管出流灌及渗灌。与地面灌和喷灌不同，它属于局部灌溉。
1.微灌的优缺点
同地面灌水方法相比，微灌有以下优点：一是省水节能。微灌一般只湿润作物根部附近的部分土壤，灌水流量小，不易产生地表径流和深层渗漏，比地面灌省水1/3～1/2，比喷灌省水15%～20%。此外，微灌是在低压条件下运行，灌水器工作压力为50～150千帕（kPa），比喷灌能耗低。二是水肥同步，有利于作物生长。微灌能适时适量向作物根区供水供肥，可调节棵间温度和湿度，不会造成土壤板结，有利于提高产量和品质。据试验，与地面灌水相比，滴灌可使葡萄和水果增产20%～50%，大田粮食和油料作物增产30%左右，蔬菜增产1～2倍。三是适应性强，操作方便；根据不同土壤入渗特性可调节灌水速度。由于采用压力管道输水，可适用于山丘、坡地、平原等各种地形条件；微灌系统不需平整土地和开沟打畦，可实现自动控制灌水，大大减少了灌水的劳动强度和劳动量。
微灌的不足之处是系统建设的一次投入较高。例如果园固定式微灌每公顷需投入9000～12000元，大田半固定式每公顷需6000～9000元。其次灌水器出口很小，易被水中的矿物质和有机物及杂物堵塞，对灌溉水质要求较高。
2.微灌系统的组成与类别
微灌系统由水源、首部枢纽、输配水管网和灌水器以及流量、压力控制部件和量测仪表等组成。其中，灌水器是微灌设备中最关键部件，是直接向作物施水的设备，其作用是消减压力，将水流变为水滴、细流或喷洒状流入土壤，包括微喷头、滴头、滴灌带等。目前灌水器大多数是用塑料材料注塑成型的。
（1）滴灌 是利用安装在末级管道（毛管）上的滴头或与毛管制成一体的滴灌带，在一定压力下使水以水滴或连续细小水流湿润土壤，滴灌流量一般每小时2～12L。
（2）微喷灌 是利用直接安装在毛管上的微喷头将压力水以喷洒状湿润土壤。微喷头有固定式和旋转式两种。前者喷射范围小，水滴小；后者喷射范围较大，水滴也大些，故安装的间距也大。微喷头的流量通常为每小时20～250L。微喷灌能有效的改善作物生长的微生态环境，协调作物地上地下生长，提高作物整体节水性能。
（3）小管出流灌 是利用细小塑料管与毛管连接作为灌水器，以细流（射流）状局部湿润作物附近土壤，小管灌水器的流量每小时80～250L。对于高大果树通常围绕树干修渗水小沟，以使水流均匀湿润果树周围土壤。在国内称这种微灌技术为小管出流灌溉，可缩短作物的灌水时间和轮灌周期。
（4）渗灌 渗灌源于我国2000年前的埋瓮灌溉法，是利用一种特别的渗水毛管埋入地表以下30～40cm，水通过渗水毛管管壁的毛细孔以渗流的形式湿润其周围土壤。近年在河南、山西运城等地试验应用。其主要作用是减小土壤表面蒸发，同时使供水更直接贴近作物根系，减少水分在土壤中的运移过程，因而是用水量最省的一种微灌技术。渗灌毛管的流量一般为2～3L/（h·m）。
根据配水管道在灌水季节中是否移动，每一类微灌系统可分为固定式、半固定式和移动式。固定式微灌系统常用于经济价值较高的经济作物；半固定式和移动式微灌系统提高了微灌设备的利用率，降低了单位面积微灌的投资，故常用于大田作物。
3.微灌灌水器
灌水器种类繁多，各有特点，适用条件也有差异，按结构和出流方式，可分为滴头、滴灌带、微喷头、涌水器、渗灌管（带）等五类。