施肥滴灌加速滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)與誘發(fā)機(jī)制研究

劉 璐 牛文全， 武志廣 官雅輝 李 元

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所， 陜西楊凌 712100； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100；3.中科院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

施肥滴灌加速滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)與誘發(fā)機(jī)制研究

劉 璐1牛文全1，2武志廣2官雅輝3李 元1

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所， 陜西楊凌 712100； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100；3.中科院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

以2種內(nèi)鑲片式迷宮流道滴頭為研究對(duì)象，采用數(shù)學(xué)分析方法、掃描電鏡/能譜分析技術(shù)(SEM-EDS)和X射線衍射技術(shù)(XRD)對(duì)不同水溶性肥料滴灌后滴頭流量、堵塞物表面微形貌及其化學(xué)組分進(jìn)行多角度分析，研究肥料特性和流道結(jié)構(gòu)對(duì)滴頭堵塞過(guò)程的影響效應(yīng)。結(jié)果表明：肥料特性是決定堵塞類型和誘發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的重要因素(P<0.01)，流道結(jié)構(gòu)對(duì)堵塞的影響需雙重考慮結(jié)構(gòu)尺寸及結(jié)構(gòu)類型；當(dāng)施肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于等于0.5%時(shí)，施肥加速滴頭堵塞的效果較小且與肥料類型關(guān)系不大，當(dāng)施肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%～2.0%之間時(shí)，各肥料滴灌適用性由大到小依次為：磷肥、尿素、鉀肥、復(fù)合肥，當(dāng)施肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.0%～3.0%之間時(shí)，尿素滴灌滴頭流量降幅為10.26%，顯著高于施加磷肥(7.85%)、鉀肥(4.07%)和復(fù)合肥(2.74%)；施加尿素滴灌誘發(fā)滴頭堵塞主要物質(zhì)的形成機(jī)理為分子態(tài)尿素析出物與水中懸浮顆粒物形成團(tuán)聚體在較差流體的運(yùn)動(dòng)粘度下造成的物理堵塞，磷肥主要為吸附作用加速肥料雜質(zhì)團(tuán)聚沉淀的物理、化學(xué)堵塞，硫酸鉀施肥滴灌主要為離子交換形成的鈣、鎂沉淀導(dǎo)致流道壁面糙度升高、過(guò)水?dāng)嗝鏈p小的化學(xué)堵塞過(guò)程，復(fù)合肥誘發(fā)滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)最低。施肥滴灌存在誘發(fā)或者加速滴頭堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，但不同肥料誘發(fā)滴頭堵塞主要物質(zhì)的形成機(jī)理不同，加速堵塞的風(fēng)險(xiǎn)也不同，故對(duì)于不同的肥料類型宜采用不同的抗堵塞管理策略。

滴灌施肥； 滴頭； 堵塞； 風(fēng)險(xiǎn)； 機(jī)理

引言

本文選用2種結(jié)構(gòu)形式流道滴頭，在4種不同肥料類型及4種肥料濃度梯度條件下，在對(duì)施肥滴灌滴頭流量變化過(guò)程測(cè)試基礎(chǔ)上，討論施肥滴灌滴頭堵塞的發(fā)生規(guī)律，并借助裝有能譜儀(EDS)的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM，S-4800型，日立)對(duì)堵塞物質(zhì)表面形貌進(jìn)行顯微分析和元素分析，同時(shí)配合采用X射線衍射儀(XRD，D8 Adance，Bruker)確定不同肥料類型滴灌誘發(fā)滴頭堵塞主要物質(zhì)的化學(xué)組分，揭示滴頭堵塞的誘發(fā)機(jī)制，評(píng)估和預(yù)測(cè)滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)，旨在為水肥滴灌影響下合理防治滴頭堵塞管理策略提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料制備

試驗(yàn)用水為陜西楊凌示范區(qū)居民自來(lái)水，通過(guò)環(huán)境保護(hù)局2015—2016年最新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，符合我國(guó)農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[17](表1)，細(xì)菌數(shù)小于1 CFU/mL，短周期滴灌可忽略生物堵塞的影響，故該水質(zhì)條件下研究水肥特性對(duì)滴頭堵塞影響的試驗(yàn)結(jié)果具有一定的代表性。試驗(yàn)選用滴頭參數(shù)如表2所示。

表1 試驗(yàn)期間自來(lái)水水質(zhì)參數(shù)特征
Tab.1 Quality characteristics of irrigation water during experiment

參數(shù)COD/(mg·L-1)pH值TDS/(mg·L-1)TSS/(mg·L-1)EC/(μS·cm-1)Fe/(mg·L-1)Mn/(mg·L-1)硫酸鹽/(mg·L-1)總硬度/(mg·L-1)細(xì)菌數(shù)/(CFU·mL-1)測(cè)試值1.2～2.37.86～8.01106～1520.95～1.30217.1～372.5<0.05<0.0510～2170～81<1

注：COD為化學(xué)需氧量；TDS為可溶性總懸浮物；TSS為總懸浮顆粒；EC為電導(dǎo)率。

表2 試驗(yàn)用滴頭特征參數(shù)
Tab.2 Parameters of emitters used in experiment

滴頭編號(hào)流道類型流道尺寸(長(zhǎng)×寬×深)/(mm×mm×mm)額定流量/(L·h-1)流量系數(shù)流態(tài)指數(shù)滴頭結(jié)構(gòu)E1圓弧齒形56.8×1.1×0.882.30.7470.492E2尖角齒形54.3×1.08×0.822.50.9830.472

試驗(yàn)選用4種可溶性肥料，分別為氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥。氮肥為尿素(云南三環(huán)化工股份有限公司)，分子式CO(NH2)2，粒徑1～2 mm的半透明粒子。尿素極易溶于水且無(wú)任何雜質(zhì)，溶液呈透明狀。試驗(yàn)用磷肥為過(guò)磷酸鈣(河北省礬山磷礦有限公司)，含磷組分為磷酸二氫鈣的水合物Ca(H2PO4)2·H2O，雜質(zhì)為硫酸鈣、二氧化硅和少量游離的磷酸和硫酸，常溫下是灰白色粉末。過(guò)磷酸鈣含有效P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)14%～20%(其中80%～95%溶于水)，屬于水溶性速效磷肥。制備磷肥水溶液時(shí)，攪拌后溶液渾濁，溶液底部存在大量灰色粉末狀沉淀，待過(guò)磷酸鈣顆粒在玻璃燒杯中充分溶解、靜置后，取上清液透明液體，經(jīng)濃度檢測(cè)后作為試驗(yàn)材料。試驗(yàn)用鉀肥為硫酸鉀(山東魯豐鉀肥有限公司)，硫酸鉀含K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%～54%，淡灰色微晶體粉末狀。制備硫酸鉀溶液過(guò)程中，經(jīng)充分?jǐn)嚢枞芙夂笕芤旱讓映练e灰白色沉淀同時(shí)肥液表層懸浮白色包膜材料，待靜置分層經(jīng)過(guò)濾后取上清液，經(jīng)濃度檢測(cè)后作試驗(yàn)材料。復(fù)合肥采用臨沂沃夫特復(fù)合肥有限公司生產(chǎn)的全水溶高鉀型螯合態(tài)化肥，主要成分為尿素、磷酸二氫鉀、硝酸鉀，其中氮、磷和鉀質(zhì)量比為16∶6∶28。該肥料極易溶于水，溶液呈淡藍(lán)色透明狀。

抗堵塞測(cè)試平臺(tái)參照GB/T 17187—2009《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備 滴頭和滴灌管 技術(shù)規(guī)范和試驗(yàn)方法》、SL/T 67.1—94《微灌灌水器——滴頭》以及國(guó)際抗堵塞研究標(biāo)準(zhǔn)草案[18]關(guān)于室內(nèi)滴灌滴頭堵塞敏感性測(cè)試試驗(yàn)搭建而成，平臺(tái)由水泵、過(guò)濾裝置、攪拌裝置、壓力表、控制閥門、支管以及待測(cè)試滴灌帶組成。滴灌管布設(shè)于測(cè)試系統(tǒng)架上(長(zhǎng)6 m、寬0.5 m、高1.2 m)，共4臺(tái)測(cè)試架，每個(gè)架子布設(shè)4條滴灌帶，其間距為12 cm，每條滴灌帶有20個(gè)滴頭，滴頭間距為30 cm，一臺(tái)測(cè)試架共80個(gè)滴頭(圖1)。首部采用1個(gè)120目篩網(wǎng)過(guò)濾器串聯(lián)，利用分流原理控制系統(tǒng)的工作壓力。

圖1 滴頭抗堵塞測(cè)試平臺(tái)Fig.1 Experimental setup1.毛管 2.滴頭 3.回水槽 4.沖洗閥 5.水箱 6.水泵7.回水閥 8.進(jìn)水閥 9.篩網(wǎng)過(guò)濾器 10.壓力表

1.2 室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用4種肥料，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1.0%、2.0%、3.0%(CF1、CF2、CF3、CF4)進(jìn)行滴灌抗堵塞測(cè)試，不加肥作為對(duì)照(CF0)，進(jìn)行完全隨機(jī)試驗(yàn)，共34個(gè)處理。為加速試驗(yàn)進(jìn)程，試驗(yàn)參照國(guó)際滴灌滴頭抗堵塞性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)草案，將灌水周期等比例縮短，測(cè)試時(shí)間為1 h，每隔2 h灌水1次，1 d灌水5次，連續(xù)4 d作為一個(gè)測(cè)試周期，每個(gè)處理累計(jì)灌水20 h，每組4個(gè)重復(fù)。每次灌水結(jié)束后均采用電導(dǎo)率儀監(jiān)測(cè)滴灌水溫、pH值以及電導(dǎo)率動(dòng)態(tài)變化情況。每組處理結(jié)束后，將換下毛管置于遮陰通風(fēng)位置晾曬風(fēng)干，稱量灌水前后毛管質(zhì)量的變化，定量分析毛管及滴頭堵塞物質(zhì)淤積量及成分。

1.3 滴頭堵塞測(cè)定及評(píng)價(jià)方法

在每條滴灌帶上等間距布置10個(gè)采樣點(diǎn)，待系統(tǒng)運(yùn)行30 min滴頭保持穩(wěn)定出流后，將量杯按2 s間隔依次放置在滴頭正下方，測(cè)量10 min后再依次按2 s間隔將量杯挪出，用電子天平(精度0.1 g)稱量量杯和水的總質(zhì)量，然后換算成滴頭流量。為消除溫度對(duì)滴頭流量的影響，采用美國(guó)農(nóng)業(yè)工程師協(xié)會(huì)關(guān)于微灌系統(tǒng)田間評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行流量-溫度修正，最后采用相對(duì)流量評(píng)價(jià)滴頭堵塞及灌水質(zhì)量情況，計(jì)算公式為

1.4 堵塞物表面形貌及組分分析方法

用高精度電子天平稱量灌水前毛管質(zhì)量，滴灌施肥測(cè)試結(jié)束后，再稱量風(fēng)干后毛管質(zhì)量，兩者質(zhì)量之差即為所求灌水前后毛管內(nèi)的淤積物質(zhì)的量。解剖不同處理下采樣點(diǎn)滴頭，觀察堵塞物在流道中的分布特征，并收集流道內(nèi)的淤積物質(zhì)，根據(jù)試驗(yàn)編號(hào)將各處理一分為二。對(duì)進(jìn)行固定、脫水、干燥、噴金等處理的樣品，采用裝有能譜儀的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM，S-4800型，日立)分析堵塞物的表面形貌及元素組成。其余樣品按照編號(hào)研磨過(guò)篩(300目)后制成表面平整試片，使用X射線衍射儀獲取其多晶衍射圖譜，再使用MDI Jade 5.0軟件對(duì)其化學(xué)組分進(jìn)行定性分析，以進(jìn)一步確認(rèn)堵塞物質(zhì)化學(xué)組分。

2 結(jié)果與分析

2.1 迷宮結(jié)構(gòu)對(duì)滴頭堵塞的影響

迷宮結(jié)構(gòu)包含結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)類型。首先采用周博等[19]提出的片式滴頭抗堵塞能力快速評(píng)估方法，比較2種滴頭結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)與其抗堵塞性能，采用片式滴頭抗堵塞性能評(píng)估指數(shù)Ia，其計(jì)算式為

式中Q——滴頭額定流量，m3/sL——滴頭流道長(zhǎng)度，mW——滴頭流道寬度，mD——滴頭流道深度，m

由表2提供的參數(shù)計(jì)算可知，E1、E2滴頭Ia分別為8.17和3.69，由此確定E1流道結(jié)構(gòu)尺寸的滴頭自身抗堵塞性能相對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸E2滴頭而言較優(yōu)。除自身尺寸條件外，進(jìn)一步考慮流道結(jié)構(gòu)形式及滴灌施肥水質(zhì)參數(shù)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，采用SPSS 22.0軟件對(duì)34個(gè)處理末次灌水結(jié)束滴頭相對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示，2種迷宮結(jié)構(gòu)滴頭對(duì)施肥滴灌堵塞的發(fā)生并無(wú)顯著性影響(P>0.05)，說(shuō)明在一定施肥濃度范圍內(nèi)，施肥加速滴頭堵塞的風(fēng)險(xiǎn)受所選滴頭流道結(jié)構(gòu)尺寸影響，另外，流道結(jié)構(gòu)形式的影響也不容忽視，兩者存在交互作用，綜合考慮不同肥料特性滴灌條件，尖角齒形結(jié)構(gòu)比圓弧齒形結(jié)構(gòu)抗堵塞性能更優(yōu)。

表3 試驗(yàn)結(jié)果方差分析
Tab.3 Analysis of variance for total test data

方差來(lái)源平方和自由度均方差F值肥料類型0.00730.00211.400**施肥濃度0.05040.01261.127**滴頭類型0.00110.0012.543ns肥料類型×肥料濃度0.023120.0029.223**肥料類型×滴頭類型0.00130.0011.615ns施肥濃度×滴頭類型0.00140.0010.834ns施肥類型×施肥濃度×滴頭類型0.002120.0010.998ns誤差0.0301490.001

注：** 表示在P<0.01水平差異顯著，ns表示差異不顯著(P>0.05)。

2.2 施肥特性對(duì)滴頭堵塞的影響

施肥特性包括肥料類型和施肥濃度，方差分析結(jié)果表明兩者對(duì)滴頭堵塞的影響極顯著(表3)，是加速滴頭堵塞發(fā)生的關(guān)鍵性因子。以E1滴頭為例，4種肥料類型在不同施肥濃度條件下對(duì)滴頭相對(duì)流量變化的影響如圖2所示，各處理組選用Duncan多重比較模型對(duì)滴頭相對(duì)流量進(jìn)行單因素多變量方差分析顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

由圖2可知，施肥滴灌與清水滴灌(CF0)比較，未施肥處理組的滴頭流量曲線整體表現(xiàn)平直，沒(méi)有出現(xiàn)隨灌水次數(shù)增加而下降的趨勢(shì)，兩者存在極顯著差異(表4，P<0.01)，且施肥滴灌滴頭相對(duì)流量在整個(gè)灌水期間均隨著灌水次數(shù)的增加而逐漸降低，呈波動(dòng)變化。各處理滴頭平均相對(duì)流量都在87.61%以上，總體處于輕微堵塞水平，但不同肥料類型影響滴頭相對(duì)流量下降幅度仍存在一定差異，灌水20次后，尿素滴灌降為12.39%，顯著高于磷肥、鉀肥及復(fù)合肥，其中鉀肥與復(fù)合肥滴灌相對(duì)流量差異較小(幅度在3.13%以內(nèi))。說(shuō)明施肥滴灌存在加速滴頭堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，不同肥料類型之間存在一定差異。

另外，不同施肥處理組滴頭相對(duì)流量差異受施肥濃度的影響較大，當(dāng)施肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～0.5%之間時(shí)，濃度對(duì)滴頭堵塞性能的影響均較微弱，并無(wú)顯著差異(P>0.05)，滴頭均保持較高的相對(duì)流量(變幅在2.76%以內(nèi))。當(dāng)施肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%～2.0%之間時(shí)，滴頭相對(duì)流量隨濃度變化明顯，高低波動(dòng)現(xiàn)象突出，說(shuō)明該濃度范圍段流道內(nèi)堵塞物質(zhì)“碰撞-團(tuán)聚-沉淀-破碎-再團(tuán)聚-再沉淀”的動(dòng)態(tài)過(guò)程較為頻繁，磷肥在該濃度范圍滴灌對(duì)堵塞較為敏感，顯著高于其他3種肥料(P<0.05)。當(dāng)施肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.0%～3.0%之間時(shí)，不同肥料類型之間滴頭流量變幅差異較大，尿素滴灌相對(duì)流量降幅顯著增高，磷肥有所回升，鉀肥平緩降低，復(fù)合肥變化不大，堵塞由大到小表現(xiàn)為：尿素、磷肥、鉀肥、復(fù)合肥。整體來(lái)看，復(fù)合肥和鉀肥表現(xiàn)出較好的滴灌適用性，而尿素和磷肥滴灌易誘發(fā)或加速滴頭堵塞。

圖2 肥料類型對(duì)滴頭堵塞程度的影響Fig.2 Effect of fertilizer types on dynamic emitter clogging characteristics with irrigation intervals

肥料類型E1E2CF0CF1CF2CF3CF4CF0CF1CF2CF3CF4尿素99.9a98.4bcd97.0fgh96.7ghi87.6m99.9a97.2ghi96.5hij96.9ij89.7l磷肥99.9a97.9bcd97.4cde92.8k93.1k99.9a98.5bcd92.9k92.2k92.2k鉀肥99.9a98.7b97.2efg97.8bcd97.3cde99.9a98.2bcd98.5bcd96.3ij95.9j復(fù)合肥99.9a97.5bcd98.4cd97.7bcd96.9ghi99.9a97.8bc97.2fg97.8bcd97.3def

注:不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.3 堵塞物質(zhì)化學(xué)組分分析

借助場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡及X射線衍射儀對(duì)采樣點(diǎn)滴頭內(nèi)淤積物質(zhì)進(jìn)行觀察和分析，同種肥料不同濃度梯度施肥滴灌后，誘發(fā)滴頭堵塞的主要化學(xué)物質(zhì)元素組成并無(wú)明顯變化，故以施肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%滴灌后流道內(nèi)淤積物質(zhì)的電鏡掃描微結(jié)構(gòu)(圖3)、表面能譜分析(表5)和XRD檢測(cè)圖譜(圖4)為例來(lái)看：堵塞物質(zhì)表面形貌較原狀肥料而言，形貌更復(fù)雜且顆粒間連接更為緊密，由排列不均一的晶體顆粒相互咬合鑲嵌形成。

進(jìn)一步分析表面能譜和XRD檢測(cè)結(jié)果，可看到：尿素灌水后流道淤積物C、N元素含量與滴灌前尿素?zé)o明顯差異(表5)，O元素有7.01%的消耗，新增元素Mg、S比例為1∶1，可能為硫酸鎂鹽沉淀。由XRD物相分析圖譜可知(圖4)，灌水后堵塞物質(zhì)除尿素外，分別在角度20.157°、22.926°、30.857°出現(xiàn)新峰值，物質(zhì)為六水合亞硫酸鎂(MgSO3·6H2O)，與能譜分析結(jié)果一致。說(shuō)明尿素滴灌滴頭堵塞的淤積物主要成分是尿素分子，含極少量亞硫酸鹽沉淀。

磷肥滴灌后淤積物表面形貌為薄片狀晶體結(jié)構(gòu)(圖3b)，從XRD結(jié)果看，磷肥中CaSO4為主項(xiàng)，磷酸二氫鈣水合物為次項(xiàng)，含磷量不高。灌水后從XRD峰值看來(lái)(圖4)，CaSO4和少量SiO2依然存在且含量并無(wú)明顯變化，磷酸二氫鈣水合物幾乎完全消失，有新峰值出現(xiàn)，為微溶無(wú)水磷酸氫鈣(CaHPO4)。EDS結(jié)果顯示，堵塞物P元素含量是磷肥的2.05倍，S元素含量降低了6.15%，其余元素含量變化不大(表4)。說(shuō)明流道內(nèi)淤積物為CaSO4、CaHPO4和SiO2，硅鋁酸鹽雜質(zhì)與磷產(chǎn)生吸附作用，P元素含量明顯升高。

鉀肥滴灌后流道內(nèi)淤積物在電鏡下清晰可見(jiàn)許多細(xì)小晶粒以面面接觸的方式附著于較大斜方結(jié)晶物表面(圖3c)，C、O、Ca、Mg元素含量增加，K、S元素含量相對(duì)減少(表4)，其原子數(shù)比例為2∶1(24.79%∶12.57%)，說(shuō)明淤積物仍以硫酸鉀斜方結(jié)晶析出物為主，附著的細(xì)小晶?？赡苁怯捎陔x子置換產(chǎn)生的沉淀物。結(jié)合XRD衍射圖譜(圖4)，再次證明鉀肥滴灌流道內(nèi)淤積物除硫酸鉀結(jié)晶物外，含有少量硫酸鈣和芒硝石((K,Na)3Na(SO4)2)。

圖3 不同肥料類型在施肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%下滴灌后流道內(nèi)淤積物電鏡掃描結(jié)構(gòu)圖Fig.3 FESEM micrographs of sediment with different fertilizer types of 3.0% fertilization concentration

檢測(cè)對(duì)象CNOPKCaSMgFeSiAl尿素18.5739.7241.04000000.6700尿素滴灌殘留物21.8440.5934.030000.420.420.9500磷肥6.766.2651.4610.97014.409.52000.430.22磷肥滴灌殘留物9.340.1650.2122.51011.863.7300.470.730.99鉀肥7.801.6440.69032.88016.060.12000鉀肥滴灌殘留物8.57053.14024.790.2212.570.35000復(fù)合肥14.5912.1037.4625.449.070.8800.520.4800復(fù)合肥滴灌殘留物3.8718.1755.643.2619.0600000.540

圖4 流道內(nèi)淤積物化學(xué)組分XRD檢測(cè)圖譜Fig.4 Surface XRD patterns of sediment in emitter-channel

復(fù)合肥滴灌后流道內(nèi)淤積物表面形貌為斜方晶型結(jié)構(gòu)的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)(圖3d)，其Ca、Mg、Fe元素相對(duì)含量較灌水前降至0，N、O、K原子數(shù)百分比分別為18.17%、55.64%、19.06%(1∶3∶1)(表4)，XRD結(jié)果顯示，灌水前磷肥含有硝酸鉀、尿素、磷酸二氫銨，灌水后尿素幾近消失，其余峰值出現(xiàn)角度無(wú)明顯變化(圖4)。說(shuō)明復(fù)合肥滴灌流道淤積物為硝酸鉀和少量磷酸二氫銨的結(jié)晶析出物。

3 討論

迷宮流道結(jié)構(gòu)是影響滴頭堵塞發(fā)生規(guī)律及抗堵塞能力的主要因素，可以通過(guò)改變流道幾何參數(shù)、流道類型、流道結(jié)構(gòu)等提高滴頭的抗堵塞能力[20-21]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)選用的2種流道結(jié)構(gòu)對(duì)加肥滴灌誘發(fā)或者加速滴頭堵塞的影響并不顯著，即施肥誘發(fā)或加速滴頭堵塞受該流道結(jié)構(gòu)尺寸和形式交互作用的影響較小。以滴頭關(guān)鍵影響因素為核心，通過(guò)量綱分析法建立的堵塞評(píng)價(jià)指標(biāo)Ia是目前較為有效地快速判定滴頭堵塞性能的指標(biāo)，從該評(píng)估指數(shù)計(jì)算結(jié)果來(lái)看，E1、E2滴頭Ia分別為8.17和3.69，說(shuō)明該尺寸條件下E2滴頭自身抗堵塞能力相對(duì)較強(qiáng)。而試驗(yàn)結(jié)果顯示，滴頭結(jié)構(gòu)對(duì)堵塞影響并不顯著，是因?yàn)榧饨驱X形結(jié)構(gòu)比圓弧齒形結(jié)構(gòu)抗堵塞性能更優(yōu)。有研究表明，對(duì)于齒形流道滴頭抗堵塞性能是隨其轉(zhuǎn)角的增加呈下降趨勢(shì)，轉(zhuǎn)角增大導(dǎo)致流道流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)紊亂度增加，流體內(nèi)固體顆粒越容易進(jìn)入漩渦區(qū)，其相應(yīng)的停留時(shí)間也越久，最終導(dǎo)致流道堵塞的可能性增加[22]。故轉(zhuǎn)角相對(duì)較大的圓弧齒形流道比轉(zhuǎn)角較小的尖角齒形流道發(fā)生堵塞的可能性更高。

當(dāng)?shù)喂喾柿咸匦圆煌瑫r(shí)，灌溉水中的懸浮顆粒物、鹽分含量、pH值和細(xì)菌數(shù)等則不同，誘發(fā)滴頭堵塞的過(guò)程和滴頭堵塞程度也將不同。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同肥料類型和濃度滴灌時(shí)，毛管內(nèi)淤積物質(zhì)量不同，流道內(nèi)淤積物形貌特征及其主要元素組成相對(duì)含量也不同。

試驗(yàn)選用的磷肥含大量硫酸鈣和少量硅石雜質(zhì)，經(jīng)沉淀過(guò)濾后，這些雜質(zhì)的懸浮顆粒仍會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)長(zhǎng)期灌水，除雜質(zhì)外，磷酸二氫鈣水合物轉(zhuǎn)化成微溶的無(wú)水磷酸氫鈣最終誘發(fā)滴頭堵塞，該過(guò)程發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)且生成沉淀。一方面，當(dāng)施肥濃度增大時(shí)，水中陽(yáng)離子數(shù)量在增大，細(xì)小的不溶或者難溶物質(zhì)顆粒也在增多，當(dāng)陽(yáng)離子增加到一定值時(shí)，雙電層受靜電引力壓縮而變薄，Zeta 電位降低，懸浮物絮凝強(qiáng)度及沉降強(qiáng)度顯著增大[27]，易在流道進(jìn)口處和拐角處淤積下來(lái)；另一方面，含磷的陰離子與懸浮雜質(zhì)發(fā)生的吸附作用，增強(qiáng)了顆粒間絮凝團(tuán)聚的可能，故磷肥誘發(fā)滴頭流道堵塞風(fēng)險(xiǎn)較高[28-29]。當(dāng)施肥濃度繼續(xù)增加，灌溉水pH值進(jìn)一步降低至3.21時(shí)(圖5b)，有效抑制了碳酸鈣等鹽類沉淀及微生物生長(zhǎng)引起的化學(xué)堵塞和生物堵塞，滴頭流道將恢復(fù)通暢[30-31]，較低濃度滴灌反而降低了堵塞風(fēng)險(xiǎn)。因此，可溶性磷肥滴灌誘發(fā)的滴頭堵塞機(jī)制主要為磷肥的吸附作用加速雜質(zhì)、離子置換形成的沉淀顆粒絮凝物的形成，其堵塞為物理、化學(xué)耦合堵塞。

圖5 不同肥料類型和濃度滴灌的電導(dǎo)率和pH值Fig.5 Electric conductivity and pH value of irrigation water with different fertilizers and fertilization concentrations

硫酸鉀是一種較強(qiáng)的電解質(zhì)[32]，故不同濃度肥液的電導(dǎo)率均顯著高于氮肥、磷肥和復(fù)合肥，為11 910～27 860 μS/cm(圖5a)，水體運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)小，進(jìn)入流道內(nèi)的懸浮顆粒及可溶性鹽離子跟隨流動(dòng)性好，懸浮物易隨水流流出滴頭流道[21]。鉀肥滴灌pH值在7.23～7.33之間(圖5b)，屬于中度堵塞范圍，易加速水中鈣、鎂離子形成沉淀，經(jīng)檢測(cè)生成硫酸鈣和芒硝石。在長(zhǎng)期滴灌的干濕交替中，流道內(nèi)壁化學(xué)沉淀附著層將逐漸加厚，壁面粘附力增大，進(jìn)而懸浮顆粒更易被吸附粘結(jié)在壁面，導(dǎo)致流道過(guò)流能力逐漸下降。鉀肥濃度越大，硫酸鉀結(jié)晶物、化學(xué)沉淀物越多，滴頭堵塞的風(fēng)險(xiǎn)越大，但總體小于尿素與磷肥，其堵塞主要為化學(xué)堵塞。

但本試驗(yàn)未考慮長(zhǎng)期滴灌過(guò)程中微生物滋生、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送及水流剪切力變化引起的滴頭堵塞物質(zhì)形成和生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，今后將綜合考慮物理、化學(xué)、生物等多因素影響，確定不同施肥滴灌條件下，滴頭的堵塞機(jī)理與過(guò)程，提出相應(yīng)的預(yù)防和治理管理辦法。

4 結(jié)論

(1)在沒(méi)有或者僅有少量固體懸浮物參與的情況下，施肥滴灌具有誘發(fā)或加速滴頭堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)不同肥料特性誘發(fā)滴頭堵塞的風(fēng)險(xiǎn)不同。肥料質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.0%時(shí)，滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)由大到小表現(xiàn)為：磷肥、尿素、鉀肥、復(fù)合肥，當(dāng)肥料質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于3.0%時(shí)，尿素誘發(fā)滴頭堵塞的風(fēng)險(xiǎn)最高，磷肥次之，鉀肥和復(fù)合肥較小。

(3)不同肥料類型誘發(fā)滴頭堵塞的主要物質(zhì)形成機(jī)制不同。尿素滴灌主要考慮肥料分子改變水體流動(dòng)性誘發(fā)的顆粒物質(zhì)與壁面粘附的沉積堵塞；可溶磷肥滴灌主要考慮磷吸附行為下肥料雜質(zhì)的團(tuán)聚沉淀堵塞；硫酸鉀滴灌主要考慮鈣、鎂沉淀誘發(fā)流道壁面糙度升高使過(guò)流斷面減小造成的堵塞；可溶性復(fù)合肥誘發(fā)機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

(4)滴頭結(jié)構(gòu)對(duì)施肥誘發(fā)堵塞的影響存在流道結(jié)構(gòu)尺寸和流道結(jié)構(gòu)類型的交互作用。

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Risk and Inducing Mechanism of Acceleration Emitter Clogging with Fertigation through Drip Irrigation Systems

LIU Lu1NIU Wenquan1,2WU Zhiguang2GUAN Yahui3LI Yuan1

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China2.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China
3.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

The inducing mechanism of emitters clogging with fertigation was explored. A laboratory experiment was conducted to investigate the influence of three factors (fertilizer types, fertilizer concentration and flow path structure) on anti-clogging performance of drip emitters. The intermittent drip irrigation experiment was studied by using two flow path types of non-pressure compensating emitters (arc-shaped saw-tooth and cup-shaped saw-tooth), four levels of fertilization concentration (0.5%, 1.0%, 2.0% and 3.0%) and four types of fertilizer (urea, calcium superphosphate, potassium sulfate and water soluble compound fertilizer) and the system was allowed to run for 20 h. The mathematical analysis methods in combination with field scanning electron microscope (FESM), energy dispersive spectrometer (EDS) and X-ray diffraction (XRD) technology were then used to quantitatively and qualitatively analyze the variations of the emitter’s average relative flow rate, surface topographical characteristics and components of the clogging materials internal emitters. Results showed that fertilizer characteristic was an important factor in deciding the emitter clogging type and degree (P<0.01), and the influence of the two flow path structures on the accelerating effect of emitter clogging performance needed to consider the path structural size and style. The accelerating effect of fertilizer application on emitter was not obvious when the concentration of fertilizer solution was less than 0.5%. When the concentration was increased to 0.5%～2.0%, there were obvious changes in the quantities of outflow discharge occurred in phosphate-fertigation, which made it clog easily, followed with urea-fertigation, the applicability of potassium-fertigation and compound-fertigation was better than that of the former. When the concentration was risen to 2.0%～3.0% or higher, the clogging degree was so serious with urea-fertigation, the flow rate was decreased by 10.26%, which was significantly higher than those of phosphate-fertigation (7.85%), potassium-fertigation (4.07%) and compound-fertigation (2.74%). Fertilization can promote the clogging of the emitters. These fertilizer types had different water quality, hence resulting into different emitter clogging risk and inducing mechanism. Emitters clogging with urea fertigation were caused by the role of aggregation and adhesion with both crystallization of the molecular urea state and suspended particles in the water. The adsorption function that particulate impurities to phosphorus promoted flocculation while precipitation among solid particles was as a result of inducing mechanism of emitter clogging with phosphate fertigation. The main inducing mechanism for emitter clogging with potassium-fertigation was chemical precipitation because of the ion-exchange action, while emitter clogging with compound-fertigation had the lowest risk. Therefore, fertigation with different fertilizer types should adopt different emitter clogging controlling management strategy.

fertigation; emitter; clogging; risk; mechanism

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.01.030

2016-09-04

2016-11-04

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0400202)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51679205)

劉璐(1986—)，女，博士生，主要從事灌溉理論與節(jié)水技術(shù)研究，E-mail: wzx130807@163.com

牛文全(1971—)，男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事水土資源高效利用與節(jié)水灌溉技術(shù)研究，E-mail: nwq@nwafu.edu.cn

S275.6

A

1000-1298(2017)01-0228-09