水肥一體微噴帶沿程壓力及肥液濃度分布規(guī)律試驗研究

徐 茹，王文娥，胡笑濤

(西北農(nóng)林科技大學 旱區(qū)農(nóng)業(yè)工程教育部重點實驗室 ，陜西 楊凌 712100)

微噴帶是在薄壁塑料軟管管壁上直接加工以組為單位循環(huán)排列的噴孔，通過這些噴孔出水灌溉的一種節(jié)水灌溉材料[1]。微噴帶灌溉具有投資成本低，運行壓力低，流量大，抗堵塞性能良好，維護保養(yǎng)方便，易于鋪設(shè)收取等優(yōu)點，且可實現(xiàn)水肥一體化，提高水分肥料利用率[2,3]。微噴可將肥料或農(nóng)藥直接噴灑在植物葉面上，是具有水肥藥一體功能的化學灌溉[4]。由于微噴帶灌溉時沿程壓力逐漸降低，設(shè)計不合理時容易造成沿程水肥藥分布均勻性差，引起作物生長進程不一或管道首部噴灑水肥過多造成養(yǎng)分浪費，尾端水肥供應不足，植株生長矮小產(chǎn)量低下等。滿建國等[1]研究了不同帶長微噴帶對土壤水分分布與冬小麥耗水特性及產(chǎn)量的影響，得出隨著微噴帶長度的縮短，小麥籽粒產(chǎn)量，產(chǎn)量水分利用效率顯著升高；Burt[5]提出微噴帶灌溉水肥分布的非均勻性大約45%由水壓不均勻引起。因此，通過試驗研究微噴帶作用壓力、施肥罐作用壓差對微噴帶沿程壓力分布及沿程肥液濃度的影響，確定水肥一體微噴帶適宜運行參數(shù)，為實際生產(chǎn)中微噴帶隨水施肥運行過程中提高施肥均勻性提供參考。

1 試驗材料與方法

水肥一體化條件下，肥料通過施肥裝置與灌溉水同時施入田間，水是肥料的載體，所以在進行微噴帶灌溉施肥均勻性試驗之前，首先在西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)工程教育部重點實驗室進行了3種微噴帶的水力性能及噴幅試驗，根據(jù)大田小麥種植特點，確定適宜小麥灌溉使用的微噴帶型號，然后對選定的微噴帶在大田試驗條件下進行不同管首作用壓力的沿程壓力分布試驗，確定沿程壓力分布較均勻的作用壓力范圍，在此基礎(chǔ)上進行水肥一體微噴帶施肥均勻性大田試驗。大田試驗在甘肅武威中國農(nóng)業(yè)大學石羊河生態(tài)節(jié)水試驗站進行。

微噴帶水力性能及單孔水量分布試驗采用市場上常見的3種斜五孔微噴帶(陜西省啟豐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程有限公司)試驗微噴帶的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，具體參數(shù)見表1；噴幅試驗取2 m微噴帶，在距帶首0.6 m處取一個孔進行測取不同壓力下微噴帶的噴幅。

圖1 微噴帶結(jié)構(gòu)及噴灑軌跡示意圖

根據(jù)微噴帶水力性能及噴幅試驗結(jié)果，結(jié)合武威小麥種植實際情況和試驗地條件，選擇Ф32微噴帶作為大田試驗材料；田間微噴帶鋪設(shè)長度40 m，兩條微噴帶間距為5 m，設(shè)置5種管首壓力(40、44、54、62.5、70 kPa)，測定沿程壓力分布，確定沿程壓力分布較均勻的管首壓力范圍后，設(shè)置水肥一體微噴帶施肥均勻性試驗參數(shù)。大田試驗布置見圖2。

表1 3種微噴帶結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖2 大田試驗布置示意圖

綜合考慮小麥所需營養(yǎng)及微噴帶抗堵塞性能測定確定試驗肥料，采用了易溶性肥料尿素與難溶性肥料磷酸二銨兩種，施肥裝置根據(jù)試驗田的大小選用容積為13 L的壓差式施肥罐施肥，120目網(wǎng)式過濾器。管道的首部壓力分別為50和60 kPa、施肥罐兩端壓差分別設(shè)置10和20 kPa兩種。從帶首開始沿微噴帶每隔8 m設(shè)一取樣點，共6個取樣點，取樣位置在靠近微噴帶。試驗開始首先將所需肥料進行預溶解，通過首部壓力表顯示壓力調(diào)節(jié)合適的壓力，噴水2～3 min，所有噴孔均穩(wěn)定噴水后打開施肥罐的開關(guān)進行施加肥料。施肥罐開關(guān)打開的同時，開始連續(xù)取樣，每次5 min，施肥時長30 min，共取6次。取樣結(jié)束關(guān)閉施肥罐開關(guān)進行清水噴灑5 min，觀察微噴帶是否出現(xiàn)堵塞情況。

管道首部及微噴帶沿程壓力通過精密壓力表(量程0.2 MPa，精度0.25級)，使用電導率儀(Five Easy經(jīng)濟型電導率儀)測量肥液電導率。

2 結(jié)果與分析

2.1 微噴帶水力性能及噴幅

利用微噴帶進行水肥一體化灌溉時，肥料隨灌溉水噴到空中，最后落到作物植株或地面上，灌溉水噴灑范圍、水量及肥液濃度分布等決定肥料施用量的空間分布及均勻性，為了提高施肥均勻度，首先需要了解微噴帶有效噴灑區(qū)域及噴灑水量的影響因素，以確定適宜大田小麥水肥一體化的微噴帶型號及運行參數(shù)。因此在施肥均勻性大田試驗之前先對3種型號微噴帶沿程壓力的變化情況進行了試驗分析，以確定較適宜型號及作用壓力范圍。微噴帶的有效噴灑區(qū)域主要是由噴幅與干燥區(qū)寬度決定的，根據(jù)孔口出流及斜拋運動規(guī)律可知，影響噴幅的主要因素是壓力與噴射角度。地勢平坦時，微噴帶每組5個孔的噴射角度是固定不變，多孔組合噴水時，壓力是決定微噴帶噴射寬度的主要因素。根據(jù)試驗所得3種規(guī)格微噴帶在不同作用壓力時的單位長度流量及噴幅，繪制了微噴帶作用壓力與單位長度流量及噴幅的關(guān)系圖(見圖3和圖4)。

圖3 微噴帶壓力與單位長度流量關(guān)系

圖4 3種微噴帶噴幅與管首壓力的關(guān)系

由圖3可以看出3種微噴帶的壓力流量均存在正相關(guān)的關(guān)系，相同壓力下，出流量隨微噴帶管徑的增大而增大，但流量增大幅度不同，Ф32和Ф40的差值相對于Ф28和Ф32較小。由圖4可以看出微噴帶的噴幅隨著壓力的增大呈現(xiàn)不斷增大的趨勢，當壓力超過40 kPa時，噴幅趨于穩(wěn)定。在實際運行過程中，使用多條微噴帶組合灌溉時確定合適的作用壓力可以使灌溉濕潤區(qū)重疊部分達到最適宜，不僅可以節(jié)水節(jié)肥，還能使作物得到合適的灌溉水分。由于從微噴帶首部到管尾的壓力逐漸降低，噴幅逐漸減小，且小麥生育中后期莖稈和葉片比較密集，微噴帶噴出的水流受到阻擋，噴水均勻性以及噴幅都會受到影響。圖3可以看出Ф32與Ф40兩種微噴帶噴幅相同壓力下差值很小，根據(jù)武威當?shù)赝寥捞卣?、微噴帶降水強度且流量太大會產(chǎn)生滲流，影響灌溉均勻度，所以大田試驗選擇Ф32微噴帶可以達到較好的灌溉效果。

微灌系統(tǒng)的毛管屬于沿程泄流管(滴灌管或微噴帶)，由于水流通過毛管時會產(chǎn)生水頭損失，即沿程壓力會逐漸降低，出流量將逐漸減少，均勻度隨之下降。因此在設(shè)計微灌系統(tǒng)時，要求微灌毛管首末壓差在一定范圍內(nèi)，以保證出流量差異在20%以內(nèi)。微噴帶首部作用壓力不變時，增加帶長，單位時間內(nèi)灌溉面積增大，但是隨著微噴帶長度的增加，壓力損失也會隨之增大，使得沿程流量逐漸降低，灌溉水量不均勻[6]。當微噴帶長度一定時，首部壓力不同也會造成首尾壓差的變化。大田試驗對40 m長的微噴帶設(shè)置了5個首部作用壓力，圖5給出了40 m時Ф32斜五孔微噴帶在不同水壓下的沿程壓力分布。

圖5 Ф32微噴帶40 m不同帶首壓力下沿程壓力變化

由圖5可知，在40 m時Ф32斜五孔微噴帶在不同水壓下的沿程壓力基本呈下降趨勢，最后8 m壓力接近一致。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因微噴帶灌溉屬于沿程泄流管道，存在沿程和局部水頭損失，沿程壓力逐漸降低；隨著沿程不斷泄流，微噴帶內(nèi)輸送流量逐漸減少，流速逐漸降低，單位長度上的水頭損失逐漸減小，微噴帶的沿程壓力降低幅度逐漸變緩。由于尾部封堵不出水，壓力有少許回升。微噴帶首尾壓差是影響沿程水量和施肥均勻性的最直接的因素，需要對微噴帶首部壓力和首尾壓差的變化規(guī)律進行分析。

當微噴帶首尾壓差較大時，微噴帶首尾噴灑水量將會出現(xiàn)較大差異，進一步導致肥料用量差異較大，引起尾部作物缺少營養(yǎng)，要達到肥料使用均勻首先要保證微噴帶沿程壓力分布均勻。根據(jù)圖5，可以看出帶首壓力為40 kPa時首尾壓差為15.5 kPa，54 kPa時達到22 kPa，而70 kPa時壓差為24.6 kPa，可得出首端壓力越大時，首末兩端壓差越大，由于帶中的輸水量是逐漸減少的，相同長度微噴帶產(chǎn)生的水頭損失是逐漸減少的，而且沿程的壓力不是均勻降低的，壓差的變化也是不均勻的。

首末兩端的壓差不僅與壓力水頭有關(guān)，還與微噴帶的鋪設(shè)長度與管徑有關(guān)系，微噴帶的鋪設(shè)長度越長，首末壓差越大。當首尾壓差較大時灌溉均勻性較低，隨水輸入田間的肥料的均勻度將隨之降低，所以根據(jù)微噴帶的噴幅、微噴帶沿程壓力變化情況以及首部壓力與首尾壓差的關(guān)系，微噴帶首尾兩端壓力差也直接影響施肥均勻性，壓差過大會導致微噴帶首尾施肥不均勻，對作物的生長發(fā)育有很大的影響。在本試驗中選擇灌水均勻度較高(壓力范圍為50～60 kPa)條件下進行施肥均勻性的試驗，觀察不同壓力情況下，微噴帶施肥均勻性的情況。

2.2 垂直于微噴帶布置方向肥液濃度分布規(guī)律

在進行田間試驗前，先根據(jù)配置的溶液得到濃度與電導率的率定關(guān)系式。通過標定的肥液濃度與電導率的關(guān)系式將肥液樣本的電導率轉(zhuǎn)化為濃度。通過對微噴帶在3個不同位置垂直于微噴帶方向微噴帶肥液濃度進行試驗，分析垂直于微噴帶方向肥液濃度變化。圖6給出了磷酸二銨在施肥開始后和結(jié)束前5 min兩個時間段內(nèi)距微噴帶首部1、3、10 m 3個位置處垂直于微噴帶方向的肥液濃度變化。由圖6可以看出，在垂直于微噴帶方向肥液濃度變化不大，肥隨水運移過程中，同一時間在微噴帶內(nèi)部同一位置肥液濃度不會產(chǎn)生很大的變化，垂直于微噴帶方向的水量會有一定變化，相應的肥液濃度會產(chǎn)生輕微的差異。可以看出前5 min時，最大差異在0.05 mg/L左右，而在施肥最后5 min微噴帶管道內(nèi)部肥液濃度趨于穩(wěn)定，最大差異在0.03 mg/L左右，同時從圖6可以看出肥液濃度沿程是降低的。

圖6 垂直于微噴帶方向磷酸二銨肥液濃度變化

2.3 微噴帶沿程肥液濃度分析

2.3.1 肥液濃度隨時間的變化規(guī)律

由于采用壓差式施肥罐，其出口肥液濃度隨時間發(fā)生變化，所以微噴帶沿程肥液濃度也隨時間發(fā)生變化，圖7和圖8分別給出了施肥罐壓差10 kPa時各時間段肥液濃度沿程分布及沿程6個位置處肥液濃度隨時間的變化過程，由圖7和圖8可以看出，在施肥罐兩端壓差相同時，尿素肥液濃度在不同時刻沿程變化情況基本相同，而磷酸二銨不同時刻變化趨勢相似均逐漸降低，但在20 min后變化十分微小。

圖7 各時間段肥液濃度沿程分布(施肥罐壓差10 kPa)

圖8 不同位置處肥液濃度隨時間差變化(施肥罐壓差10 kPa)

施肥罐出口肥液濃度直接影響各位置處肥液濃度，同時與肥料種類相關(guān)、施肥罐兩端壓差以及施肥時間相關(guān)。

2.3.2 施肥罐壓差對肥液濃度的影響

從以上分析可以看出施肥罐性能直接影響微噴帶施肥效果，最主要的影響因素是施肥罐兩端壓差。由于同一肥料在微噴帶沿程各位置肥液濃度隨時間的變化規(guī)律相似，所以以施肥開始后5 min時肥液濃度沿程分布為例，分析施肥罐壓差對肥液濃度的影響，另外取中間位置16 m處分析在施肥過程中肥液濃度的變化情況。

通過水肥一體微噴帶灌溉施肥試驗，測定沿程肥液濃度，圖9給出了兩種肥料隨水噴灑的肥液濃度沿程變化情況。

圖9 施肥罐壓差不同時肥液濃度沿程變化情況(施肥開始后5 min內(nèi))

由圖9可以看出在相同時刻，兩種肥料易溶性肥料尿素與難溶性肥料磷酸二銨相比，尿素的肥液濃度沿程下降得比較快，磷肥的沿程肥液濃度變化較為平緩。尿素極易溶于水，在開始施肥時肥料已經(jīng)完全溶于水形成了溶液，肥料隨水流到達取樣點，對于易溶于水的肥料來說，沿程溶液的濃度與沿程壓力變化有很大的關(guān)系。而對于難溶于水的磷酸二銨來說，在施肥開始的時候并沒有完全溶于水中，施肥罐中為肥料的懸濁液，底部還有部分未溶解的肥料。所以在不斷施肥的過程中，磷肥同時也在繼續(xù)溶解，所以肥液沿程濃度變化較為平緩。同樣可以看出，在一次施肥過程中肥液濃度沿程降低的過程也不是均勻的，這一現(xiàn)象跟沿程壓力變化不均勻，泄流量沿程不相同是密切相關(guān)的。

圖10給出兩種肥料在施肥罐壓差不同時肥液濃度隨時間變化曲線，易溶性肥料隨時間濃度變化情況與壓差關(guān)系較為明顯，難溶性肥料隨時間變化與壓差關(guān)系不明顯。尿素在壓差為10 kPa時，肥液濃度在30 min內(nèi)隨時間變化都比較平緩，而當壓差為20 kPa時，肥液濃度在20 min中內(nèi)急劇下降，之后下降速度放緩。磷酸二銨肥液濃度隨時間變化與壓差的關(guān)系不大，兩種壓差下都是在前十分鐘肥液濃度急劇下降，之后趨于平緩在20 min后趨于穩(wěn)定。這說明在一次施肥過程中，肥液濃度不僅沿程下降不均勻而且隨時間降低的過程也是不均勻的，這種情況會影響到田間灌溉施肥的均勻性。

圖10 施肥罐壓差不同時距管首16 m處肥液濃度隨時間變化

3 結(jié) 論

通過對水肥一體微噴帶施肥均勻性的試驗探究得出以下結(jié)論：

(1)在實際運行過程中，作物生育中后期微噴帶噴出的水流會被密集的莖稈和葉片阻擋，噴幅會大幅降低，且噴幅會沿管道逐漸降低。則在大田使用微噴帶灌溉時作用壓力不應過低，需根據(jù)微噴帶鋪設(shè)長度及水力性能確定適宜的作用壓力，以保證灌水均勻性。

(2)沿程壓力變化情況對于微噴帶的施肥均勻性有很大的影響。通過對沿程壓力的變化情況以及微噴帶在不同壓力下的有效噴灑范圍的探究，確定了大田試驗適宜的首部作用壓力范圍。鋪設(shè)長度40 m、間距5 m時，選擇50～60 kPa作為微噴帶的首部作用壓力灌溉效果較好。

(3)對于易溶性肥料如尿素等，施肥罐兩端壓差在10 kPa時肥液濃度沿程變化相對平緩，隨時間變化較平緩，在實際運行使用過程中對于易溶性肥料可以采用較小的施肥罐兩端的壓差；對于難溶性肥料來說，與壓差關(guān)系不大，但是容易有沉積物滯留在施肥罐底部，建議實際生產(chǎn)中采用速溶性磷肥。

有研究認為在一定范圍內(nèi)微噴帶的沿程肥水均勻性與水壓無關(guān)[10]，無論微噴帶首部壓力大小如何，水壓均會沿著微噴帶的延伸逐步減少，由此造成出水量逐漸下降。本試驗結(jié)果表明微噴帶的沿程水肥均勻性與作用壓力有關(guān)系，不同的管首壓力會產(chǎn)生不同的首尾壓差。對微噴帶灌溉水肥均勻性有直接關(guān)系的是沿程的壓力變化情況，在實際生產(chǎn)中微噴帶的鋪設(shè)長度一定時應選擇首尾壓差較小的首部工作壓力。對于施肥罐壓差相同、首部壓力不同對施肥均勻度的影響也有待進一步探究。