玉米秸稈復(fù)合滲灌管研制及滲水性能研究

仵 峰，王富斌，宰松梅，楚運(yùn)旺

玉米秸稈復(fù)合滲灌管研制及滲水性能研究

仵 峰，王富斌，宰松梅，楚運(yùn)旺

（1. 華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，鄭州 450046； 2. 河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室，鄭州 450046）

秸稈地下灌溉是將作物秸稈與土壤混合擠壓形成具有滲水能力的復(fù)合滲灌管進(jìn)行田間灌水的一項技術(shù)，開發(fā)符合灌水要求的秸稈復(fù)合管材關(guān)系到秸稈地下灌溉的成敗。利用自制的秸稈復(fù)合管成型機(jī)，以秸稈摻量、含水率、螺旋軸轉(zhuǎn)速為參數(shù)，在室內(nèi)進(jìn)行了基于玉米秸稈的秸稈復(fù)合管性能3因素3水平正交試驗，研究了秸稈復(fù)合管材的成型和滲水性能，分析了秸稈摻量、初始含水率、螺旋軸轉(zhuǎn)速對秸稈復(fù)合管材的容重、滲水速率和滲水均勻系數(shù)等的影響。結(jié)果表明：1）秸稈復(fù)合管材的容重在1.278～1.355 g/cm3之間，影響其容重的主要因素是秸稈摻量，隨著秸稈摻量的增加，復(fù)合管材的容重減??；秸稈摻量為5%，初始含水率為22%，螺旋軸轉(zhuǎn)速為62 r/min時，有利于秸稈復(fù)合管成型；2）在0.25 m壓力水頭自由出流條件下，1 h的秸稈復(fù)合管材滲水速率在0.76～1.40 L/(m·h)之間，與常用的微灌灌水器流量相當(dāng)。秸稈摻量為9%，初始含水率為24%，螺旋軸轉(zhuǎn)速為50 r/min時，秸稈復(fù)合管材滲水速率最大；3）低壓自由出流條件下，秸稈復(fù)合管材透水均勻系數(shù)在0.13～0.35之間，秸稈摻量為5%，初始含水率為24%，螺旋軸轉(zhuǎn)速為50 r/min時，透水均勻系數(shù)最大，仍不能滿足灌溉要求；4）綜合考慮秸稈復(fù)合管材容重、滲水速率及滲水均勻度等因素，秸稈摻量為5%，初始含水率為24%，螺旋軸轉(zhuǎn)速為50 r/min時，秸稈復(fù)合管材綜合性能指標(biāo)最優(yōu)。上述結(jié)論對秸稈復(fù)合管材的研究和開發(fā)具有一定的參考價值，有利于推動秸稈資源化利用和田間節(jié)水技術(shù)的發(fā)展。

秸稈；含水率；灌溉；秸稈復(fù)合管材；容重；滲水性能；均勻系數(shù)

0 引 言

秸稈作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品，經(jīng)濟(jì)價值較低，不合理的處置，會給生產(chǎn)、環(huán)境等帶來一系列問題[1]。目前，中國的秸稈利用方式有秸稈還田[2]、秸稈飼料[3]、秸稈燃料[4]、秸稈基質(zhì)[5]等，以秸稈還田為主。研究表明，秸稈還田在優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境方面具有重要作用，能明顯改善土壤有機(jī)碳的活性與質(zhì)量[6-7]，有效防止土壤腐殖質(zhì)的流失[8]，促進(jìn)土壤呼吸，增加凈CO2吸收[9]，減少非甲烷烴的排放[10]，降低表層土壤硝態(tài)氮的濃度[11]，改善土壤水肥狀況和提高作物產(chǎn)量[12-13]。有利于鹽漬土的團(tuán)聚體穩(wěn)定[14]，有效改良鹽堿地[15]。秸稈還田技術(shù)的推廣與農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度密不可分，還田方式的選擇需要考慮氣候條件的區(qū)域性差異。中國西北和東北地區(qū)常用秸稈粉碎覆蓋還田與免耕技術(shù)配套的種植模式來直接還田；南方地區(qū)一般采用整桿或高留茬等方式直接還田；華北地區(qū)大多采用小麥高茬免耕和玉米秸稈粉碎犁翻方式直接還田[16]。據(jù)調(diào)查，秸稈還田量僅占秸稈利用量的43.2%[17]，秸稈還田還難以達(dá)到全量直接還田的標(biāo)準(zhǔn)，而且秸稈還田后，由于下茬作物的出苗、病蟲害以及微生物與作物爭水爭肥等問題突出，甚至?xí)饻p產(chǎn)，且不宜連續(xù)操作，導(dǎo)致秸稈還田推而不廣，秸稈還田技術(shù)有待進(jìn)一步提升。

隨著水資源的日益緊缺，農(nóng)業(yè)節(jié)水倍受關(guān)注，亟待研發(fā)適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的節(jié)水灌溉新技術(shù)。地下灌溉是一種古老的灌水技術(shù)，通過地埋滲水瓦管向作物根區(qū)供水，是一種低定額、高效的灌溉技術(shù)。材料工業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了替代瓦管的滲灌管，滲灌管主要有微孔滲灌管和打孔滲灌管2類，微孔滲灌管采用塑料加發(fā)泡劑或者利用廢舊橡膠和聚乙烯等材料生產(chǎn)[18]，打孔滲灌管是在常規(guī)PE管上按一定距離劃口或打孔[19]，形成了地下灌溉的分支—滲灌。20世紀(jì)90年代以來，微灌技術(shù)迅速發(fā)展，用滴灌毛管（滴灌帶）代替滲灌管，出現(xiàn)了地下滴灌。進(jìn)入21世紀(jì)，出現(xiàn)了半滲膜、全壁微孔滲灌管等，提出了微潤灌[20]、痕量灌溉[21-22]等新技術(shù)?？傮w上看，滲灌管出流均勻性較差、防堵性能不理想、壓力流量關(guān)系不佳[23-24]。目前，雖然國內(nèi)外均有地下滴灌成功應(yīng)用的案例，但應(yīng)用中仍存在出苗水供給不足和堵塞風(fēng)險增加等問題，而且報廢時毛管的回收也是一個難題。

針對秸稈還田和地下灌溉的優(yōu)勢和存在的問題，筆者提出了秸稈地下灌溉的設(shè)想[25]。將作物秸稈粉碎與土壤混合擠壓形成具有滲水能力的復(fù)合管材，替代田間灌水毛管，應(yīng)用時采用一次性淺埋，一年或一季后直接還田，一定程度上緩解或解決地下滴灌堵塞的問題。同時，由于秸稈與下茬作物根區(qū)分離，解決了下茬作物的出苗及生長過程中與微生物爭水、爭肥的問題，也為集中處理病蟲害創(chuàng)造了條件。秸稈地下灌溉應(yīng)用的理論基礎(chǔ)是秸稈復(fù)合管的成型及其水力性能。本文通過室內(nèi)正交試驗，初步研究玉米秸稈復(fù)合管成管過程中各因素對其容重、滲水量和滲水均勻系數(shù)等的影響，以期得到復(fù)合管材水力性能最佳的因素組合，開發(fā)秸稈復(fù)合管，推動秸稈就地綜合利用及節(jié)水灌溉事業(yè)的發(fā)展。

1 材料與方法

試驗所需玉米秸稈來自河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室當(dāng)年種植的玉米秸稈。玉米品種為鄭單958，種植密度為67 500株/hm2，待玉米收獲后，用秸稈還田機(jī)將玉米秸稈打碎成3～8 cm的碎段還田于地表，按1.0 m寬定量收集還田于地表的玉米秸稈風(fēng)干后備用。供試土壤取自試驗田的地表土，土壤為沙壤土，試驗前測定土壤的含水率作為基數(shù)。將風(fēng)干后的玉米秸稈與土壤按一定的配比混合，按照試驗設(shè)計，計算在試驗過程中加入的水量，調(diào)節(jié)各試驗處理的含水率。調(diào)整到設(shè)定的含水率后，攪拌均勻，覆膜靜置24 h后，復(fù)測其含水率，作為試驗的初始含水率。利用自制的秸稈復(fù)合管成型裝置制備成秸稈復(fù)合管。自制的秸稈復(fù)合管成型機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由電機(jī)、支架、軸承、螺旋軸、外殼、底座等部分構(gòu)成。電機(jī)是整個裝置的動力源，采用3 kW異步電動機(jī)和減速比為23的減速機(jī)，同時接入變速調(diào)頻器，可對秸稈復(fù)合管成型機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。支架和底座主要起固定和支撐作用；外殼既是保護(hù)結(jié)構(gòu)，也是秸稈復(fù)合管定型的主要組成部分；螺旋軸是用來傳動和擠壓秸稈與土壤的混合材料，秸稈和土壤混合料在螺旋軸和外殼的共同作用下，形成具有一定強(qiáng)度的復(fù)合管材。

1.入料口 2.外殼 3.螺旋軸 4.支架 5.底座 6.軸承 7.連接部分8.電機(jī)

試驗前采用烘干法測定秸稈復(fù)合管材的含水率、容重等基本數(shù)據(jù)。秸稈復(fù)合管材的滲水試驗采用馬氏瓶供水，以0.25 m的恒壓水頭進(jìn)行試驗。試樣由支架支撐懸空，從供水端開始，等待其滲水1 h時，每隔30 cm設(shè)置一個測點，測量每個測點滲出的水量，并稱取試樣質(zhì)量，計算出每個測點滲水量，進(jìn)而求得滲水均勻系數(shù)。

單位長度的滲水量由測點滲水量與對應(yīng)試樣長度的比值得到，滲水均勻系數(shù)的計算采用下式計算[26]。

式中為均勻系數(shù)；w為測點的滲水量，mL；為各測點平均滲水量，mL；為試驗測點數(shù)。

通過以上分析，對每個因素設(shè)置3個水平，秸稈質(zhì)量3個水平分別為含量5%、7%、9%，初始含水率3個水平分別為質(zhì)量含水率20%、22%、24%，螺旋軸轉(zhuǎn)速對應(yīng)的3個水平分別為50、62、74 r/min，共有9種不同的試驗組合方案。每組試驗設(shè)置3個重復(fù)，以平均值作為試驗結(jié)果。因素水平表見表1。

表1 因素水平表

試驗結(jié)果采用直觀分析法和方差分析法進(jìn)行分析，對試驗結(jié)果進(jìn)行檢驗，判斷各因素對試驗結(jié)果的影響是否顯著。通過綜合分析法對試驗結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)分析，權(quán)衡各試驗指標(biāo)的重要性，對各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，分析確定最佳的試驗方案。

2 結(jié)果與分析

各試驗組合條件下秸稈復(fù)合管的容重、滲水速率及滲水均勻系數(shù)結(jié)果見表2。其中，第7組試驗組合由于秸稈含量最大、含水量最低、螺旋桿轉(zhuǎn)速最高，最不利于秸稈復(fù)合管成型，通過秸稈復(fù)合管成型機(jī)后成型的秸稈復(fù)合管斷裂嚴(yán)重，不能參與試驗分析，后經(jīng)多次反復(fù)擠壓方才成型；由于擠壓次數(shù)過多，造成秸稈復(fù)合管容重過大，相應(yīng)的試驗結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，后續(xù)結(jié)果分析時，對第7組沒有進(jìn)行分析。

表2 試驗因素水平組合及試驗結(jié)果

注：為秸稈摻量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%）；為初始含水率，%；為螺旋軸轉(zhuǎn)速，r·min-1。下同。

Note:is the straw content (mass percent, %);is the initial water content, %; andis the spiral shaft speed, r·min-1.The same below.

2.1 不同因素對秸稈復(fù)合管材容重的影響

秸稈復(fù)合管材的容重對其成型具有重要影響。由于秸稈的密度小，秸稈摻加量對秸稈復(fù)合材料的容重影響較大。為了更好地利用秸稈，充分發(fā)揮秸稈的纖維骨架作用，需要確定最佳的秸稈摻量，保證秸稈復(fù)合材料穩(wěn)定成型，對秸稈復(fù)合管材的容重進(jìn)行了測定分析。

為了分析各因素對秸稈復(fù)合管材容重影響的顯著性，對其進(jìn)行了方差計算，得到各因素的值（表3）。由表3可知，值由大到小依次為秸稈摻量、含水率和螺旋軸轉(zhuǎn)速。其中秸稈摻量對復(fù)合管材容重的影響在0.05水平達(dá)到顯著，其他兩因素在0.10顯著水平下的影響仍不顯著。表明秸稈復(fù)合管材成型的關(guān)鍵因素在于秸稈摻量。這是由于與土壤相比，秸稈本身的容重小的多，秸稈摻量的多少對秸稈復(fù)合管材的容重影響顯著。

表3 秸稈復(fù)合管材容重的方差

注：**表示在0.05水平時影響顯著；*表示在0.10水平時影響顯著。下同。

Note: ** indicates that the effect is significant at 0.05 level; * indicates that the effect is significant at 0.10.The same below.

試驗中發(fā)現(xiàn)，螺旋軸的轉(zhuǎn)速對整個秸稈復(fù)合管成型機(jī)的影響較大。秸稈成型機(jī)的轉(zhuǎn)速增大，則由于土壤和秸稈的內(nèi)摩擦作用，使其休止角增大[27]，導(dǎo)致秸稈復(fù)合管材的容重快速增加，嚴(yán)重時造成秸稈成型機(jī)停機(jī)，對電機(jī)產(chǎn)生較大危害。初步研究表明，在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，秸稈與土壤混合擠壓成塊，容重較大，但在現(xiàn)有條件下不能使秸稈復(fù)合管從成型機(jī)中順利擠出。因此，試驗選用低轉(zhuǎn)速進(jìn)行，從試驗結(jié)果分析，低轉(zhuǎn)速范圍對其容重的影響并不顯著。

2.2 不同因素對秸稈復(fù)合管材滲水量的影響

表2給出了各處理秸稈復(fù)合管材滲水速率的試驗結(jié)果，秸稈復(fù)合管材的滲水量范圍在0.76～1.40 L/(m·h)。研究表明，在8 m工作壓力下，將額定流量為2.60 L/(m·h)的內(nèi)鑲片式灌水器作為滲灌管的平均流量是1.68 L/(m·h)[28]；10 m工作壓力下滴灌用內(nèi)鑲片式灌水器的設(shè)計流量為2 L/h[29]，按照每米3個滴頭計算，出流量為6 L/(m·h)，是秸稈摻量為9%時的秸稈復(fù)合管材的滲水量的4.9倍；番茄微潤灌溉的最大灌水定額約為35 L/m2[30]，按照秸稈復(fù)合管材的滲水量，需要25～46 h可以完成灌溉；在10 m工作壓力下，痕量灌溉帶的出流量為0.9 L/(m·h)，在地埋過程中會有所下降，平均出流量為0.846 L/(m·h)[31]。秸稈復(fù)合管的滲水量略大于痕量灌溉要求，可解決作物需水高峰期痕量灌溉難以滿足作物需水要求的難題。

表2計算了秸稈復(fù)合管材滲水速率的極差。秸稈復(fù)合管材滲水量極差由大到小依次為秸稈摻量、螺旋軸轉(zhuǎn)速、空列和含水率，表明秸稈摻量對秸稈復(fù)合管材的滲水量影響最大，含水率的影響最小。隨著秸稈摻量的增加，單位長度秸稈復(fù)合管材的滲水量增加。主要是由于秸稈摻量的增加，導(dǎo)致秸稈復(fù)合管材的孔隙率增大、容重減小而引起的；隨著含水率的增加，單位長度秸稈復(fù)合管材的滲水量緩慢增加，說明超過一定的含水率時，對其單位長度的滲水量影響不大；螺旋軸轉(zhuǎn)速對秸稈復(fù)合材料的影響呈線性遞減的趨勢，主要原因是隨著螺旋軸轉(zhuǎn)速增大，秸稈復(fù)合管材的容重增大、孔隙率減小。通過上述分析，最佳因素組合為331，即秸稈摻量為9%、初始含水率為24%、轉(zhuǎn)速為50 r/min時，秸稈復(fù)合管材的滲水速率達(dá)到最大，能較好地滿足農(nóng)田灌溉需求。

秸稈復(fù)合管材滲水速率的方差計算結(jié)果見表4。

表4 秸稈復(fù)合管材的滲水速率方差

由表4可以看出，值由大到小依次為秸稈摻量、轉(zhuǎn)速和含水率。但各因素對秸稈復(fù)合管材滲水量的影響均不顯著。其主要原因可能是由于水流通過秸稈復(fù)合管壁及裂縫，形成水流通道，在入滲過程中，水流對管壁的侵蝕作用對其滲水速率影響較大，導(dǎo)致試驗因素對滲水速率的影響不顯著。

2.3 不同因素對秸稈復(fù)合管材的滲水均勻系數(shù)的影響

滲水均勻度是衡量灌水效果的指標(biāo)之一，灌水均勻度越大，灌水越均勻，灌水越好。滲水均勻度采用克里斯琴森均勻系數(shù)表示。

表2給出了秸稈復(fù)合管材的滲水均勻系數(shù)結(jié)果，整體來看，試驗結(jié)果偏小?，F(xiàn)階段，在0.25 m壓力水頭自由滲水條件下，秸稈復(fù)合管材的滲水均勻系數(shù)尚不能滿足灌溉要求，主要是由于秸稈復(fù)合管材表面的裂縫以及未打碎的秸稈對其滲水均勻系數(shù)的影響較大。這與張昊等[29]的研究結(jié)果一致，即多孔滲灌管的滲水均勻度差，低于壓力補(bǔ)償?shù)晤^的滲水均勻度。這一結(jié)果也說明秸稈復(fù)合管只能作為地下灌溉的田間毛管，即將秸稈復(fù)合管埋入地下，在“管-溝-土”的協(xié)同作用下，進(jìn)一步提高其滲水均勻度，方才有望成為一種新的灌水技術(shù)。

表2中關(guān)于滲水均勻系數(shù)的極差結(jié)果顯示，極差由大到小依次為秸稈摻量、空列、螺旋軸轉(zhuǎn)速和含水率。秸稈摻量越大，秸稈復(fù)合管材的滲水均勻系數(shù)越??；隨初始含水率增加，秸稈復(fù)合管材的滲水均勻系數(shù)逐漸增大，且增幅也變大；螺旋軸轉(zhuǎn)速對滲水均勻系數(shù)的影響呈先減后增的趨勢，但增加幅度并不明顯。通過上述分析，最佳因素組合為131，即秸稈摻量為5%、初始含水率為24%、轉(zhuǎn)速為50 r/min時，秸稈復(fù)合管材的滲水均勻系數(shù)最大。

不同因素水平組合秸稈復(fù)合管材滲水均勻系數(shù)的方差計算結(jié)果見表5。

表5 秸稈復(fù)合管材的滲水均勻系數(shù)方差

由表5可知，秸稈復(fù)合管材滲水均勻系數(shù)的值由大到小依次為秸稈摻量、轉(zhuǎn)速和含水率。在0.05顯著性水平下，秸稈摻量對秸稈復(fù)合管材滲水均勻系數(shù)的影響達(dá)到顯著水平，其他兩因素的影響不顯著。表明秸稈摻量顯著影響秸稈復(fù)合管材的滲水均勻性；轉(zhuǎn)速對滲水均勻系數(shù)的影響次之，含水率的影響最小。

2.4 秸稈復(fù)合管綜合性能分析

通過上述分析，分別確定了影響秸稈復(fù)合管材性能的最佳因素組合。為了更好地發(fā)揮秸稈復(fù)合管材的性能，找出有利于秸稈復(fù)合管成型并符合灌溉需求的組合，對上述3個指標(biāo)進(jìn)行綜合分析。綜合性能指標(biāo)是按照不同的權(quán)重，對秸稈復(fù)合管的容重、滲水速率、滲水均勻度3個指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)平均，能反映秸稈綜合性能好壞的指標(biāo)。

秸稈復(fù)合管材作為一種新的灌溉材料，既要滿足農(nóng)田灌溉要求，同時在輸水方面又要有足夠的可靠性，即要求控制秸稈復(fù)合管材的滲水速率和滲水均勻系數(shù)在合理的范圍內(nèi)。為此，對秸稈復(fù)合管的容重、滲水速率、滲水均勻系數(shù)3個指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，用綜合性能指標(biāo)來綜合衡量秸稈復(fù)合管的成型及滲水性能，有利于秸稈復(fù)合管更好地推廣應(yīng)用。由于滲水速率與均勻系數(shù)是秸稈復(fù)合管推廣與應(yīng)用的重要指標(biāo)，而容重是其成型的主要指標(biāo)，按照各個指標(biāo)的重要程度加以不同的權(quán)重，假定秸稈復(fù)合管材容重的權(quán)重為0.2，滲水速率和滲水均勻系數(shù)的權(quán)重均為0.4，對其綜合性能指標(biāo)進(jìn)行計算，結(jié)果如表6所示。根據(jù)綜合性能指標(biāo)的計算結(jié)果，進(jìn)行直觀分析，得到對應(yīng)的極差，各因素水平對綜合性能指標(biāo)影響的直觀分析結(jié)果見圖2。

表6 試驗指標(biāo)歸一化綜合計算

注：為實測秸稈復(fù)合管容重，(g·cm-3)；為實測秸稈復(fù)合管滲水速率，(L·m-1·h-1)；為實測秸稈復(fù)合管滲水均勻系數(shù)；′為歸一化秸稈復(fù)合管容重；′為歸一化秸稈復(fù)合管滲水速率；′為歸一化秸稈復(fù)合管滲水均勻系數(shù)。

Note:is the measured bulk density of straw composite pipes, (g·cm-3);is the measured water infiltration rate of straw composite pipes, (L·m-1·h-1);is the measured water infiltration volume coefficient of straw composite pipes;′ is bulk density of the normalized straw composite pipes;′ is the infiltration water volume per unit length of the normalized straw composite pipes; and′ is the infiltration uniformity coefficient of the normalized straw composite pipes.

圖2 不同因素水平下秸稈復(fù)合管材綜合指標(biāo)的變化

由圖2可知，秸稈摻量和螺旋軸轉(zhuǎn)速對綜合性能指標(biāo)的影響呈負(fù)相關(guān)，含水率對綜合指標(biāo)的影響呈正相關(guān)。根據(jù)秸稈復(fù)合管材的成型要求和滲水性能及農(nóng)田作物生長對水分的需求，試驗條件下秸稈復(fù)合管材的最佳因素組合為131，即秸稈摻量為5%，初始含水率為24%，轉(zhuǎn)速為50 r/min時，既能使秸稈復(fù)合管有較好的成型效果，又有利于滿足農(nóng)田灌溉的需求。

3 結(jié) 論

研制了一種新型秸稈復(fù)合管材，采用3因素3水平正交試驗對其性能進(jìn)行了初步測試分析，確定了秸稈復(fù)合管作為田間灌水毛管的最佳因素組合，為秸稈地下灌溉技術(shù)的應(yīng)用提供了一定的參考。主要得出如下結(jié)論：

1）根據(jù)材料成型的基本要求，以秸稈復(fù)合管材的容重為指標(biāo)，當(dāng)秸稈摻量為5%、初始含水率為22%、螺旋軸轉(zhuǎn)速為62 r/min時，其容重達(dá)到最大，有利于秸稈復(fù)合管材的穩(wěn)定成型。

2）自由出流、0.25 m工作水頭條件下，秸稈復(fù)合管單位長度的滲水量與微灌灌水器相當(dāng)。當(dāng)秸稈摻量為9%、初始含水率為24%、螺旋軸轉(zhuǎn)速為50 r/min時，秸稈復(fù)合管滲水速率最大，有利于滿足灌溉要求。

3）以滲水均勻系數(shù)為指標(biāo)，在0.25 m低壓水頭、自由出流條件下，當(dāng)秸稈摻量為5%、初始含水率為24%、螺旋軸轉(zhuǎn)速為50 r/min時，秸稈復(fù)合管材滲水均勻系數(shù)最大，但仍不能滿足灌溉要求。

4）對容重、滲水速率和滲水均勻系數(shù)3個指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，按照2:4:4的權(quán)重分配，綜合分析得出最佳因素組合為秸稈摻量5%、初始含水率24%、螺旋軸轉(zhuǎn)速50 r/min。此時，秸稈復(fù)合管材的各項試驗指標(biāo)均得到較好的試驗效果，有利于秸稈復(fù)合管材的成型和應(yīng)用。

秸稈地下灌溉作為一種新型灌水技術(shù)，可在一定程度上緩解或解決地下滴灌與秸稈還田2項技術(shù)目前存在的問題。其核心產(chǎn)品是秸稈復(fù)合管，應(yīng)用的理論基礎(chǔ)是秸稈復(fù)合管的水力性能。本文僅對玉米秸稈復(fù)合管的性能進(jìn)行了初步探索，結(jié)果表明，利用秸稈復(fù)合管可以達(dá)到田間灌水毛管的灌水速率，現(xiàn)階段，在低壓條件下、空氣中自由出流時其均勻度偏低，尚達(dá)不到均勻出流的要求，但研究中發(fā)現(xiàn)，秸稈復(fù)合管在工作機(jī)制等方面與滲灌管不盡相同，如：滲灌管（地下滴灌毛管）的材料是塑料或橡膠，與其周圍土壤性質(zhì)完全不同。而秸稈復(fù)合管的管材是秸稈和土壤，與其周圍土壤性質(zhì)一致。材料的同質(zhì)性使秸稈地下灌溉表現(xiàn)出灌溉水與土壤水更強(qiáng)的聯(lián)動特征，參照滲灌、微潤灌等的研究成果，秸稈復(fù)合管埋入土壤后的出流均勻度會有所提高，但能否實現(xiàn)均勻灌水等一系列問題還正在試驗和探索當(dāng)中，相關(guān)研究還有待進(jìn)一步深入和細(xì)化。

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Development and infiltration performance of corn straw composite infiltration irrigation pipe

Wu Feng, Wang Fubin, Zai Songmei, Chu Yunwang

(1.450046,; 2.450046,)

Straw subsurface irrigation (SSI) is an innovative technology based on the combination of straw returning and subsurface drip irrigation. Straw composite infiltration irrigation pipe, which formed from crop straw and soil mixture by extrusion, was used to replace the capillary of subsurface drip irrigation for irrigation. It can help to solve the problems of subsurface drip irrigation to a certain extent, such as the emergence of water shortage, emitter blocking and capillary recycling as well as straw returning. The research and development of straw composite infiltration irrigation pipe that meet the irrigation requirements was related to the success of SSI technology. In the current study, the straw composite pipe (SCP) was produced with corn stalk as the main material by using a self-made straw composite pipe forming machine, orthogonal test of straw composite pipe (SCP) was performed with three-factor and three-levels. The straw content, initial water content and spiral shaft speed were taken as scientific parameters to study the factors affecting the formation and water infiltration properties of SCP. The three levels of straw mass content were 5%, 7%, and 9%, respectively. While, the three levels of initial mass water content were 20%, 22%, and 24%, and the three levels of the spiral shaft speed were 50, 62, and 74 r/min. Effects of straw content, initial water content and spiral shaft speed on the bulk density, permeability rate and water infiltration uniformity coefficient of SCP were analyzed. The results showed that: 1) The bulk density of SCP was in between 1.278-1.355 g/cm3, and the main factor affecting the bulk density of SCP was straw content. With the increasing of straw content, the bulk density of SCP was reduced. The best combination to the formation of SCP was 5% straw content, 22% initial water content, and 62 r/min spiral shaft rotation speed, the corresponding bulk density of SCP was 1.355 g/cm3; 2) The free water outlet rate of the SCP was between 0.76-1.40 L/(m·h) at 0.25 m working pressure, which meets the requirement of commonly micro-irrigation emitters flow rate. Water infiltration rate was mainly influenced by straw content. When the straw content was 9%, the initial water content was 24%, and the spiral shaft rotation speed was 50 r/min, per unit length of SCP had the largest free water outlet rate; 3) Under the condition of free flow, the uniformity coefficient of water permeability for SCP was between 0.13 and 0.35 with low working pressure. The optimal combination was 5% of straw content, 24% of water content and 50 r/min of the spiral shaft rotation speed, but it still could not meet the irrigation requirements; 4) It took into consideration of the formation, water infiltration and water uniformity of SCP, the best characters of SCP was 5% of straw content, 24% of water content and 50 r/min of spiral shaft rotation speed. The conclusions have a certain reference value for the research and development of SCP, which would be beneficial to promote the utilization of straw resources and the development of field water-saving technology.

straws; water content; irrigation; straw composite pipe (SCP); bulk density; infiltration properties; uniformity coefficient

2019-05-09

2019-06-14

中原科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才資助項目（194200510008）；國家重點研發(fā)計劃課題（2016YFC0400103）；國家科技支撐計劃課題（2015BAD24B02）；華北水利水電大學(xué)研究生創(chuàng)新課題（YK2018-14）。

仵 峰，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。Email：wufeng@ncwu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.012

S278; TU552

A

1002-6819(2019)-14-0098-07

仵 峰，王富斌，宰松梅，楚運(yùn)旺. 玉米秸稈復(fù)合滲灌管研制及滲水性能研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(14)：98－104. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.012 http://www.tcsae.org

Wu Feng, Wang Fubin, Zai Songmei, Chu Yunwang. Development and infiltration performance of corn straw composite infiltration irrigation pipe[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 98－104. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.012 http://www.tcsae.org