秸稈復合管水力性能初探

仵 峰，楚運旺，宰松梅，王富斌，劉生東

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

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，同時又是一個水資源匱乏的國家，每年消耗在農(nóng)田灌溉上的水量占全社會用水總量50%以上。中國的灌溉水利用系數(shù)僅為0.51［1］，與發(fā)達國家仍存在一定差距，亟需探尋一種符合中國國情的節(jié)水灌溉技術(shù)，緩解農(nóng)業(yè)用水的壓力。地下灌溉由來已久，灌溉水經(jīng)埋設(shè)在距地表10～40 cm處的滲水毛管或滴頭對作物根區(qū)進行灌溉［2-4］，與地面灌溉相比可節(jié)水70%～80%［5］。研究表明，地下灌溉可調(diào)節(jié)土壤理化性狀，提高土壤孔隙度，改善耕作層土壤結(jié)構(gòu)［6-7］，改良土壤的水熱條件［8］，降低管理成本，提高作物品質(zhì)，促進作物增產(chǎn);且灌水管網(wǎng)埋于地下，可節(jié)省土地，提高土地利用率［9］。但由于地下灌溉存在滴頭易堵塞［10］、維修難度大、毛管回收成本高等問題［11］，限制了其發(fā)展。近幾年來，涌現(xiàn)出負壓灌溉及痕量灌溉等新型灌溉技術(shù)［12-13］，但這些技術(shù)均有其適用條件，甚至還存在部分技術(shù)難題，推廣應用尚存爭議［14］。

秸稈作為農(nóng)田產(chǎn)物之一，其產(chǎn)量占比可達作物生物總量的50%左右［15］，隨著糧食的連年增產(chǎn)，中國作物秸稈年產(chǎn)量已超出 1×109t［16］。秸稈“五化”［17］為秸稈的綜合利用提供了新思路，其中秸稈還田(秸稈肥料化)是維持作物生產(chǎn)力和培肥地力的有效措施［18-26］，也是秸稈資源化利用的主要手段之一。但由于秸稈直接還田存在著秸稈與土壤的混合度差，影響機械耕作和作物出苗［27］;微生物與作物爭奪速效氮素影響作物生長［28］;以及秸稈直接還田可能帶來的病蟲害隱患等問題［29］，使其難以實現(xiàn)全量還田或者連續(xù)還田。目前，中國秸稈還田占比 43.2%［30］，與美國(68%)、英國(73%)以及日本(75%)還存在較大差距［31-32］。

綜合考慮地下灌溉與秸稈還田兩種技術(shù)的優(yōu)勢與不足，參照在秸稈材料化利用方面已有的研究結(jié)論［33-34］，自主研發(fā)了秸稈復合管成型機，用于制作新型的地下灌溉綠色管材——秸稈復合管。秸稈復合管應用于地下灌溉，既可達到灌溉的目的，又能夠?qū)崿F(xiàn)對作物秸稈的集中處理，在開發(fā)一種新型節(jié)水灌溉模式的同時，開辟了一種秸稈還田的新途徑。本文對埋于田間的秸稈復合管進行了初步灌水試驗，研究了利用秸稈復合管進行地下灌溉的可行性。針對秸稈摻量及秸稈復合管長度2個因素，對秸稈復合管的水力性能進行了初步分析，為以秸稈復合管為核心的秸稈地下灌溉技術(shù)的推廣應用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

試驗于2019年1月14日至3月24日在河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室進行。所用秸稈為試驗田中收獲的前茬玉米秸稈，玉米品種為鄭單958。玉米收獲后，用秸稈還田機將其打碎，并收集3～8 cm長的秸稈碎段備用。制作秸稈復合管的土壤取自試驗田中的表層土，土壤類型為沙質(zhì)壤土，干容重為 1.4 g·cm-3。

試驗所需的秸稈復合管由自主研發(fā)的秸稈復合管成型機制成。秸稈復合管成型機組成如圖1所示，主要由入料口、外殼、螺旋軸、支架、底座、軸承、聯(lián)軸器以及電機等8部分組成，其中電機是整個裝置的動力來源，為螺旋軸的轉(zhuǎn)動提供動力;螺旋軸為變徑螺旋軸，軸轂上附有等寬圓錐螺旋葉片;螺旋軸至無縫鋼管與圓錐外殼連接處改為由直徑2.8 cm的圓柱狀軸轂連接，外殼依據(jù)螺旋軸形狀設(shè)計為圓錐狀，其前端出料口處用法蘭將圓錐外殼和長10 cm內(nèi)徑6.0 cm的無縫鋼管連接。為了實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的精準控制，配備了減速比為23∶1的減速機以及型號為Z2400-3R7G/5R5P的電流矢量型變速調(diào)頻器。

圖1 秸稈復合管成型機的組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Composition and structure of straw composite pipe forming machine

1.1 秸稈復合管的制備材料及性能

秸稈復合管是由秸稈、水、土壤混合物經(jīng)秸稈復合管成型機擠壓而成的中空管道，如圖2所示。秸稈復合管內(nèi)徑，外徑，質(zhì)地均勻，內(nèi)壁光滑。管壁上分布有均勻的微小裂縫，具有較好輸水、透水條件，具備成為一種新型灌溉材料的潛質(zhì)。

觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)秸稈復合管成型機混合擠壓之后，秸稈主要以較小的條塊狀秸稈和纖維狀的秸稈絲2種形態(tài)存在。條塊狀秸稈在復合管中作為骨架，維系復合管的斷面穩(wěn)定，使其在過水狀態(tài)下不易垮塌。纖維狀的秸稈絲則可起連接作用，增加了復合管的抗拉性能，使其不易發(fā)生斷裂。根據(jù)試驗要求不同，可以制作出不同長度的秸稈復合管。秸稈復合管埋于作物根層附近，灌溉時，水流經(jīng)管壁及微小裂縫滲出，擴散至周圍土壤，從而達到灌溉的目的。

1.2 秸稈復合管的性能試驗方法

為探究秸稈復合管能否應用于灌溉及其灌水效果等問題，以秸稈摻量及秸稈復合管長度為試驗因素進行了田間小區(qū)灌水試驗，研究秸稈復合管的水力性能。經(jīng)預試驗可知，秸稈摻量的合理范圍在9%(質(zhì)量百分數(shù))以內(nèi)，試驗選取3個秸稈摻量分別為5%、7%和9%;受試驗條件限制，初步試驗選取的2個管長分別為1.0 m和3.5 m。試驗開始前對所取用來制作秸稈復合管的土壤以及秸稈進行含水率的測量，并用薄膜對其進行覆蓋處理，減少期間水分蒸發(fā)，以保證所測含水率的準確性。經(jīng)預試驗得知，混合料的綜合含水率在22%(質(zhì)量含水率)左右時，秸稈復合管的成型效果良好。試驗前，調(diào)整混合料的初始含水率，當其含水率為22%時進行秸稈復合管的制作。

圖2 秸稈復合管試樣Fig.2 Straw composite pipe sample

表1 因素水平表Table 1 Factor level table

為避免電機轉(zhuǎn)速、埋管溝寬及斷面規(guī)格、埋管間距等因素對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，試驗中電機轉(zhuǎn)速定為50 r·min-1，埋管溝等腰梯形斷面為溝深16 cm、下底寬度10 cm、上口寬度15 cm。復合管埋深10 cm(復合管的頂端距地表的距離)，管距50 cm。埋管時，管與溝之間的空隙及其上方的回填土進行人工壓實。

每組試驗設(shè)置3個重復，以平均值作為試驗結(jié)果。試驗因素水平布置如表1所示。

為排出秸稈復合管內(nèi)空氣，將自帶排氣功能的輸水管(管壁上方嵌入一根與外界連通的內(nèi)徑為6 mm的塑料軟管)插入秸稈復合管中，用粘土對連接處進行密封。試驗前先對復合管進行充水，用燒杯在輸水管道另一端向管內(nèi)進行充水，直至排氣管開始滴水，用止水夾封閉排氣管，連通供水管道開始試驗。利用馬氏瓶原理，采用自制的恒壓供水裝置對秸稈復合管進行供水，壓力水頭為0.5 m。試驗開始后，每隔10 min記錄一次供水量，直至試驗結(jié)束。

灌水試驗時間控制為2 h，灌水結(jié)束后，對地表土壤濕潤寬度進行測量，利用地表土壤濕潤面狀況，對灌水均勻度進行評價。采用等間距法對地表濕潤寬度進行測量，管長1.0 m、3.5 m的秸稈復合管測量間距分別為0.2、0.5 m。

灌水均勻度計算公式如下:

式中，Cu為均勻度;bi為i測點地表濕潤寬度(m);b為各測點地表平均濕潤寬度(m);n為試驗測點總數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈復合管的出流量

由于秸稈復合管埋于地下，其出流量難以直接測量。根據(jù)水量平衡原理，以自制的恒壓供水裝置的供水量作為秸稈復合管地下灌溉的出流量。單位管長上各組單位長度秸稈復合管的10 min出流量(mL·m-1)及累計出流量(mL·m-1)統(tǒng)計見表2。

由表2可知，不同秸稈摻量及管長對單位時段內(nèi)秸稈復合管單位管長的10 min出流量影響規(guī)律大致相同。灌水前期單位管長的10 min出流量較大，隨灌水時間的延長，出流量逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。秸稈復合管的管長對其出流量具有較大影響。秸稈摻量為5%、7%、9%水平下，管長為3.5 m的秸稈復合管單位長度的累計出流量比管長為1.0 m的分別高出71.66%、77.52%、8.14%，表明隨著管長的增長，單位管長的累計出流量有明顯增大的趨勢，即管長越長，出流量越大。其中秸稈摻量在5%和7%水平下，3.5 m秸稈復合管比1.0 m秸稈復合管單位長度累計出流量大70%以上，可能是由于秸稈復合管表面裂縫的累積效應所致，具體原因仍需進一步深入研究。而秸稈摻量為9%時，3.5 m與1.0 m秸稈復合管單位長度的累計出流量增加比率與前兩組相比存在較大差距，主要是處理T3在灌水過程中發(fā)生了管涌，累計出流量偏大導致其計算值偏小，為保證試驗數(shù)據(jù)系列的完整性，處理T3灌水試驗數(shù)據(jù)以前20 min參與分析，處理T2則整個試驗過程均參與試驗分析。

表2 單位長度秸稈復合管10 min出流量統(tǒng)計Table 2 Statistics of 10 min output flow of unit length SCP

此外，秸稈摻量的變化對秸稈復合管的單位長度累計出流量也有一定影響，與摻量為5%的秸稈復合管相比，摻量為7%和9%時，1.0 m和3.5 m長的秸稈復合管單位長度累計出流量分別少了12.60%、15.80%和9.09%、18.70%。秸稈摻量為5%時，秸稈復合管單位長度的累計出流量最大，出流量相對穩(wěn)定，滲水效果最好。

2.2 秸稈復合管的入滲速率

根據(jù)秸稈復合管各個時段的出流量計算出對應時段內(nèi)的入滲速率，秸稈復合管入滲速率隨時間變化過程見圖3。

由圖3可知，管長為3.5 m時比管長為1.0 m時前期入滲速率大，且波動幅度也較大;隨著灌水時間的增長，2組管長的入滲速率均漸趨平穩(wěn)，最終均接近于穩(wěn)定入滲。整個秸稈復合管入滲過程可分為3個階段:初始入滲階段(0～30 min)、波動階段(30～90 min)、穩(wěn)定入滲階段(90～120 min)。初始入滲階段，各組的入滲速率均明顯下降;波動階段，各組入滲速率下降趨勢變緩，但入滲速率波動幅度較大;灌水90 min后，各組入滲速率均趨于平穩(wěn)，達到穩(wěn)定入滲。處理T3入滲速率在20～30 min時發(fā)生突變，致使其入滲速率與處理T1和T2產(chǎn)生較大差異，這主要是因為試驗進行到20 min時，其中1根秸稈復合管在距管頭20 cm處發(fā)生了管涌，另外2根雖未發(fā)生管涌，但在試驗過程中發(fā)現(xiàn)其出流量也明顯大于處理T1和T2，導致該時間段內(nèi)入滲速率變化波動較大，具體原因有待深入研究。處理T5灌水進行到40 min時，發(fā)現(xiàn)灌水區(qū)域表層土內(nèi)有蚯蚓活動，進而引起灌水量有較大波動，移除蚯蚓后，灌水恢復正常。

圖3 秸稈復合管入滲速率隨時間變化曲線Fig.3 Infiltration rate change of SCP

表3為各處理的秸稈復合管初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率和平均入滲速率統(tǒng)計。綜合分析圖3、表3可知，秸稈復合管的初始入滲速率為247.13～632.52 mL·m-1·min-1，穩(wěn)定入滲速率為165.67～221.87 mL·m-1·min-1。秸稈復合管的入滲速率和秸稈摻量存在一定聯(lián)系。隨著秸稈摻量的增大，平均入滲速率趨于減小，秸稈摻量為5%時，秸稈復合管的平均入滲速率最大。處理T3初始入滲速率明顯大于處理T2，表明處理T3發(fā)生管涌之前其入滲速率就已經(jīng)發(fā)生突變。入滲速率的波動程度，反映了秸稈復合管在整個灌水過程中的穩(wěn)定程度，入滲速率變化越小，說明秸稈復合管的水力性能越佳。排除試驗以外因素影響，處理T2和T5在整個灌水過程中，入滲速率的波動幅度最小，說明該兩個處理秸稈復合管的水力性能比較穩(wěn)定，即秸稈摻量為7%時，秸稈復合管的水力性能最為穩(wěn)定。此外，管長對秸稈復合管的平均入滲速率和穩(wěn)定入滲速率也有較大的影響，管長為3.5 m時比管長為1.0 m時單位管長的平均入滲速率和穩(wěn)定入滲速率分別高出47.38%和11.68%。

2.3 秸稈復合管的滲水均勻度

灌水試驗結(jié)束后，對秸稈復合管進行地表濕潤寬度統(tǒng)計，結(jié)果如圖4所示。

表3 入滲速率統(tǒng)計/(mL·m-1·min-1)Table 3 Infiltration rate statistics

圖4 不同位置處地表濕潤寬度Fig.4 Wetwidth of surface at different positions

由圖4可知，隨著秸稈摻量的增加，地表濕潤寬度總體上呈增加趨勢。處理T3試驗的地表濕潤寬度與試驗中管涌出現(xiàn)有關(guān)，管涌的出現(xiàn)造成了地表濕潤寬度顯著增加。

通過公式(1)對秸稈復合管的灌水均勻度進行計算，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，灌水結(jié)束時秸稈復合管灌水均勻度在67.09%～85.00%之間，表明秸稈復合管具備成為一種新型灌溉材料的潛質(zhì)，在一定程度上能夠滿足農(nóng)田的灌溉需求。在管長為1.0 m時，秸稈摻量為7%時秸稈復合管的灌水均勻度最高(85.00%);而管長為3.5 m時，秸稈摻量5%時秸稈復合管的灌水均勻度最高(81.38%)。秸稈復合管長度相同時，隨著秸稈摻量的變化，其灌水均勻度的變化規(guī)律不盡一致。處理T3單位長度累計出流量比處理T1和T2分別高出29.05%、47.65%，而灌水均勻度卻分別降低6.78%、7.41%，主要是由于灌水試驗開始后發(fā)生管涌，形成地表積水，加速了該區(qū)域濕潤鋒的擴散速度，導致測量的地表濕潤寬度值偏大，灌水均勻度偏低。處理T6灌水均勻度也顯著低于處理T4和T5，且灌水過程未發(fā)生異常，其主要原因可能與秸稈摻量有關(guān)。處理T6秸稈摻量最大(9%)，在管材制作過程中，成型難度較大，且由于管長的要求，使這一問題變得尤為突出，導致最終測得的灌水均勻度僅為67.09%，具體造成其灌水均勻度偏低的原因，有待深入研究。

管長對秸稈復合管的灌水均勻度也有較大影響，秸稈摻量為5%、7%、9%條件下，管長為3.5 m時秸稈復合管的灌水均勻度比管長為1.0 m時分別降低3.60%、5.45%、13.72%。

3 討論與結(jié)論

秸稈復合管由秸稈、土壤以及水按一定比例混合，經(jīng)秸稈復合管成型機擠壓成型。經(jīng)前期研究以及試驗驗證，對秸稈復合管的性能進行了初步研究，表明將秸稈復合管用于灌溉具有一定的可行性。主要結(jié)論如下:

(1)管長對秸稈復合管的出流量和灌水均勻度影響明顯。在秸稈摻量為5%、7%、9%水平下，處理T4、T5、T6的單位長度累計出流量比處理 T1、T2、T3分別增加71.66%、77.52%、8.14%，灌水均勻度分別減小3.60%、5.45%、13.72%。管長對秸稈復合管的灌水效果具有較大影響，而秸稈復合管管長對其水力性能的影響機理仍需深入研究。

(2)秸稈摻量對秸稈復合管的出流量、入滲速率以及灌水均勻度均有影響。隨著秸稈摻量的增加，單位長度秸稈復合管的累計出流量趨于減小。管長為1.0m和3.5 m時，秸稈摻量為7%和9%的秸稈復合管單位長度累計出流量分別比秸稈摻量為5%時減少了12.60%、15.80%和9.09%、18.70%;秸稈摻量為7%時，2個管長秸稈復合管的入滲速率波動最小，水力性能最為穩(wěn)定。在秸稈摻量為7%時，1.0 m長的秸稈復合管灌水均勻度達到最高，在秸稈摻量為5%時，3.5 m長秸稈復合管灌水均勻度達到最高，分別為85.00%和81.38%。

(3)綜合考慮出流量、入滲速率、均勻度等試驗指標，認為秸稈復合管具備作為灌水毛管用于田間灌溉的條件，秸稈摻量在5%～7%時，秸稈復合管的水力性能最優(yōu)。

秸稈復合管的研發(fā)是秸稈還田及地下灌溉兩項技術(shù)的集成與創(chuàng)新。秸稈復合管以秸稈為骨架，原料均來自于田間，有望實現(xiàn)秸稈全量還田和持續(xù)還田，并為傳統(tǒng)秸稈還田導致的作物出苗效果不佳、土壤碳氮比失調(diào)、集中調(diào)控與防治病蟲害創(chuàng)造了便捷條件。與傳統(tǒng)地下灌溉的一年鋪設(shè)、多年使用模式相比，秸稈復合管的應用更具可變性和靈活性。試驗證實了秸稈復合管用于田間灌溉具備一定的可行性，秸稈復合管地下灌溉有望成為一種新型節(jié)水灌溉方式。但將秸稈復合管應用于地下灌溉的研究尚處于萌芽階段，存在諸多問題亟需解決，如管材的水力性能、耐久性，節(jié)水效果以及秸稈腐解的碳氮比調(diào)節(jié)等，仍需進行深入研究。