施肥濃度對(duì)搖臂式噴頭噴灌施肥均勻性的影響

涂琴，易萌，李紅，張凱，張乾坤

(1. 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能裝備學(xué)院，江蘇 常州 213164； 2. 江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著中國(guó)人口數(shù)量不斷增長(zhǎng)以及人民生活水平不斷提高，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展刻不容緩.施肥灌溉成為農(nóng)產(chǎn)品增產(chǎn)增效的重要方式之一.但目前施肥灌溉方面的研究工作主要集中于滴灌施肥或圓形噴灌機(jī)施肥，與輕小型移動(dòng)式噴灌機(jī)組施肥相關(guān)的研究成果較為缺乏[1].相應(yīng)地，這類噴灌機(jī)組所配的搖臂式噴頭施肥灌溉規(guī)律方面的研究成果更加欠缺.但事實(shí)上，為了降低施肥過(guò)程中的勞動(dòng)強(qiáng)度，在丘陵緩坡地帶、水源分散地區(qū)等場(chǎng)合采用輕小型移動(dòng)式噴灌機(jī)組施肥灌溉是一種重要方式[2].該類機(jī)組運(yùn)行時(shí)，施肥均勻性關(guān)系到作物長(zhǎng)勢(shì)均勻性，同時(shí)也是肥料用量控制的重要依據(jù)[3].對(duì)于搖臂式噴頭，其射程末端水滴直徑一般較大，該因素是否會(huì)影響到施肥濃度的徑向分布需通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行探究.

在施肥灌溉系統(tǒng)應(yīng)用中，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要關(guān)注施肥量與作物產(chǎn)量、養(yǎng)分運(yùn)移之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也有學(xué)者[4]對(duì)施肥均勻性展開(kāi)研究后發(fā)現(xiàn)施肥濃度及管道布置對(duì)灌水均勻性的影響很小，但對(duì)施肥均勻性影響顯著，施肥濃度增大使施肥均勻度CU和分布均勻度DU均單調(diào)降低.在施肥灌溉系統(tǒng)中，施肥均勻性還會(huì)受到施肥器型式的影響[5].不同施肥條件下，施肥均勻性可能低于或高于灌水均勻性[4-5].LI等[5]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于采用同一種灌水器B的滴灌毛管，采用差壓式灌溉施肥的肥液濃度、施肥量分布變差系數(shù)Cv明顯高于水量分布變差系數(shù)，即施肥均勻性更低；采用比例施肥泵或文丘里施肥器施肥時(shí)規(guī)律則相反.ABDALLAH等[6]研究發(fā)現(xiàn)采用比例施肥泵施肥時(shí)，不同滴灌毛管長(zhǎng)度下施肥分布均勻性和清水灌溉分布均勻性之間的對(duì)比關(guān)系也不同.許金金等[7]研究表明，微噴帶沿程肥液量及肥液質(zhì)量濃度均呈下降趨勢(shì)，有別于當(dāng)肥液充分混合后濃度呈均勻分布的假定.周舟等[8]也得到類似的結(jié)果，離主管道和毛管入口越遠(yuǎn)，滴灌施肥機(jī)組穩(wěn)定施肥時(shí)的肥料濃度越低.

微滴灌系統(tǒng)中，施肥量與肥液濃度的分布規(guī)律可能與微滴灌管道的水力損失有關(guān).當(dāng)采用搖臂式噴頭施肥時(shí)，射流出流以后，在灌溉區(qū)內(nèi)不存在沿程損失，而是多了射流破碎的過(guò)程，這種情況下施肥量與肥液濃度的徑向分布規(guī)律以及組合噴灌后的空間分布規(guī)律亟待探索和驗(yàn)證.輕小型移動(dòng)式噴灌機(jī)組多噴頭組合噴灌一般會(huì)使灌水均勻性提高，其對(duì)施肥均勻性的影響也有待探究.因此，文中旨在研究不同施肥濃度下?lián)u臂式噴頭施肥的徑向分布與組合分布規(guī)律，與前人滴灌施肥結(jié)果作對(duì)比，并分析不同均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)用于評(píng)估搖臂式噴頭組合噴灌施肥均勻性的適宜性.相關(guān)結(jié)果將為搖臂式噴頭在施肥灌溉方面的應(yīng)用、施肥均勻性指標(biāo)選取、噴頭噴灑肥液時(shí)的射流破碎機(jī)理以及輕小型移動(dòng)式噴灌施肥機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行提供理論基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

搖臂式噴頭施肥灌溉均勻性試驗(yàn)于2019年4月在江蘇大學(xué)校園內(nèi)一處廣場(chǎng)上進(jìn)行.試驗(yàn)場(chǎng)地北側(cè)與西側(cè)種植樹(shù)木，東側(cè)為灌溉專用水池，東南側(cè)為噴灌大廳，內(nèi)設(shè)泵房.由于四周有建筑物或樹(shù)木遮擋，與開(kāi)闊田間試驗(yàn)相比風(fēng)速的影響相對(duì)較小.試驗(yàn)布置圖如圖1和圖2所示.

圖1 搖臂式噴頭施肥均勻性試驗(yàn)臺(tái)示意圖

圖2 輕小型噴灌機(jī)組施肥灌溉試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由搖臂式噴頭、管路系統(tǒng)、水泵機(jī)組、比例施肥泵等構(gòu)成，測(cè)試儀器包括電磁流量計(jì)、壓力表、溫度與濕度測(cè)量?jī)x、雨量筒、電導(dǎo)率儀、風(fēng)速儀和電子秤等.噴灌試驗(yàn)選用江蘇旺達(dá)公司生產(chǎn)的雙噴嘴噴頭10PY2H.該型號(hào)噴頭流量相對(duì)較小、相同施肥濃度下所需的肥料用量更低，便于開(kāi)展研究和減少污染.為了進(jìn)一步減少污染，試驗(yàn)場(chǎng)地下水口前鋪設(shè)污水處理專用的改性纖維束濾料.

10PY2H噴頭主噴嘴的直徑為4.5 mm，副噴嘴的直徑為2.5 mm，測(cè)得在額定工作壓力0.25 MPa下其射程為11 m.采用法國(guó)多壽公司(DOSATRON)生產(chǎn)的比例施肥泵注肥，型號(hào)為D8R，施肥比例為0.2%～2.0%，流量范圍為0.5～8.0 m3/h，工作壓力為0.015～0.800 MPa；肥液濃度采用量程為0～9 999 μS/cm、精度等級(jí)為±2%的電導(dǎo)率儀測(cè)量.噴頭的安裝高度為1.2 m，收集噴灑肥液的雨量筒沿徑向按1 m等距布置.試驗(yàn)臺(tái)和雨量筒均采用加工定制，雨量筒開(kāi)口直徑為20 mm[2].噴灌施肥系統(tǒng)首部、施肥泵前后及噴頭處壓力和流量均采用球閥進(jìn)行調(diào)節(jié).施肥泵前后裝設(shè)防震壓力表，減小比例施肥泵工作時(shí)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)對(duì)讀數(shù)的影響；噴頭處壓力測(cè)量采用精度等級(jí)為 0.4 級(jí)的精密壓力表.灌溉管道采用涂塑軟管.圖1中由于試驗(yàn)泵房動(dòng)力泵的流量和壓力大于噴頭的，故需設(shè)置旁通閥4A以保障系統(tǒng)中各組成部分的安全.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

文中主要研究施肥濃度對(duì)搖臂式噴頭噴灑時(shí)的肥液體積分布、施肥濃度分布、施肥量分布均勻性的影響.上述3個(gè)施肥參數(shù)的關(guān)系為

Fi=Viρci，

(1)

式中：Fi為單位時(shí)間內(nèi)的施肥量，即肥料溶質(zhì)的質(zhì)量，g/h；Vi為某一測(cè)點(diǎn)i單位時(shí)間內(nèi)收集的肥液(溶液)體積，L/h；ρci為施肥質(zhì)量濃度，g/L.

式(1)中的肥液體積Vi的空間分布均勻性在部分文獻(xiàn)中被稱為灌水均勻性.為了嚴(yán)謹(jǐn)起見(jiàn)，將Vi的均勻性稱為肥液分布均勻性，和清水灌溉相區(qū)分[5].

比例施肥泵施肥濃度調(diào)節(jié)一般有2種方式：改變施肥比例，或者調(diào)整肥液吸入口的母液濃度.由于調(diào)節(jié)施肥比例后會(huì)影響管道阻力損失，因而實(shí)際使用時(shí)主要調(diào)節(jié)母液濃度.因此，經(jīng)測(cè)試將施肥比例設(shè)定為1.4%.肥料選用氯化鉀.

考慮10PY2H噴頭工作壓力及射程范圍，將工作壓力設(shè)為0.22 MPa.將施肥泵進(jìn)口壓力和出口壓力分別設(shè)為0.28和0.27 MPa，此時(shí)測(cè)得主管道流量為1.571 m3/h，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行1 h測(cè)得的吸肥量為22.02 L.根據(jù)上述參數(shù)，當(dāng)管道中的肥液濃度取0，0.3，0.5，0.7，0.9，1.1 g/L時(shí)，比例施肥泵入口處施肥桶中的母液質(zhì)量濃度為

(2)

式中：ρm為比例施肥泵吸肥口的母液質(zhì)量濃度，g/L；ρc為管道中的肥液質(zhì)量濃度，g/L；Qc為主管道流量測(cè)量值，m3/h；Qm為吸肥管道流量，m3/h.

由此得到的試驗(yàn)方案見(jiàn)表1，表中ρmt為母液質(zhì)量濃度試驗(yàn)值，C為施肥比例；其中ρmt=0 g/L為對(duì)照組，即用清水代替肥液.試驗(yàn)主要測(cè)量各測(cè)點(diǎn)處肥液體積和電導(dǎo)率.組合噴灌肥液分布均勻性采用Matlab仿真得到，采用正方形布置，噴頭間距為11 m.

表1 肥液濃度對(duì)施肥均勻性影響試驗(yàn)方案

需要注意的是系統(tǒng)施肥模式運(yùn)行時(shí)，先將圖1中閥4C關(guān)閉，4F完全打開(kāi)，4B調(diào)整到合適位置；開(kāi)泵，調(diào)整閥4A到合適位置，再微調(diào)閥4E至0.22 MPa左右，然后調(diào)整4D使比例施肥泵的進(jìn)、出口壓力分別為0.28和0.27 MPa.系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，先關(guān)閥4B，再關(guān)泵.當(dāng)一組試驗(yàn)做完開(kāi)始另一組試驗(yàn)時(shí)，由于閥4B開(kāi)口較大，即使做標(biāo)記也很難保證閥4B開(kāi)口與上一次試驗(yàn)完全一致，因而即使噴頭和比例施肥泵的進(jìn)出口壓力能保持一致，此時(shí)管路中各閥門的開(kāi)口大小組合不會(huì)完全相同，因而管道特性曲線會(huì)有一定差別，使得水泵-管道協(xié)同運(yùn)行工況點(diǎn)出現(xiàn)一定的偏移；另外，比例施肥泵往復(fù)式運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，會(huì)使噴頭處的流量在工作壓力0.22 MPa對(duì)應(yīng)的流量1.571 m3/h附近存在細(xì)微的變化.不同試驗(yàn)下，圖1中電磁流量計(jì)3B的讀數(shù)列于表1中.

為了實(shí)現(xiàn)不同施肥濃度的灌溉測(cè)試，在噴灌試驗(yàn)前，先按照表1配制肥液，讓肥液充分溶解，靜置1 d 后取上清液用于施肥灌溉[9].室外試驗(yàn)[10]前先用風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)速，在1 m/s以內(nèi)方可開(kāi)展試驗(yàn).試驗(yàn)過(guò)程中每隔10 min測(cè)量1次風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速均在1 m/s內(nèi)該組試驗(yàn)方可用于施肥均勻性結(jié)果分析.

FUKUI等[10]發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速低于1 m/s時(shí)對(duì)均勻性的影響可以忽略.MATEOS[11]通過(guò)試驗(yàn)得知土壤和作物對(duì)水分的再分布作用能較好地抵消掉風(fēng)速對(duì)噴灌均勻性的影響.因而上述風(fēng)速測(cè)量與噴灌施肥均勻性測(cè)量方法能夠用于噴灌施肥均勻性的試驗(yàn).施肥試驗(yàn)前需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定參數(shù)下的試運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定再開(kāi)始施肥試驗(yàn).采用“10 min清水-30 min肥液-10 min清水”的方式施肥，確保施肥過(guò)程中各參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定以及管道中的肥液沖洗干凈.試驗(yàn)結(jié)束后關(guān)閉系統(tǒng)，開(kāi)始如圖1所示雨量筒中肥液體積與電導(dǎo)率的測(cè)量.根據(jù)事先率定的肥液濃度與電導(dǎo)率之間的關(guān)系計(jì)算出肥液的濃度.經(jīng)測(cè)試，氯化鉀溶液的施肥質(zhì)量濃度與電導(dǎo)率EC之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示，可以看出兩者為線性關(guān)系.

圖3 氯化鉀溶液施肥濃度與電導(dǎo)率之間的關(guān)系

1.3 噴灌施肥均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)

考慮到大田作物和經(jīng)濟(jì)作物對(duì)施肥均勻性的要求可能不同，采用以下指標(biāo)評(píng)價(jià)噴灌施肥時(shí)的均勻性[9,11-12].

1.3.1 均勻度CU

采用Christiansen計(jì)算法[11]計(jì)算噴灌施肥均勻度CU(%)，即

(3)

圖4為方形組合噴灌區(qū)域內(nèi)某一斷面的肥液體積分布，圖中a為距離測(cè)點(diǎn)起始點(diǎn)的長(zhǎng)度，V為肥液體積.

圖4 組合噴灌區(qū)域不同形態(tài)的肥液體積斷面分布

均勻度CU在噴灌系統(tǒng)均勻性評(píng)價(jià)中應(yīng)用較多[12].但實(shí)際使用中，式(3)并不能反應(yīng)圖4b所示部分測(cè)量值與平均值偏差較大的情況.圖4a中Ⅰ型肥液分布和圖4b中Ⅱ型肥液分布均勻度可能一致，但考慮到肥液在土壤中的再分布，兩種類型的肥液分布在空間擴(kuò)散過(guò)程中的效應(yīng)未必是等效的.肥液分布不均勻可能意味著作物形態(tài)和品質(zhì)的差異，從這個(gè)意義上與大田作物相比經(jīng)濟(jì)作物對(duì)肥液分布情況會(huì)更加敏感.因此引入分布均勻度DU(%)和統(tǒng)計(jì)均勻度Us(%)兩個(gè)參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)噴灌施肥均勻性，前者主要關(guān)注低值區(qū)的影響，后者主要關(guān)注各測(cè)點(diǎn)測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)差的影響.

1.3.2 分布均勻度DU

分布均勻度DU(%)在噴滴灌系統(tǒng)均勻性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用較為廣泛，計(jì)算計(jì)算公式[9, 12]為

(4)

選用該指標(biāo)的場(chǎng)合對(duì)施肥均勻性要求通常更高.

1.3.3 統(tǒng)計(jì)均勻度Us

PEREIRA等將統(tǒng)計(jì)均勻度Us(%)用于噴灌系統(tǒng)的均勻性評(píng)價(jià)，其公式[9, 12]為

Us=1-Cv，

(5)

(6)

(7)

式中：Cv為變差系數(shù)；Sx為各測(cè)點(diǎn)測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差.

李久生等[9]于2008年對(duì)地下滴灌施肥研究后表明不同施肥條件下上述3個(gè)參數(shù)數(shù)值較接近，施肥量的CU比Us平均高4%，也有略低的情況；施肥量的Us比DU平均高出2%，也有略低的情況.搖臂式噴頭噴灌均勻性通常低于滴灌施肥均勻性，施肥時(shí)上述3個(gè)指標(biāo)的對(duì)比情況需通過(guò)試驗(yàn)分析.

2 對(duì)單噴頭徑向施肥規(guī)律的影響

2.1 徑向肥液分布

當(dāng)噴頭工作壓力為0.22 MPa時(shí)，不同母液濃度下10PY2H噴頭徑向肥液體積分布如圖5所示.試驗(yàn)時(shí)不同方案下的風(fēng)速測(cè)量值為0.40～0.85 m/s.

圖5 施肥濃度對(duì)徑向肥液體積分布的影響

從圖5可知，不同施肥濃度下各測(cè)點(diǎn)的肥液體積有一定差別，但曲線基本無(wú)交叉，并且噴頭射程基本不變.因此不同施肥濃度下各測(cè)點(diǎn)的肥液體積受風(fēng)速的影響較小.風(fēng)速對(duì)搖臂式噴頭徑向噴灑量的影響通常表現(xiàn)為射程縮短和徑向水量分布曲線變形，顯然圖5并不符合[10].圖5中不同施肥濃度下肥液體積分布數(shù)值上的差異主要受圖1中因閥門組合發(fā)生變化導(dǎo)致的流量差異的影響(見(jiàn)表1).圖5中，不同施肥濃度下，肥液徑向分布趨勢(shì)與清水灌溉(ρmt=0 g/L)時(shí)的情況基本一致，施肥濃度對(duì)肥液徑向分布的影響相對(duì)較小，這是由于吸肥量遠(yuǎn)小于灌水量所致.圖5中近射程處肥液分布差異性與遠(yuǎn)射程處相比相對(duì)較高.由于近處水滴直徑一般較小，霧化程度較高，而霧化程度由工作壓力與噴嘴直徑?jīng)Q定，因此，對(duì)于同一噴頭，近處肥液分布變化在一定程度上反映了不同施肥條件下比例式施肥泵活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的系統(tǒng)工作壓力波動(dòng)情況[13].

2.2 徑向濃度分布

依據(jù)圖3中的擬合公式和各測(cè)點(diǎn)的電導(dǎo)率測(cè)量值，可以得到不同母液濃度下沿噴頭射程方向的施肥濃度分布，如圖6所示.

圖6 母液濃度對(duì)徑向施肥濃度分布的影響

前人研究表明施肥濃度增加會(huì)使滴灌施肥均勻性降低[4].這主要是由于與清水灌溉相比，施肥濃度增加會(huì)使得肥液的黏性增加，肥液質(zhì)量濃度沿管道流動(dòng)方向呈明顯降低的趨勢(shì)[4,7-8].搖臂式噴頭噴灑肥液時(shí)地面各測(cè)點(diǎn)的施肥濃度分布還受到水滴破碎過(guò)程中水滴直徑分布的影響.周晴晴等[14]試驗(yàn)研究表明，旋轉(zhuǎn)式噴頭射程末端通常水滴直徑較大，這可能意味著射程末端肥液液滴破碎不充分而使得濃度較高.這些因素的作用會(huì)使得施肥濃度的徑向分布出現(xiàn)一定的復(fù)雜性，如圖6所示.從圖6可以看出，當(dāng)肥液質(zhì)量濃度小于等于35 g/L時(shí)，射程遠(yuǎn)端90%～100%射程處的施肥質(zhì)量濃度相對(duì)更高，這與前人得到的滴灌施肥濃度沿管道方向遞減的規(guī)律相反[7-8].此時(shí)，噴頭射流破碎不充分造成的水滴動(dòng)能分布起主要作用.

當(dāng)肥液濃度增大為50～65 g/L時(shí)，射程遠(yuǎn)端施肥濃度降低，肥液濃度增加導(dǎo)致的黏性增加起主要作用.當(dāng)母液質(zhì)量濃度達(dá)到80 g/L時(shí)，噴頭徑向濃度分布規(guī)律變得復(fù)雜，肥料總體聚集在圖5中水量較高位置處，由于受噴頭旋轉(zhuǎn)過(guò)程離心力的影響，近處的肥液濃度并不高，但在射程最末端仍出現(xiàn)了局部峰值.說(shuō)明此時(shí)母液濃度和水滴動(dòng)能均起作用.因此采用搖臂式噴頭施肥灌溉時(shí)，施肥濃度不宜過(guò)高.從圖6可以看出，當(dāng)母液質(zhì)量濃度小于等于65 g/L時(shí)，噴頭10PY2H在90%射程以內(nèi)的肥液質(zhì)量濃度徑向分布隨母液質(zhì)量濃度的變化波動(dòng)很小，優(yōu)于微滴灌施肥的質(zhì)量濃度分布[7-8].當(dāng)母液質(zhì)量濃度線性增加時(shí)，各測(cè)點(diǎn)濃度并非線性增加，而是增幅逐步加大.故在80 g/L以內(nèi)選擇較高的母液濃度更利于短時(shí)間內(nèi)施肥完畢，提高施肥效率.

2.3 徑向施肥量分布

根據(jù)圖5中的徑向肥液分布和圖6中的徑向肥液濃度分布可以得到不同母液濃度下的徑向施肥量F分布，如圖7所示.

圖7 施肥濃度對(duì)徑向施肥量分布的影響

圖7顯示，受肥液體積分布和施肥濃度分布的綜合作用，母液濃度對(duì)徑向施肥量分布的影響十分明顯，尤其是當(dāng)施肥質(zhì)量濃度高于50 g/L時(shí).隨著母液濃度增加，施肥量總體增加，并且施肥量徑向分布波動(dòng)更加劇烈.不同施肥濃度下，射程末端的施肥量明顯較低，射程近端的施肥量相對(duì)較高.當(dāng)施肥質(zhì)量濃度高于50 g/L時(shí)，施肥主要集中在20%～60%射程處.

3 對(duì)組合噴灌施肥均勻性的影響

3.1 不同施肥濃度下噴灌施肥均勻性對(duì)比

在單噴頭施肥試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Matlab軟件仿真模擬不同施肥濃度下組合噴灌施肥時(shí)的均勻性.當(dāng)采用正方形布置、噴頭間距為11 m，10PY2H組合噴灌施肥時(shí)，不同母液濃度下肥液體積分布、施肥濃度分布和施肥量分布的均勻度CU、分布均勻度DU、統(tǒng)計(jì)均勻度Us對(duì)比分別如圖8所示.施肥濃度分布均勻性指標(biāo)計(jì)算時(shí)，先由單噴頭徑向施肥量分布得到組合噴灌施肥時(shí)的施肥量分布，再結(jié)合組合噴灌肥液體積分布得到組合噴灌施肥濃度分布，最后計(jì)算得到施肥濃度分布均勻性相關(guān)指標(biāo).

圖8 分布均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比

由圖8可以看出，母液濃度對(duì)組合后的肥液體積分布和施肥濃度分布均勻性影響均不太明顯，但施肥量分布均勻性變化卻十分顯著.隨著母液濃度增加，肥液體積分布均勻性指標(biāo)有升有降，但施肥量分布均勻性總體降低.這是由于4個(gè)搖臂式噴頭組合噴灑后將各測(cè)點(diǎn)的測(cè)量值差異放大了，尤其是能反映低值區(qū)施肥量的分布均勻度DU.這也是噴灌與滴灌施肥的差別所在.隨著母液濃度增大，施肥量分布均勻性總體減小，分布均勻度DU最低值為64.2%.但不同母液濃度下灌溉區(qū)域內(nèi)施肥濃度的均勻度CU與分布均勻度DU均保持在98%左右.由于鹽分向作物根部運(yùn)移主要受到濃度梯度的影響，從這個(gè)意義上而言，搖臂式噴頭噴灌施肥可能優(yōu)于傳統(tǒng)微滴灌施肥的肥液濃度沿管道方向遞減的情況[7-8].

分布均勻度極差率為

DUv=(DUmax-DUmin)/DUavg，

(8)

式中：DUv為分布均勻度極差率，%；DUmax，DUmin，DUavg分別為分布均勻度的最大值、最小值、平均值，%.

不同母液濃度下，肥液體積分布和施肥量分布的均勻度CU平均值均為83.1%，但分布均勻度DU分別為72.5%和71.5%，分布均勻度極差率分別為4.0%和15.4%.因而，噴灌施肥時(shí)母液濃度對(duì)施肥均勻性的影響不可忽視.

由圖8可知，搖臂式噴頭10PY2H施肥灌溉時(shí)，均勻度CU最高、統(tǒng)計(jì)均勻度Us次之、分布均勻度DU最低，每個(gè)測(cè)點(diǎn)處DU值比CU值低10%以上.搖臂式噴頭施肥3個(gè)施肥均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的差異大于前人滴灌施肥時(shí)3個(gè)指標(biāo)的差異，這主要由搖臂式噴頭2/3射程以內(nèi)水量較多、遠(yuǎn)射程處水量較少的特點(diǎn)所致[2].當(dāng)均勻性指標(biāo)處于較低值時(shí)，分布均勻度DU波動(dòng)最劇烈，可以反映不同濃度下低值區(qū)的施肥情況.搖臂式噴頭用于大田作物灌溉居多，選用均勻度CU作為評(píng)價(jià)指標(biāo)有其合理性，但在經(jīng)濟(jì)作物灌溉或化肥農(nóng)藥施用控制嚴(yán)格的地區(qū)，搖臂式噴頭應(yīng)用推廣時(shí)其評(píng)價(jià)指標(biāo)需重新考慮，或者需綜合作物冠層與土壤的影響以保證根部的施肥均勻性.

圖8a中，采用比例施肥泵清水灌溉時(shí)，其均勻性指標(biāo)并不比施肥灌溉時(shí)的指標(biāo)更高.另外，由圖8中可以看到，肥液濃度對(duì)肥液分布和施肥量分布均勻性的影響均呈現(xiàn)出非線性特點(diǎn)，相關(guān)機(jī)理可能與比例施肥泵工作機(jī)理、搖臂式噴頭破碎機(jī)理的綜合作用有關(guān)，有待進(jìn)一步研究.總體而言，母液質(zhì)量濃度為35 g/L時(shí)，肥液、施肥濃度和施肥量均勻性最高.

3.2 施肥濃度對(duì)肥液空間分布的影響

以母液質(zhì)量濃度為20 g/L和80 g/L為例，對(duì)比同一施肥濃度下組合灌溉時(shí)的施肥參數(shù)空間分布，如圖9所示,圖中a為沿射程方向測(cè)點(diǎn)距離起始點(diǎn)的長(zhǎng)度，b為管道方向測(cè)點(diǎn)距起始點(diǎn)的長(zhǎng)度..

圖9 2種母液濃度時(shí)的肥液空間分布

圖9中顯示組合噴灌后的施肥量與肥液的空間分布有較大的相似性，靠中心區(qū)域的肥液量與施肥量相對(duì)較高，四角的液量與施肥量相對(duì)較低，這與圖5中徑向肥液分布規(guī)律有關(guān).施肥濃度分布情況則相反，靠中心的施肥濃度相對(duì)更低，20 g/L時(shí)四角的施肥濃度相對(duì)更高，由圖6可知主要可能與射程末端水滴直徑相對(duì)較大、施肥濃度高有關(guān).

組合灌溉后肥液分布與施肥濃度空間分布規(guī)律相反的特點(diǎn)更有利于灌溉區(qū)域內(nèi)土壤中水肥再分布，可能會(huì)優(yōu)于微滴灌系統(tǒng)中受沿程損失與管道壁面黏附的影響而使得灌水與施肥質(zhì)量濃度分布同向降低的情況[7-8].

4 結(jié) 論

為了研究施肥濃度對(duì)噴灌施肥均勻性的影響，采用比例施肥，選取均勻度CU、分布均勻度DU和統(tǒng)計(jì)均勻度Us作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)不同母液濃度下10PY2H噴頭工作壓力為0.22 MPa時(shí)的肥液、濃度和施肥量3個(gè)施肥參數(shù)的分布進(jìn)行試驗(yàn)和分析.主要結(jié)論如下：

1) 母液濃度對(duì)3個(gè)施肥參數(shù)徑向分布的影響呈現(xiàn)出不同的規(guī)律.不同母液濃度下射程末端肥液分布變化很小，近端肥液分布有一定波動(dòng).施肥質(zhì)量濃度低于35 g/L時(shí)射程遠(yuǎn)端90%～100%射程處的施肥濃度更大，與前人滴灌施肥濃度沿管道方向單調(diào)降低的規(guī)律相反.當(dāng)母液質(zhì)量濃度高于50 g/L時(shí)，施肥量主要集中在20%～60%射程處.

2) 母液濃度對(duì)組合后的肥液分布和施肥濃度分布均勻性影響均不太明顯，但施肥量分布均勻性變化卻十分顯著，組合噴灌加劇了各測(cè)點(diǎn)之間的數(shù)值差異，不可忽視.母液濃度對(duì)肥液分布和施肥量分布的影響呈現(xiàn)非線性特點(diǎn).總體上，施肥濃度均勻性最高.不同母液濃度下肥液分布和施肥量分布的均勻度CU平均值均為83.1%，但分布均勻度DU分別為72.5%和71.5%，分布均勻度極差率分別為4.0%和15.4%.

3) 采用CU，DU，Us這3個(gè)指標(biāo)評(píng)估灌溉施肥的均勻性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)分布均勻度DU最低、變化最大，更能反映不同濃度下低值區(qū)的施肥情況.均勻度CU和統(tǒng)計(jì)均勻度Us數(shù)值和變化趨勢(shì)最為接近.均勻度CU數(shù)值總體最高.當(dāng)母液質(zhì)量濃度高達(dá)80 g/L時(shí)，肥液與施肥量分布均勻度DU急劇下降.因此，噴灌施肥濃度選擇需慎重.母液質(zhì)量濃度為35 g/L時(shí)，肥液和施肥量均勻性最高.

4) 肥液與施肥量空間分布具有趨同性的特點(diǎn)，但施肥濃度的分布情況相反，這可能與射程遠(yuǎn)端水滴直徑相對(duì)更大、施肥濃度更大有關(guān).