水肥一體微噴帶施肥均勻性試驗研究

王文娟，徐 茹，王文娥，胡笑濤

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

1 研究背景

目前水肥一體化灌溉施肥技術(shù)應用廣泛，如玉米種植采用膜下滴灌時節(jié)水效果顯著，但小麥為密植性作物，使用滴灌時管道鋪設(shè)密集，不利于田間作業(yè)。而微噴帶是一種新型節(jié)水灌溉設(shè)備，通過薄壁軟管上的微小孔群進行噴水灌溉[1]。與噴灌相比，微噴帶灌溉工作壓力較低，且水滴打擊動能小；與滴灌相比噴灑流量大、灌溉時間短、田間管道少、成本低廉，適用于密植性作物灌溉，已在小麥、花卉、草坪灌溉中得到廣泛應用[2-3]。使用微噴帶灌溉施肥時，肥料或農(nóng)藥會噴灑到作物葉面上，是一種可實現(xiàn)水肥藥一體的節(jié)水灌溉方式[4]。

微噴帶灌溉施肥均勻性的影響因素主要為：微噴帶的鋪設(shè)長度與間距、工作壓力、施肥裝置類型及微噴帶結(jié)構(gòu)型式等。微噴帶的鋪設(shè)長度過長，會導致沿程水頭損失增大[5]，可能造成沿程水肥藥分布均勻性差、尾端水肥供應不足等。滿建國等[1]進行了不同帶長的微噴帶灌溉試驗，探究了土壤水分分布與冬小麥耗水特性及產(chǎn)量的影響因素，微噴帶長度的縮短使得小麥籽粒產(chǎn)量、水分利用效率顯著升高；吳國華等[6]分析了不同鋪設(shè)距離的微噴施肥對水稻的影響，得出了最適宜的鋪設(shè)間距；Burt[7]提出微噴帶灌溉水肥分布的非均勻性大約45%是由水壓不均勻引起。孫紅梅[8]探究了沿程水肥均勻性與長度及壓力的關(guān)系。王義慈[9]對水肥一體化微噴灌系統(tǒng)進行設(shè)計，最后得出N45型微噴帶、孔徑為0.5 mm、地面坡度設(shè)計為12°時對農(nóng)田灌溉最有利。嚴海軍等[10]、孟一斌等[11]以及黨永良[12]探究了微灌系統(tǒng)水肥一體施肥性能，發(fā)現(xiàn)在整個施肥過程中保證微噴帶首尾壓差穩(wěn)定是獲得均勻的肥料分布的必要條件。

目前，對于微噴帶灌溉施肥均勻性的研究主要集中在表層現(xiàn)象上，對于造成不均勻現(xiàn)象的因素及系統(tǒng)的分析研究較少。因此，本研究將探究微噴帶在不同工作壓力和不同鋪設(shè)長度下的沿程壓力分布，以及沿程與垂直微噴帶方向的肥液濃度變化規(guī)律，以期分析出田間微噴帶灌溉施肥均勻性的影響因素。

2 試驗材料與方法

試驗在甘肅武威中國農(nóng)業(yè)大學石羊河實驗站進行，試驗環(huán)境為無風或微風(0～1.01 m/s)。試驗地為40 m×20 m，分為3個小區(qū)(兩個小區(qū)為20 m×10 m，另一個為40 m×10 m)。受試小麥品種為永良4號，播種機種植，行距為15 cm。試驗裝置主要包括水力驅(qū)動式比例施肥泵、120目網(wǎng)式過濾器、微噴帶、閘閥、精密壓力表(量程200 kPa，精度0.25級)、量筒、電導率儀等。微噴帶采用市場常見的Ф32斜5孔微噴帶(購于陜西省啟豐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程有限公司)，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 微噴帶結(jié)構(gòu)參數(shù)表

微噴帶在試驗小區(qū)的鋪設(shè)長度L為20和40 m，每兩條微噴帶間距為5 m。試驗共設(shè)置4種首部工作壓力，在春小麥的主要施肥時期(拔節(jié)期后期)對各小區(qū)使用微噴帶施加尿素，此時春小麥的高度為40～50cm。試驗時不同鋪設(shè)長度的微噴帶沿程均設(shè)置5個取樣測試點，分別為0、0.25L、0.5L、0.75L和L處(即20 m長微噴帶每隔5 m設(shè)置1個測點，40 m長微噴帶每隔10 m設(shè)置1個測點)。4種首部工作壓力下每組試驗重復3次。

微噴帶水平鋪設(shè)，保證無彎曲、水流可正常噴出，每條帶子首部安裝壓力表。試驗開始前在量筒取樣位置點垂直于微噴帶方向擺放一列規(guī)格相同的量筒(直徑為11 cm，高度為14.5 cm)，每列8個，各量筒間隔約25 cm。試驗通過調(diào)整閘閥開度改變微噴帶首部工作壓力，設(shè)置5種工作壓力(20、28、35、43及52 kPa)來進行沿程壓力測試。由于首部工作壓力為20 kPa時，微噴帶后1/4段壓力較低，噴幅小于2.5 m，無法滿足作物灌溉需求，因此進行施肥試驗時采用4種不同的壓力(壓力值為28、32、36及40 kPa)，各工作壓力下均施加尿素1.625 kg(根據(jù)小麥種植面積對應所需養(yǎng)分確定)。

試驗前用塑料布對噴水進行遮擋，待壓力表穩(wěn)定3 min后移開塑料布開始計時，收集肥液。微噴帶穩(wěn)定施肥結(jié)束后關(guān)閉水泵，按照量筒編號依次將收集到的肥液使用電導率儀測試不同位置點的肥液電導率，并根據(jù)提前率定的電導率-濃度關(guān)系式計算得出不同位置、不同壓力下的肥液濃度值。試驗系統(tǒng)平面布置示意圖見圖1。

圖1 試驗系統(tǒng)平面布置示意圖(單位：m)

3 結(jié)果與分析

微噴帶灌溉施肥時，肥料通過施肥罐或施肥泵與水混合再流經(jīng)管道進入田間，肥料隨灌溉的水流噴灑到空中[13]，最后落至作物葉片或地面上。水量分布、微噴帶的鋪設(shè)長度及首部工作壓力等因素決定肥料的空間分布及均勻性。水量分布的均勻性為肥液分布均勻的直接影響因素，而微噴帶屬于沿程泄流輸水管道，微噴帶沿程工作壓力會隨著鋪設(shè)長度的增加而逐漸降低[1]，從而導致水量分布不均勻。同時，由于微噴帶在垂直方向上存在著干燥區(qū)也會使得水量分布不均勻。因此，根據(jù)試驗得到的數(shù)據(jù)，對微噴帶灌溉施肥在兩種鋪設(shè)長度不同首部壓力下沿微噴帶與垂直于微噴帶方向的肥液濃度變化規(guī)律進行分析。

3.1 兩種鋪設(shè)長度的微噴帶肥液濃度變化

微噴帶沿程水頭損失主要與鋪設(shè)長度、微噴帶管徑及首部工作壓力相關(guān)。鋪設(shè)長度主要通過改變沿程水頭損失來影響微噴帶的沿程壓力，進而使沿微噴帶方向的水量分布不均勻。微噴帶鋪設(shè)長度增加，沿程損失也不斷增加，導致微噴帶沿程壓力與出流量不斷降低，這也是導致沿程水量分布不均勻的主要因素。兩種鋪設(shè)長度下微噴帶沿程壓力變化曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，兩種鋪設(shè)長度下微噴帶沿程壓力均呈現(xiàn)遞減趨勢。計算兩種鋪設(shè)長度下相同首部工作壓力的管道沿程相對壓降ΔH/H：當首部工作壓力為52 kPa，鋪設(shè)長度為20及40 m時的相對壓降分別為0.28和0.385；當首部工作壓力為43 kPa時，鋪設(shè)長度為20及40 m時的相對壓降分別為0.35和0.36，鋪設(shè)長度40 m時沿程壓力下降的幅度相對20 m時較大，沿程壓力的曲線斜率較陡。沿微噴帶方向水量分布均勻性主要影響因素為噴射點的工作壓力，噴射點的工作壓力即為首部工作壓力減去沿程壓力損失，而沿程壓力損失主要影響因素為微噴帶的鋪設(shè)長度。

圖2 兩種鋪設(shè)長度不同首部壓力下微噴帶沿程壓力變化曲線

兩種鋪設(shè)長度下不同首部壓力及部位垂直微噴帶方向肥液濃度變化見圖3。

由圖3(a)可以明顯看出，在使用比例式施肥泵進行灌溉施肥時，肥液濃度相對均勻，呈小幅度波動趨勢。圖3(b)中微噴帶在兩種鋪設(shè)長度下首部與尾部的肥液濃度相差不大，即微噴帶鋪設(shè)長度對肥液濃度影響很小。根據(jù)不同首部工作壓力與不同位置的對比，可以看出微噴帶鋪設(shè)長度為20 m的肥液濃度變化與鋪設(shè)長度為40 m相比幅度更加平穩(wěn)，并且濃度值略高。這種現(xiàn)象說明，使用微噴帶進行灌溉施肥時存在適宜鋪設(shè)長度，可根據(jù)微噴帶沿程水頭損失的變化規(guī)律確定極限鋪設(shè)長度，提高灌溉水量分布均勻性的同時提高施肥均勻性。

由于微噴帶沿程壓力沿程逐漸降低，沿程噴灑水量逐漸減小，雖然對肥液濃度影響不大，但施肥量為水量與肥液濃度的乘積，所以微噴帶鋪設(shè)長度對施肥均勻度有一定影響，主要是通過沿程水頭損失的減少改變不同位置處噴孔的工作壓力，使不同位置點的水量發(fā)生變化而導致肥液濃度受到影響。根據(jù)圖3可以發(fā)現(xiàn)鋪設(shè)長度為20 m、工作壓力為40 kPa時，垂直于微噴帶方向的肥液濃度變化相對平緩，而當微噴帶鋪設(shè)長度為40 m時，變化相對平緩的工作壓力為28 kPa，這說明在不同的鋪設(shè)長度下微噴帶的壓力變化不同，使得在不同位置處肥液濃度產(chǎn)生區(qū)別，而在不同鋪設(shè)長度條件下可以通過改變首部工作壓力使得微噴帶垂直方向施肥效果達到相似。所以，在實際生產(chǎn)使用過程中要根據(jù)實際情況設(shè)置合適的首部工作壓力與鋪設(shè)長度，以減少不必要的水量及肥料的損失及作物生長不均勻現(xiàn)象。

圖3 兩種鋪設(shè)長度下不同首部壓力及部位垂直微噴帶方向肥液濃度變化

3.2 垂直于微噴帶方向肥液濃度變化

微噴帶施肥均勻度與水量分布均勻性相同主要分為兩個部分：垂直于微噴帶方向與沿微噴帶方向，水肥一體化灌溉施肥的特點就是肥隨水流動噴灑進入田間，但由于還涉及肥料溶解問題，所以肥液的均勻性與水量分布均勻性不完全一致。試驗測試了垂直于微噴帶方向上不同位置點的肥液濃度及水量分布情況(沿微噴帶首中尾位置，即距帶首0、10、20 m和0、20、40 m處)，以分析垂直于微噴帶方向的肥液濃度分布均勻性。

根據(jù)在拔節(jié)期得到的垂直于微噴帶方向的測點水量，得到了兩種鋪設(shè)長度下微噴帶首、中、尾3個位置處垂直于微噴帶方向的水量分布變化，如表2所示。在無作物情況下，微噴帶垂直方向的水量變化存在峰值，一般情況會存在1個或兩個峰值。根據(jù)表2可以發(fā)現(xiàn)，在有作物的田間試驗中微噴帶垂直方向的水量分布發(fā)生了一定的變化，垂直于微噴帶方向的水量不斷降低，不再存在峰值位置，靠近微噴帶的位置由于小麥莖稈的遮擋，水量容易造成淤積使得水量充裕，而遠離微噴帶的位置點由于噴射出的水流受到層層小麥莖稈葉片的阻擋與碰撞改變了水流原有的行進路徑，到達最外端的水流不斷減少。鋪設(shè)長度為20 m的微噴帶水量在首部和中部兩個位置點基本高于鋪設(shè)長度為40 m時，而尾部出現(xiàn)反常，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是因為水流忽然遇到微噴帶尾部的堵塞壓力回升導致的。

圖4繪制了兩種鋪設(shè)長度下不同位置處垂直于微噴帶的肥液濃度變化曲線，由圖4(a)可以看出，在鋪設(shè)長度為20 m時肥液濃度大致整體有輕微下降趨勢，在靠近微噴帶的位置點肥液濃度變化幅度相對遠離微噴帶的位置點較平緩，在距離微噴帶的位置點4之后的肥液濃度有輕微波動，但整體變化不大，說明垂直于微噴帶方向肥液濃度基本均勻。根據(jù)圖4(b)看出相比鋪設(shè)長度為20 m的微噴帶鋪設(shè)長度為40 m時波動更為明顯，在距離微噴帶的位置點3之后的位置點就已經(jīng)產(chǎn)生明顯波動，而下降趨勢不明顯，可見垂直于微噴帶方向的肥液濃度在鋪設(shè)長度為40 m時相對均勻整體變化不大。

根據(jù)表2所得垂直與微噴帶方向不同位置點的水量變化數(shù)據(jù)與圖4的肥液濃度變化規(guī)律曲線可計算得到不同位置垂直于微噴帶施肥量(水量×肥液濃度)的變化，繪制得到不同位置垂直于微噴帶方向施肥量變化，如圖5所示。由圖5可知，由于垂直方向肥液濃度變化相對均勻，最終不同位置點施肥量的變化規(guī)律與水量變化規(guī)律相似，在有作物遮擋時，均逐漸降低。

圖4 兩種鋪設(shè)長度下不同位置垂直微噴帶肥液濃度變化曲線

圖5 兩種鋪設(shè)長度下不同部位垂直微噴帶方向施肥量變化曲線

表2 兩種鋪設(shè)長度下不同位置垂直于微噴帶方向水量變化g

3.3 沿微噴帶方向肥液濃度變化

由于微噴帶在實際運行過程中，沿程的出流量是不斷變化的，這會導致微噴帶沿程水量分布不均勻，進而對沿微噴帶方向肥液濃度產(chǎn)生一定的影響，而不同的鋪設(shè)長度水量變化也不相同。故試驗測試沿微噴帶不同位置點的肥液濃度變化，根據(jù)試驗得到的數(shù)據(jù)繪制不同位置點的肥液濃度變化曲線，分析沿微噴帶方向肥液濃度變化規(guī)律。

根據(jù)在實驗室得到的微噴帶沿程水量變化數(shù)據(jù)與大田試驗中獲取的水量數(shù)據(jù)，繪制出的鋪設(shè)長度為3 m，取樣點間隔0.2 m時，微噴帶不同垂向測點的沿程水量變化曲線見圖6；20、40 m兩種鋪設(shè)長度不同工作壓力下，微噴帶首、中、尾3個部位水量變化情況見圖7。由圖6、7可以很明顯地看出，沿微噴帶方向水量總體呈下降趨勢，過程中有輕微的波動。圖6表明，在鋪設(shè)長度較短時，垂直于微噴帶的方向由近及遠水量逐漸減少，離微噴帶越遠的位置點水量變化越為平緩；圖7表明，鋪設(shè)長度為20 m時水量在相同壓力下大于鋪設(shè)長度為40 m的情況，工作壓力為43 kPa時水量值最大。而在取樣間隔不同時，間隔越大變化趨勢越明顯，下降的幅度增大，沿程水量的變化與測試位置點的工作壓力正相關(guān)，而沿程水頭損失與鋪設(shè)長度密切相關(guān)，所以水量變化會隨著鋪設(shè)長度發(fā)生變化。

圖6 微噴帶不同垂向測點的沿程水量變化曲線(鋪設(shè)長度3 m，間隔0.2 m) 圖7 兩種鋪設(shè)長度不同工作壓力下微噴帶首、中、尾3個部位水量變化曲線

通過在大田中采用比例式施肥泵與微噴帶相結(jié)合進行施肥灌溉，鋪設(shè)長度為20 m、壓力為28 kPa時，沿微噴帶不同位置的各垂向測點肥液濃度見圖8，在不同工作壓力下對兩種鋪設(shè)長度沿微噴帶方向不同位置進行取樣測定其肥液濃度，得到的微噴帶沿程肥液濃度變化曲線見圖9。由圖8可以看出，沿微噴帶方向的肥液濃度整體變化趨勢有輕微波動，變化幅度不大，而靠近微噴帶的位置點肥液濃度低于遠離微噴帶的位置點，若在相同位置肥液中溶質(zhì)相同，而靠近微噴帶的位置點水量相對于遠離的位置點較高，則其肥液的濃度相對較低；由圖9可見，在相同鋪設(shè)長度和工作壓力下，微噴帶沿程肥液濃度變化幅度較小，基本均勻。鋪設(shè)長度為20 m時相同工作壓力下肥液濃度均大于鋪設(shè)長度為40 m的情況，而鋪設(shè)長度為20 m時，肥液濃度隨工作壓力的增大而增大，沿程肥液濃度有輕微減小趨勢，減小幅度不大；鋪設(shè)長度為40 m時，工作壓力為36 kPa的肥液濃度最大。

綜合圖8、9可以得出，隨鋪設(shè)長度的增大，沿程肥液濃度變化不明顯，存在不同的最優(yōu)工作壓力。均勻性的變化主要與首部的施肥裝置密切相關(guān)，本試驗中鋪設(shè)長度為20 m時，40 kPa工作壓力的肥液濃度均勻性最好；鋪設(shè)長度為40 m時，28 kPa工作壓力的肥液濃度均勻性最好。而肥液濃度最高時均勻性不一定是最好的。

圖8 沿微噴帶不同位置的各垂向測點肥液濃度(鋪設(shè)長度20 m、壓力28 kPa) 圖9 兩種鋪設(shè)長度不同工作壓力下微噴帶沿程肥液濃度變化

圖10繪制了比例式施肥泵與微噴帶組合灌溉施肥下，垂直于微噴帶方向的小麥產(chǎn)量變化曲線，圖中籽粒重量為試驗區(qū)1.0 m×0.5 m面積內(nèi)收獲的小麥經(jīng)晾曬脫粒后的重量。由圖10可以看出，垂直于微噴帶方向由近及遠小麥產(chǎn)量均逐漸降低，這與垂直于微噴帶方向水肥呈下降趨勢的規(guī)律吻合。圖10(a)表明，鋪設(shè)長度為20 m時，產(chǎn)量值的變化相對40 m的情況較平緩，首、中、尾的產(chǎn)量差值相對較小，減小鋪設(shè)長度可以適當提高水肥的均勻性進而使作物生長相對均勻，減少作物產(chǎn)量不均勻現(xiàn)象。圖10(b)對比了兩種鋪設(shè)方式下，垂直于微噴帶方向的小麥產(chǎn)量值變化，采用兩條微噴帶搭接組合灌溉時，相同位置的小麥產(chǎn)量明顯高于單條微噴帶灌溉的情況，組合灌溉可以使得遠離微噴帶的位置點得到另一條微噴帶的補充灌溉，通過補充灌溉可以很大程度地降低作物生長的不均勻性。在進行水肥一體田間布置時，可以通過合理設(shè)置微噴帶鋪設(shè)長度與方式提高水肥的均勻性，減少作物生長的不均勻性與肥料的浪費。

圖10 兩種鋪設(shè)長度和鋪設(shè)方式下垂直于微噴帶方向小麥產(chǎn)量變化曲線

4 討 論

目前農(nóng)業(yè)灌溉中水分利用率低下，肥料浪費嚴重，水肥一體化能實現(xiàn)精準施肥，將肥料直接輸送至作物根部，減少肥料浪費[14]，通過合理施肥方式優(yōu)化產(chǎn)量構(gòu)成適當提高作物產(chǎn)量[15-16]。張孟妮等[17]通過試驗探究得出微噴帶水肥一體化技術(shù)投資低廉、施肥高效且節(jié)水的結(jié)論。有研究表明工作壓力對微噴帶的沿程肥水均勻性影響較小[18]，本試驗結(jié)果表明微噴帶的沿程水肥均勻性與工作壓力有一定關(guān)系，不同的工作壓力會造成首尾壓差的不同，這會使得沿微噴帶方向肥液濃度變化趨勢不同。作物使用微噴帶灌溉施肥，水肥均勻性及追肥量、灌水量是目前需要解決的主要問題，劉占卯等[19]針對河北地區(qū)小麥、玉米種植使用微噴帶灌溉的不同生育期所需的灌水施肥量進行了探究，而劉彩彩等[20]、白珊珊等[21]對使用微噴帶進行灌溉施肥后肥料養(yǎng)分的運移及對作物產(chǎn)生的影響進行了試驗探究，發(fā)現(xiàn)水肥一體化能在一定程度上提高作物產(chǎn)量。

在大田生產(chǎn)使用過程中，由于微噴帶沿程水頭損失及水量的變化和施肥裝置的不同等，均會使垂直于微噴帶或沿微噴帶方向施肥濃度產(chǎn)生差異。試驗通過對不同鋪設(shè)長度下微噴帶灌溉施肥均勻度的情況進行試驗探究，對微噴帶的生產(chǎn)設(shè)計提供一些理論建議，減少在實際生產(chǎn)使用過程中因施肥不均勻而導致作物得到的養(yǎng)分不同，使得不同位置作物生長進程及產(chǎn)量不同，同時也可以通過灌溉組合方式、工作壓力合理控制及微噴帶鋪設(shè)長度優(yōu)化選擇減少肥料的浪費及作物生長不均勻性。

5 結(jié) 論

(1)通過對兩種鋪設(shè)長度下微噴帶沿程壓力及肥液濃度變化規(guī)律的探究，可以得出在大田試驗中微噴帶在鋪設(shè)長度為20 m時沿程壓力的下降幅度相對平緩。在鋪設(shè)長度低于40 m時建議首部工作壓力為40～45 kPa。

(2)對垂直于微噴帶方向的水量分布、肥液濃度及施肥量的變化趨勢進行分析，發(fā)現(xiàn)有作物時微噴帶垂直方向的水量分布發(fā)生了變化，肥液濃度大致整體有輕微下降趨勢，垂直方向肥液濃度變化相對均勻，垂直微噴帶位置點施肥量的變化規(guī)律與水量變化相似。

(3)通過對沿微噴帶方向不同位置點的水量分布及肥液濃度進行試驗探究分析可以看出，沿程肥液濃度會相應減小而均勻性變化較小，不同鋪設(shè)長度存在不同的最優(yōu)工作壓力，本試驗設(shè)置條件下鋪設(shè)長度為20 m時，最優(yōu)工作壓力為40 kPa；鋪設(shè)長度為40 m時，最優(yōu)工作壓力為28 kPa。

微噴帶在不同位置點的肥液濃度變化與施肥裝置及鋪設(shè)長度、工作壓力密切相關(guān)，水量分布的均勻性對肥液濃度有一定的影響，可以通過設(shè)計選擇施肥相對均勻的施肥裝置、相對適宜的鋪設(shè)長度與工作壓力，使得在運行中不同位置點施肥濃度相對均勻，減少在大田水肥一體化施肥過程中肥料噴灑不均勻現(xiàn)象，根據(jù)微噴帶的結(jié)構(gòu)型式及田間布置選擇最合適的運行參數(shù)，達到節(jié)水高效施肥的使用效果。