肥液種類及濃度對滴灌施肥系統(tǒng)水力性能的影響

羅 莉，王浩翔，張新燕，3，張秋雨，李 斌

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌712100；2.溫州市溫瑞平水系管理中心，浙江溫州325000；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西楊凌712100）

0 引 言

滴灌施肥技術(shù)是在滴灌技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的將施肥與滴灌相結(jié)合的一種農(nóng)業(yè)新技術(shù)，通過定量供給作物水分和養(yǎng)分以維持土壤適宜水分和養(yǎng)分濃度的有效方法。因該技術(shù)具有灌溉水及肥料利用率高，對環(huán)境污染小的特點(diǎn)，自1970年左右開始，以色列等國就已先后開展了該方面的試驗(yàn)研究，至今已積累了大量的經(jīng)驗(yàn)和成果[1,2]。我國自1974年引進(jìn)滴灌技術(shù)，經(jīng)過若干年的發(fā)展，也已取得了顯著的成績[3,4]。

微灌系統(tǒng)通過滴頭等專用設(shè)備將灌溉水送入土壤，但因其消能流道尺寸狹小，極易被灌溉水源中的固體顆粒物、有機(jī)質(zhì)、氮磷等雜質(zhì)堵塞[5,6]，導(dǎo)致系統(tǒng)的灌溉均勻度降低，直接影響微灌工程的使用壽命和應(yīng)用效益。魏榕等[7]研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)口壓力和泥沙濃度對微噴帶堵塞性能均有顯著影響，并得到使用泥沙粒徑小于1 mm 的含沙水進(jìn)行灌溉時(shí)，應(yīng)使泥沙濃度不大于1.0 g/L。董愛紅等[8]揭示了泥沙是利用微孔陶瓷灌水器進(jìn)行水肥一體化灌溉造成灌水器堵塞的主要因素，并分析了堵塞的原因。賈金良等[9]研究表明滴灌帶埋設(shè)深度及施肥次數(shù)、施肥量對滴頭堵塞均無顯著影響，滴頭實(shí)際出流量隨滴灌設(shè)計(jì)流量的增加而損失加大，且滴灌帶末端堵塞最為嚴(yán)重。吳婉瑩等[10]通過對不同規(guī)格滴灌帶水肥滴灌堵塞影響因素的研究發(fā)現(xiàn)側(cè)翼迷宮滴灌帶隨鋪設(shè)長度的增加堵塞加重，建議在低壓（<0.05 MPa）條件下，鋪設(shè)長度不要大于50 m。李康勇等[11]分析了不同泥沙級配的渾水進(jìn)行水肥一體化灌溉中對內(nèi)鑲片式迷宮流道結(jié)構(gòu)滴頭堵塞的影響，表明肥料有增強(qiáng)泥沙顆粒間絮凝及促進(jìn)穩(wěn)定而致密團(tuán)聚體形成的作用，從而導(dǎo)致滴頭堵塞加劇。劉璐等[12]通過對不同迷宮流道滴頭研究得到相對于流道結(jié)構(gòu)肥料特性是決定堵塞類型和誘發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的重要因素。綜上，目前對微灌施肥系統(tǒng)的研究大多著眼于泥沙和肥料2因素共同對系統(tǒng)的影響，而明確肥料等單因素對滴灌施肥系統(tǒng)水力性能的影響還有待于進(jìn)一步的探索研究。

基于此，通過研究肥液特性及濃度對滴灌施肥系統(tǒng)水力性能的影響，為水肥一體滴灌技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

試驗(yàn)采用內(nèi)鑲貼片式滴灌帶（楊凌秦川節(jié)水灌溉設(shè)備工程有限公司生產(chǎn)，額定流量2.3 L/h，管徑16 mm，滴頭間距30 cm，壁厚0.2 mm，實(shí)驗(yàn)帶長3 m，滴頭10 個(gè)，由進(jìn)口端至出口末端編號依次為1～10號）。

選用水溶肥（鄭州田豐公司生產(chǎn)）與復(fù)合肥（云南云天化股份有限公司生產(chǎn)，N∶P2O5∶K2O 為15∶5∶25，pH 7.33～8.10）2種肥料。

試驗(yàn)裝置如圖1所示，主要設(shè)備有單相自吸泵（最大流量3 m3/h，吸程20 m，揚(yáng)程60 m）、攪拌裝置（異步攪拌泵功率300 W，轉(zhuǎn)速1 390 r/min）、精密壓力表（精度0.001 MPa，量程0～0.25 MPa，）、匯流槽板、120 目過濾器、閘閥，加熱溫控裝置由電子式溫度控制器（測控范圍?9～99 ℃，控溫精度0.1 ℃）、測溫探頭、U形加熱棒（220 V，3 kW）組成。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Test platform schematic

1.2 測定方法及內(nèi)容

采用灌水1 h、停水2 h的短周期間歇灌水方法，試驗(yàn)時(shí)長96 h，共計(jì)灌水20次，累計(jì)灌水時(shí)間20 h。一組灌水結(jié)束后更換滴灌帶重復(fù)進(jìn)行，每組次試驗(yàn)處理重復(fù)3測次。

（1）滴頭流量q測定。采用稱重法，在滴頭下方放置量水桶，測量一定時(shí)間內(nèi)滴頭流出水體質(zhì)量計(jì)算試驗(yàn)滴頭出流量。經(jīng)換算計(jì)算公式如下：

式中：q為滴頭出流量，L/h；T為測量時(shí)長，min；me為量水桶質(zhì)量，g；mt為量水桶及測定時(shí)間出流水體總質(zhì)量，g。

（2）平均相對流量Dra計(jì)算。公式為：

式中：為第i個(gè)滴頭的清水流量，L/h；為第i個(gè)滴頭在第t次灌水的出流量，L/h；n為一條滴灌帶滴頭總數(shù)量。

（3）克里斯琴森（Christiansen）均勻度系數(shù)CU。公式為：

以上參數(shù)Dra及CU是評價(jià)滴頭水力性能的特征參數(shù)，

2 結(jié)果與分析

2.1 肥液種類對滴頭流量及均勻度的影響

溫度20 ℃時(shí)，不同肥液種類在進(jìn)水壓力50 kPa 下滴頭Dra、CU的變化如圖2和圖3所示。

由圖2可見，清水和水溶肥在灌水20次后，滴頭Dra在灌水期間雖有波動(dòng)，但一直維持在95%以上。其均勻度CU也一直處于98%～99%水平，如圖3所示。復(fù)合肥隨著灌水次數(shù)的增加，Dra逐漸減小，灌水4 次后，Dra值低于90%，之后維持在80%～90%，灌水18 次后，Dra值低于75%，不再滿足規(guī)范要求。其均勻度CU也隨著灌水次數(shù)的增加而減小，在灌水7 次后，均勻度CU下降到85%以下，低于規(guī)范要求指標(biāo)，直到灌水20 次后，其CU值降低到僅58.5%，比滴灌標(biāo)準(zhǔn)CU85%低了26.5%。可見水溶肥由于較好的水溶性，在灌水期間對滴頭基本沒有影響，滴頭Dra和CU均有較高水平，與清水相同具有較好的水力性能。而復(fù)合肥由于受到溶解度的影響，溶液中存有未溶固體顆粒，有對滴頭產(chǎn)生堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，隨著灌水次數(shù)的增加，尤其是停灌時(shí)，固體顆粒沉積加大，造成滴頭堵塞加重，滴頭Dra和CU隨之減小。

圖2 肥液種類對滴頭Dra的影響Fig.2 Effect of fertilizer type on Dra

圖3 肥液種類對CU的影響Fig.3 Effect of fertilizer type on CU

2.2 肥液濃度對滴頭流量及均勻度的影響

針對復(fù)合肥，進(jìn)一步研究其肥液濃度對滴頭流量及均勻度的影響。圖4所示為溫度20 ℃下不同復(fù)合肥肥液濃度下滴頭Dra隨灌水次數(shù)的變化。由圖4可見，肥液濃度越大，滴頭Dra減小越快。肥液濃度3 g/L、4 g/L 在20 次灌水后Dra仍維持在80%以上，在13次灌水前，2者Dra值相互交錯(cuò)，之后濃度4 g/L 顯著低于3 g/L，出現(xiàn)明顯下降，且濃度3 g/L 在8～15次灌水還存在Dra升高的現(xiàn)象，可見濃度越小堵塞程度越輕，且間歇灌水具有反沖洗作用；肥液濃度5 g/L隨灌水次數(shù)增加，Dra隨之減小，在試驗(yàn)的20 次灌水中發(fā)生了5 次突降（降幅>3.5%），在第7 次和第8 次灌水間突降幅度最大，達(dá)7.3%，且在灌水次數(shù)達(dá)18 次后減小至75%以下?？梢娫谝淮喂嗨Y(jié)束到下次灌水之間，肥液會(huì)在停灌期間造成所攜帶未溶固體顆粒淤堵在滴灌帶內(nèi)，造成堵塞，Dra隨之減小；但隨著下次灌水淤堵在滴灌帶內(nèi)的固體顆粒有可能會(huì)部分隨水帶走，所以Dra又會(huì)在不同灌水次數(shù)間維持不變或偶有上升的現(xiàn)象，如第15次灌水的滴頭Dra比第14次灌水提高，提高幅度達(dá)2.57%。

圖4 復(fù)合肥肥液濃度對滴頭Dra的影響Fig.4 Effect of fertilizer concentration on Dra

復(fù)合肥均勻度CU隨灌水次數(shù)的變化如圖5所示。可見，CU變化規(guī)律與Dra基本保持一致，隨灌水次數(shù)增加而減小，且減小幅度隨肥液濃度增大而增大。以均勻度系數(shù)CU=85%為標(biāo)準(zhǔn)，不同濃度肥液其有效灌水次數(shù)不同，肥液濃度3 g/L和4 g/L 明顯優(yōu)于5 g/L。前2 者灌水均勻度水平穩(wěn)定且維持在較高水平，有效灌水次數(shù)（CU>85%）分別為18 次和16 次，占總灌水次數(shù)的90%和80%；而肥液濃度5 g/L 時(shí)初期2 次灌水均勻度處于較高水平，之后出現(xiàn)階梯式下降，有效灌水次數(shù)僅為7次，占總灌水次數(shù)的35%。

圖5 復(fù)合肥肥液濃度對CU的影響Fig.5 Effect of fertilizer concentration on CU

可見，隨著肥液濃度增大，滴頭Dra和CU減小，且肥液濃度越大，Dra、CU減小越大。在試驗(yàn)水平下，其最小濃度3 g/L 堵塞風(fēng)險(xiǎn)最低，滴頭平均相對流量Dra和均勻度系數(shù)CU值最高且變化幅度最小。

2.3 肥液濃度對滴頭堵塞的影響

肥液濃度對滴頭堵塞影響情況如表1所示。由表1可見，隨著肥液濃度增大，堵塞滴頭數(shù)量增加，占總滴頭數(shù)比值即堵塞率增大。最小濃度處理3 g/L 時(shí)堵塞滴頭數(shù)僅有2 個(gè)，滴頭8 號和9 號，堵塞率僅6.67%；而當(dāng)肥液濃度增大至5 g/L時(shí)，堵塞滴頭數(shù)量增大到5 個(gè)，堵塞率提高至23.33%，相比濃度3 g/L時(shí)堵塞程度提高2.5倍。同時(shí)可以看到滴頭堵塞位置多發(fā)生在滴灌帶尾端部分，這是因?yàn)樗鞯酿杂绊懀喂鄮а爻坍a(chǎn)生水頭損失導(dǎo)致水流動(dòng)能減小，從而挾沙能力降低，造成滴頭堵塞。

表1 滴頭堵塞情況Tab.1 Effect of fertilizer concentration on clogging emitters

2.4 肥液濃度閾值

因肥料在不同溫度下其溶解度不同，選用10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃4個(gè)溫度，通過觀測Dra變化情況，探究不同溫度下復(fù)合肥肥液濃度閾值。以灌水20 次后Dra值減小至75%為標(biāo)準(zhǔn)，若20 次灌水結(jié)束后滴頭Dra值>75%，則更換滴灌帶、增加肥液濃度，增加幅度為1.0 g/L，直至灌水結(jié)束后滴頭Dra值<75%，則該肥液濃度即為當(dāng)前溫度下的肥液濃度閾值，試驗(yàn)結(jié)束。結(jié)果如表2所示，為不同溫度下復(fù)合肥濃度閾值。

表2 復(fù)合肥肥液濃度閾值Tab.2 Thresholds of compound fertilizer concentration

由表2可見，肥料溶解性能隨著溫度升高而提高，當(dāng)溫度由10 ℃升至40 ℃，復(fù)合肥溶解度提高了85%，由2.6 g/L 增大到4.8 g/L。隨著溶解性能的提高，肥液中固體顆粒含量減少，在試驗(yàn)的復(fù)合肥溶液中，固體顆粒含量在10 ℃時(shí)為3.2 g/L，40 ℃時(shí)僅為1.4 g/L。由于肥料溶解性能的提高和相應(yīng)固體顆粒含量的減少，滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)隨之降低，同時(shí)由于溫度升高，肥液黏滯性降低，水流挾沙能力增強(qiáng)，滴頭抗堵塞性能加大，肥液濃度閾值進(jìn)而提高，相應(yīng)由4 g/L 提高至8 g/L，提高幅度達(dá)50%。因此實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)溫度等環(huán)境條件選取相應(yīng)肥液濃度，以控制滴灌帶堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié) 語

通過試驗(yàn)研究了不同肥液種類及濃度對滴灌施肥系統(tǒng)滴頭平均相對流量Dra和均勻度系數(shù)CU以及堵塞情況等水力性能的影響，確定了不同溫度下復(fù)合肥肥液濃度閾值，得出以下主要結(jié)論。

（1）不同肥液種類對滴灌帶出流水力特性影響不同，溶解性越強(qiáng)，影響越小。水溶肥因其全溶于水的特性，對出流基本無影響，是滴灌施肥的首選肥料種類。

（2）復(fù)合肥肥液濃度越大，滴頭Dra和CU越小，且濃度越大，Dra、CU減小越大，堵塞率同時(shí)增大。可見隨著肥液濃度的增加，滴灌帶堵塞風(fēng)險(xiǎn)加大，且易發(fā)生在滴灌帶末端。

（3）溫度升高復(fù)合肥肥液濃度閾值提高。10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃時(shí)濃度閾值分別為4.0 g/L、5.0 g/L、7.0 g/L 和8.0 g/L。