紫花苜蓿地埋滴灌條件下滴灌帶堵塞率研究

賈金良，張 松，鄭和祥

(1.鄂爾多斯市防汛抗旱服務中心，內蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國水利水電科學研究院牧區水利科學研究所，呼和浩特 010020)

我國水資源受降水的影響，時空分布不均勻，整體上從東南向西北內陸遞減。內蒙古自治區西北牧區受蒸發強烈、降雨量小與水資源分布不均3重因素影響，屬干旱、半干旱區，嚴重制約著內蒙古西北牧區的經濟發展。這一問題在內蒙古自治區西部尤為突出，干旱缺水導致該地區植被覆蓋率低，生態環境脆弱，荒漠化傾向頻發。各級政府高度重視牧區草原生態環境保護，采取了控制放牧、定期休牧與退耕還林還草等一系列應對防護措施。為了解決牲畜數量日益增加與草原可用飼草料逐漸減少的矛盾，近年來在水土資源相對優良的地區大膽嘗試了多年生牧草的人工種植，紫花苜蓿作為一種優質牧草在該地區得到廣泛種植[1]。地面滴灌作為一種節水灌溉方式，已經在內蒙古自治區大面積推廣使用，但是多用于一年生作物，通過機械化作業每年更換一次地面滴灌帶。針對紫花苜蓿這種多年生草本植物，每年刈割2～3茬的現狀，需要每年更換一次地面滴灌帶的問題難以解決，同時每年每公頃更換2 250元左右的滴灌帶成本，反而增加了農牧民的種植成本和勞動強度[2,3]。

為了突破地面滴灌在紫花苜蓿種植中的瓶頸問題，研究人員試圖嘗試紫花苜蓿地下滴灌，即將滴灌毛管埋于地下，水分和肥料可以直接被送達作物根系，既可實現精準灌水施肥，又可降低土壤表面水分無效蒸發，從而提高灌溉水水分利用率[4]。滴灌毛管位于地下，不僅可以有效延長其使用壽命，而且使表層土壤長期處于干旱狀態，有效抑制苜蓿地雜草生長與蟲病害的發生。同時地下滴灌有效解決了紫花苜蓿每年刈割2～3茬的生產問題，增加了苜蓿生產的農機自動化程度，解放了勞動力[5,6]。因此紫花苜蓿地下滴灌研究，在內蒙古西部牧區不僅能實現節水增產增效，而且對實現草原生態可持續發展具有重要的現實意義。

地下滴灌能否實現大面積推廣，滴灌帶的堵塞問題是決定性因素。滴灌毛管堵塞直接引起根區土壤水分分布不均，進而影響作物產量，從而影響農牧民的經濟收入，因此研究滴灌毛管堵塞情況有重要的現實意義。近年來，研究人員在滴灌帶堵塞情況的研究中取得了初步成果。劉燕芳等[7]研究了滴灌條件下水的硬度對滴頭堵塞情況的影響，研究結果表明硬水能夠引起滴頭堵塞且堵塞程度與硬度呈正相關。李久生等[8]對使用2 a后的滴灌毛管滴頭堵塞情況進行了研究，指出滴灌毛管末端的灌水器滴頭最易發生輕微堵塞，并根據滴頭流量降低百分數與流量變差系數的回歸關系定量評價了灌水均勻性受滴頭堵塞影響的程度，表明流量降低百分數和灌水器流量均勻系數呈線性正相關關系。仵峰[9]對使用8 a之久的地埋滴灌條件下滴灌毛管堵塞情況進行了研究，表明堵塞主要原因是細微顆粒在流道壁上的附著和積聚，并且迷宮式、微管式和孔口式3種滴灌毛管堵塞率分別達16.67%、25%和63.89%。于穎多[10]等研究結果表明氟樂靈能抑制作物根系入侵灌水器，主要是因為它能夠控制滴頭附近作物根系的生長。王榮蓮[11]等研究表明設計流量較小的滴灌毛管有利于減輕滴頭負壓堵塞的狀況。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地點選在毛烏素沙地腹部的鄂托克前旗，氣候條件為中溫帶溫暖型干旱、半干旱大陸性氣候，夏季短溫度高，冬季較長氣溫低，常年干旱少雨，蒸發強烈，日光充足。地理坐標為106°30′～108°30′E，37°38′～38°45′N，多年平均氣溫7.9 ℃，多年平均降水量為260.6 mm，多年平均蒸發量為2 497.9 mm；相對濕度平均49.8%；平均沙暴日數16.9 d，年平均日照時數為2 958 h，年平均無霜期171 d，最大凍土層深度1.54 m。常年盛行風向為南風，多年平均風速2.6 m/s。試驗區土壤狀況見表1。

表1 試驗區土壤狀況Tab.1 Experimental zone soil conditions

1.2 試驗材料及種植方法

供試苜蓿品種：紫花苜蓿品種草原2號，滴灌材料：貼片式滴灌帶，種植方法：2015年6月7日人工條播，行間距0.3 m。紫花苜蓿每年在初花期適時刈割收貯。

1.3 試驗設計

紫花苜蓿滴灌試驗于2015年在鄂托克前旗敖勒召其鎮哈日根圖嘎查示范戶進行，滴灌毛管埋深設置10和15 cm 2個水平，滴頭流量設置1.38、2.0和3.0 L/h 3個水平，3個水平滴灌帶的滴頭間距、壁厚均相同，滴頭間距均為0.3 m，壁厚均為0.4 mm；施肥量設0、52.50、97.50 kg/hm23個水平，共計18個處理。每個試驗小區長度均為60.0 m，寬度均為3.0 m，每個小區之間設寬度為1.0 m的隔離帶，滴灌首部和試驗小區示意圖見圖1。

圖1 滴灌首部和試驗小區布置Fig.1 Drip irrigation head and test plot layout

為保證管道干、支管和滴灌帶內的清潔，試驗布設完成后，首先對整個地下滴灌系統進行全面的沖洗。試驗期間，施肥通過大量元素水溶性肥料按配比與尿素混合，隨滴灌水流直接施入苜蓿根部。

2015年為紫花苜蓿生長第1年，只進行灌溉處理，次年第1茬返青期進行施肥1次。施肥按照1/4-1/2-1/4的模式進行，即一次完整的施肥時間里前1/4時間不施肥，中間1/2時間持續施肥，后1/4時間不施肥。

2016年末將各處理埋于地下的滴灌毛管挖出，對運行2 a的地下滴灌系統進行滴灌毛管滴頭堵塞情況評估。各試驗小區取3根滴灌毛管，每根滴灌毛管測試25個滴頭。滴灌毛管滴頭堵塞評估試驗在鄂托克旗前旗恒豐節水有限公司廠區內進行，測試池面積6 m×2 m，設有4個安裝有開關和壓力計的水龍頭。其中的3個水龍頭接滴灌毛管，另一個水龍頭調節水壓，確保試驗工作壓力為0.1 MPa。打開裝置待工作壓力穩定后開始測試。在每個測試滴頭下用容積3 L的量筒測量1 h接水量。每次測試一個小區滴灌帶，試驗重復3次。用相同批次的新滴灌毛管的堵塞性能作為空白對照，并將結果與處理進行對比分析。

1.4 數據處理

試驗數據采用Office Excel 2016和DPS 6.5軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 滴灌帶滴頭堵塞總體情況

流量降低百分數用以反映滴灌帶滴頭的堵塞程度，用下式表示：

式中：R為滴頭流量降低百分數，%；q為使用后灌水器流量；qn為新灌水器流量。

本文參照《農業灌溉設備滴頭和滴灌管技術規范和試驗方法》(GB/T17187-2009)[12]、《塑料節水灌溉器材內鑲式滴灌管、帶》(GB/T19812.3-2008)[13]中相應的試驗方法和技術要求，以及ISO/TC23/SC18[14]的方法，即當滴頭實際出流小于新滴灌毛管滴頭流量的75%時，視為滴頭發生堵塞。本試驗各處理的滴頭堵塞情況見表2，滴頭流量降低的個數占灌水器總數的變化情況見圖2。

表2 施肥次數、施肥量和發生堵塞的灌水器個數Tab.2 The number of fertilization, the amount of fertilizer and the number of clogging emitters

圖2 滴頭流量降低個數占灌水器總數的變化情況Fig.2 The change of emitter flow rate in total emitter

試驗結果表明：地埋滴灌2 a后的滴灌毛管滴頭流量降低百分數高于10%的滴頭占7.0%，高于20%的滴頭占4.0%，堵塞滴頭占3.6%，完全堵塞滴頭占1.9%。因此可視為使用2 a后的滴灌系統滴灌器堵塞程度較輕。

2.2 滴灌毛管堵塞滴頭在系統中的分布

由表2可知，不同處理間滴頭發生堵塞、完全堵塞的滴頭數量沒有明顯區別。為了進一步研究滴灌毛管滴頭堵塞的原因，對滴灌毛管堵塞滴頭在系統中的分布進行分析。圖3為相同埋深不同設計滴頭流量3個試驗小區的滴頭流量降低百分數沿著滴灌帶的變化情況(滴頭編號順著滴灌帶水流方向逐漸增大)。結果表明：離滴灌帶入口處越遠(編號逐漸增大)，滴頭流量降低百分數逐漸上升；完全堵塞的滴頭均分布在滴灌帶的末端(其他處理滴頭流量降低百分數變化趨勢、完全堵塞的滴頭位置與圖2一致)。

圖3 滴頭流量降低百分數沿著滴灌帶的變化情況Fig.3 Variation of dripper discharge percentage along the drip irrigation zone

隨著離滴灌帶入口處的距離的增加，沿程水頭損失增加，毛管內壓力降低，流速放緩，使得毛管末端流速趨零，水流中的細沙等固體微粒在毛管末端沉積。故滴頭編號越大，越容易發生完全堵塞，即堵塞的滴頭多位于毛管末端。另外滴灌系統在運行2 a過程中沒有完全沖洗管道也增大了滴頭堵塞的可能性。

2.3 施肥、滴頭流量、根系侵染對堵塞的影響

為了探究施肥是否會導致滴灌堵塞，圖4分析了滴頭流量降低百分數與施肥累積次數和施肥量的關系。研究結果表明：當施肥量與施肥累積次數增加時，滴頭流量沒有顯著升降變化，即供試滴灌系統施肥對滴頭堵塞的影響較小。

圖4 施肥對滴頭流量降低百分數的影響Fig.4 Effect of Fertilization on the percentage reduction of dripper discharge

本滴灌系統首部安裝有2級過濾器(砂石過濾器和疊片過濾器)和施肥器。為了最大限度地降低施肥對滴灌帶的堵塞，施肥器安裝在疊片過濾器之前，滴灌首部見圖1。本試驗中肥料均為可溶水肥。縱觀整個滴灌系統，經過2級過濾后，滴灌水中的含沙百分數已經很低，從而確保了滴灌系統的正常穩定運行，同時排除了施肥因素對滴灌毛管堵塞的影響。

圖5為滴頭流量降低百分數與滴灌毛管設計滴頭流量的關系。從圖5可知,流量降低百分數隨著滴灌帶設計滴頭流量的增加而增加。滴頭設計流量為1.38、2.0和3.0 L/h的滴灌帶的實際滴頭流量降低百分數分別為4.12%、6.08%和10.33%。滴頭流量為3.0 L/h的滴灌帶流量降低百分數明顯高于另外2個，原因可能是當滴灌系統驟停時刻，毛管內壓力驟減，此時毛管外部土壤中微小顆粒由于壓力差增大更易進入毛管滴頭。

圖5 滴灌帶設計滴頭流量對實際滴頭流量降低百分數的影響Fig.5 Effect of dripper discharge on the percentage reduction of actual emitter flow rate

為了理清滴頭堵塞的原因，挑選完全堵塞的滴灌毛管將其縱向剪開，發現灌水器流道進口處有大量泥沙沉積，并非是灌水器由于根系入侵而堵塞，這與李久生[8]和仵峰[9]研究成果相同，但與于穎多[10]研究結果不同，后者研究指出,冬小麥滴灌條件下，發生根系入侵的灌水器比例高達16%，主要原因是苜蓿的須根相對較少，降低了根系侵入滴頭的可能性，其次是由于紫花苜蓿灌水頻繁，滴頭附近較高的土壤含水率也防止了根系的入侵。

2.4 滴灌帶埋深對滴頭堵塞率的影響

從表2可知，在相同的設計滴頭流量、累積施肥次數和施肥量的條件下，埋深15 cm比10 cm滴灌帶灌水器堵塞個數高20.0%，但灌水器完全堵塞個數相差不大且流量降低百分數分別是6.56%和7.13%，由此可知毛管埋深對滴頭流量的影響不顯著。滴灌帶埋設深度對灌水器堵塞最大的影響即當毛管內壓力驟減時，外部土壤壓力對毛管的影響，雖然埋設深度增加，毛管承受的土壓增大，但10 cm厚外部土壤壓力已遠超毛管內部水壓，故毛管埋深(10 cm和15 cm)對滴頭堵塞亦無顯著影響。

3 結 論

在第1年清水灌溉、第2年施肥灌溉的情況下，得出如下結論。

(1)使用2 a的滴灌帶發生堵塞的滴頭占3.6%，發生完全堵塞的占1.9%，滴灌帶堵塞程度較輕。

(2)發生完全堵塞的滴頭大多分布于滴灌帶的末端，另外滴灌系統運行2 a未對管道進行完全沖洗亦增加了滴頭堵塞的可能。

(3)埋設深度對滴灌帶滴頭流量影響不明顯，試驗中施肥對滴頭堵塞無顯著影響；滴頭流量降低百分數隨著滴頭流量的增加而增加；滴頭流量為3.0 L/h時滴頭流量折損率為10.33%，是流量1.38 L/h時流量折損率的3倍。