小麥植株遮擋對微噴灌均勻度的影響

王文娟 王文娥 胡笑濤

(西北農林科技大學 旱區農業工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

微噴帶是農業生產中廣泛使用的新型節水設備，具有省時省工、收放方便的優點，在經濟作物灌溉、蔬菜培育、溫室應用、水肥一體化等方面應用前景廣闊[1-2]。在農業生產中使用微噴帶時，噴出的大顆粒水珠較少，霧化效果好，水滴直徑小，節水效果明顯[3-4]。但實際應用中，使用者缺乏微噴帶水力性能和適用條件等相關信息，不能根據作物對微噴帶的布置進行調整，因此很難達到最優節水節肥效果。尤其對于小麥等密植作物，在生長過程中株高和冠層覆蓋度不斷變化，微噴帶灌溉均勻度受其影響[5-7]，進而影響到小麥的生長狀況及產量。因此對小麥遮擋下微噴帶灌溉的均勻度變化及其影響因素進行探究很有必要。

目前對微噴帶的基礎性能已有一定研究，微噴帶的單孔水量分布特征多采用噴幅、濕潤區面積、灌水強度等指標來體現[8]，而水量分布與工作壓力、噴射角度、噴孔直徑等諸多因素有關[9]，各因素之間的關系還有待探究。微噴帶水量分布特性的檢測主要采用噴灌水量分布的試驗方法，目前已對幾種常見微噴帶的水量分布均勻系數進行了試驗檢測[10]。鄭迎春[11]通過微噴帶水力性能試驗，得到了微噴帶沿程水頭損失公式及噴射水滴運動軌跡方程。白珊珊等[12]以國內外6種常見類型的微噴帶為研究對象，分析了小麥遮擋條件下微噴帶壓力流量關系、有效噴灑寬度、水量分布均勻系數等參數的變化規律[13]。已有研究主要針對微噴帶的水量分布和水力性能進行了探究，但對于不同生育期小麥遮擋下微噴帶的水量分布及其影響因素還缺乏深入研究。

本研究擬對不同小麥株高及密度條件下微噴帶水量分布進行試驗，分析小麥植株遮擋對微噴灌均勻度的影響，研究微噴帶在田間灌溉時的水量分布特征及其影響因素，以期為微噴帶灌溉系統的設計提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗設備及材料

試驗在西北農林科技大學北校區水工廳進行，試驗裝置見圖1。微噴帶購買于楊凌啟豐節水有限公司，管徑為28 mm，噴孔為機械打孔，斜五孔布置。噴孔水平間距為2 cm，孔組間距22.7 cm，孔組的傾斜度15°。微噴帶由回收的廢料制成，壁厚約0.2 mm，爆破壓力0.1 MPa。精密壓力表量程0.2 MPa，精度0.25級。首部設置120目疊片過濾器。

1.水泵；2.盛水容器；3.閘閥；4.過濾器；5.水表；6.壓力表；7.微噴帶；8.塑料布；9.堵頭；10.小麥試樣及量水裝置

試驗前自制一水量分布量水裝置，該裝置為邊長1 m的正方形試驗臺，試驗臺高度80 cm，設置20 cm×20 cm的不銹鋼方格網，共計25個。方格下方20 cm處為一平臺，對應方格位置擺放25個規格相同的雨量筒，直徑11 cm，高度14.5 cm，容積為1 L。在方格網上鋪設塑料布，網格處固定，在每個雨量筒正上方的位置處開十字形的孔，向下設置一定的凹陷使水流向網格中心匯集、流進雨量筒中。試驗微噴帶單側噴幅不超過3 m，因此在垂直微噴帶方向上放置了3個量水裝置。將制作好的小麥試樣按照相應布置扎在金屬網上，保持挺直，再將金屬網固定在量水裝置上，并使其保持穩定，量水裝置與小麥試樣布置見圖2。

1.量水裝置；2.雨量筒；3.小麥試樣；4.微噴帶

微噴帶鋪設在長3 m、與量水裝置同等高度的架子上，保證微噴帶平整、無扭轉、噴孔可自由出流。試驗前用塑料布覆蓋在微噴帶上，試驗開始后，待微噴帶出流穩定后去掉覆蓋塑料布，并開始計時，噴出的水流匯入雨量筒中，每組試驗水量觀測時間10 min，達到時間后再次用塑料布覆蓋微噴帶，采用稱重法測定各雨量筒中的水量，天平精度0.1 g。

1.2 試驗設計

在使用微噴帶進行田間灌溉時，小麥的株高和種植密度(體現在冠層覆蓋度)均會影響微噴灌均勻度。基于此，本研究設計了不同株高及種植密度的小麥試樣進行試驗：1)選取小麥3個典型生育期的高度作為試驗株高，即20 cm(起身期)、40 cm(拔節期)和70 cm(成熟期)[14]；2)根據對小麥生長規律的田間調研，在各株高下均設置3種小麥種植密度(密度設計見表1)。小麥試樣制作完后使用Canopeo軟件[15]對制作的小麥試樣進行覆蓋度分析。該軟件可以通過手機或數碼相機拍攝的圖像，基于顏色閾值的選擇標準，根據算法將所拍攝圖像中的每個像素放入相同的“綠色”或“非綠色”類別，從而近乎實時的估算綠色植被的冠層覆蓋度。如本研究的小麥試樣，株高為40 cm時，3種不同種植密度下冠層覆蓋度分析結果分別是53.53%、66.67%和81.72%。

表1 小麥試樣種植密度設計

本研究共設置了微噴帶工作壓力P、株高H和種植密度D3個影響因素(表2)：通過文獻查閱和咨詢廠家確定了較為適宜的4個工作壓力，即20、24、28和32 kPa；株高為20、40和70 cm；種植密度為密度Ⅰ、密度Ⅱ、密度Ⅲ，全組合設計，共36組處理；種植密度為0時(即無作物遮擋)，在4個工作壓力下進行試驗，作為對照組；共計40組試驗。

表2 小麥遮擋下微噴帶灌溉試驗因素與水平

1.3 數據分析方法

試驗采用Excel對雨量筒收集到的噴灑水量進行統計和處理，所得水量根據式(1)計算噴灑時間段內的灌水強度：

(1)

式中：h為灌水強度，mm/h；V為噴灑時間段內雨量筒中收集的水量，mL；A為雨量筒收集水量的面積(不銹鋼方格面積)，mm2；t為收集水量時長，h。

根據灌水強度h計算微噴帶的灌水均勻度CU[16]，以評價微噴帶的水量分布均勻度和噴灑效果。計算公式為：

(2)

2 結果與分析

2.1 理論基礎

在使用微噴帶進行田間灌溉時，管首工作壓力、作物株高、作物種植密度等[17-18]均會對微噴帶灌溉的水量分布均勻度產生影響。由于作物灌水量及抗打擊能力不同，需要進行不同的壓力設置和田間布置。水流從水源通過有壓管路輸送到微噴帶、從微噴帶的噴孔中噴出落到地面或作物植株及葉片之前，沒有接觸作物，微噴帶的水力性能及運行條件決定了水量分布，即灌水均勻性與作物無直接關系，可以根據管道類型和型號、調節首部壓力、管長、管道間距等系統參數控制水量分布；水流或水滴進一步落到地面或作物植株及葉片上時，受到作物遮擋對噴灑水量的攔截、阻擋等改變水流或水滴的運動方向、路徑，引起水量的二次分布，促進或降低噴灌區域的灌水均勻性。株高與作物種植密度隨作物生長階段和生長狀況而改變，是作物自身的生長狀況對微噴帶灌溉均勻度產生的影響。而由于微噴帶的水力性能不受作物生長影響，因此可根據作物不同生長階段的作物株高及覆蓋度，調整微噴帶的運行壓力，提高灌溉均勻度，更有利于微噴灌系統設計及運行管理。

因此，考慮作物遮擋對微噴帶灌溉均勻度的影響，在計算均勻度時引入作物影響系數，即將作物生長狀況對灌溉效果的影響記為作物影響系數Kc，計算公式為：

CU=Kc·CU微噴帶

(3)

式中：CU為綜合灌水均勻度；Kc為作物影響系數，量綱1；CU微噴帶為沒有作物遮擋下布置微噴帶時，由微噴帶水力性能影響的灌水均勻度。

2.2 數據處理

將各處理下試驗所得水量按照式(1)和(2)進行計算得到CU，并將有作物生長時微噴帶灌溉的均勻度按照式(3)分析，分為CU微噴帶和Kc2部分進行分析討論，以得出使用微噴帶對小麥進行田間灌溉時的壓力調節和使用方法。

2.2.1種植密度對綜合灌水均勻度CU的影響

圖3示出對照及各處理組噴灑均勻度隨工作壓力的變化。無作物遮擋，當工作壓力為20 kPa時，CU微噴帶最大，隨著壓力的增大，即由20 kPa逐漸增加到28 kPa時，CU微噴帶逐漸減小，到32 kPa后又呈上升趨勢。這說明微噴帶運行存在水量分布更為均勻的最優運行壓力，并不是壓力越大均勻系數就越高。隨著工作壓力的增加，均勻系數呈現先減小后增大的趨勢。筆者認為這與本微噴帶的材質有關，本產品是由回收的廢料制成，壁厚不均勻，且所有噴水孔均為機械打孔，不能保證孔徑的精確度，因此微噴帶性能較不穩定。工作壓力較低時，水流對管壁的沖擊作用較小，故水量分布均勻，均勻度較高；而工作壓力增大時，管壁承受的水流作用力變大，因此水量分布有所變化。在田間灌溉中，為達到好的灌溉效果，應使微噴帶在最優工作壓力附近進行工作。

圖3 對照及各處理組噴灑均勻度隨工作壓力的變化

對照組得到的噴灑均勻度即為CU微噴帶，由圖3可以看出，微噴帶的灌水均勻度約為0.3，而其他各處由于作物莖稈及枝葉的影響，引起水量分布的調整，導致噴灑水量二次分布，使得水量分布更加均勻，可以達到0.6左右。

竇超銀等[19]對壓片式微噴帶的水力性能進行了研究，壓片式微噴帶的壓力流量之間具有良好的冪函數關系，水量分布均勻系數為50%～62%，其整體表現在市面上已有微噴帶中屬中等水平；這也從另一方面論證了微噴帶制作工藝和材質，以及打孔方式對微噴帶灌水均勻度有很大影響。在微噴帶的改進推廣中，需要進一步提高微噴帶的制作工藝和穩定性，以提高其灌水效果。

2.2.2作物影響系數Kc的影響因素分析

根據各處理組得到的水量分布數據，按照式(3)進行計算，將灌溉均勻度記為CU微噴帶和Kc，圖4和圖5即為各處理組Kc隨工作壓力的變化。

圖5 各株高下Kc隨工作壓力的變化

由圖4可見，株高為20 cm時，各處理組Kc值均大于1，而相應的綜合灌水均勻度CU均高于CU微噴帶(圖3)，說明此時作物株高引起的水量二次分布有利于提高微噴帶灌水均勻度。而當株高增加至40和70 cm時，Kc值均呈下降趨勢，部分數值小于1，說明植株較高時，作物莖稈和葉片對噴灑水流的遮擋和攔截作用增強，噴灑水量大多都被靠近微噴帶的小麥遮擋，灌水均勻度相比株高為 20 cm 時有一定下降。

圖4 各種植密度下Kc隨工作壓力的變化

由圖4還可看出，隨著工作壓力增大，株高對灌水均勻度的影響逐漸減弱。工作壓力逐漸增大，水流穿透能力增強，灌溉時穿透莖稈、葉片的水量增多，遮擋和攔截作用會減弱，灌溉效果隨之提升。Kc值隨工作壓力的增大而增大，在壓力為28 kPa時Kc值超過1，此時植株遮擋對微噴帶的噴灑效果產生了有利影響。

株高相同時，各種植密度下Kc的整體變化趨勢為：密度Ⅰ>密度Ⅱ>密度Ⅲ。種植密度增大，Kc值減小，灌水均勻度隨之減小。圖5中各株高下的Kc值變化趨勢相同，均隨工作壓力增大呈現增加趨勢，由Kc<1上升至Kc>1。當壓力為28 kPa時，3個株高各處理下的Kc值均達到峰值，且較為接近。同時28 kPa下各處理組的綜合灌水均勻度CU在4個壓力水平下整體水平是最優的(圖3)，灌溉效果良好。

綜上，作物株高和種植密度都會對Kc值產生影響。密度小、株高較矮時Kc值大，且Kc>1會對微噴帶的灌溉產生有利影響，作物葉片和莖稈會使噴灑水流分布更均勻，提升灌溉均勻度；而種植密度的增大，作物株高的增高，會使噴灑水流的截留量增加，導致水流不能均勻分布，灌溉效果下降。并且Kc值存在峰值，即微噴帶的運行存在最優壓力：隨著工作壓力的增大，微噴帶灌溉均勻度的作物影響系數Kc逐漸增大，在28 kPa時達到峰值；在各不同處理中，28 kPa 工作壓力下Kc值相比其他工作壓力下整體較優，此時作物對微噴帶灌溉均勻度產生有利影響，灌溉效果良好。以現有試驗資料看，在進行田間灌溉時，適宜根據大田種植情況選取最優工作壓力進行灌溉。

2.2.3討論

對照組和株高為20及40 cm時的Kc隨壓力變化趨勢大致相同(圖6)。CU微噴帶曲線低點在 28 kPa 時出現，4個工作壓力下此時均勻度低于其他工作壓力情況，灌溉效果并不理想；而當大田被作物覆蓋時，在小麥不同生長階段，作物對于微噴帶噴灑效果影響較大。Kc隨工作壓力的增大而增大，在 28 kPa 時產生最高點，表明在28 kPa時作物對微噴帶灌溉產生有利影響，灌溉效果良好。這一峰值出現位置與CU微噴帶的最小值出現位置相同，變化趨勢相反。根據綜合灌水均勻度CU的變化趨勢，在本試驗條件下擇優，最優工作壓力即為28 kPa。因此，將影響微噴帶灌溉均勻度的2種因素(微噴帶水力性能和作物生長狀況)綜合考慮時，作物自身生長狀況對微噴帶綜合灌溉均勻度的影響較大。

圖6 對照及各處理組CU和Kc隨壓力的變化

張偉[20]將孔口間距、孔口直徑和鋪設長度做3因素3水平試驗，由F檢驗可知微噴帶噴孔直徑和孔口間距在可靠度為90%時影響較小，而鋪設長度這一非微噴帶結構性能的因素對灌溉均勻度影響較大，這也從側面印證了微噴帶在進行大田灌溉時，表現出微噴帶的結構對于不同作物的適應性，以及作物本身對于微噴帶灌溉效果的影響。

3 結束語

在實際生產中，由于不同作物的生長周期和生長規律不完全相同，因此要根據各作物的生長狀況調節微噴帶運行條件，以達到提高噴灌均勻度，降低能耗的效果。本研究將小麥遮擋對微噴帶灌溉水量分布的影響，分為微噴帶自身水力性能影響的灌溉均勻度CU微噴帶和作物生長狀況影響的作物影響系數Kc進行討論。結果表明：微噴帶的水力性能對于小麥不同生長階段的田間灌溉均勻度的影響較小。微噴帶在田間進行灌溉時，微噴帶一旦選定，其結構和水力性能就已經決定，不受作物生長階段的影響。因此在大田灌溉中，使用者可依據作物在不同生長階段的作物株高及作物密度等生長狀況，根據想要達到的灌溉效果對微噴帶的工作壓力進行調節，以達到節水增產，提高灌溉均勻度的目的。