肥液種類及濃度對滴灌施肥系統水力性能的影響

羅 莉，王浩翔，張新燕，3，張秋雨，李 斌

（1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌712100；2.溫州市溫瑞平水系管理中心，浙江溫州325000；3.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點試驗室，陜西楊凌712100）

0 引 言

滴灌施肥技術是在滴灌技術基礎上發展起來的將施肥與滴灌相結合的一種農業新技術，通過定量供給作物水分和養分以維持土壤適宜水分和養分濃度的有效方法。因該技術具有灌溉水及肥料利用率高，對環境污染小的特點，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研究，至今已積累了大量的經驗和成果[1,2]。我國自1974年引進滴灌技術，經過若干年的發展，也已取得了顯著的成績[3,4]。

微灌系統通過滴頭等專用設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、有機質、氮磷等雜質堵塞[5,6]，導致系統的灌溉均勻度降低，直接影響微灌工程的使用壽命和應用效益。魏榕等[7]研究發現進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 的含沙水進行灌溉時，應使泥沙濃度不大于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深度及施肥次數、施肥量對滴頭堵塞均無顯著影響，滴頭實際出流量隨滴灌設計流量的增加而損失加大，且滴灌帶末端堵塞最為嚴重。吳婉瑩等[10]通過對不同規格滴灌帶水肥滴灌堵塞影響因素的研究發現側翼迷宮滴灌帶隨鋪設長度的增加堵塞加重，建議在低壓（<0.05 MPa）條件下，鋪設長度不要大于50 m。李康勇等[11]分析了不同泥沙級配的渾水進行水肥一體化灌溉中對內鑲片式迷宮流道結構滴頭堵塞的影響，表明肥料有增強泥沙顆粒間絮凝及促進穩定而致密團聚體形成的作用，從而導致滴頭堵塞加劇。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構肥料特性是決定堵塞類型和誘發風險的重要因素。綜上，目前對微灌施肥系統的研究大多著眼于泥沙和肥料2因素共同對系統的影響，而明確肥料等單因素對滴灌施肥系統水力性能的影響還有待于進一步的探索研究。

基于此，通過研究肥液特性及濃度對滴灌施肥系統水力性能的影響，為水肥一體滴灌技術的發展和推廣應用提供理論基礎和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

試驗采用內鑲貼片式滴灌帶（楊凌秦川節水灌溉設備工程有限公司生產，額定流量2.3 L/h，管徑16 mm，滴頭間距30 cm，壁厚0.2 mm，實驗帶長3 m，滴頭10 個，由進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）與復合肥（云南云天化股份有限公司生產，N∶P2O5∶K2O 為15∶5∶25，pH 7.33～8.10）2種肥料。

試驗裝置如圖1所示，主要設備有單相自吸泵（最大流量3 m3/h，吸程20 m，揚程60 m）、攪拌裝置（異步攪拌泵功率300 W，轉速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 試驗裝置圖Fig.1 Test platform schematic

1.2 測定方法及內容

采用灌水1 h、停水2 h的短周期間歇灌水方法，試驗時長96 h，共計灌水20次，累計灌水時間20 h。一組灌水結束后更換滴灌帶重復進行，每組次試驗處理重復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，測量一定時間內滴頭流出水體質量計算試驗滴頭出流量。經換算計算公式如下：

式中：q為滴頭出流量，L/h；T為測量時長，min；me為量水桶質量，g；mt為量水桶及測定時間出流水體總質量，g。

（2）平均相對流量Dra計算。公式為：

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

（3）克里斯琴森（Christiansen）均勻度系數CU。公式為：

以上參數Dra及CU是評價滴頭水力性能的特征參數，

2 結果與分析

2.1 肥液種類對滴頭流量及均勻度的影響

溫度20 ℃時，不同肥液種類在進水壓力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，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。復合肥隨著灌水次數的增加，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%，不再滿足規范要求。其均勻度CU也隨著灌水次數的增加而減小，在灌水7 次后，均勻度CU下降到85%以下，低于規范要求指標，直到灌水20 次后，其CU值降低到僅58.5%，比滴灌標準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，有對滴頭產生堵塞的風險，隨著灌水次數的增加，尤其是停灌時，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

針對復合肥，進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 ℃下不同復合肥肥液濃度下滴頭Dra隨灌水次數的變化。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，之后濃度4 g/L 顯著低于3 g/L，出現明顯下降，且濃度3 g/L 在8～15次灌水還存在Dra升高的現象，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隨灌水次數增加，Dra隨之減小，在試驗的20 次灌水中發生了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7.3%，且在灌水次數達18 次后減小至75%以下。可見在一次灌水結束到下次灌水之間，肥液會在停灌期間造成所攜帶未溶固體顆粒淤堵在滴灌帶內，造成堵塞，Dra隨之減??；但隨著下次灌水淤堵在滴灌帶內的固體顆粒有可能會部分隨水帶走，所以Dra又會在不同灌水次數間維持不變或偶有上升的現象，如第15次灌水的滴頭Dra比第14次灌水提高，提高幅度達2.57%。

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

復合肥均勻度CU隨灌水次數的變化如圖5所示?？梢?，CU變化規律與Dra基本保持一致，隨灌水次數增加而減小，且減小幅度隨肥液濃度增大而增大。以均勻度系數CU=85%為標準，不同濃度肥液其有效灌水次數不同，肥液濃度3 g/L和4 g/L 明顯優于5 g/L。前2 者灌水均勻度水平穩定且維持在較高水平，有效灌水次數（CU>85%）分別為18 次和16 次，占總灌水次數的90%和80%；而肥液濃度5 g/L 時初期2 次灌水均勻度處于較高水平，之后出現階梯式下降，有效灌水次數僅為7次，占總灌水次數的35%。

圖5 復合肥肥液濃度對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。在試驗水平下，其最小濃度3 g/L 堵塞風險最低，滴頭平均相對流量Dra和均勻度系數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，堵塞滴頭數量增加，占總滴頭數比值即堵塞率增大。最小濃度處理3 g/L 時堵塞滴頭數僅有2 個，滴頭8 號和9 號，堵塞率僅6.67%；而當肥液濃度增大至5 g/L時，堵塞滴頭數量增大到5 個，堵塞率提高至23.33%，相比濃度3 g/L時堵塞程度提高2.5倍。同時可以看到滴頭堵塞位置多發生在滴灌帶尾端部分，這是因為水流的黏滯性影響，滴灌帶沿程產生水頭損失導致水流動能減小，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個溫度，通過觀測Dra變化情況，探究不同溫度下復合肥肥液濃度閾值。以灌水20 次后Dra值減小至75%為標準，若20 次灌水結束后滴頭Dra值>75%，則更換滴灌帶、增加肥液濃度，增加幅度為1.0 g/L，直至灌水結束后滴頭Dra值<75%，則該肥液濃度即為當前溫度下的肥液濃度閾值，試驗結束。結果如表2所示，為不同溫度下復合肥濃度閾值。

表2 復合肥肥液濃度閾值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，當溫度由10 ℃升至40 ℃，復合肥溶解度提高了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，在試驗的復合肥溶液中，固體顆粒含量在10 ℃時為3.2 g/L，40 ℃時僅為1.4 g/L。由于肥料溶解性能的提高和相應固體顆粒含量的減少，滴頭堵塞風險隨之降低，同時由于溫度升高，肥液黏滯性降低，水流挾沙能力增強，滴頭抗堵塞性能加大，肥液濃度閾值進而提高，相應由4 g/L 提高至8 g/L，提高幅度達50%。因此實際應用中需根據溫度等環境條件選取相應肥液濃度，以控制滴灌帶堵塞風險。

3 結 語

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

（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，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，堵塞率同時增大?？梢婋S著肥液濃度的增加，滴灌帶堵塞風險加大，且易發生在滴灌帶末端。

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