红壤粒径肥料浓度和灌溉方式对不同灌水器堵塞的影响

2018-08-21许文其宋时雨杨昊霖张毅杰

农业工程学报 2018年15期

余杨，许文其，宋时雨，杨昊霖，张毅杰

（云南农业大学机电工程学院，昆明 650201）

0 引言

滴灌水肥一体化将灌水和施肥相结合，是目前最有效的施肥方式[1-2]。灌水器堵塞问题是制约滴灌水肥一体化技术发展的重要因素，因此国内外专家学者开展了关于土壤粒径、肥料浓度、灌溉方式等因素对灌水器堵塞的试验研究工作。文献[3-4]以河沙为供试土壤，迷宫滴灌带为试验灌水器，进行地上滴灌堵塞试验，结果显示，泥沙颗粒粒径是灌水器堵塞的主要因素。仵峰等[5]对运行8 a的地下滴灌试验小区的灌水器堵塞情况进行了评价，指出细小颗粒在灌水器进口的累积是造成堵塞的主要原因。葛令行等[6]通过 FLUENT软件分析了迷宫灌水器中沙粒运动及沉积规律，得出粒径越大，沙粒的沉积危险系数越大。牛文全等[7-11]2012—2015年，开展了土壤粒径和肥料浓度对灌水器堵塞的影响试验，研究以沙壤土为供试土壤，迷宫流道内镶片式滴灌带为试验灌水器，进行地上滴灌堵塞试验，试验显示存在造成迷宫流道内镶片式滴灌带堵塞的敏感沙壤粒径段。刘燕芳等[12]以迷宫式灌水器进行水肥地上滴灌堵塞试验，得出随着肥料的加入，增加离子间的结合几率，加速灌水器堵塞发生。王心阳等[13]研究发现，在地上滴灌施肥过程中，肥料难溶颗粒随水进入滴灌带，造成滴头堵塞。Bozkurt等[14]2006年进行了地上滴灌堵塞试验，研究表明施肥处理下的灌水器堵塞程度比不施肥条件下的堵塞更严重。

从上述文献可以看出，国内外专家学者主要针对沙壤土进行浑水试验，没有发现针对云南红壤土进行试验研究的文献，而云南红壤土与沙壤土相比，有较大的差异。红壤土较为黏重，紧实易板结，土壤通气性和透水性都较差，其土壤颗粒组成中，黏粒(＜0.002 mm)占39.47%，而沙壤土土质松散，不黏不硬，通气、透水性好，其土壤颗粒组成中，黏粒(＜0.002 mm)仅占10.1%；采用的灌溉方式均为地上滴灌，没有发现根区渗灌试验报道；再者，试验使用的灌水器主要采用内镶贴片式滴灌带，缺乏对其他常用灌水器的对比试验。因此，需要在云南红壤土条件下，开展多种灌水器的不同灌溉方式对比研究。

本文以云南红壤土作为供试土壤，选择 3种灌水器（内镶贴片式滴灌带、2孔流量可调灌水器和8孔流量可调灌水器）为研究对象，通过配置不同肥料浓度和云南红壤粒径段组合的水质条件下，进行地上滴灌和根区渗灌对比试验，分析云南红壤粒径、肥料浓度和灌溉方式对灌水器堵塞的影响，为水肥一体化技术在云南红壤土中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试灌水器：选择 3种云南实际生产中常用的灌水器作为研究对象（内镶贴片式滴灌带、2孔流量可调式灌水器和 8孔流量可调试灌水器，均由广州顺绿喷灌设备有限公司提供）。其中，内镶贴片式滴灌带管外径16 mm，壁厚0.3 mm，工作压力0.02～0.25 MPa，流量2～3 L/h；2孔流量可调式灌水器外形结构为扁圆盘形，在灌水器底部有2个垂直向下的出水孔，出水孔的直径为2 mm，流量范围4～140 L/h，压力范围为0.01～0.3 MPa；8孔流量可调试灌水器外形结构呈扁圆盘状，盘壁均匀开有 8个窄缝出水孔，出水孔的大小为2 mm×1 mm，可调的流量范围为0～70 L/h，压力范围为0.01～0.3 MPa。

供试化肥：复合肥（云南云天化股份有限公司）。其中N、P和K 3种成分的质量比例为1:1:1。根据文献查阅，当肥料浓度大于1.2 g/L时，灌水器特别容易发生堵塞[7]。因此，设置0（不施肥）、0.6（中间值）和1.2 g/L，作为3个试验肥料浓度。

供试土壤：采用云南红壤土。土壤取自云南农业大学后山试验基地。花盆中的土壤：采用自然风干和粗筛后获得的红壤土，粒径为2 mm左右。土壤各粒径段的选择：目前，中国一般采用120目（孔径0.125 mm）过滤网过滤灌溉水，但粒径小于0.125 mm的土壤颗粒还是能通过过滤网，造成灌水器堵塞。为了接近生产实际情况，论文选择 3个能通过过滤网进入灌水器的粒径段，进行试验研究。具体操作方法是：将经过粗筛后的红壤土进行振荡研磨处理，采用150、200和400目筛网，对其进行过筛处理。在150目和200目筛网之间，获得0.074～0.1 mm红壤土粒径段（D3）；在200目和400目筛网之间，获得0.0385～0.074 mm红壤土粒径段（D2）；通过400目筛网的红壤土粒径段为0～0.0385 mm（D1）。

1.2 试验过程

试验配置 3个云南红壤粒径段（0～0.0385 mm、0.0385～0.074、0.074～0.1 mm）和3个肥料浓度（0、0.6、1.2g/L）组合的 9种水质，于 2017-08-25—2017-10-20期间在云南农业大学试验基地对3种灌水器（8孔流量可调灌水器、2孔流量可调灌水器、内镶贴片式滴灌带）进行 2种灌溉方式（根区渗灌、地上滴灌）的浑水堵塞试验，各处理3次重复，共进行162组试验。

试验装置如图 1所示，由水箱、水位浮球开关、管道、开关、试验花盆和灌水器等组成，此系统能够形成1个试验组，进行1个土壤粒径段、1种肥料浓度、2种灌溉方式和3种灌水器的堵塞试验，每个处理采用3次重复，共有9组相同的试验装置同时进行试验。

图1 试验系统示意图Fig.1 Sketch of test system

按照设计方案，将粗筛后的土样以容重 1.23 g/cm3均匀填装在供试花盆（桶口上底直径 35 cm、下底直径22 cm、高30 cm）中[15]。根区渗灌灌水器从花盆土壤表面中心垂直向下埋入，埋深为10 cm[16]。地上滴灌灌水器置于供试花盆土壤中心高于土壤表面2 cm处[15]。利用浮球开关，将灌溉水工作压力水头稳定在2 m[17]。灌溉水含沙量为1 g/L，将3个云南红壤粒径段和3个肥料浓度（其中ND1=0 g/L为对照组）全面组合成9个处理进行试验，每个处理重复3次。

为了尽可能接近当地生产实际，每次试验的灌水时长选择为5 min，灌水间隔3 d。灌水前后均用电子秤（品牌：蓉城，型号：SL—728#，量程：30 kg，分度值：10 g）称量每一个花盆质量，前后差值即为灌水量。灌水测试结束后，计算平均相对流量 qr，即 3个滴头浑水平均流量与设计流量之比，当qr＜75%时，停止灌水并记录灌水次数。

试验系统搭建结束后要对该系统灌水器流量进行调试，保证每个灌水器单位时间内的流量相等。

1.3 评价方法

根据现行微灌工程技术规范规定，当滴头流量小于设计流量的 75%时，认为滴头发生严重堵塞[18]。平均相对流量qr的计算公式为

式中qr为平均相对流量，%； i为滴头序号；n为滴头总数；qi为第 i个滴头的浑水流量，L/h；q0为滴头设计流量，L/h。对于qr≥75%的灌水过程称为有效灌水，有效灌水过程的次数称为有效灌水次数。

1.4 数据处理

将数据输入到SPSS Statistics 22.0中，应用主体间效应检验进行显著性分析，Sigmaplot 12.5进行绘图制作。

2 结果与分析

2.1 土壤粒径、肥料浓度和灌溉方式对灌水器堵塞的影响

以土壤粒径、肥料浓度、灌溉方式和灌水器种类为自变量，有效灌水次数为因变量进行主体间效应检验，结果见表1。

表1 灌水器堵塞显著性检验表Table 1 Significance test for emitter clogging

表 1表明，土壤粒径、肥料浓度、灌溉方式和灌水器种类等因素对灌水器的有效灌水次数影响显著，土壤粒径与灌水器种类、肥料浓度与灌水器种类、灌溉方式与灌水器种类有极显著交互作用（P＜0.01），但四者之间没有显著交互作用（P＞0.05）。

2.2 根区渗灌条件下，浑水施肥对灌水器堵塞的影响

试验结果表明，对于不同的灌水器，云南红壤粒径对灌水器有效灌水次数影响存在差异。对于8孔和2孔流量可调灌水器，随着云南红壤粒径的增大，有效灌水次数减小。而对于内镶贴片式滴灌带，灌水器的有效灌水次数并不是完全随着云南红壤粒径的增大而减小，存在部分小粒径段优先大粒径段造成内镶贴片式滴灌带堵塞。这是因为存在造成内镶贴片式滴灌带堵塞的敏感粒径段[7-11]。

8孔流量可调灌水器在根区渗灌条件下（图2a），肥料浓度为0.6 g/L时，其云南红壤粒径段D1、D2和D3对应的有效灌水次数分别为6次、4次和2次。2孔流量可调灌水器在根区渗灌条件下（图2b），肥料浓度0.6 g/L时，云南红壤粒径D1灌水10次后即发生堵塞，下降幅度为32%。云南红壤粒径D2时堵塞加剧，整个灌水过程只有6次。云南红壤粒径D3时堵塞进一步加剧，灌水4次，灌水器相对流量即下降到 75%以下，且下降幅度达到33.2%，灌水器发生较为严重堵塞。上述试验表明，云南红壤粒径段越大，越容易造成8孔和2孔流量可调灌水器堵塞。

图2 根区渗灌条件下不同灌水器的相对流量变化趋势Fig. 2 Variation tendency of relative flow rate of different emitter in conditions of root zone subsurface irrigation

内镶贴片式滴灌带在根区渗灌条件下（图2c），未添加肥料时，云南红壤粒径段D1、D2和D3配置的含沙水堵塞发生的次数分别为16、10和11次，且下降幅度分别为28.6%、27.9%和28.1%；肥料浓度0.6 g/L时，云南红壤粒径段D1、D2和D3配置的含沙水堵塞发生的次数分别为12、6和7次，粒径段D2的有效灌水次数少于粒径段D3的有效灌水次数，且D2的下降幅度为32%高于D3的28.6%，说明粒径段D2快于D3造成灌水器堵塞；肥料浓度1.2 g/L时，灌水5次后，D2粒径段灌水器就发生堵塞，D3粒径段需要灌水6次，灌水器才发生堵塞，D1粒径段相对流量降到75%以下需要11次；由此可以得出，D2粒径段易造成内镶贴片式滴灌带堵塞，其次是大粒径段D3，最后是小粒径段D1。D2粒径段优先大粒径段D3造成灌水器堵是因为D3粒径段较大，不易随水流动[19]。

肥料浓度对灌水器堵塞影响显著。肥料浓度从0增加至0.6 g/L时，灌水器有效灌水次数减少1～5次；从0.6增加至1.2 g/L时，灌水器有效灌水次数没有显著变化，但整个灌水过程的相对流量变化趋势增大，表明灌水器堵塞程度增加。例如，8孔流量可调灌水器在根区渗灌条件下，D1粒径段时，肥料浓度从0增加至0.6 g/L，有效灌水次数从8次减至6次。肥料浓度从0.6增加至1.2 g/L，有效灌水次数均为6次，但灌水结束后相对流量分别下降到71.3%和65.7%；D2粒径段时，肥料浓度从0增加至0.6 g/L，有效灌水次数从6次减至4次。肥料浓度从0.6增加至1.2 g/L，有效灌水次数均为4次，但灌水结束后相对流量分别下降到71.2%和60.9%；D3粒径段时，肥料浓度从0增加至0.6 g/L，有效灌水次数从3次减至2次。肥料浓度从0.6增加至1.2 g/L，有效灌水次数均为2次，但灌水结束后相对流量分别下降到70.2%和58.3%。内镶贴片式滴灌带在根区渗灌条件下，D1粒径段时（图2c），肥料浓度从0增加至0.6 g/L，有效灌水次数从15次减至11次，下降了4次。

肥料浓度从0.6增加至1.2 g/L，有效灌水次数分别为11次和10，下降了1次；D2粒径段时（图2c），肥料浓度从0增加至0.6 g/L，有效灌水次数从9次减至5次，下降了4次。肥料浓度从0.6增加至1.2 g/L，有效灌水次数分别为5次和4次，下降了1次；D3粒径段时（图2 c），肥料浓度从0增加至0.6 g/L，有效灌水次数从10次减至6次，下降了4次。肥料浓度从0.6增加至1.2 g/L，有效灌水次数分别为6次和5次，下降了1次。由此得出，肥料浓度达到0.6 g/L之后，灌水器的有效灌水次数不会再随肥料浓度的增加而发生显著变化。 2孔流量可调灌水器进行根区渗灌也有相同的肥料浓度影响规律。

2.3 地上滴灌条件下，浑水施肥对灌水器堵塞的影响

地上滴灌条件下，云南红壤粒径和肥料浓度对灌水器堵塞的影响与根区渗灌条件下存在相同的影响规律。但结合图2与图3分析灌溉方式对灌水器堵塞的影响时发现，根区渗灌和地上滴灌对不同灌水器堵塞的影响存在差异。8孔流量可调灌水器在根区渗灌条件下更容易发生堵塞；而灌溉方式对于2孔流量可调灌水器和内镶贴片式滴灌带堵塞的影响差异不明显。

图3 地上滴灌条件下不同灌水器的相对流量变化趋势Fig. 3 Variation tendency of relative flow rate of different emitter in conditions of drip irrigation

8孔流量可调灌水器在地上滴灌条件下（图3a），未添加肥料时，D1、D2和D3 3种粒径段的总有效灌水次数为21次，而根区渗灌（图2a）为17次；肥料浓度0.6 g/L时，地上滴灌3种粒径段的总有效灌水次数为16次，而根区渗灌为12次；肥料浓度1.2 g/L时，地上滴灌3种粒径段的总有效灌水次数为 15次，而根区渗灌为 12次。

然而，2孔流量可调灌水器和内镶贴片式滴灌带在根区渗灌条件下（图2b、图2c）的总有效灌水次数分别为56次和75次，地上滴灌条件下（图3b、图3c）的总有效灌水次数为58次和77次，与地上滴灌相比，根区渗灌的总有效灌水次数仅下降了3%和2%。

为进一步分析灌溉方式对灌水器堵塞的影响，试验结束后，将灌水器在自然状态下风干，然后利用数码显微镜（日本奥林巴斯公司，型号DP—70，放大倍数0～35）对灌水器外部进行观测拍照（放大倍数为8倍），观测出水口外部堵塞情况。

图4 灌水器出水口外部堵塞情况Fig.4 Illustration of emitter clogging in outlet

发现根区渗灌条件下，8孔流量可调灌水器出水口外部有堵塞情况（图4a）；地上滴灌条件下，灌水器出水口外部没有堵塞情况（图4b）。而2孔流量可调灌水器和内镶贴片式滴灌带在根区渗灌和地上滴灌条件下，都没有发现出水口外部堵塞。

根据文中1.3的评价方法，结合图2、图3统计每种灌水器的有效灌水器次数，进一步分析浑水施肥对不同灌水器堵塞的影响。根区渗灌条件下，未添加肥料时，内镶贴片式滴灌带（图2c）云南红壤粒径D1、D2和D3 3种粒径段的总有效灌水次数为34次，2孔流量可调灌水器（图2b）为24次，8孔流量可调灌水器（图2a）为17次，与内镶贴片式滴灌带对比，总有效灌水次数分别下降了29%和50%；肥料浓度0.6 g/L时，内镶贴片式滴灌带云南红壤粒径D1、D2和D3 3种粒径段的总有效灌水次数为22次，2孔流量可调灌水器为17次，8孔流量可调灌水器为12次，2孔流量可调灌水器与内镶贴片式滴灌带相比总有效灌水次数下降了23%，8孔流量可调灌水器与内镶贴片式滴灌带相比总有效灌水次数下降了45%；肥料浓度1.2 g/L时，内镶贴片式滴灌带云南红壤粒径D1、D2和D3 3种粒径段的总有效灌水次数为19次，2孔流量可调灌水器为15次，8孔流量可调灌水器为12次，与内镶贴片式滴灌带对比，总有效灌水次数分别下降了21%和37%；地上滴灌条件下，未添加肥料时，内镶贴片式滴灌带（图3c）云南红壤粒径D1、D2和D3 3种粒径段的总有效灌水次数为35次，2孔流量可调灌水器（图3b）为24次，8孔流量可调灌水器（图3a）为21次；肥料浓度0.6 g/L时，内镶贴片式滴灌带云南红壤粒径D1、D2和D3 3种粒径段的总有效灌水次数为23次，2孔流量可调灌水器为18次，8孔流量可调灌水器为16次；肥料浓度1.2 g/L时，内镶贴片式滴灌带云南红壤粒径D1、D2和D3 3种粒径段的总有效灌水次数为19次，2孔流量可调灌水器为16次，8孔流量可调灌水器为15次。这表明8孔流量可调灌水器最容易发生堵塞，其次是 2孔流量可调灌水器，内镶贴片式滴灌带最不容易发生堵塞。

3 讨论

3.1 云南红壤粒径对灌水器堵塞的影响

肥料浓度一定时，土壤粒径大小直接决定流量可调灌水器堵塞的难易程度，这可能是因为其流道结构引起的。流量可调灌水器由旋盖和内芯两部分组成。内芯设有进水孔，旋盖内设有圆锥塞，圆锥塞插入进水孔，二者之间的间隙形成了一个灌溉水流道。通过调节圆锥塞与进水孔的间隙控制流量大小，当间隙一定时，土壤粒径越大，越容易造成堆积堵塞。文献[20-21]表明，灌水器堵塞主要由过滤后进入滴灌系统水源中的小粒径颗粒物引起的，一般来说粒径越大，灌水器堵塞越严重。王文娥等[22]研究表明，灌溉水浓度一定时，粒径与流道结构的相对尺寸对流道的抗堵塞性有很大影响，但文献[22]采用的灌水器为迷宫滴头，本试验发现流量可调灌水器也有相似规律。

本试验发现，存在造成内镶贴片式滴灌带堵塞的敏感粒径段。文献[7-11]对沙壤粒径的研究指出，范围0.03～0.038 mm的沙壤粒径容易造成灌水器堵塞，而本试验分析的结果是范围0.0385～0.074 mm的红壤粒径容易造成灌水器堵塞，与文献[7-11]的研究结果存在差异。这可能是因为文献[7-11]中采用的试验泥沙是沙壤土，而本次试验采用的试验泥沙是云南红壤土，土壤通气性和透水性都较差，二者在物理性质上存在较大差异，且二者灌溉方式也存在差异，进而二者结果不同。本次试验设置土壤粒径段数量较少，得不到更具体的敏感粒径段，今后还需细分泥沙粒径段范围。

3.2 肥料浓度对灌水器堵塞的影响

肥料浓度0～0.6 g/L之间，肥料浓度加速灌水器堵塞显著。一方面，泥沙表面带有负电，灌溉水中添加肥料带入大量阳离子，泥沙颗粒在含有离子的灌溉水条件下，不是单颗粒在水中游动，而是许多颗粒彼此连接在一起，产生絮凝现象，从而产生大颗粒造成灌水器堵塞。王党伟[23]等对粘性细颗粒的研究指出，一定范围内，泥沙颗粒表面的双电层厚度随水中阳离子浓度增大而下降，泥沙絮凝现象越明显。文献[24-26]对阳离子浓度对絮凝沉降影响的研究指出，一定范围内，絮凝作用随阳离子浓度的增大而增大。另一方面，含磷的阴离子与悬浮杂质发生的吸附作用，增强了颗粒间絮凝团聚的可能[27]。本次试验设置肥料浓度为0、0.6和1.2 g/L，跨度较大，今后还需设置多组肥料浓度，得到最佳肥料浓度。

肥料浓度大于0.6 g/L后，肥料浓度加速灌水器堵塞的效果较小。这是由于灌溉水中离子浓度增加到一定值时，泥沙颗粒表面的双电层厚度就会趋于稳定值，双电层厚度决定泥沙颗粒间相互结合发生絮凝的难易程度。另外，随着肥料浓度的增加，灌溉水的pH值会降低，酸性灌溉水能有效抑制碳酸钙等盐类沉淀及微生物生长引起的化学堵塞和生物堵塞，灌水器堵塞程度能够得到有效缓解[28]。温度也是影响絮凝的一个重要因素，今后还需进行温度对浑水水肥灌水器堵塞影响的试验和验证。

3.3 灌溉方式对灌水器堵塞的影响

在灌溉方式对比试验中发现，相同条件下，地上滴灌 8孔流量可调灌水器的抗堵塞性能好于根区渗灌。根区渗灌灌水器埋于土壤中，土壤与灌水器出水口接触，灌溉结束关闭开关时，会在灌水器出水口形成负压[29-30]。根区渗灌系统在灌溉结束时产生的这种负压，可能就是造成 8孔流量可调灌水器吸泥和堵塞的原因。国攀等[16]以清水作为灌溉水，对 8孔流量可调灌水器进行根区渗灌试验，试验结束后观测灌水器内部，其内部出现泥沙，认为这些泥沙来源于与灌水器接触的土壤。