秸秆复合管水力性能初探

仵 峰，楚运旺，宰松梅，王富斌，刘生东

(1.华北水利水电大学水利学院，河南郑州450046;2.河南省节水农业重点实验室，河南郑州450046)

中国是一个农业大国，同时又是一个水资源匮乏的国家，每年消耗在农田灌溉上的水量占全社会用水总量50%以上。中国的灌溉水利用系数仅为0.51［1］，与发达国家仍存在一定差距，亟需探寻一种符合中国国情的节水灌溉技术，缓解农业用水的压力。地下灌溉由来已久，灌溉水经埋设在距地表10～40 cm处的渗水毛管或滴头对作物根区进行灌溉［2-4］，与地面灌溉相比可节水70%～80%［5］。研究表明，地下灌溉可调节土壤理化性状，提高土壤孔隙度，改善耕作层土壤结构［6-7］，改良土壤的水热条件［8］，降低管理成本，提高作物品质，促进作物增产;且灌水管网埋于地下，可节省土地，提高土地利用率［9］。但由于地下灌溉存在滴头易堵塞［10］、维修难度大、毛管回收成本高等问题［11］，限制了其发展。近几年来，涌现出负压灌溉及痕量灌溉等新型灌溉技术［12-13］，但这些技术均有其适用条件，甚至还存在部分技术难题，推广应用尚存争议［14］。

秸秆作为农田产物之一，其产量占比可达作物生物总量的50%左右［15］，随着粮食的连年增产，中国作物秸秆年产量已超出 1×109t［16］。秸秆“五化”［17］为秸秆的综合利用提供了新思路，其中秸秆还田(秸秆肥料化)是维持作物生产力和培肥地力的有效措施［18-26］，也是秸秆资源化利用的主要手段之一。但由于秸秆直接还田存在着秸秆与土壤的混合度差，影响机械耕作和作物出苗［27］;微生物与作物争夺速效氮素影响作物生长［28］;以及秸秆直接还田可能带来的病虫害隐患等问题［29］，使其难以实现全量还田或者连续还田。目前，中国秸秆还田占比 43.2%［30］，与美国(68%)、英国(73%)以及日本(75%)还存在较大差距［31-32］。

综合考虑地下灌溉与秸秆还田两种技术的优势与不足，参照在秸秆材料化利用方面已有的研究结论［33-34］，自主研发了秸秆复合管成型机，用于制作新型的地下灌溉绿色管材——秸秆复合管。秸秆复合管应用于地下灌溉，既可达到灌溉的目的，又能够实现对作物秸秆的集中处理，在开发一种新型节水灌溉模式的同时，开辟了一种秸秆还田的新途径。本文对埋于田间的秸秆复合管进行了初步灌水试验，研究了利用秸秆复合管进行地下灌溉的可行性。针对秸秆掺量及秸秆复合管长度2个因素，对秸秆复合管的水力性能进行了初步分析，为以秸秆复合管为核心的秸秆地下灌溉技术的推广应用奠定基础。

1 材料与方法

试验于2019年1月14日至3月24日在河南省节水农业重点实验室进行。所用秸秆为试验田中收获的前茬玉米秸秆，玉米品种为郑单958。玉米收获后，用秸秆还田机将其打碎，并收集3～8 cm长的秸秆碎段备用。制作秸秆复合管的土壤取自试验田中的表层土，土壤类型为沙质壤土，干容重为 1.4 g·cm-3。

试验所需的秸秆复合管由自主研发的秸秆复合管成型机制成。秸秆复合管成型机组成如图1所示，主要由入料口、外壳、螺旋轴、支架、底座、轴承、联轴器以及电机等8部分组成，其中电机是整个装置的动力来源，为螺旋轴的转动提供动力;螺旋轴为变径螺旋轴，轴毂上附有等宽圆锥螺旋叶片;螺旋轴至无缝钢管与圆锥外壳连接处改为由直径2.8 cm的圆柱状轴毂连接，外壳依据螺旋轴形状设计为圆锥状，其前端出料口处用法兰将圆锥外壳和长10 cm内径6.0 cm的无缝钢管连接。为了实现对电机转速的精准控制，配备了减速比为23∶1的减速机以及型号为Z2400-3R7G/5R5P的电流矢量型变速调频器。

图1 秸秆复合管成型机的组成结构Fig.1 Composition and structure of straw composite pipe forming machine

1.1 秸秆复合管的制备材料及性能

秸秆复合管是由秸秆、水、土壤混合物经秸秆复合管成型机挤压而成的中空管道，如图2所示。秸秆复合管内径，外径，质地均匀，内壁光滑。管壁上分布有均匀的微小裂缝，具有较好输水、透水条件，具备成为一种新型灌溉材料的潜质。

观察发现，经秸秆复合管成型机混合挤压之后，秸秆主要以较小的条块状秸秆和纤维状的秸秆丝2种形态存在。条块状秸秆在复合管中作为骨架，维系复合管的断面稳定，使其在过水状态下不易垮塌。纤维状的秸秆丝则可起连接作用，增加了复合管的抗拉性能，使其不易发生断裂。根据试验要求不同，可以制作出不同长度的秸秆复合管。秸秆复合管埋于作物根层附近，灌溉时，水流经管壁及微小裂缝渗出，扩散至周围土壤，从而达到灌溉的目的。

1.2 秸秆复合管的性能试验方法

为探究秸秆复合管能否应用于灌溉及其灌水效果等问题，以秸秆掺量及秸秆复合管长度为试验因素进行了田间小区灌水试验，研究秸秆复合管的水力性能。经预试验可知，秸秆掺量的合理范围在9%(质量百分数)以内，试验选取3个秸秆掺量分别为5%、7%和9%;受试验条件限制，初步试验选取的2个管长分别为1.0 m和3.5 m。试验开始前对所取用来制作秸秆复合管的土壤以及秸秆进行含水率的测量，并用薄膜对其进行覆盖处理，减少期间水分蒸发，以保证所测含水率的准确性。经预试验得知，混合料的综合含水率在22%(质量含水率)左右时，秸秆复合管的成型效果良好。试验前，调整混合料的初始含水率，当其含水率为22%时进行秸秆复合管的制作。

图2 秸秆复合管试样Fig.2 Straw composite pipe sample

表1 因素水平表Table 1 Factor level table

为避免电机转速、埋管沟宽及断面规格、埋管间距等因素对试验结果产生影响，试验中电机转速定为50 r·min-1，埋管沟等腰梯形断面为沟深16 cm、下底宽度10 cm、上口宽度15 cm。复合管埋深10 cm(复合管的顶端距地表的距离)，管距50 cm。埋管时，管与沟之间的空隙及其上方的回填土进行人工压实。

每组试验设置3个重复，以平均值作为试验结果。试验因素水平布置如表1所示。

为排出秸秆复合管内空气，将自带排气功能的输水管(管壁上方嵌入一根与外界连通的内径为6 mm的塑料软管)插入秸秆复合管中，用粘土对连接处进行密封。试验前先对复合管进行充水，用烧杯在输水管道另一端向管内进行充水，直至排气管开始滴水，用止水夹封闭排气管，连通供水管道开始试验。利用马氏瓶原理，采用自制的恒压供水装置对秸秆复合管进行供水，压力水头为0.5 m。试验开始后，每隔10 min记录一次供水量，直至试验结束。

灌水试验时间控制为2 h，灌水结束后，对地表土壤湿润宽度进行测量，利用地表土壤湿润面状况，对灌水均匀度进行评价。采用等间距法对地表湿润宽度进行测量，管长1.0 m、3.5 m的秸秆复合管测量间距分别为0.2、0.5 m。

灌水均匀度计算公式如下:

式中，Cu为均匀度;bi为i测点地表湿润宽度(m);b为各测点地表平均湿润宽度(m);n为试验测点总数。

2 结果与分析

2.1 秸秆复合管的出流量

由于秸秆复合管埋于地下，其出流量难以直接测量。根据水量平衡原理，以自制的恒压供水装置的供水量作为秸秆复合管地下灌溉的出流量。单位管长上各组单位长度秸秆复合管的10 min出流量(mL·m-1)及累计出流量(mL·m-1)统计见表2。

由表2可知，不同秸秆掺量及管长对单位时段内秸秆复合管单位管长的10 min出流量影响规律大致相同。灌水前期单位管长的10 min出流量较大，随灌水时间的延长，出流量逐渐减小，并趋于稳定。秸秆复合管的管长对其出流量具有较大影响。秸秆掺量为5%、7%、9%水平下，管长为3.5 m的秸秆复合管单位长度的累计出流量比管长为1.0 m的分别高出71.66%、77.52%、8.14%，表明随着管长的增长，单位管长的累计出流量有明显增大的趋势，即管长越长，出流量越大。其中秸秆掺量在5%和7%水平下，3.5 m秸秆复合管比1.0 m秸秆复合管单位长度累计出流量大70%以上，可能是由于秸秆复合管表面裂缝的累积效应所致，具体原因仍需进一步深入研究。而秸秆掺量为9%时，3.5 m与1.0 m秸秆复合管单位长度的累计出流量增加比率与前两组相比存在较大差距，主要是处理T3在灌水过程中发生了管涌，累计出流量偏大导致其计算值偏小，为保证试验数据系列的完整性，处理T3灌水试验数据以前20 min参与分析，处理T2则整个试验过程均参与试验分析。

表2 单位长度秸秆复合管10 min出流量统计Table 2 Statistics of 10 min output flow of unit length SCP

此外，秸秆掺量的变化对秸秆复合管的单位长度累计出流量也有一定影响，与掺量为5%的秸秆复合管相比，掺量为7%和9%时，1.0 m和3.5 m长的秸秆复合管单位长度累计出流量分别少了12.60%、15.80%和9.09%、18.70%。秸秆掺量为5%时，秸秆复合管单位长度的累计出流量最大，出流量相对稳定，渗水效果最好。

2.2 秸秆复合管的入渗速率

根据秸秆复合管各个时段的出流量计算出对应时段内的入渗速率，秸秆复合管入渗速率随时间变化过程见图3。

由图3可知，管长为3.5 m时比管长为1.0 m时前期入渗速率大，且波动幅度也较大;随着灌水时间的增长，2组管长的入渗速率均渐趋平稳，最终均接近于稳定入渗。整个秸秆复合管入渗过程可分为3个阶段:初始入渗阶段(0～30 min)、波动阶段(30～90 min)、稳定入渗阶段(90～120 min)。初始入渗阶段，各组的入渗速率均明显下降;波动阶段，各组入渗速率下降趋势变缓，但入渗速率波动幅度较大;灌水90 min后，各组入渗速率均趋于平稳，达到稳定入渗。处理T3入渗速率在20～30 min时发生突变，致使其入渗速率与处理T1和T2产生较大差异，这主要是因为试验进行到20 min时，其中1根秸秆复合管在距管头20 cm处发生了管涌，另外2根虽未发生管涌，但在试验过程中发现其出流量也明显大于处理T1和T2，导致该时间段内入渗速率变化波动较大，具体原因有待深入研究。处理T5灌水进行到40 min时，发现灌水区域表层土内有蚯蚓活动，进而引起灌水量有较大波动，移除蚯蚓后，灌水恢复正常。

图3 秸秆复合管入渗速率随时间变化曲线Fig.3 Infiltration rate change of SCP

表3为各处理的秸秆复合管初始入渗速率、稳定入渗速率和平均入渗速率统计。综合分析图3、表3可知，秸秆复合管的初始入渗速率为247.13～632.52 mL·m-1·min-1，稳定入渗速率为165.67～221.87 mL·m-1·min-1。秸秆复合管的入渗速率和秸秆掺量存在一定联系。随着秸秆掺量的增大，平均入渗速率趋于减小，秸秆掺量为5%时，秸秆复合管的平均入渗速率最大。处理T3初始入渗速率明显大于处理T2，表明处理T3发生管涌之前其入渗速率就已经发生突变。入渗速率的波动程度，反映了秸秆复合管在整个灌水过程中的稳定程度，入渗速率变化越小，说明秸秆复合管的水力性能越佳。排除试验以外因素影响，处理T2和T5在整个灌水过程中，入渗速率的波动幅度最小，说明该两个处理秸秆复合管的水力性能比较稳定，即秸秆掺量为7%时，秸秆复合管的水力性能最为稳定。此外，管长对秸秆复合管的平均入渗速率和稳定入渗速率也有较大的影响，管长为3.5 m时比管长为1.0 m时单位管长的平均入渗速率和稳定入渗速率分别高出47.38%和11.68%。

2.3 秸秆复合管的渗水均匀度

灌水试验结束后，对秸秆复合管进行地表湿润宽度统计，结果如图4所示。

表3 入渗速率统计/(mL·m-1·min-1)Table 3 Infiltration rate statistics

图4 不同位置处地表湿润宽度Fig.4 Wetwidth of surface at different positions

由图4可知，随着秸秆掺量的增加，地表湿润宽度总体上呈增加趋势。处理T3试验的地表湿润宽度与试验中管涌出现有关，管涌的出现造成了地表湿润宽度显著增加。

通过公式(1)对秸秆复合管的灌水均匀度进行计算，结果如表4所示。

由表4可知，灌水结束时秸秆复合管灌水均匀度在67.09%～85.00%之间，表明秸秆复合管具备成为一种新型灌溉材料的潜质，在一定程度上能够满足农田的灌溉需求。在管长为1.0 m时，秸秆掺量为7%时秸秆复合管的灌水均匀度最高(85.00%);而管长为3.5 m时，秸秆掺量5%时秸秆复合管的灌水均匀度最高(81.38%)。秸秆复合管长度相同时，随着秸秆掺量的变化，其灌水均匀度的变化规律不尽一致。处理T3单位长度累计出流量比处理T1和T2分别高出29.05%、47.65%，而灌水均匀度却分别降低6.78%、7.41%，主要是由于灌水试验开始后发生管涌，形成地表积水，加速了该区域湿润锋的扩散速度，导致测量的地表湿润宽度值偏大，灌水均匀度偏低。处理T6灌水均匀度也显著低于处理T4和T5，且灌水过程未发生异常，其主要原因可能与秸秆掺量有关。处理T6秸秆掺量最大(9%)，在管材制作过程中，成型难度较大，且由于管长的要求，使这一问题变得尤为突出，导致最终测得的灌水均匀度仅为67.09%，具体造成其灌水均匀度偏低的原因，有待深入研究。

管长对秸秆复合管的灌水均匀度也有较大影响，秸秆掺量为5%、7%、9%条件下，管长为3.5 m时秸秆复合管的灌水均匀度比管长为1.0 m时分别降低3.60%、5.45%、13.72%。

3 讨论与结论

秸秆复合管由秸秆、土壤以及水按一定比例混合，经秸秆复合管成型机挤压成型。经前期研究以及试验验证，对秸秆复合管的性能进行了初步研究，表明将秸秆复合管用于灌溉具有一定的可行性。主要结论如下:

(1)管长对秸秆复合管的出流量和灌水均匀度影响明显。在秸秆掺量为5%、7%、9%水平下，处理T4、T5、T6的单位长度累计出流量比处理 T1、T2、T3分别增加71.66%、77.52%、8.14%，灌水均匀度分别减小3.60%、5.45%、13.72%。管长对秸秆复合管的灌水效果具有较大影响，而秸秆复合管管长对其水力性能的影响机理仍需深入研究。

(2)秸秆掺量对秸秆复合管的出流量、入渗速率以及灌水均匀度均有影响。随着秸秆掺量的增加，单位长度秸秆复合管的累计出流量趋于减小。管长为1.0m和3.5 m时，秸秆掺量为7%和9%的秸秆复合管单位长度累计出流量分别比秸秆掺量为5%时减少了12.60%、15.80%和9.09%、18.70%;秸秆掺量为7%时，2个管长秸秆复合管的入渗速率波动最小，水力性能最为稳定。在秸秆掺量为7%时，1.0 m长的秸秆复合管灌水均匀度达到最高，在秸秆掺量为5%时，3.5 m长秸秆复合管灌水均匀度达到最高，分别为85.00%和81.38%。

(3)综合考虑出流量、入渗速率、均匀度等试验指标，认为秸秆复合管具备作为灌水毛管用于田间灌溉的条件，秸秆掺量在5%～7%时，秸秆复合管的水力性能最优。

秸秆复合管的研发是秸秆还田及地下灌溉两项技术的集成与创新。秸秆复合管以秸秆为骨架，原料均来自于田间，有望实现秸秆全量还田和持续还田，并为传统秸秆还田导致的作物出苗效果不佳、土壤碳氮比失调、集中调控与防治病虫害创造了便捷条件。与传统地下灌溉的一年铺设、多年使用模式相比，秸秆复合管的应用更具可变性和灵活性。试验证实了秸秆复合管用于田间灌溉具备一定的可行性，秸秆复合管地下灌溉有望成为一种新型节水灌溉方式。但将秸秆复合管应用于地下灌溉的研究尚处于萌芽阶段，存在诸多问题亟需解决，如管材的水力性能、耐久性，节水效果以及秸秆腐解的碳氮比调节等，仍需进行深入研究。