小麦植株遮挡对微喷灌均匀度的影响

王文娟 王文娥 胡笑涛

(西北农林科技大学 旱区农业工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

微喷带是农业生产中广泛使用的新型节水设备，具有省时省工、收放方便的优点，在经济作物灌溉、蔬菜培育、温室应用、水肥一体化等方面应用前景广阔[1-2]。在农业生产中使用微喷带时，喷出的大颗粒水珠较少，雾化效果好，水滴直径小，节水效果明显[3-4]。但实际应用中，使用者缺乏微喷带水力性能和适用条件等相关信息，不能根据作物对微喷带的布置进行调整，因此很难达到最优节水节肥效果。尤其对于小麦等密植作物，在生长过程中株高和冠层覆盖度不断变化，微喷带灌溉均匀度受其影响[5-7]，进而影响到小麦的生长状况及产量。因此对小麦遮挡下微喷带灌溉的均匀度变化及其影响因素进行探究很有必要。

目前对微喷带的基础性能已有一定研究，微喷带的单孔水量分布特征多采用喷幅、湿润区面积、灌水强度等指标来体现[8]，而水量分布与工作压力、喷射角度、喷孔直径等诸多因素有关[9]，各因素之间的关系还有待探究。微喷带水量分布特性的检测主要采用喷灌水量分布的试验方法，目前已对几种常见微喷带的水量分布均匀系数进行了试验检测[10]。郑迎春[11]通过微喷带水力性能试验，得到了微喷带沿程水头损失公式及喷射水滴运动轨迹方程。白珊珊等[12]以国内外6种常见类型的微喷带为研究对象，分析了小麦遮挡条件下微喷带压力流量关系、有效喷洒宽度、水量分布均匀系数等参数的变化规律[13]。已有研究主要针对微喷带的水量分布和水力性能进行了探究，但对于不同生育期小麦遮挡下微喷带的水量分布及其影响因素还缺乏深入研究。

本研究拟对不同小麦株高及密度条件下微喷带水量分布进行试验，分析小麦植株遮挡对微喷灌均匀度的影响，研究微喷带在田间灌溉时的水量分布特征及其影响因素，以期为微喷带灌溉系统的设计提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验设备及材料

试验在西北农林科技大学北校区水工厅进行，试验装置见图1。微喷带购买于杨凌启丰节水有限公司，管径为28 mm，喷孔为机械打孔，斜五孔布置。喷孔水平间距为2 cm，孔组间距22.7 cm，孔组的倾斜度15°。微喷带由回收的废料制成，壁厚约0.2 mm，爆破压力0.1 MPa。精密压力表量程0.2 MPa，精度0.25级。首部设置120目叠片过滤器。

1.水泵；2.盛水容器；3.闸阀；4.过滤器；5.水表；6.压力表；7.微喷带；8.塑料布；9.堵头；10.小麦试样及量水装置

试验前自制一水量分布量水装置，该装置为边长1 m的正方形试验台，试验台高度80 cm，设置20 cm×20 cm的不锈钢方格网，共计25个。方格下方20 cm处为一平台，对应方格位置摆放25个规格相同的雨量筒，直径11 cm，高度14.5 cm，容积为1 L。在方格网上铺设塑料布，网格处固定，在每个雨量筒正上方的位置处开十字形的孔，向下设置一定的凹陷使水流向网格中心汇集、流进雨量筒中。试验微喷带单侧喷幅不超过3 m，因此在垂直微喷带方向上放置了3个量水装置。将制作好的小麦试样按照相应布置扎在金属网上，保持挺直，再将金属网固定在量水装置上，并使其保持稳定，量水装置与小麦试样布置见图2。

1.量水装置；2.雨量筒；3.小麦试样；4.微喷带

微喷带铺设在长3 m、与量水装置同等高度的架子上，保证微喷带平整、无扭转、喷孔可自由出流。试验前用塑料布覆盖在微喷带上，试验开始后，待微喷带出流稳定后去掉覆盖塑料布，并开始计时，喷出的水流汇入雨量筒中，每组试验水量观测时间10 min，达到时间后再次用塑料布覆盖微喷带，采用称重法测定各雨量筒中的水量，天平精度0.1 g。

1.2 试验设计

在使用微喷带进行田间灌溉时，小麦的株高和种植密度(体现在冠层覆盖度)均会影响微喷灌均匀度。基于此，本研究设计了不同株高及种植密度的小麦试样进行试验：1)选取小麦3个典型生育期的高度作为试验株高，即20 cm(起身期)、40 cm(拔节期)和70 cm(成熟期)[14]；2)根据对小麦生长规律的田间调研，在各株高下均设置3种小麦种植密度(密度设计见表1)。小麦试样制作完后使用Canopeo软件[15]对制作的小麦试样进行覆盖度分析。该软件可以通过手机或数码相机拍摄的图像，基于颜色阈值的选择标准，根据算法将所拍摄图像中的每个像素放入相同的“绿色”或“非绿色”类别，从而近乎实时的估算绿色植被的冠层覆盖度。如本研究的小麦试样，株高为40 cm时，3种不同种植密度下冠层覆盖度分析结果分别是53.53%、66.67%和81.72%。

表1 小麦试样种植密度设计

本研究共设置了微喷带工作压力P、株高H和种植密度D3个影响因素(表2)：通过文献查阅和咨询厂家确定了较为适宜的4个工作压力，即20、24、28和32 kPa；株高为20、40和70 cm；种植密度为密度Ⅰ、密度Ⅱ、密度Ⅲ，全组合设计，共36组处理；种植密度为0时(即无作物遮挡)，在4个工作压力下进行试验，作为对照组；共计40组试验。

表2 小麦遮挡下微喷带灌溉试验因素与水平

1.3 数据分析方法

试验采用Excel对雨量筒收集到的喷洒水量进行统计和处理，所得水量根据式(1)计算喷洒时间段内的灌水强度：

(1)

式中：h为灌水强度，mm/h；V为喷洒时间段内雨量筒中收集的水量，mL；A为雨量筒收集水量的面积(不锈钢方格面积)，mm2；t为收集水量时长，h。

根据灌水强度h计算微喷带的灌水均匀度CU[16]，以评价微喷带的水量分布均匀度和喷洒效果。计算公式为：

(2)

2 结果与分析

2.1 理论基础

在使用微喷带进行田间灌溉时，管首工作压力、作物株高、作物种植密度等[17-18]均会对微喷带灌溉的水量分布均匀度产生影响。由于作物灌水量及抗打击能力不同，需要进行不同的压力设置和田间布置。水流从水源通过有压管路输送到微喷带、从微喷带的喷孔中喷出落到地面或作物植株及叶片之前，没有接触作物，微喷带的水力性能及运行条件决定了水量分布，即灌水均匀性与作物无直接关系，可以根据管道类型和型号、调节首部压力、管长、管道间距等系统参数控制水量分布；水流或水滴进一步落到地面或作物植株及叶片上时，受到作物遮挡对喷洒水量的拦截、阻挡等改变水流或水滴的运动方向、路径，引起水量的二次分布，促进或降低喷灌区域的灌水均匀性。株高与作物种植密度随作物生长阶段和生长状况而改变，是作物自身的生长状况对微喷带灌溉均匀度产生的影响。而由于微喷带的水力性能不受作物生长影响，因此可根据作物不同生长阶段的作物株高及覆盖度，调整微喷带的运行压力，提高灌溉均匀度，更有利于微喷灌系统设计及运行管理。

因此，考虑作物遮挡对微喷带灌溉均匀度的影响，在计算均匀度时引入作物影响系数，即将作物生长状况对灌溉效果的影响记为作物影响系数Kc，计算公式为：

CU=Kc·CU微喷带

(3)

式中：CU为综合灌水均匀度；Kc为作物影响系数，量纲1；CU微喷带为没有作物遮挡下布置微喷带时，由微喷带水力性能影响的灌水均匀度。

2.2 数据处理

将各处理下试验所得水量按照式(1)和(2)进行计算得到CU，并将有作物生长时微喷带灌溉的均匀度按照式(3)分析，分为CU微喷带和Kc2部分进行分析讨论，以得出使用微喷带对小麦进行田间灌溉时的压力调节和使用方法。

2.2.1种植密度对综合灌水均匀度CU的影响

图3示出对照及各处理组喷洒均匀度随工作压力的变化。无作物遮挡，当工作压力为20 kPa时，CU微喷带最大，随着压力的增大，即由20 kPa逐渐增加到28 kPa时，CU微喷带逐渐减小，到32 kPa后又呈上升趋势。这说明微喷带运行存在水量分布更为均匀的最优运行压力，并不是压力越大均匀系数就越高。随着工作压力的增加，均匀系数呈现先减小后增大的趋势。笔者认为这与本微喷带的材质有关，本产品是由回收的废料制成，壁厚不均匀，且所有喷水孔均为机械打孔，不能保证孔径的精确度，因此微喷带性能较不稳定。工作压力较低时，水流对管壁的冲击作用较小，故水量分布均匀，均匀度较高；而工作压力增大时，管壁承受的水流作用力变大，因此水量分布有所变化。在田间灌溉中，为达到好的灌溉效果，应使微喷带在最优工作压力附近进行工作。

图3 对照及各处理组喷洒均匀度随工作压力的变化

对照组得到的喷洒均匀度即为CU微喷带，由图3可以看出，微喷带的灌水均匀度约为0.3，而其他各处由于作物茎秆及枝叶的影响，引起水量分布的调整，导致喷洒水量二次分布，使得水量分布更加均匀，可以达到0.6左右。

窦超银等[19]对压片式微喷带的水力性能进行了研究，压片式微喷带的压力流量之间具有良好的幂函数关系，水量分布均匀系数为50%～62%，其整体表现在市面上已有微喷带中属中等水平；这也从另一方面论证了微喷带制作工艺和材质，以及打孔方式对微喷带灌水均匀度有很大影响。在微喷带的改进推广中，需要进一步提高微喷带的制作工艺和稳定性，以提高其灌水效果。

2.2.2作物影响系数Kc的影响因素分析

根据各处理组得到的水量分布数据，按照式(3)进行计算，将灌溉均匀度记为CU微喷带和Kc，图4和图5即为各处理组Kc随工作压力的变化。

图5 各株高下Kc随工作压力的变化

由图4可见，株高为20 cm时，各处理组Kc值均大于1，而相应的综合灌水均匀度CU均高于CU微喷带(图3)，说明此时作物株高引起的水量二次分布有利于提高微喷带灌水均匀度。而当株高增加至40和70 cm时，Kc值均呈下降趋势，部分数值小于1，说明植株较高时，作物茎秆和叶片对喷洒水流的遮挡和拦截作用增强，喷洒水量大多都被靠近微喷带的小麦遮挡，灌水均匀度相比株高为 20 cm 时有一定下降。

图4 各种植密度下Kc随工作压力的变化

由图4还可看出，随着工作压力增大，株高对灌水均匀度的影响逐渐减弱。工作压力逐渐增大，水流穿透能力增强，灌溉时穿透茎秆、叶片的水量增多，遮挡和拦截作用会减弱，灌溉效果随之提升。Kc值随工作压力的增大而增大，在压力为28 kPa时Kc值超过1，此时植株遮挡对微喷带的喷洒效果产生了有利影响。

株高相同时，各种植密度下Kc的整体变化趋势为：密度Ⅰ>密度Ⅱ>密度Ⅲ。种植密度增大，Kc值减小，灌水均匀度随之减小。图5中各株高下的Kc值变化趋势相同，均随工作压力增大呈现增加趋势，由Kc<1上升至Kc>1。当压力为28 kPa时，3个株高各处理下的Kc值均达到峰值，且较为接近。同时28 kPa下各处理组的综合灌水均匀度CU在4个压力水平下整体水平是最优的(图3)，灌溉效果良好。

综上，作物株高和种植密度都会对Kc值产生影响。密度小、株高较矮时Kc值大，且Kc>1会对微喷带的灌溉产生有利影响，作物叶片和茎秆会使喷洒水流分布更均匀，提升灌溉均匀度；而种植密度的增大，作物株高的增高，会使喷洒水流的截留量增加，导致水流不能均匀分布，灌溉效果下降。并且Kc值存在峰值，即微喷带的运行存在最优压力：随着工作压力的增大，微喷带灌溉均匀度的作物影响系数Kc逐渐增大，在28 kPa时达到峰值；在各不同处理中，28 kPa 工作压力下Kc值相比其他工作压力下整体较优，此时作物对微喷带灌溉均匀度产生有利影响，灌溉效果良好。以现有试验资料看，在进行田间灌溉时，适宜根据大田种植情况选取最优工作压力进行灌溉。

2.2.3讨论

对照组和株高为20及40 cm时的Kc随压力变化趋势大致相同(图6)。CU微喷带曲线低点在 28 kPa 时出现，4个工作压力下此时均匀度低于其他工作压力情况，灌溉效果并不理想；而当大田被作物覆盖时，在小麦不同生长阶段，作物对于微喷带喷洒效果影响较大。Kc随工作压力的增大而增大，在 28 kPa 时产生最高点，表明在28 kPa时作物对微喷带灌溉产生有利影响，灌溉效果良好。这一峰值出现位置与CU微喷带的最小值出现位置相同，变化趋势相反。根据综合灌水均匀度CU的变化趋势，在本试验条件下择优，最优工作压力即为28 kPa。因此，将影响微喷带灌溉均匀度的2种因素(微喷带水力性能和作物生长状况)综合考虑时，作物自身生长状况对微喷带综合灌溉均匀度的影响较大。

图6 对照及各处理组CU和Kc随压力的变化

张伟[20]将孔口间距、孔口直径和铺设长度做3因素3水平试验，由F检验可知微喷带喷孔直径和孔口间距在可靠度为90%时影响较小，而铺设长度这一非微喷带结构性能的因素对灌溉均匀度影响较大，这也从侧面印证了微喷带在进行大田灌溉时，表现出微喷带的结构对于不同作物的适应性，以及作物本身对于微喷带灌溉效果的影响。

3 结束语

在实际生产中，由于不同作物的生长周期和生长规律不完全相同，因此要根据各作物的生长状况调节微喷带运行条件，以达到提高喷灌均匀度，降低能耗的效果。本研究将小麦遮挡对微喷带灌溉水量分布的影响，分为微喷带自身水力性能影响的灌溉均匀度CU微喷带和作物生长状况影响的作物影响系数Kc进行讨论。结果表明：微喷带的水力性能对于小麦不同生长阶段的田间灌溉均匀度的影响较小。微喷带在田间进行灌溉时，微喷带一旦选定，其结构和水力性能就已经决定，不受作物生长阶段的影响。因此在大田灌溉中，使用者可依据作物在不同生长阶段的作物株高及作物密度等生长状况，根据想要达到的灌溉效果对微喷带的工作压力进行调节，以达到节水增产，提高灌溉均匀度的目的。