小麥植株遮擋對(duì)微噴灌均勻度的影響

王文娟 王文娥 胡笑濤

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

微噴帶是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的新型節(jié)水設(shè)備，具有省時(shí)省工、收放方便的優(yōu)點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)作物灌溉、蔬菜培育、溫室應(yīng)用、水肥一體化等方面應(yīng)用前景廣闊[1-2]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用微噴帶時(shí)，噴出的大顆粒水珠較少，霧化效果好，水滴直徑小，節(jié)水效果明顯[3-4]。但實(shí)際應(yīng)用中，使用者缺乏微噴帶水力性能和適用條件等相關(guān)信息，不能根據(jù)作物對(duì)微噴帶的布置進(jìn)行調(diào)整，因此很難達(dá)到最優(yōu)節(jié)水節(jié)肥效果。尤其對(duì)于小麥等密植作物，在生長(zhǎng)過(guò)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(jìn)而影響到小麥的生長(zhǎng)狀況及產(chǎn)量。因此對(duì)小麥遮擋下微噴帶灌溉的均勻度變化及其影響因素進(jìn)行探究很有必要。

目前對(duì)微噴帶的基礎(chǔ)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(rùn)區(qū)面積、灌水強(qiáng)度等指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)[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(guān)[9]，各因素之間的關(guān)系還有待探究。微噴帶水量分布特性的檢測(cè)主要采用噴灌水量分布的試驗(yàn)方法，目前已對(duì)幾種常見微噴帶的水量分布均勻系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)檢測(cè)[10]。鄭迎春[11]通過(guò)微噴帶水力性能試驗(yàn)，得到了微噴帶沿程水頭損失公式及噴射水滴運(yùn)動(dòng)軌跡方程。白珊珊等[12]以國(guó)內(nèi)外6種常見類型的微噴帶為研究對(duì)象，分析了小麥遮擋條件下微噴帶壓力流量關(guān)系、有效噴灑寬度、水量分布均勻系數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律[13]。已有研究主要針對(duì)微噴帶的水量分布和水力性能進(jìn)行了探究，但對(duì)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(duì)不同小麥株高及密度條件下微噴帶水量分布進(jìn)行試驗(yàn)，分析小麥植株遮擋對(duì)微噴灌均勻度的影響，研究微噴帶在田間灌溉時(shí)的水量分布特征及其影響因素，以期為微噴帶灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)水工廳進(jìn)行，試驗(yàn)裝置見圖1。微噴帶購(gòu)買于楊凌啟豐節(jié)水有限公司，管徑為28 mm，噴孔為機(jī)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(jí)。首部設(shè)置120目疊片過(guò)濾器。

1.水泵；2.盛水容器；3.閘閥；4.過(guò)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(yàn)前自制一水量分布量水裝置，該裝置為邊長(zhǎng)1 m的正方形試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)高度80 cm，設(shè)置20 cm×20 cm的不銹鋼方格網(wǎng)，共計(jì)25個(gè)。方格下方20 cm處為一平臺(tái)，對(duì)應(yīng)方格位置擺放25個(gè)規(guī)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(wǎng)上鋪設(shè)塑料布，網(wǎng)格處固定，在每個(gè)雨量筒正上方的位置處開十字形的孔，向下設(shè)置一定的凹陷使水流向網(wǎng)格中心匯集、流進(jìn)雨量筒中。試驗(yàn)微噴帶單側(cè)噴幅不超過(guò)3 m，因此在垂直微噴帶方向上放置了3個(gè)量水裝置。將制作好的小麥試樣按照相應(yīng)布置扎在金屬網(wǎng)上，保持挺直，再將金屬網(wǎng)固定在量水裝置上，并使其保持穩(wěn)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(shè)在長(zhǎng)3 m、與量水裝置同等高度的架子上，保證微噴帶平整、無(wú)扭轉(zhuǎn)、噴孔可自由出流。試驗(yàn)前用塑料布覆蓋在微噴帶上，試驗(yàn)開始后，待微噴帶出流穩(wěn)定后去掉覆蓋塑料布，并開始計(jì)時(shí)，噴出的水流匯入雨量筒中，每組試驗(yàn)水量觀測(cè)時(shí)間10 min，達(dá)到時(shí)間后再次用塑料布覆蓋微噴帶，采用稱重法測(cè)定各雨量筒中的水量，天平精度0.1 g。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在使用微噴帶進(jìn)行田間灌溉時(shí)，小麥的株高和種植密度(體現(xiàn)在冠層覆蓋度)均會(huì)影響微噴灌均勻度?；诖?，本研究設(shè)計(jì)了不同株高及種植密度的小麥試樣進(jìn)行試驗(yàn)：1)選取小麥3個(gè)典型生育期的高度作為試驗(yàn)株高，即20 cm(起身期)、40 cm(拔節(jié)期)和70 cm(成熟期)[14]；2)根據(jù)對(duì)小麥生長(zhǎng)規(guī)律的田間調(diào)研，在各株高下均設(shè)置3種小麥種植密度(密度設(shè)計(jì)見表1)。小麥試樣制作完后使用Canopeo軟件[15]對(duì)制作的小麥試樣進(jìn)行覆蓋度分析。該軟件可以通過(guò)手機(jī)或數(shù)碼相機(jī)拍攝的圖像，基于顏色閾值的選擇標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)算法將所拍攝圖像中的每個(gè)像素放入相同的“綠色”或“非綠色”類別，從而近乎實(shí)時(shí)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(shí)，3種不同種植密度下冠層覆蓋度分析結(jié)果分別是53.53%、66.67%和81.72%。

表1 小麥試樣種植密度設(shè)計(jì)

本研究共設(shè)置了微噴帶工作壓力P、株高H和種植密度D3個(gè)影響因素(表2)：通過(guò)文獻(xiàn)查閱和咨詢廠家確定了較為適宜的4個(gè)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(shè)計(jì)，共36組處理；種植密度為0時(shí)(即無(wú)作物遮擋)，在4個(gè)工作壓力下進(jìn)行試驗(yàn)，作為對(duì)照組；共計(jì)40組試驗(yàn)。

表2 小麥遮擋下微噴帶灌溉試驗(yàn)因素與水平

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

試驗(yàn)采用Excel對(duì)雨量筒收集到的噴灑水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和處理，所得水量根據(jù)式(1)計(jì)算噴灑時(shí)間段內(nèi)的灌水強(qiáng)度：

(1)

式中：h為灌水強(qiáng)度，mm/h；V為噴灑時(shí)間段內(nèi)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(shí)長(zhǎng)，h。

根據(jù)灌水強(qiáng)度h計(jì)算微噴帶的灌水均勻度CU[16]，以評(píng)價(jià)微噴帶的水量分布均勻度和噴灑效果。計(jì)算公式為：

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 理論基礎(chǔ)

在使用微噴帶進(jìn)行田間灌溉時(shí)，管首工作壓力、作物株高、作物種植密度等[17-18]均會(huì)對(duì)微噴帶灌溉的水量分布均勻度產(chǎn)生影響。由于作物灌水量及抗打擊能力不同，需要進(jìn)行不同的壓力設(shè)置和田間布置。水流從水源通過(guò)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(méi)有接觸作物，微噴帶的水力性能及運(yùn)行條件決定了水量分布，即灌水均勻性與作物無(wú)直接關(guān)系，可以根據(jù)管道類型和型號(hào)、調(diào)節(jié)首部壓力、管長(zhǎng)、管道間距等系統(tǒng)參數(shù)控制水量分布；水流或水滴進(jìn)一步落到地面或作物植株及葉片上時(shí)，受到作物遮擋對(duì)噴灑水量的攔截、阻擋等改變水流或水滴的運(yùn)動(dòng)方向、路徑，引起水量的二次分布，促進(jìn)或降低噴灌區(qū)域的灌水均勻性。株高與作物種植密度隨作物生長(zhǎng)階段和生長(zhǎng)狀況而改變，是作物自身的生長(zhǎng)狀況對(duì)微噴帶灌溉均勻度產(chǎn)生的影響。而由于微噴帶的水力性能不受作物生長(zhǎng)影響，因此可根據(jù)作物不同生長(zhǎng)階段的作物株高及覆蓋度，調(diào)整微噴帶的運(yùn)行壓力，提高灌溉均勻度，更有利于微噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理。

因此，考慮作物遮擋對(duì)微噴帶灌溉均勻度的影響，在計(jì)算均勻度時(shí)引入作物影響系數(shù)，即將作物生長(zhǎng)狀況對(duì)灌溉效果的影響記為作物影響系數(shù)Kc，計(jì)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(shù)，量綱1；CU微噴帶為沒(méi)有作物遮擋下布置微噴帶時(shí)，由微噴帶水力性能影響的灌水均勻度。

2.2 數(shù)據(jù)處理

將各處理下試驗(yàn)所得水量按照式(1)和(2)進(jìn)行計(jì)算得到CU，并將有作物生長(zhǎng)時(shí)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(jìn)行分析討論，以得出使用微噴帶對(duì)小麥進(jìn)行田間灌溉時(shí)的壓力調(diào)節(jié)和使用方法。

2.2.1種植密度對(duì)綜合灌水均勻度CU的影響

圖3示出對(duì)照及各處理組噴灑均勻度隨工作壓力的變化。無(wú)作物遮擋，當(dāng)工作壓力為20 kPa時(shí)，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(shí)，CU微噴帶逐漸減小，到32 kPa后又呈上升趨勢(shì)。這說(shuō)明微噴帶運(yùn)行存在水量分布更為均勻的最優(yōu)運(yùn)行壓力，并不是壓力越大均勻系數(shù)就越高。隨著工作壓力的增加，均勻系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。筆者認(rèn)為這與本微噴帶的材質(zhì)有關(guān)，本產(chǎn)品是由回收的廢料制成，壁厚不均勻，且所有噴水孔均為機(jī)械打孔，不能保證孔徑的精確度，因此微噴帶性能較不穩(wěn)定。工作壓力較低時(shí)，水流對(duì)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(shí)，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(dá)到好的灌溉效果，應(yīng)使微噴帶在最優(yōu)工作壓力附近進(jìn)行工作。

圖3 對(duì)照及各處理組噴灑均勻度隨工作壓力的變化

對(duì)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(diào)整，導(dǎo)致噴灑水量二次分布，使得水量分布更加均勻，可以達(dá)到0.6左右。

竇超銀等[19]對(duì)壓片式微噴帶的水力性能進(jìn)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(shù)關(guān)系，水量分布均勻系數(shù)為50%～62%，其整體表現(xiàn)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(zhì)，以及打孔方式對(duì)微噴帶灌水均勻度有很大影響。在微噴帶的改進(jìn)推廣中，需要進(jìn)一步提高微噴帶的制作工藝和穩(wěn)定性，以提高其灌水效果。

2.2.2作物影響系數(shù)Kc的影響因素分析

根據(jù)各處理組得到的水量分布數(shù)據(jù)，按照式(3)進(jìn)行計(jì)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(shí)，各處理組Kc值均大于1，而相應(yīng)的綜合灌水均勻度CU均高于CU微噴帶(圖3)，說(shuō)明此時(shí)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(dāng)株高增加至40和70 cm時(shí)，Kc值均呈下降趨勢(shì)，部分?jǐn)?shù)值小于1，說(shuō)明植株較高時(shí)，作物莖稈和葉片對(duì)噴灑水流的遮擋和攔截作用增強(qiáng)，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(shí)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(duì)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(qiáng)，灌溉時(shí)穿透莖稈、葉片的水量增多，遮擋和攔截作用會(huì)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(shí)Kc值超過(guò)1，此時(shí)植株遮擋對(duì)微噴帶的噴灑效果產(chǎn)生了有利影響。

株高相同時(shí)，各種植密度下Kc的整體變化趨勢(shì)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(shì)相同，均隨工作壓力增大呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，由Kc<1上升至Kc>1。當(dāng)壓力為28 kPa時(shí)，3個(gè)株高各處理下的Kc值均達(dá)到峰值，且較為接近。同時(shí)28 kPa下各處理組的綜合灌水均勻度CU在4個(gè)壓力水平下整體水平是最優(yōu)的(圖3)，灌溉效果良好。

綜上，作物株高和種植密度都會(huì)對(duì)Kc值產(chǎn)生影響。密度小、株高較矮時(shí)Kc值大，且Kc>1會(huì)對(duì)微噴帶的灌溉產(chǎn)生有利影響，作物葉片和莖稈會(huì)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(huì)使噴灑水流的截留量增加，導(dǎo)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(yùn)行存在最優(yōu)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(shù)Kc逐漸增大，在28 kPa時(shí)達(dá)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(yōu)，此時(shí)作物對(duì)微噴帶灌溉均勻度產(chǎn)生有利影響，灌溉效果良好。以現(xiàn)有試驗(yàn)資料看，在進(jìn)行田間灌溉時(shí)，適宜根據(jù)大田種植情況選取最優(yōu)工作壓力進(jìn)行灌溉。

2.2.3討論

對(duì)照組和株高為20及40 cm時(shí)的Kc隨壓力變化趨勢(shì)大致相同(圖6)。CU微噴帶曲線低點(diǎn)在 28 kPa 時(shí)出現(xiàn)，4個(gè)工作壓力下此時(shí)均勻度低于其他工作壓力情況，灌溉效果并不理想；而當(dāng)大田被作物覆蓋時(shí)，在小麥不同生長(zhǎng)階段，作物對(duì)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(shí)產(chǎn)生最高點(diǎn)，表明在28 kPa時(shí)作物對(duì)微噴帶灌溉產(chǎn)生有利影響，灌溉效果良好。這一峰值出現(xiàn)位置與CU微噴帶的最小值出現(xiàn)位置相同，變化趨勢(shì)相反。根據(jù)綜合灌水均勻度CU的變化趨勢(shì)，在本試驗(yàn)條件下?lián)駜?yōu)，最優(yōu)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(zhǎng)狀況)綜合考慮時(shí)，作物自身生長(zhǎng)狀況對(duì)微噴帶綜合灌溉均勻度的影響較大。

圖6 對(duì)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(shè)長(zhǎng)度做3因素3水平試驗(yàn)，由F檢驗(yàn)可知微噴帶噴孔直徑和孔口間距在可靠度為90%時(shí)影響較小，而鋪設(shè)長(zhǎng)度這一非微噴帶結(jié)構(gòu)性能的因素對(duì)灌溉均勻度影響較大，這也從側(cè)面印證了微噴帶在進(jìn)行大田灌溉時(shí)，表現(xiàn)出微噴帶的結(jié)構(gòu)對(duì)于不同作物的適應(yīng)性，以及作物本身對(duì)于微噴帶灌溉效果的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于不同作物的生長(zhǎng)周期和生長(zhǎng)規(guī)律不完全相同，因此要根據(jù)各作物的生長(zhǎng)狀況調(diào)節(jié)微噴帶運(yùn)行條件，以達(dá)到提高噴灌均勻度，降低能耗的效果。本研究將小麥遮擋對(duì)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(zhǎng)狀況影響的作物影響系數(shù)Kc進(jìn)行討論。結(jié)果表明：微噴帶的水力性能對(duì)于小麥不同生長(zhǎng)階段的田間灌溉均勻度的影響較小。微噴帶在田間進(jìn)行灌溉時(shí)，微噴帶一旦選定，其結(jié)構(gòu)和水力性能就已經(jīng)決定，不受作物生長(zhǎng)階段的影響。因此在大田灌溉中，使用者可依據(jù)作物在不同生長(zhǎng)階段的作物株高及作物密度等生長(zhǎng)狀況，根據(jù)想要達(dá)到的灌溉效果對(duì)微噴帶的工作壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)，提高灌溉均勻度的目的。