干旱區(qū)農(nóng)田滴灌帶“一帶兩用”灌水均勻度和堵塞率研究

馬 亮，依明·熱合曼，梁聰聰，張 旭，魏光輝，2

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊830052；2.新疆塔里木河流域管理局，新疆庫爾勒841000）

新疆是我國主要的糧食產(chǎn)區(qū)之一，南疆是新疆重要的糧食生產(chǎn)區(qū)和糧食消費(fèi)的主要區(qū)域，對(duì)新疆的糧食安全有著重要的作用[1]。南疆光熱資源豐富，大部分地區(qū)年積溫大于3 600 ℃，屬于一年兩熟種植區(qū)[2]。冬小麥種植面積集中分布于黃淮海平原、陜西關(guān)中平原、湖北、四川盆地和新疆[3]，達(dá)到“控水減肥”的目標(biāo)，將滴灌水肥一體化的節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用到南疆糧食作物生長中，以達(dá)到“控水減肥”、提高水肥利用率的目標(biāo)，對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程產(chǎn)生積極作用。滴灌灌水器如同滴灌系統(tǒng)的“心臟”，其性能指標(biāo)直接影響著整個(gè)滴灌系統(tǒng)的灌水均勻性、灌溉質(zhì)量、運(yùn)行成本和單位投資等[4]。由于目前我國滴灌施肥常采用固體化肥溶解于水中，而水溶肥采用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中水不溶物規(guī)定≤5%，故造成滴灌水肥一體化設(shè)備中毛管和滴頭堵塞[5,6]，影響了滴頭出水量，降低了滴灌均勻度，直接影響了滴灌系統(tǒng)的使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益[7]。滴灌灌水器根據(jù)堵塞機(jī)理可分為物理、化學(xué)和生物堵塞，有學(xué)者認(rèn)為水質(zhì)是影響灌水器堵塞的重要原因[8,9]，也有學(xué)者認(rèn)為水中高含量的可溶性鹽是灌水器發(fā)生化學(xué)堵塞的重要原因。Bozkurt[10]等研究發(fā)現(xiàn)多種化肥混施時(shí)，同時(shí)包含Ca2+和SO24-肥料的施肥方式易導(dǎo)致灌水器堵塞。劉燕芳[11]等研究認(rèn)為施肥量對(duì)灌水器平均流量的影響達(dá)到極顯著水平，堵塞主要是物理堵塞和化學(xué)堵塞共同作用引起。王心陽[12]等研究了溫室滴灌系統(tǒng)隨水施肥過程對(duì)滴頭堵塞的影響，結(jié)果表明滴施的肥料顆粒及雜質(zhì)，降低了滴灌管的過流能力，雜質(zhì)聚集在滴頭入水口處，減小了滴頭流量。目前，學(xué)者對(duì)滴灌施肥對(duì)滴頭堵塞的研究大多集中在溫室或?qū)嶒?yàn)室中，運(yùn)用新滴灌帶模擬大田土壤顆粒大小、渾水泥沙級(jí)配、施肥濃度或不同管徑等條件，對(duì)滴灌帶的堵塞因素進(jìn)行分析驗(yàn)證，滴灌帶布設(shè)并未與作物種植模式及生長環(huán)境相結(jié)合，這與野外田間滴灌系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況存在較大差異。本文以不同水、氮梯度下滴灌帶歷經(jīng)冬小麥和復(fù)播玉米兩種作物的生育期，將免耕與淺埋滴灌技術(shù)應(yīng)用作物種植中，使同一條滴灌帶為兩種作物生育期灌水（一帶兩用），期限長達(dá)12個(gè)月，探究滴灌帶在長期使用下，不同水氮梯度對(duì)滴頭堵塞率、灌水均勻度的影響，為干旱地區(qū)滴灌“一帶兩用”技術(shù)模式提供理論及實(shí)踐參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

大田試驗(yàn)地位于新疆阿克蘇地區(qū)紅旗坡農(nóng)場（80°14′E，41°16′N），地處塔里木盆地西北緣，天山托木爾峰南麓，屬典型大陸性干旱氣候。該區(qū)多年日照時(shí)數(shù)為2 855～2 967 h，無霜期為205～219 d，降水量為42.4～94.4 mm，年平均氣溫為11.2 ℃，太陽總輻射量為544.115～590.156 kJ/cm2，試驗(yàn)區(qū)地下水位距地表10m，土壤質(zhì)地為粉砂壤土。

1.2 大田試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試冬小麥品種為新冬22 號(hào)，復(fù)播玉米品種為新玉9 號(hào)，采用人工點(diǎn)播方式種植在長（2.2 m）×寬（3 m）×深（2 m）的試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)，四周采用10 cm 厚混凝土做防水處理。小麥行間距0.2 m，播量為300 kg/hm2，復(fù)播玉米采用行間距為0.4 m+0.4 m+0.8 m 的寬窄行種植，株距0.25 m，種植密度7.5 萬株/hm2。冬小麥種植滴灌帶間距為0.8 m，淺埋在地下約0.05 m處，一管四行，冬小麥?zhǔn)斋@后直接在麥茬行距中播種玉米，不更換滴灌帶，冬小麥留茬高度為0.15 m，滴灌帶一管2行玉米，收獲復(fù)播玉米后，滴灌帶統(tǒng)一回收。滴頭流量為1.8 L/h，滴頭間距0.2 m，工作壓力10 m，冬小麥、復(fù)播玉米、滴灌帶的布設(shè)模式剖面見圖1。

圖1 冬小麥麥茬、復(fù)播玉米、滴灌帶布設(shè)模式剖面圖（單位：m）

冬小麥、復(fù)播玉米設(shè)置3 個(gè)灌水梯度和4 個(gè)氮肥梯度處理，各處理播種后立即滴施出苗水，兩種作物出苗水均為900 m3/hm2。冬小麥、復(fù)播玉米于拔節(jié)期開始采取定周期灌水，3個(gè)灌水梯度分別為80%ETc、100%ETc、120%ETc[13]，ETc為作物蒸發(fā)蒸騰量，灌水周期均為7 d，冬小麥5月底、復(fù)播玉米8月底停止灌水。4 個(gè)施氮梯度分別為：N0 不施氮，N1 冬小麥?zhǔn)┑?38 kg/hm2、夏玉米施氮168 kg/hm2，N2 冬小麥?zhǔn)┑?07 kg/hm2、復(fù)播玉米施氮306.5 kg/hm2，N3 冬小麥?zhǔn)┑?76 kg/hm2、復(fù)播玉米施氮444.5 kg/hm2。因水分虧缺條件下，過量施氮阻礙玉米干物質(zhì)積累[14]，故本試驗(yàn)不設(shè)低水高肥（I1N3）處理。基肥播種后一次性隨水施入土壤，追肥在冬小麥返青期、拔節(jié)期、孕穗期；復(fù)播玉米在拔節(jié)期、喇叭口期、吐絲期按2∶2∶1 的比例隨水滴施（見表1）。每個(gè)處理3 次重復(fù)，作物全生育期防治病蟲害、除草等農(nóng)藝措施均按當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田進(jìn)行田間管理。

冬小麥、復(fù)播玉米生育期內(nèi)每次滴灌灌水量均根據(jù)前一個(gè)灌水周期內(nèi)的作物實(shí)際耗水量確定，其計(jì)算公式為：

式中：ETc為作物蒸發(fā)蒸騰量；ET0為一個(gè)灌水周期內(nèi)參考作物蒸發(fā)蒸騰量，由試驗(yàn)地氣象站測得的氣象數(shù)據(jù)經(jīng)FAO Penman-Monteith 公式計(jì)算得出，Kc值通過查詢FAO-56 推薦的冬小麥、復(fù)播玉米單作物系數(shù)Kc表和文獻(xiàn)[15]獲得。

1.3 室內(nèi)測定項(xiàng)目和方法

復(fù)播玉米收獲后取出試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)的滴灌帶，滴灌帶參數(shù)見表2，每個(gè)處理選3 條滴灌帶進(jìn)行灌水均勻度和堵塞率測試，每個(gè)處理33個(gè)采樣點(diǎn)。

表1 冬小麥、復(fù)播玉米水氮試驗(yàn)方案

表2 試驗(yàn)小區(qū)滴灌帶（內(nèi)鑲貼片式）參數(shù)

根據(jù)農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備滴頭和滴灌管技術(shù)規(guī)范和試驗(yàn)方法(GB/T17187－2009)[16]，運(yùn)用滴灌帶水力性能綜合測試平臺(tái)（見圖2），對(duì)試驗(yàn)小區(qū)各處理的滴灌帶進(jìn)行滴頭流量測定。試驗(yàn)相關(guān)測量儀器還包括250 mL 量筒、精密壓力表和秒表。水源為自來水，水溫20 ℃，水箱內(nèi)置水泵和過濾器等。試驗(yàn)前進(jìn)行“排氣”，待排氣完成后進(jìn)入測試階段，進(jìn)水口壓力為0.1 MPa，待壓力穩(wěn)定后，用量杯接取滴頭流量，歷時(shí)5 min，測試結(jié)束后用精度為0.001 g電子秤稱重量杯中的水量。

圖2 滴灌帶水力性能綜合測試平臺(tái)

以滴頭相對(duì)流量（qr）、滴灌帶平均相對(duì)流量（）、平均流量偏差（）、灌水均勻度（Cu）、堵塞率（Rc）為滴灌帶特征參數(shù)。當(dāng)?shù)晤^流量小于設(shè)計(jì)流量的75%時(shí)[17]，認(rèn)為滴頭發(fā)生堵塞，將發(fā)生堵塞滴頭數(shù)（qr＜75%）與滴頭總個(gè)數(shù)之比稱為堵塞率，各指標(biāo)的計(jì)算公式分別為：

式中：qr為相對(duì)流量，%；qi為滴頭實(shí)際流量，L/h；q0為滴頭設(shè)計(jì)流量，L/h；為平均相對(duì)流量，%；n為滴頭個(gè)數(shù)，Cu為灌水均勻度，%；為滴頭平均流量偏差，為滴頭流量平均值，L/h。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用多元方差分析（MANOVA）方法分析灌水、施氮及水氮素耦合作用對(duì)滴灌帶特征參數(shù)的影響，采用逐步回歸分析建立灌水均勻度、堵塞率與特征參數(shù)的預(yù)測模型，多重比較采用LSD法，統(tǒng)計(jì)分析過程在SPSS 20.0軟件中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理對(duì)灌水均勻度的影響

我國現(xiàn)行《微灌工程技術(shù)規(guī)范》要求滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)灌水均勻度不能小于85%，實(shí)測灌水均勻度不能小于80%[18]。經(jīng)檢測I3N0、I3N2、I2N2 處理的滴灌帶灌水均勻度分別為81.01%、80.55%、80.13%，平均相對(duì)流量分別為80.08%、79.03%、82.09%，均滿足實(shí)測灌水均勻度的規(guī)范要求。I1N2、I2N3、I3N3 處理的灌水均勻度均小于70%。在相同灌水量條件下，高肥水平的灌水均勻度均最小。

由多元方差分析（見表3）可知，灌水量、施氮量對(duì)滴灌帶灌水均勻度均呈極顯著影響（P＜0.01）。水氮耦合作用對(duì)灌水均勻度呈顯著影響（P＜0.05）。

2.2 不同施氮量對(duì)滴灌帶堵塞率的影響

由表3可知，在I1 水平下N1、N2 分別比N0 堵塞率高10.99%、21.08%；I2 水平下N1、N2、N3 分別比N0 堵塞率高14.29%、14.29%、114.29%；I3 水平下N1、N2、N3 分別比不施氮水平堵塞率高14.29%、28.57%、42.86%。I1N2、I2N3 和I3N3 的堵塞率分別為36.36%、45.45%，30.30%，I3N3 堵塞率均小于較I1N2 和I2N3，分析原因可能是I3N3 處理灌水量較大，氮肥溶解較I2N3處理充分，滴灌水肥溶液中顆粒物較少，故出水口堵塞率降低。由此可見，適宜的水肥比例，能夠減少滴施追肥對(duì)滴灌帶出水口的堵塞，提高灌水均勻度。在相同灌水水平下滴灌帶堵塞率隨施氮量的增加而增加，且施氮量對(duì)堵塞率影響顯著，這與李康勇等[17]、閆大壯等[19]研究結(jié)果一致。

表3 不同灌水、施氮水平滴灌帶特征參數(shù)及多元方差分析

灌水量對(duì)滴灌帶堵塞率的影響呈極顯著水平（P＜0.01），施氮量對(duì)滴灌帶堵塞率呈顯著影響（P＜0.05），水氮耦合作用對(duì)滴灌帶堵塞率無顯著影響（P＞0.05）。

2.3 灌水均勻度回歸預(yù)測模型

建立灌水均勻度與滴灌帶特征參數(shù)的回歸方程（見表4）。由表4可知，平均流量偏差、平均相對(duì)流量對(duì)灌水均勻度有顯著影響，灌水均勻度Cu隨平均流量偏差的增大而減小，隨平均相對(duì)流量的增加而增加，這與表4所得結(jié)論一致。平均流量偏差和平均相對(duì)流量的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)分別為-0.792和0.253，表明對(duì)灌水均勻度的影響表現(xiàn)為

表4 灌水均勻度與滴灌帶特征參數(shù)回歸預(yù)測模型

3 結(jié) 語

本研究以大田試驗(yàn)使用一年的滴灌帶為研究對(duì)象，應(yīng)用滴灌帶水力性能綜合試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)滴灌帶流量進(jìn)行量測，通過平均流量、流量偏差及相對(duì)流量等參數(shù)，對(duì)滴灌帶灌水均勻度及堵塞情況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，所得結(jié)論如下。

（1）高水低肥處理灌水均勻度均高于其他處理，其中I3N0、I3N2 和I2N2 處理灌水均勻度分別為81.01%、80.55%、80.13%，達(dá)到國家規(guī)范要求。其他處理灌水均勻度較國家規(guī)范低5.3%～12.36%，其中以低水高肥處理的灌水均勻度最小。在滴灌施肥條件下，滴灌水量與滴施肥量的合理配比應(yīng)當(dāng)在推廣應(yīng)用中重點(diǎn)考慮，以保證隨水追肥的肥料利用率和灌水均勻度。

（2）滴灌帶歷時(shí)12 個(gè)月的使用期，有3 個(gè)處理中灌水均勻度依然能夠到達(dá)國家規(guī)范要求，說明冬小麥、復(fù)播玉米種植中不更換滴灌帶依然能夠滿足作物的需水要求，同時(shí)可節(jié)約滴灌帶使用量，降低單位畝投資。在實(shí)際生產(chǎn)中，只需使用滴施專用肥，增加肥料溶解度，加裝管道過濾裝置，減少雜質(zhì)進(jìn)入滴灌帶，即可實(shí)現(xiàn)“一帶兩用”。