罗 莉，王浩翔，张新燕，3，张秋雨，李 斌

（1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100；2.温州市温瑞平水系管理中心，浙江温州325000；3.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点试验室，陕西杨凌712100）

0 引 言

滴灌施肥技术是在滴灌技术基础上发展起来的将施肥与滴灌相结合的一种农业新技术，通过定量供给作物水分和养分以维持土壤适宜水分和养分浓度的有效方法。因该技术具有灌溉水及肥料利用率高，对环境污染小的特点，自1970年左右开始，以色列等国就已先后开展了该方面的试验研究，至今已积累了大量的经验和成果[1,2]。我国自1974年引进滴灌技术，经过若干年的发展，也已取得了显著的成绩[3,4]。

微灌系统通过滴头等专用设备将灌溉水送入土壤，但因其消能流道尺寸狭小，极易被灌溉水源中的固体颗粒物、有机质、氮磷等杂质堵塞[5,6]，导致系统的灌溉均匀度降低，直接影响微灌工程的使用寿命和应用效益。魏榕等[7]研究发现进口压力和泥沙浓度对微喷带堵塞性能均有显著影响，并得到使用泥沙粒径小于1 mm 的含沙水进行灌溉时，应使泥沙浓度不大于1.0 g/L。董爱红等[8]揭示了泥沙是利用微孔陶瓷灌水器进行水肥一体化灌溉造成灌水器堵塞的主要因素，并分析了堵塞的原因。贾金良等[9]研究表明滴灌带埋设深度及施肥次数、施肥量对滴头堵塞均无显著影响，滴头实际出流量随滴灌设计流量的增加而损失加大，且滴灌带末端堵塞最为严重。吴婉莹等[10]通过对不同规格滴灌带水肥滴灌堵塞影响因素的研究发现侧翼迷宫滴灌带随铺设长度的增加堵塞加重，建议在低压（<0.05 MPa）条件下，铺设长度不要大于50 m。李康勇等[11]分析了不同泥沙级配的浑水进行水肥一体化灌溉中对内镶片式迷宫流道结构滴头堵塞的影响，表明肥料有增强泥沙颗粒间絮凝及促进稳定而致密团聚体形成的作用，从而导致滴头堵塞加剧。刘璐等[12]通过对不同迷宫流道滴头研究得到相对于流道结构肥料特性是决定堵塞类型和诱发风险的重要因素。综上，目前对微灌施肥系统的研究大多着眼于泥沙和肥料2因素共同对系统的影响，而明确肥料等单因素对滴灌施肥系统水力性能的影响还有待于进一步的探索研究。

基于此，通过研究肥液特性及浓度对滴灌施肥系统水力性能的影响，为水肥一体滴灌技术的发展和推广应用提供理论基础和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料与装置

试验采用内镶贴片式滴灌带（杨凌秦川节水灌溉设备工程有限公司生产，额定流量2.3 L/h，管径16 mm，滴头间距30 cm，壁厚0.2 mm，实验带长3 m，滴头10 个，由进口端至出口末端编号依次为1～10号）。

选用水溶肥（郑州田丰公司生产）与复合肥（云南云天化股份有限公司生产，N∶P2O5∶K2O 为15∶5∶25，pH 7.33～8.10）2种肥料。

试验装置如图1所示，主要设备有单相自吸泵（最大流量3 m3/h，吸程20 m，扬程60 m）、搅拌装置（异步搅拌泵功率300 W，转速1 390 r/min）、精密压力表（精度0.001 MPa，量程0～0.25 MPa，）、汇流槽板、120 目过滤器、闸阀，加热温控装置由电子式温度控制器（测控范围−9～99 ℃，控温精度0.1 ℃）、测温探头、U形加热棒（220 V，3 kW）组成。

图1 试验装置图Fig.1 Test platform schematic

1.2 测定方法及内容

采用灌水1 h、停水2 h的短周期间歇灌水方法，试验时长96 h，共计灌水20次，累计灌水时间20 h。一组灌水结束后更换滴灌带重复进行，每组次试验处理重复3测次。

（1）滴头流量q测定。采用称重法，在滴头下方放置量水桶，测量一定时间内滴头流出水体质量计算试验滴头出流量。经换算计算公式如下：

式中：q为滴头出流量，L/h；T为测量时长，min；me为量水桶质量，g；mt为量水桶及测定时间出流水体总质量，g。

（2）平均相对流量Dra计算。公式为：

式中：为第i个滴头的清水流量，L/h；为第i个滴头在第t次灌水的出流量，L/h；n为一条滴灌带滴头总数量。

（3）克里斯琴森（Christiansen）均匀度系数CU。公式为：

以上参数Dra及CU是评价滴头水力性能的特征参数，

2 结果与分析

2.1 肥液种类对滴头流量及均匀度的影响

温度20 ℃时，不同肥液种类在进水压力50 kPa 下滴头Dra、CU的变化如图2和图3所示。

由图2可见，清水和水溶肥在灌水20次后，滴头Dra在灌水期间虽有波动，但一直维持在95%以上。其均匀度CU也一直处于98%～99%水平，如图3所示。复合肥随着灌水次数的增加，Dra逐渐减小，灌水4 次后，Dra值低于90%，之后维持在80%～90%，灌水18 次后，Dra值低于75%，不再满足规范要求。其均匀度CU也随着灌水次数的增加而减小，在灌水7 次后，均匀度CU下降到85%以下，低于规范要求指标，直到灌水20 次后，其CU值降低到仅58.5%，比滴灌标准CU85%低了26.5%。可见水溶肥由于较好的水溶性，在灌水期间对滴头基本没有影响，滴头Dra和CU均有较高水平，与清水相同具有较好的水力性能。而复合肥由于受到溶解度的影响，溶液中存有未溶固体颗粒，有对滴头产生堵塞的风险，随着灌水次数的增加，尤其是停灌时，固体颗粒沉积加大，造成滴头堵塞加重，滴头Dra和CU随之减小。

图2 肥液种类对滴头Dra的影响Fig.2 Effect of fertilizer type on Dra

图3 肥液种类对CU的影响Fig.3 Effect of fertilizer type on CU

2.2 肥液浓度对滴头流量及均匀度的影响

针对复合肥，进一步研究其肥液浓度对滴头流量及均匀度的影响。图4所示为温度20 ℃下不同复合肥肥液浓度下滴头Dra随灌水次数的变化。由图4可见，肥液浓度越大，滴头Dra减小越快。肥液浓度3 g/L、4 g/L 在20 次灌水后Dra仍维持在80%以上，在13次灌水前，2者Dra值相互交错，之后浓度4 g/L 显著低于3 g/L，出现明显下降，且浓度3 g/L 在8～15次灌水还存在Dra升高的现象，可见浓度越小堵塞程度越轻，且间歇灌水具有反冲洗作用；肥液浓度5 g/L随灌水次数增加，Dra随之减小，在试验的20 次灌水中发生了5 次突降（降幅>3.5%），在第7 次和第8 次灌水间突降幅度最大，达7.3%，且在灌水次数达18 次后减小至75%以下。可见在一次灌水结束到下次灌水之间，肥液会在停灌期间造成所携带未溶固体颗粒淤堵在滴灌带内，造成堵塞，Dra随之减小；但随着下次灌水淤堵在滴灌带内的固体颗粒有可能会部分随水带走，所以Dra又会在不同灌水次数间维持不变或偶有上升的现象，如第15次灌水的滴头Dra比第14次灌水提高，提高幅度达2.57%。

图4 复合肥肥液浓度对滴头Dra的影响Fig.4 Effect of fertilizer concentration on Dra

复合肥均匀度CU随灌水次数的变化如图5所示。可见，CU变化规律与Dra基本保持一致，随灌水次数增加而减小，且减小幅度随肥液浓度增大而增大。以均匀度系数CU=85%为标准，不同浓度肥液其有效灌水次数不同，肥液浓度3 g/L和4 g/L 明显优于5 g/L。前2 者灌水均匀度水平稳定且维持在较高水平，有效灌水次数（CU>85%）分别为18 次和16 次，占总灌水次数的90%和80%；而肥液浓度5 g/L 时初期2 次灌水均匀度处于较高水平，之后出现阶梯式下降，有效灌水次数仅为7次，占总灌水次数的35%。

图5 复合肥肥液浓度对CU的影响Fig.5 Effect of fertilizer concentration on CU

可见，随着肥液浓度增大，滴头Dra和CU减小，且肥液浓度越大，Dra、CU减小越大。在试验水平下，其最小浓度3 g/L 堵塞风险最低，滴头平均相对流量Dra和均匀度系数CU值最高且变化幅度最小。

2.3 肥液浓度对滴头堵塞的影响

肥液浓度对滴头堵塞影响情况如表1所示。由表1可见，随着肥液浓度增大，堵塞滴头数量增加，占总滴头数比值即堵塞率增大。最小浓度处理3 g/L 时堵塞滴头数仅有2 个，滴头8 号和9 号，堵塞率仅6.67%；而当肥液浓度增大至5 g/L时，堵塞滴头数量增大到5 个，堵塞率提高至23.33%，相比浓度3 g/L时堵塞程度提高2.5倍。同时可以看到滴头堵塞位置多发生在滴灌带尾端部分，这是因为水流的黏滞性影响，滴灌带沿程产生水头损失导致水流动能减小，从而挟沙能力降低，造成滴头堵塞。

表1 滴头堵塞情况Tab.1 Effect of fertilizer concentration on clogging emitters

2.4 肥液浓度阈值

因肥料在不同温度下其溶解度不同，选用10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃4个温度，通过观测Dra变化情况，探究不同温度下复合肥肥液浓度阈值。以灌水20 次后Dra值减小至75%为标准，若20 次灌水结束后滴头Dra值>75%，则更换滴灌带、增加肥液浓度，增加幅度为1.0 g/L，直至灌水结束后滴头Dra值<75%，则该肥液浓度即为当前温度下的肥液浓度阈值，试验结束。结果如表2所示，为不同温度下复合肥浓度阈值。

表2 复合肥肥液浓度阈值Tab.2 Thresholds of compound fertilizer concentration

由表2可见，肥料溶解性能随着温度升高而提高，当温度由10 ℃升至40 ℃，复合肥溶解度提高了85%，由2.6 g/L 增大到4.8 g/L。随着溶解性能的提高，肥液中固体颗粒含量减少，在试验的复合肥溶液中，固体颗粒含量在10 ℃时为3.2 g/L，40 ℃时仅为1.4 g/L。由于肥料溶解性能的提高和相应固体颗粒含量的减少，滴头堵塞风险随之降低，同时由于温度升高，肥液黏滞性降低，水流挟沙能力增强，滴头抗堵塞性能加大，肥液浓度阈值进而提高，相应由4 g/L 提高至8 g/L，提高幅度达50%。因此实际应用中需根据温度等环境条件选取相应肥液浓度，以控制滴灌带堵塞风险。

3 结 语

通过试验研究了不同肥液种类及浓度对滴灌施肥系统滴头平均相对流量Dra和均匀度系数CU以及堵塞情况等水力性能的影响，确定了不同温度下复合肥肥液浓度阈值，得出以下主要结论。

（1）不同肥液种类对滴灌带出流水力特性影响不同，溶解性越强，影响越小。水溶肥因其全溶于水的特性，对出流基本无影响，是滴灌施肥的首选肥料种类。

（2）复合肥肥液浓度越大，滴头Dra和CU越小，且浓度越大，Dra、CU减小越大，堵塞率同时增大。可见随着肥液浓度的增加，滴灌带堵塞风险加大，且易发生在滴灌带末端。

（3）温度升高复合肥肥液浓度阈值提高。10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃时浓度阈值分别为4.0 g/L、5.0 g/L、7.0 g/L 和8.0 g/L。