紫花苜蓿地埋滴灌條件下滴灌帶堵塞率研究

賈金良，張 松，鄭和祥

(1.鄂爾多斯市防汛抗旱服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國水利水電科學(xué)研究院牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020)

我國水資源受降水的影響，時空分布不均勻，整體上從東南向西北內(nèi)陸遞減。內(nèi)蒙古自治區(qū)西北牧區(qū)受蒸發(fā)強(qiáng)烈、降雨量小與水資源分布不均3重因素影響，屬干旱、半干旱區(qū)，嚴(yán)重制約著內(nèi)蒙古西北牧區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。這一問題在內(nèi)蒙古自治區(qū)西部尤為突出，干旱缺水導(dǎo)致該地區(qū)植被覆蓋率低，生態(tài)環(huán)境脆弱，荒漠化傾向頻發(fā)。各級政府高度重視牧區(qū)草原生態(tài)環(huán)境保護(hù)，采取了控制放牧、定期休牧與退耕還林還草等一系列應(yīng)對防護(hù)措施。為了解決牲畜數(shù)量日益增加與草原可用飼草料逐漸減少的矛盾，近年來在水土資源相對優(yōu)良的地區(qū)大膽嘗試了多年生牧草的人工種植，紫花苜蓿作為一種優(yōu)質(zhì)牧草在該地區(qū)得到廣泛種植[1]。地面滴灌作為一種節(jié)水灌溉方式，已經(jīng)在內(nèi)蒙古自治區(qū)大面積推廣使用，但是多用于一年生作物，通過機(jī)械化作業(yè)每年更換一次地面滴灌帶。針對紫花苜蓿這種多年生草本植物，每年刈割2～3茬的現(xiàn)狀，需要每年更換一次地面滴灌帶的問題難以解決，同時每年每公頃更換2 250元左右的滴灌帶成本，反而增加了農(nóng)牧民的種植成本和勞動強(qiáng)度[2,3]。

為了突破地面滴灌在紫花苜蓿種植中的瓶頸問題，研究人員試圖嘗試紫花苜蓿地下滴灌，即將滴灌毛管埋于地下，水分和肥料可以直接被送達(dá)作物根系，既可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌水施肥，又可降低土壤表面水分無效蒸發(fā)，從而提高灌溉水水分利用率[4]。滴灌毛管位于地下，不僅可以有效延長其使用壽命，而且使表層土壤長期處于干旱狀態(tài)，有效抑制苜蓿地雜草生長與蟲病害的發(fā)生。同時地下滴灌有效解決了紫花苜蓿每年刈割2～3茬的生產(chǎn)問題，增加了苜蓿生產(chǎn)的農(nóng)機(jī)自動化程度，解放了勞動力[5,6]。因此紫花苜蓿地下滴灌研究，在內(nèi)蒙古西部牧區(qū)不僅能實(shí)現(xiàn)節(jié)水增產(chǎn)增效，而且對實(shí)現(xiàn)草原生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

地下滴灌能否實(shí)現(xiàn)大面積推廣，滴灌帶的堵塞問題是決定性因素。滴灌毛管堵塞直接引起根區(qū)土壤水分分布不均，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量，從而影響農(nóng)牧民的經(jīng)濟(jì)收入，因此研究滴灌毛管堵塞情況有重要的現(xiàn)實(shí)意義。近年來，研究人員在滴灌帶堵塞情況的研究中取得了初步成果。劉燕芳等[7]研究了滴灌條件下水的硬度對滴頭堵塞情況的影響，研究結(jié)果表明硬水能夠引起滴頭堵塞且堵塞程度與硬度呈正相關(guān)。李久生等[8]對使用2 a后的滴灌毛管滴頭堵塞情況進(jìn)行了研究，指出滴灌毛管末端的灌水器滴頭最易發(fā)生輕微堵塞，并根據(jù)滴頭流量降低百分?jǐn)?shù)與流量變差系數(shù)的回歸關(guān)系定量評價了灌水均勻性受滴頭堵塞影響的程度，表明流量降低百分?jǐn)?shù)和灌水器流量均勻系數(shù)呈線性正相關(guān)關(guān)系。仵峰[9]對使用8 a之久的地埋滴灌條件下滴灌毛管堵塞情況進(jìn)行了研究，表明堵塞主要原因是細(xì)微顆粒在流道壁上的附著和積聚，并且迷宮式、微管式和孔口式3種滴灌毛管堵塞率分別達(dá)16.67%、25%和63.89%。于穎多[10]等研究結(jié)果表明氟樂靈能抑制作物根系入侵灌水器，主要是因?yàn)樗軌蚩刂频晤^附近作物根系的生長。王榮蓮[11]等研究表明設(shè)計(jì)流量較小的滴灌毛管有利于減輕滴頭負(fù)壓堵塞的狀況。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)選在毛烏素沙地腹部的鄂托克前旗，氣候條件為中溫帶溫暖型干旱、半干旱大陸性氣候，夏季短溫度高，冬季較長氣溫低，常年干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，日光充足。地理坐標(biāo)為106°30′～108°30′E，37°38′～38°45′N，多年平均氣溫7.9 ℃，多年平均降水量為260.6 mm，多年平均蒸發(fā)量為2 497.9 mm；相對濕度平均49.8%；平均沙暴日數(shù)16.9 d，年平均日照時數(shù)為2 958 h，年平均無霜期171 d，最大凍土層深度1.54 m。常年盛行風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)，多年平均風(fēng)速2.6 m/s。試驗(yàn)區(qū)土壤狀況見表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤狀況Tab.1 Experimental zone soil conditions

1.2 試驗(yàn)材料及種植方法

供試苜蓿品種：紫花苜蓿品種草原2號，滴灌材料：貼片式滴灌帶，種植方法：2015年6月7日人工條播，行間距0.3 m。紫花苜蓿每年在初花期適時刈割收貯。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

紫花苜蓿滴灌試驗(yàn)于2015年在鄂托克前旗敖勒召其鎮(zhèn)哈日根圖嘎查示范戶進(jìn)行，滴灌毛管埋深設(shè)置10和15 cm 2個水平，滴頭流量設(shè)置1.38、2.0和3.0 L/h 3個水平，3個水平滴灌帶的滴頭間距、壁厚均相同，滴頭間距均為0.3 m，壁厚均為0.4 mm；施肥量設(shè)0、52.50、97.50 kg/hm23個水平，共計(jì)18個處理。每個試驗(yàn)小區(qū)長度均為60.0 m，寬度均為3.0 m，每個小區(qū)之間設(shè)寬度為1.0 m的隔離帶，滴灌首部和試驗(yàn)小區(qū)示意圖見圖1。

圖1 滴灌首部和試驗(yàn)小區(qū)布置Fig.1 Drip irrigation head and test plot layout

為保證管道干、支管和滴灌帶內(nèi)的清潔，試驗(yàn)布設(shè)完成后，首先對整個地下滴灌系統(tǒng)進(jìn)行全面的沖洗。試驗(yàn)期間，施肥通過大量元素水溶性肥料按配比與尿素混合，隨滴灌水流直接施入苜蓿根部。

2015年為紫花苜蓿生長第1年，只進(jìn)行灌溉處理，次年第1茬返青期進(jìn)行施肥1次。施肥按照1/4-1/2-1/4的模式進(jìn)行，即一次完整的施肥時間里前1/4時間不施肥，中間1/2時間持續(xù)施肥，后1/4時間不施肥。

2016年末將各處理埋于地下的滴灌毛管挖出，對運(yùn)行2 a的地下滴灌系統(tǒng)進(jìn)行滴灌毛管滴頭堵塞情況評估。各試驗(yàn)小區(qū)取3根滴灌毛管，每根滴灌毛管測試25個滴頭。滴灌毛管滴頭堵塞評估試驗(yàn)在鄂托克旗前旗恒豐節(jié)水有限公司廠區(qū)內(nèi)進(jìn)行，測試池面積6 m×2 m，設(shè)有4個安裝有開關(guān)和壓力計(jì)的水龍頭。其中的3個水龍頭接滴灌毛管，另一個水龍頭調(diào)節(jié)水壓，確保試驗(yàn)工作壓力為0.1 MPa。打開裝置待工作壓力穩(wěn)定后開始測試。在每個測試滴頭下用容積3 L的量筒測量1 h接水量。每次測試一個小區(qū)滴灌帶，試驗(yàn)重復(fù)3次。用相同批次的新滴灌毛管的堵塞性能作為空白對照，并將結(jié)果與處理進(jìn)行對比分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Office Excel 2016和DPS 6.5軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌帶滴頭堵塞總體情況

流量降低百分?jǐn)?shù)用以反映滴灌帶滴頭的堵塞程度，用下式表示：

式中：R為滴頭流量降低百分?jǐn)?shù)，%；q為使用后灌水器流量；qn為新灌水器流量。

本文參照《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)[12]、《塑料節(jié)水灌溉器材內(nèi)鑲式滴灌管、帶》(GB/T19812.3-2008)[13]中相應(yīng)的試驗(yàn)方法和技術(shù)要求，以及ISO/TC23/SC18[14]的方法，即當(dāng)?shù)晤^實(shí)際出流小于新滴灌毛管滴頭流量的75%時，視為滴頭發(fā)生堵塞。本試驗(yàn)各處理的滴頭堵塞情況見表2，滴頭流量降低的個數(shù)占灌水器總數(shù)的變化情況見圖2。

表2 施肥次數(shù)、施肥量和發(fā)生堵塞的灌水器個數(shù)Tab.2 The number of fertilization, the amount of fertilizer and the number of clogging emitters

圖2 滴頭流量降低個數(shù)占灌水器總數(shù)的變化情況Fig.2 The change of emitter flow rate in total emitter

試驗(yàn)結(jié)果表明：地埋滴灌2 a后的滴灌毛管滴頭流量降低百分?jǐn)?shù)高于10%的滴頭占7.0%，高于20%的滴頭占4.0%，堵塞滴頭占3.6%，完全堵塞滴頭占1.9%。因此可視為使用2 a后的滴灌系統(tǒng)滴灌器堵塞程度較輕。

2.2 滴灌毛管堵塞滴頭在系統(tǒng)中的分布

由表2可知，不同處理間滴頭發(fā)生堵塞、完全堵塞的滴頭數(shù)量沒有明顯區(qū)別。為了進(jìn)一步研究滴灌毛管滴頭堵塞的原因，對滴灌毛管堵塞滴頭在系統(tǒng)中的分布進(jìn)行分析。圖3為相同埋深不同設(shè)計(jì)滴頭流量3個試驗(yàn)小區(qū)的滴頭流量降低百分?jǐn)?shù)沿著滴灌帶的變化情況(滴頭編號順著滴灌帶水流方向逐漸增大)。結(jié)果表明：離滴灌帶入口處越遠(yuǎn)(編號逐漸增大)，滴頭流量降低百分?jǐn)?shù)逐漸上升；完全堵塞的滴頭均分布在滴灌帶的末端(其他處理滴頭流量降低百分?jǐn)?shù)變化趨勢、完全堵塞的滴頭位置與圖2一致)。

圖3 滴頭流量降低百分?jǐn)?shù)沿著滴灌帶的變化情況Fig.3 Variation of dripper discharge percentage along the drip irrigation zone

隨著離滴灌帶入口處的距離的增加，沿程水頭損失增加，毛管內(nèi)壓力降低，流速放緩，使得毛管末端流速趨零，水流中的細(xì)沙等固體微粒在毛管末端沉積。故滴頭編號越大，越容易發(fā)生完全堵塞，即堵塞的滴頭多位于毛管末端。另外滴灌系統(tǒng)在運(yùn)行2 a過程中沒有完全沖洗管道也增大了滴頭堵塞的可能性。

2.3 施肥、滴頭流量、根系侵染對堵塞的影響

為了探究施肥是否會導(dǎo)致滴灌堵塞，圖4分析了滴頭流量降低百分?jǐn)?shù)與施肥累積次數(shù)和施肥量的關(guān)系。研究結(jié)果表明：當(dāng)施肥量與施肥累積次數(shù)增加時，滴頭流量沒有顯著升降變化，即供試滴灌系統(tǒng)施肥對滴頭堵塞的影響較小。

圖4 施肥對滴頭流量降低百分?jǐn)?shù)的影響Fig.4 Effect of Fertilization on the percentage reduction of dripper discharge

本滴灌系統(tǒng)首部安裝有2級過濾器(砂石過濾器和疊片過濾器)和施肥器。為了最大限度地降低施肥對滴灌帶的堵塞，施肥器安裝在疊片過濾器之前，滴灌首部見圖1。本試驗(yàn)中肥料均為可溶水肥?？v觀整個滴灌系統(tǒng)，經(jīng)過2級過濾后，滴灌水中的含沙百分?jǐn)?shù)已經(jīng)很低，從而確保了滴灌系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行，同時排除了施肥因素對滴灌毛管堵塞的影響。

圖5為滴頭流量降低百分?jǐn)?shù)與滴灌毛管設(shè)計(jì)滴頭流量的關(guān)系。從圖5可知,流量降低百分?jǐn)?shù)隨著滴灌帶設(shè)計(jì)滴頭流量的增加而增加。滴頭設(shè)計(jì)流量為1.38、2.0和3.0 L/h的滴灌帶的實(shí)際滴頭流量降低百分?jǐn)?shù)分別為4.12%、6.08%和10.33%。滴頭流量為3.0 L/h的滴灌帶流量降低百分?jǐn)?shù)明顯高于另外2個，原因可能是當(dāng)?shù)喂嘞到y(tǒng)驟停時刻，毛管內(nèi)壓力驟減，此時毛管外部土壤中微小顆粒由于壓力差增大更易進(jìn)入毛管滴頭。

圖5 滴灌帶設(shè)計(jì)滴頭流量對實(shí)際滴頭流量降低百分?jǐn)?shù)的影響Fig.5 Effect of dripper discharge on the percentage reduction of actual emitter flow rate

為了理清滴頭堵塞的原因，挑選完全堵塞的滴灌毛管將其縱向剪開，發(fā)現(xiàn)灌水器流道進(jìn)口處有大量泥沙沉積，并非是灌水器由于根系入侵而堵塞，這與李久生[8]和仵峰[9]研究成果相同，但與于穎多[10]研究結(jié)果不同，后者研究指出,冬小麥滴灌條件下，發(fā)生根系入侵的灌水器比例高達(dá)16%，主要原因是苜蓿的須根相對較少，降低了根系侵入滴頭的可能性，其次是由于紫花苜蓿灌水頻繁，滴頭附近較高的土壤含水率也防止了根系的入侵。

2.4 滴灌帶埋深對滴頭堵塞率的影響

從表2可知，在相同的設(shè)計(jì)滴頭流量、累積施肥次數(shù)和施肥量的條件下，埋深15 cm比10 cm滴灌帶灌水器堵塞個數(shù)高20.0%，但灌水器完全堵塞個數(shù)相差不大且流量降低百分?jǐn)?shù)分別是6.56%和7.13%，由此可知毛管埋深對滴頭流量的影響不顯著。滴灌帶埋設(shè)深度對灌水器堵塞最大的影響即當(dāng)毛管內(nèi)壓力驟減時，外部土壤壓力對毛管的影響，雖然埋設(shè)深度增加，毛管承受的土壓增大，但10 cm厚外部土壤壓力已遠(yuǎn)超毛管內(nèi)部水壓，故毛管埋深(10 cm和15 cm)對滴頭堵塞亦無顯著影響。

3 結(jié) 論

在第1年清水灌溉、第2年施肥灌溉的情況下，得出如下結(jié)論。

(1)使用2 a的滴灌帶發(fā)生堵塞的滴頭占3.6%，發(fā)生完全堵塞的占1.9%，滴灌帶堵塞程度較輕。

(2)發(fā)生完全堵塞的滴頭大多分布于滴灌帶的末端，另外滴灌系統(tǒng)運(yùn)行2 a未對管道進(jìn)行完全沖洗亦增加了滴頭堵塞的可能。

(3)埋設(shè)深度對滴灌帶滴頭流量影響不明顯，試驗(yàn)中施肥對滴頭堵塞無顯著影響；滴頭流量降低百分?jǐn)?shù)隨著滴頭流量的增加而增加；滴頭流量為3.0 L/h時滴頭流量折損率為10.33%，是流量1.38 L/h時流量折損率的3倍。