微喷带沿程水肥均匀性受长度和水压影响的试验研究

孙红梅

（辽宁省阜新县务欢池镇政府，辽宁 阜新 123107）

水肥一体化是指在灌溉的过程中，通过管道将充分溶解后的肥料随水一同输送至作物根部的灌溉施肥模式，具有节水、节肥、高效等优势，能缓解我国农业生产过程中水分肥料利用率低的问题。在喷灌和滴灌基础上发展起来的微喷灌溉充分利用微喷带将水和肥料均匀喷洒于作物根区，微喷带也常常作为滴灌带铺设于地膜下方。但在当前微喷灌溉过程中，微喷带首端至末端沿程水肥均匀性较差，首端喷水量大且肥料浓度高，而末端水量小、肥料浓度低，国内外大量实践表明，微喷带水肥非均匀性主要受水压和微喷带长度影响较大，笔者通过具体实验，对微喷带长度和水压影响水肥均匀性的影进行定量研究。

1 实验材料及方法

1.1 试验材料

本试验在阜蒙县农业局农广校农作物试验园区进行，试验所需的3孔和5孔微喷带由辽宁省东港市远东节水灌溉设备有限公司提供，由厂家提供的微喷带参数详见表1。

表1 微喷带参数

1.2 试验设计

1.2.1 流量均匀性设计

本次微喷带沿程水肥均匀性受微喷带长度和水压影响的试验在长×宽为90 m×6 m的大棚进行，总共设置长度分别为30 m、60 m和90 m的三种微喷带，不同长度3孔和5孔微喷带出水取样点位置详见表2。为了增加出水取样的便捷性，铺设微喷带时喷孔朝下，并在每个取样点正对的喷孔处挖小坑，将容积为2L的烧杯静置于小坑内取水，并确保烧杯口紧贴微喷带喷孔。试验开始后，打开出水阀并调节水压，结合微喷带长度和型号设置不同的水压（见表3），待水压稳定后，打开秒表计时5 min后关闭出水阀，微喷管内水全部流尽后进行烧杯内水体积的测量。

表2 不同长度微喷带出水取样点位置

表3 不同长度微喷带工作水压设置

1.2.2 沿程水压计算

辽宁省东港市远东节水灌溉设备有限公司所提供的微喷带额定工作压力和铺设长度之间存在以下关系：

式中：hy为沿程水头损失（m），1 m水头损失对应0.01 MPa压力；L为微喷管长（m）；Q为总流量（L/h）；d为微喷管内径（mm）。

流量与水肥均匀性试验压力和各取样点流量已知情况下，通过式（1）便可求出30 m、60 m和90 m长度的3孔与5孔微喷带沿程取样点位置水头损失与水压。

1.2.3 水肥均匀性设计

本次试验以农用硫酸钾为例进行微喷带长度和水压影响水肥均匀性的试验[1]。取农用硫酸钾2000 g溶于20 L自来水，不断搅拌直至水肥溶液表面泡沫完全消失后静置24 h，过滤澄清后备用。在施肥时取出5 L水肥溶液稀释至20 L，并从微喷带首部经由文丘里施肥器灌入，不同长度微喷带均在上述试验所得最适工作压力下进行施肥试验，且不同长度微喷带施肥总量相同。水肥溶液的收集方法与出水量收集完全相同，将所收集到的水肥溶液带回试验室，并用真空泵抽滤后将水肥溶液稀释250倍，用火焰分光光度计测定水肥溶液物化性能和均匀性[2]。

1.3 数据统计方法

采用Excel和SAS软件对所收集的试验数据进行统计分析和差异显著性检验。SAS(Statistical Analysis System)统计分析软件由美国北卡罗来纳州州立大学于1996年开发问世，此后便别广泛应用于各个领域，当前SAS软件已被誉为统计分析的标准化软件。结合Excel的数据导入和SAS的数据存储、数据统计分析、科学计算等功能，对所收集的试验数据进行统计分析，并进行显著性检验。

SAS/BASE模块是SAS系统的核心，具有数据管理、基础统计计算、报表生成和图形显示功能，SAS/STAT模块是SAS系统中完整而可靠的统计分析软件，具有方差分析、回归分析、属性数据分析、非参数分析等功能。在试验设计环节，借助SAS软件可以进行各因素对试验结果影响的定量分析，通过显著性检验增强试验结果的可信度与拟合性。

2 结果与分析

2.1 3孔微喷带受长度和水压的影响

通过不同水压对不同长度3孔微喷带流量均匀性的影响试验可以看出，不同取样点位置出水量与水压正向变动，而且不同水压下距离主管20 m位置处出水量最大。用不同取样点出水量的最大值和最小值之比衡量微喷带流量的均匀性，同一长度不同水压的微喷带各取样点位置出水量均匀性无明显差异。水压相同的情况下，微喷带越长，则距离首部相同位置的出水量越小，见表4。

表4 3孔微喷带出流量受长度和水压的影响

由上表试验结果可以看出，对于30 m长度的3孔微喷带，在四种不同的水压下不同取样点出水量较为均匀，不存在过大差异。3孔微喷带0.01 MPa水压下喷射宽度无法达到设定宽度，而在0.03 MPa和0.04 MPa水压下喷射宽度超过设定宽度，所以选择0.02MPa水压作为30 m长度3孔微喷带灌溉的最适工作水压。

对于60 m长度的3孔微喷带取样点出水量也较为均匀，0.02 MPa水压的喷射宽度无法达到设定看宽度，而0.05 MPa和0.06 MPa水压的喷射宽度超过设定宽度，且导致微喷带出现鼓胀现象，所以60 m长度的3孔微喷带工作水压选用0.03 MPa。

对于90 m长度的3孔微喷带不同水压下取样点出水量从微喷带首端至末端逐渐减小，且不同取样点之间差异较大，不均匀，综合考虑设定宽度和工作压力等因素，选择0.04 MPa水压进行进一步水肥均匀性试验。

2.2 5孔微喷带受长度和水压的影响

根据表5试验结果可知，5孔微喷带在工作压力下沿程的出水量具有与3孔微喷带相同的均匀性特征，即30 m和60 m长度的均匀性较好，而90 m长度的均匀性较差，且同一长度微喷带沿程出水量均匀性并无明显差异。同时试验结果表明，相同工作压力下5孔微喷带取样点所对应的出水量和喷射宽度均小于3孔微喷带，为使5孔微喷带喷射宽度达到预定值，30 m长度的最适工作水压为0.04 MPa，60 m长度的水压为0.06 MPa，90 m长度的水压为0.08 MPa。

2.3 微喷带沿程计算水压与取样点水量关系

根据图1所示，微喷带长度与孔数不同的情况下，按照东港市远东节水灌溉设备有限公司所提供的公式可以进行微喷带沿程水压与取样点水量计算。结果表明，随着微喷带长度的增加，取样点水压依次递减，3孔微喷带递减较快，5孔微喷带递减较慢。各种微喷带在距离首部20 m处的位置出水量骤增，而后随水压下降而逐渐降低，3孔微喷带沿程出水量缓慢降低，5孔微喷带沿程出水量快速降低。

图1 微喷带沿程计算水压与取样点水量关系

2.4 最适水压下3孔微喷带钾肥溶液均匀性分析

最适水压下3孔微喷带距离首部20 m处钾肥溶液质量浓度达到最大，而后逐渐降低，30 m长度的微喷带钾肥溶液均匀性良好，60 m长度微喷带次之，高低浓度差在2倍以内，90 m微喷带最差，高低浓度差在5倍以上。

2.5 最适水压下5孔微喷带钾肥溶液均匀性分析

最适水压下5孔微喷带钾肥溶液质量浓度变化规律与3孔微喷带相似，即距离首部20 m处钾肥溶液质量浓度最高，此后逐渐降低，30 m长度微喷带钾肥溶液质量浓度均匀性＞60 m＞90 m。

3 结论与讨论

3.1 结论

试验结果表明，对于3孔和5孔微喷带都是长度越短则水肥均匀性越好，但是同时考虑铺设成本和操作的便利，微喷带不宜设置过短，为此微喷带长度通常控制在60 m左右为宜，如果无法满足设施长度所需，则应考虑铺设2条及以上的微喷带[3]。

3.2 讨论

1）从本次试验过程及结果来看，水压对微喷带水肥均匀性影响较小，也就是说增加水压并不能改善微喷带首部和尾端水肥不均匀现象。当前很多厂家声称自己生产的微喷带具有“压力补偿”性能，即能通过改变或增加水压达到水肥均匀的目的，但是根据本次试验结果，微喷带长度超过60 m后其首部和尾端就会出现明显的水肥不均匀现象，所以，如何使较长的微喷带首尾水肥均匀仍然是灌溉设备生产厂家所需考虑的问题。

2）当前关于微喷带沿程水肥均匀性的理论研究较少，本次试验以硫酸钾为例展开，随着微喷带长度的增加，沿程水肥溶液质量浓度逐渐降低，而且首部水压的增加并不会增加水肥溶液质量浓度。这说明，水肥一体化技术运用过程中，位于微喷带末端的作物所接受的水肥溶液量最少，浓度最低，这将进一步加剧微喷带首尾作物水肥的不均匀。理论界并未给出水肥溶液质量浓度不均匀的科学合理的物理学解释，能否通过改进施肥器结构改善和提高这种不均匀性，是农业科学研究机构、人员以及灌溉设备生产厂家亟待解决的另一重要问题。