紫花苜蓿地埋滴灌条件下滴灌带堵塞率研究

贾金良，张 松，郑和祥

(1.鄂尔多斯市防汛抗旱服务中心，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.中国水利水电科学研究院牧区水利科学研究所，呼和浩特 010020)

我国水资源受降水的影响，时空分布不均匀，整体上从东南向西北内陆递减。内蒙古自治区西北牧区受蒸发强烈、降雨量小与水资源分布不均3重因素影响，属干旱、半干旱区，严重制约着内蒙古西北牧区的经济发展。这一问题在内蒙古自治区西部尤为突出，干旱缺水导致该地区植被覆盖率低，生态环境脆弱，荒漠化倾向频发。各级政府高度重视牧区草原生态环境保护，采取了控制放牧、定期休牧与退耕还林还草等一系列应对防护措施。为了解决牲畜数量日益增加与草原可用饲草料逐渐减少的矛盾，近年来在水土资源相对优良的地区大胆尝试了多年生牧草的人工种植，紫花苜蓿作为一种优质牧草在该地区得到广泛种植[1]。地面滴灌作为一种节水灌溉方式，已经在内蒙古自治区大面积推广使用，但是多用于一年生作物，通过机械化作业每年更换一次地面滴灌带。针对紫花苜蓿这种多年生草本植物，每年刈割2～3茬的现状，需要每年更换一次地面滴灌带的问题难以解决，同时每年每公顷更换2 250元左右的滴灌带成本，反而增加了农牧民的种植成本和劳动强度[2,3]。

为了突破地面滴灌在紫花苜蓿种植中的瓶颈问题，研究人员试图尝试紫花苜蓿地下滴灌，即将滴灌毛管埋于地下，水分和肥料可以直接被送达作物根系，既可实现精准灌水施肥，又可降低土壤表面水分无效蒸发，从而提高灌溉水水分利用率[4]。滴灌毛管位于地下，不仅可以有效延长其使用寿命，而且使表层土壤长期处于干旱状态，有效抑制苜蓿地杂草生长与虫病害的发生。同时地下滴灌有效解决了紫花苜蓿每年刈割2～3茬的生产问题，增加了苜蓿生产的农机自动化程度，解放了劳动力[5,6]。因此紫花苜蓿地下滴灌研究，在内蒙古西部牧区不仅能实现节水增产增效，而且对实现草原生态可持续发展具有重要的现实意义。

地下滴灌能否实现大面积推广，滴灌带的堵塞问题是决定性因素。滴灌毛管堵塞直接引起根区土壤水分分布不均，进而影响作物产量，从而影响农牧民的经济收入，因此研究滴灌毛管堵塞情况有重要的现实意义。近年来，研究人员在滴灌带堵塞情况的研究中取得了初步成果。刘燕芳等[7]研究了滴灌条件下水的硬度对滴头堵塞情况的影响，研究结果表明硬水能够引起滴头堵塞且堵塞程度与硬度呈正相关。李久生等[8]对使用2 a后的滴灌毛管滴头堵塞情况进行了研究，指出滴灌毛管末端的灌水器滴头最易发生轻微堵塞，并根据滴头流量降低百分数与流量变差系数的回归关系定量评价了灌水均匀性受滴头堵塞影响的程度，表明流量降低百分数和灌水器流量均匀系数呈线性正相关关系。仵峰[9]对使用8 a之久的地埋滴灌条件下滴灌毛管堵塞情况进行了研究，表明堵塞主要原因是细微颗粒在流道壁上的附着和积聚，并且迷宫式、微管式和孔口式3种滴灌毛管堵塞率分别达16.67%、25%和63.89%。于颖多[10]等研究结果表明氟乐灵能抑制作物根系入侵灌水器，主要是因为它能够控制滴头附近作物根系的生长。王荣莲[11]等研究表明设计流量较小的滴灌毛管有利于减轻滴头负压堵塞的状况。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点选在毛乌素沙地腹部的鄂托克前旗，气候条件为中温带温暖型干旱、半干旱大陆性气候，夏季短温度高，冬季较长气温低，常年干旱少雨，蒸发强烈，日光充足。地理坐标为106°30′～108°30′E，37°38′～38°45′N，多年平均气温7.9 ℃，多年平均降水量为260.6 mm，多年平均蒸发量为2 497.9 mm；相对湿度平均49.8%；平均沙暴日数16.9 d，年平均日照时数为2 958 h，年平均无霜期171 d，最大冻土层深度1.54 m。常年盛行风向为南风，多年平均风速2.6 m/s。试验区土壤状况见表1。

表1 试验区土壤状况Tab.1 Experimental zone soil conditions

1.2 试验材料及种植方法

供试苜蓿品种：紫花苜蓿品种草原2号，滴灌材料：贴片式滴灌带，种植方法：2015年6月7日人工条播，行间距0.3 m。紫花苜蓿每年在初花期适时刈割收贮。

1.3 试验设计

紫花苜蓿滴灌试验于2015年在鄂托克前旗敖勒召其镇哈日根图嘎查示范户进行，滴灌毛管埋深设置10和15 cm 2个水平，滴头流量设置1.38、2.0和3.0 L/h 3个水平，3个水平滴灌带的滴头间距、壁厚均相同，滴头间距均为0.3 m，壁厚均为0.4 mm；施肥量设0、52.50、97.50 kg/hm23个水平，共计18个处理。每个试验小区长度均为60.0 m，宽度均为3.0 m，每个小区之间设宽度为1.0 m的隔离带，滴灌首部和试验小区示意图见图1。

图1 滴灌首部和试验小区布置Fig.1 Drip irrigation head and test plot layout

为保证管道干、支管和滴灌带内的清洁，试验布设完成后，首先对整个地下滴灌系统进行全面的冲洗。试验期间，施肥通过大量元素水溶性肥料按配比与尿素混合，随滴灌水流直接施入苜蓿根部。

2015年为紫花苜蓿生长第1年，只进行灌溉处理，次年第1茬返青期进行施肥1次。施肥按照1/4-1/2-1/4的模式进行，即一次完整的施肥时间里前1/4时间不施肥，中间1/2时间持续施肥，后1/4时间不施肥。

2016年末将各处理埋于地下的滴灌毛管挖出，对运行2 a的地下滴灌系统进行滴灌毛管滴头堵塞情况评估。各试验小区取3根滴灌毛管，每根滴灌毛管测试25个滴头。滴灌毛管滴头堵塞评估试验在鄂托克旗前旗恒丰节水有限公司厂区内进行，测试池面积6 m×2 m，设有4个安装有开关和压力计的水龙头。其中的3个水龙头接滴灌毛管，另一个水龙头调节水压，确保试验工作压力为0.1 MPa。打开装置待工作压力稳定后开始测试。在每个测试滴头下用容积3 L的量筒测量1 h接水量。每次测试一个小区滴灌带，试验重复3次。用相同批次的新滴灌毛管的堵塞性能作为空白对照，并将结果与处理进行对比分析。

1.4 数据处理

试验数据采用Office Excel 2016和DPS 6.5软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 滴灌带滴头堵塞总体情况

流量降低百分数用以反映滴灌带滴头的堵塞程度，用下式表示：

式中：R为滴头流量降低百分数，%；q为使用后灌水器流量；qn为新灌水器流量。

本文参照《农业灌溉设备滴头和滴灌管技术规范和试验方法》(GB/T17187-2009)[12]、《塑料节水灌溉器材内镶式滴灌管、带》(GB/T19812.3-2008)[13]中相应的试验方法和技术要求，以及ISO/TC23/SC18[14]的方法，即当滴头实际出流小于新滴灌毛管滴头流量的75%时，视为滴头发生堵塞。本试验各处理的滴头堵塞情况见表2，滴头流量降低的个数占灌水器总数的变化情况见图2。

表2 施肥次数、施肥量和发生堵塞的灌水器个数Tab.2 The number of fertilization, the amount of fertilizer and the number of clogging emitters

图2 滴头流量降低个数占灌水器总数的变化情况Fig.2 The change of emitter flow rate in total emitter

试验结果表明：地埋滴灌2 a后的滴灌毛管滴头流量降低百分数高于10%的滴头占7.0%，高于20%的滴头占4.0%，堵塞滴头占3.6%，完全堵塞滴头占1.9%。因此可视为使用2 a后的滴灌系统滴灌器堵塞程度较轻。

2.2 滴灌毛管堵塞滴头在系统中的分布

由表2可知，不同处理间滴头发生堵塞、完全堵塞的滴头数量没有明显区别。为了进一步研究滴灌毛管滴头堵塞的原因，对滴灌毛管堵塞滴头在系统中的分布进行分析。图3为相同埋深不同设计滴头流量3个试验小区的滴头流量降低百分数沿着滴灌带的变化情况(滴头编号顺着滴灌带水流方向逐渐增大)。结果表明：离滴灌带入口处越远(编号逐渐增大)，滴头流量降低百分数逐渐上升；完全堵塞的滴头均分布在滴灌带的末端(其他处理滴头流量降低百分数变化趋势、完全堵塞的滴头位置与图2一致)。

图3 滴头流量降低百分数沿着滴灌带的变化情况Fig.3 Variation of dripper discharge percentage along the drip irrigation zone

随着离滴灌带入口处的距离的增加，沿程水头损失增加，毛管内压力降低，流速放缓，使得毛管末端流速趋零，水流中的细沙等固体微粒在毛管末端沉积。故滴头编号越大，越容易发生完全堵塞，即堵塞的滴头多位于毛管末端。另外滴灌系统在运行2 a过程中没有完全冲洗管道也增大了滴头堵塞的可能性。

2.3 施肥、滴头流量、根系侵染对堵塞的影响

为了探究施肥是否会导致滴灌堵塞，图4分析了滴头流量降低百分数与施肥累积次数和施肥量的关系。研究结果表明：当施肥量与施肥累积次数增加时，滴头流量没有显著升降变化，即供试滴灌系统施肥对滴头堵塞的影响较小。

图4 施肥对滴头流量降低百分数的影响Fig.4 Effect of Fertilization on the percentage reduction of dripper discharge

本滴灌系统首部安装有2级过滤器(砂石过滤器和叠片过滤器)和施肥器。为了最大限度地降低施肥对滴灌带的堵塞，施肥器安装在叠片过滤器之前，滴灌首部见图1。本试验中肥料均为可溶水肥。纵观整个滴灌系统，经过2级过滤后，滴灌水中的含沙百分数已经很低，从而确保了滴灌系统的正常稳定运行，同时排除了施肥因素对滴灌毛管堵塞的影响。

图5为滴头流量降低百分数与滴灌毛管设计滴头流量的关系。从图5可知,流量降低百分数随着滴灌带设计滴头流量的增加而增加。滴头设计流量为1.38、2.0和3.0 L/h的滴灌带的实际滴头流量降低百分数分别为4.12%、6.08%和10.33%。滴头流量为3.0 L/h的滴灌带流量降低百分数明显高于另外2个，原因可能是当滴灌系统骤停时刻，毛管内压力骤减，此时毛管外部土壤中微小颗粒由于压力差增大更易进入毛管滴头。

图5 滴灌带设计滴头流量对实际滴头流量降低百分数的影响Fig.5 Effect of dripper discharge on the percentage reduction of actual emitter flow rate

为了理清滴头堵塞的原因，挑选完全堵塞的滴灌毛管将其纵向剪开，发现灌水器流道进口处有大量泥沙沉积，并非是灌水器由于根系入侵而堵塞，这与李久生[8]和仵峰[9]研究成果相同，但与于颖多[10]研究结果不同，后者研究指出,冬小麦滴灌条件下，发生根系入侵的灌水器比例高达16%，主要原因是苜蓿的须根相对较少，降低了根系侵入滴头的可能性，其次是由于紫花苜蓿灌水频繁，滴头附近较高的土壤含水率也防止了根系的入侵。

2.4 滴灌带埋深对滴头堵塞率的影响

从表2可知，在相同的设计滴头流量、累积施肥次数和施肥量的条件下，埋深15 cm比10 cm滴灌带灌水器堵塞个数高20.0%，但灌水器完全堵塞个数相差不大且流量降低百分数分别是6.56%和7.13%，由此可知毛管埋深对滴头流量的影响不显著。滴灌带埋设深度对灌水器堵塞最大的影响即当毛管内压力骤减时，外部土壤压力对毛管的影响，虽然埋设深度增加，毛管承受的土压增大，但10 cm厚外部土壤压力已远超毛管内部水压，故毛管埋深(10 cm和15 cm)对滴头堵塞亦无显著影响。

3 结 论

在第1年清水灌溉、第2年施肥灌溉的情况下，得出如下结论。

(1)使用2 a的滴灌带发生堵塞的滴头占3.6%，发生完全堵塞的占1.9%，滴灌带堵塞程度较轻。

(2)发生完全堵塞的滴头大多分布于滴灌带的末端，另外滴灌系统运行2 a未对管道进行完全冲洗亦增加了滴头堵塞的可能。

(3)埋设深度对滴灌带滴头流量影响不明显，试验中施肥对滴头堵塞无显著影响；滴头流量降低百分数随着滴头流量的增加而增加；滴头流量为3.0 L/h时滴头流量折损率为10.33%，是流量1.38 L/h时流量折损率的3倍。