水肥一体微喷带沿程压力及肥液浓度分布规律试验研究

徐 茹，王文娥，胡笑涛

(西北农林科技大学 旱区农业工程教育部重点实验室 ，陕西 杨凌 712100)

微喷带是在薄壁塑料软管管壁上直接加工以组为单位循环排列的喷孔，通过这些喷孔出水灌溉的一种节水灌溉材料[1]。微喷带灌溉具有投资成本低，运行压力低，流量大，抗堵塞性能良好，维护保养方便，易于铺设收取等优点，且可实现水肥一体化，提高水分肥料利用率[2,3]。微喷可将肥料或农药直接喷洒在植物叶面上，是具有水肥药一体功能的化学灌溉[4]。由于微喷带灌溉时沿程压力逐渐降低，设计不合理时容易造成沿程水肥药分布均匀性差，引起作物生长进程不一或管道首部喷洒水肥过多造成养分浪费，尾端水肥供应不足，植株生长矮小产量低下等。满建国等[1]研究了不同带长微喷带对土壤水分分布与冬小麦耗水特性及产量的影响，得出随着微喷带长度的缩短，小麦籽粒产量，产量水分利用效率显著升高；Burt[5]提出微喷带灌溉水肥分布的非均匀性大约45%由水压不均匀引起。因此，通过试验研究微喷带作用压力、施肥罐作用压差对微喷带沿程压力分布及沿程肥液浓度的影响，确定水肥一体微喷带适宜运行参数，为实际生产中微喷带随水施肥运行过程中提高施肥均匀性提供参考。

1 试验材料与方法

水肥一体化条件下，肥料通过施肥装置与灌溉水同时施入田间，水是肥料的载体，所以在进行微喷带灌溉施肥均匀性试验之前，首先在西北农林科技大学旱区农业工程教育部重点实验室进行了3种微喷带的水力性能及喷幅试验，根据大田小麦种植特点，确定适宜小麦灌溉使用的微喷带型号，然后对选定的微喷带在大田试验条件下进行不同管首作用压力的沿程压力分布试验，确定沿程压力分布较均匀的作用压力范围，在此基础上进行水肥一体微喷带施肥均匀性大田试验。大田试验在甘肃武威中国农业大学石羊河生态节水试验站进行。

微喷带水力性能及单孔水量分布试验采用市场上常见的3种斜五孔微喷带(陕西省启丰现代农业工程有限公司)试验微喷带的结构示意图如图1所示，具体参数见表1；喷幅试验取2 m微喷带，在距带首0.6 m处取一个孔进行测取不同压力下微喷带的喷幅。

图1 微喷带结构及喷洒轨迹示意图

根据微喷带水力性能及喷幅试验结果，结合武威小麦种植实际情况和试验地条件，选择Ф32微喷带作为大田试验材料；田间微喷带铺设长度40 m，两条微喷带间距为5 m，设置5种管首压力(40、44、54、62.5、70 kPa)，测定沿程压力分布，确定沿程压力分布较均匀的管首压力范围后，设置水肥一体微喷带施肥均匀性试验参数。大田试验布置见图2。

表1 3种微喷带结构参数表

图2 大田试验布置示意图

综合考虑小麦所需营养及微喷带抗堵塞性能测定确定试验肥料，采用了易溶性肥料尿素与难溶性肥料磷酸二铵两种，施肥装置根据试验田的大小选用容积为13 L的压差式施肥罐施肥，120目网式过滤器。管道的首部压力分别为50和60 kPa、施肥罐两端压差分别设置10和20 kPa两种。从带首开始沿微喷带每隔8 m设一取样点，共6个取样点，取样位置在靠近微喷带。试验开始首先将所需肥料进行预溶解，通过首部压力表显示压力调节合适的压力，喷水2～3 min，所有喷孔均稳定喷水后打开施肥罐的开关进行施加肥料。施肥罐开关打开的同时，开始连续取样，每次5 min，施肥时长30 min，共取6次。取样结束关闭施肥罐开关进行清水喷洒5 min，观察微喷带是否出现堵塞情况。

管道首部及微喷带沿程压力通过精密压力表(量程0.2 MPa，精度0.25级)，使用电导率仪(Five Easy经济型电导率仪)测量肥液电导率。

2 结果与分析

2.1 微喷带水力性能及喷幅

利用微喷带进行水肥一体化灌溉时，肥料随灌溉水喷到空中，最后落到作物植株或地面上，灌溉水喷洒范围、水量及肥液浓度分布等决定肥料施用量的空间分布及均匀性，为了提高施肥均匀度，首先需要了解微喷带有效喷洒区域及喷洒水量的影响因素，以确定适宜大田小麦水肥一体化的微喷带型号及运行参数。因此在施肥均匀性大田试验之前先对3种型号微喷带沿程压力的变化情况进行了试验分析，以确定较适宜型号及作用压力范围。微喷带的有效喷洒区域主要是由喷幅与干燥区宽度决定的，根据孔口出流及斜抛运动规律可知，影响喷幅的主要因素是压力与喷射角度。地势平坦时，微喷带每组5个孔的喷射角度是固定不变，多孔组合喷水时，压力是决定微喷带喷射宽度的主要因素。根据试验所得3种规格微喷带在不同作用压力时的单位长度流量及喷幅，绘制了微喷带作用压力与单位长度流量及喷幅的关系图(见图3和图4)。

图3 微喷带压力与单位长度流量关系

图4 3种微喷带喷幅与管首压力的关系

由图3可以看出3种微喷带的压力流量均存在正相关的关系，相同压力下，出流量随微喷带管径的增大而增大，但流量增大幅度不同，Ф32和Ф40的差值相对于Ф28和Ф32较小。由图4可以看出微喷带的喷幅随着压力的增大呈现不断增大的趋势，当压力超过40 kPa时，喷幅趋于稳定。在实际运行过程中，使用多条微喷带组合灌溉时确定合适的作用压力可以使灌溉湿润区重叠部分达到最适宜，不仅可以节水节肥，还能使作物得到合适的灌溉水分。由于从微喷带首部到管尾的压力逐渐降低，喷幅逐渐减小，且小麦生育中后期茎秆和叶片比较密集，微喷带喷出的水流受到阻挡，喷水均匀性以及喷幅都会受到影响。图3可以看出Ф32与Ф40两种微喷带喷幅相同压力下差值很小，根据武威当地土壤特征、微喷带降水强度且流量太大会产生渗流，影响灌溉均匀度，所以大田试验选择Ф32微喷带可以达到较好的灌溉效果。

微灌系统的毛管属于沿程泄流管(滴灌管或微喷带)，由于水流通过毛管时会产生水头损失，即沿程压力会逐渐降低，出流量将逐渐减少，均匀度随之下降。因此在设计微灌系统时，要求微灌毛管首末压差在一定范围内，以保证出流量差异在20%以内。微喷带首部作用压力不变时，增加带长，单位时间内灌溉面积增大，但是随着微喷带长度的增加，压力损失也会随之增大，使得沿程流量逐渐降低，灌溉水量不均匀[6]。当微喷带长度一定时，首部压力不同也会造成首尾压差的变化。大田试验对40 m长的微喷带设置了5个首部作用压力，图5给出了40 m时Ф32斜五孔微喷带在不同水压下的沿程压力分布。

图5 Ф32微喷带40 m不同带首压力下沿程压力变化

由图5可知，在40 m时Ф32斜五孔微喷带在不同水压下的沿程压力基本呈下降趋势，最后8 m压力接近一致。出现这种现象的原因微喷带灌溉属于沿程泄流管道，存在沿程和局部水头损失，沿程压力逐渐降低；随着沿程不断泄流，微喷带内输送流量逐渐减少，流速逐渐降低，单位长度上的水头损失逐渐减小，微喷带的沿程压力降低幅度逐渐变缓。由于尾部封堵不出水，压力有少许回升。微喷带首尾压差是影响沿程水量和施肥均匀性的最直接的因素，需要对微喷带首部压力和首尾压差的变化规律进行分析。

当微喷带首尾压差较大时，微喷带首尾喷洒水量将会出现较大差异，进一步导致肥料用量差异较大，引起尾部作物缺少营养，要达到肥料使用均匀首先要保证微喷带沿程压力分布均匀。根据图5，可以看出带首压力为40 kPa时首尾压差为15.5 kPa，54 kPa时达到22 kPa，而70 kPa时压差为24.6 kPa，可得出首端压力越大时，首末两端压差越大，由于带中的输水量是逐渐减少的，相同长度微喷带产生的水头损失是逐渐减少的，而且沿程的压力不是均匀降低的，压差的变化也是不均匀的。

首末两端的压差不仅与压力水头有关，还与微喷带的铺设长度与管径有关系，微喷带的铺设长度越长，首末压差越大。当首尾压差较大时灌溉均匀性较低，随水输入田间的肥料的均匀度将随之降低，所以根据微喷带的喷幅、微喷带沿程压力变化情况以及首部压力与首尾压差的关系，微喷带首尾两端压力差也直接影响施肥均匀性，压差过大会导致微喷带首尾施肥不均匀，对作物的生长发育有很大的影响。在本试验中选择灌水均匀度较高(压力范围为50～60 kPa)条件下进行施肥均匀性的试验，观察不同压力情况下，微喷带施肥均匀性的情况。

2.2 垂直于微喷带布置方向肥液浓度分布规律

在进行田间试验前，先根据配置的溶液得到浓度与电导率的率定关系式。通过标定的肥液浓度与电导率的关系式将肥液样本的电导率转化为浓度。通过对微喷带在3个不同位置垂直于微喷带方向微喷带肥液浓度进行试验，分析垂直于微喷带方向肥液浓度变化。图6给出了磷酸二铵在施肥开始后和结束前5 min两个时间段内距微喷带首部1、3、10 m 3个位置处垂直于微喷带方向的肥液浓度变化。由图6可以看出，在垂直于微喷带方向肥液浓度变化不大，肥随水运移过程中，同一时间在微喷带内部同一位置肥液浓度不会产生很大的变化，垂直于微喷带方向的水量会有一定变化，相应的肥液浓度会产生轻微的差异。可以看出前5 min时，最大差异在0.05 mg/L左右，而在施肥最后5 min微喷带管道内部肥液浓度趋于稳定，最大差异在0.03 mg/L左右，同时从图6可以看出肥液浓度沿程是降低的。

图6 垂直于微喷带方向磷酸二铵肥液浓度变化

2.3 微喷带沿程肥液浓度分析

2.3.1 肥液浓度随时间的变化规律

由于采用压差式施肥罐，其出口肥液浓度随时间发生变化，所以微喷带沿程肥液浓度也随时间发生变化，图7和图8分别给出了施肥罐压差10 kPa时各时间段肥液浓度沿程分布及沿程6个位置处肥液浓度随时间的变化过程，由图7和图8可以看出，在施肥罐两端压差相同时，尿素肥液浓度在不同时刻沿程变化情况基本相同，而磷酸二铵不同时刻变化趋势相似均逐渐降低，但在20 min后变化十分微小。

图7 各时间段肥液浓度沿程分布(施肥罐压差10 kPa)

图8 不同位置处肥液浓度随时间差变化(施肥罐压差10 kPa)

施肥罐出口肥液浓度直接影响各位置处肥液浓度，同时与肥料种类相关、施肥罐两端压差以及施肥时间相关。

2.3.2 施肥罐压差对肥液浓度的影响

从以上分析可以看出施肥罐性能直接影响微喷带施肥效果，最主要的影响因素是施肥罐两端压差。由于同一肥料在微喷带沿程各位置肥液浓度随时间的变化规律相似，所以以施肥开始后5 min时肥液浓度沿程分布为例，分析施肥罐压差对肥液浓度的影响，另外取中间位置16 m处分析在施肥过程中肥液浓度的变化情况。

通过水肥一体微喷带灌溉施肥试验，测定沿程肥液浓度，图9给出了两种肥料随水喷洒的肥液浓度沿程变化情况。

图9 施肥罐压差不同时肥液浓度沿程变化情况(施肥开始后5 min内)

由图9可以看出在相同时刻，两种肥料易溶性肥料尿素与难溶性肥料磷酸二铵相比，尿素的肥液浓度沿程下降得比较快，磷肥的沿程肥液浓度变化较为平缓。尿素极易溶于水，在开始施肥时肥料已经完全溶于水形成了溶液，肥料随水流到达取样点，对于易溶于水的肥料来说，沿程溶液的浓度与沿程压力变化有很大的关系。而对于难溶于水的磷酸二铵来说，在施肥开始的时候并没有完全溶于水中，施肥罐中为肥料的悬浊液，底部还有部分未溶解的肥料。所以在不断施肥的过程中，磷肥同时也在继续溶解，所以肥液沿程浓度变化较为平缓。同样可以看出，在一次施肥过程中肥液浓度沿程降低的过程也不是均匀的，这一现象跟沿程压力变化不均匀，泄流量沿程不相同是密切相关的。

图10给出两种肥料在施肥罐压差不同时肥液浓度随时间变化曲线，易溶性肥料随时间浓度变化情况与压差关系较为明显，难溶性肥料随时间变化与压差关系不明显。尿素在压差为10 kPa时，肥液浓度在30 min内随时间变化都比较平缓，而当压差为20 kPa时，肥液浓度在20 min中内急剧下降，之后下降速度放缓。磷酸二铵肥液浓度随时间变化与压差的关系不大，两种压差下都是在前十分钟肥液浓度急剧下降，之后趋于平缓在20 min后趋于稳定。这说明在一次施肥过程中，肥液浓度不仅沿程下降不均匀而且随时间降低的过程也是不均匀的，这种情况会影响到田间灌溉施肥的均匀性。

图10 施肥罐压差不同时距管首16 m处肥液浓度随时间变化

3 结 论

通过对水肥一体微喷带施肥均匀性的试验探究得出以下结论：

(1)在实际运行过程中，作物生育中后期微喷带喷出的水流会被密集的茎秆和叶片阻挡，喷幅会大幅降低，且喷幅会沿管道逐渐降低。则在大田使用微喷带灌溉时作用压力不应过低，需根据微喷带铺设长度及水力性能确定适宜的作用压力，以保证灌水均匀性。

(2)沿程压力变化情况对于微喷带的施肥均匀性有很大的影响。通过对沿程压力的变化情况以及微喷带在不同压力下的有效喷洒范围的探究，确定了大田试验适宜的首部作用压力范围。铺设长度40 m、间距5 m时，选择50～60 kPa作为微喷带的首部作用压力灌溉效果较好。

(3)对于易溶性肥料如尿素等，施肥罐两端压差在10 kPa时肥液浓度沿程变化相对平缓，随时间变化较平缓，在实际运行使用过程中对于易溶性肥料可以采用较小的施肥罐两端的压差；对于难溶性肥料来说，与压差关系不大，但是容易有沉积物滞留在施肥罐底部，建议实际生产中采用速溶性磷肥。

有研究认为在一定范围内微喷带的沿程肥水均匀性与水压无关[10]，无论微喷带首部压力大小如何，水压均会沿着微喷带的延伸逐步减少，由此造成出水量逐渐下降。本试验结果表明微喷带的沿程水肥均匀性与作用压力有关系，不同的管首压力会产生不同的首尾压差。对微喷带灌溉水肥均匀性有直接关系的是沿程的压力变化情况，在实际生产中微喷带的铺设长度一定时应选择首尾压差较小的首部工作压力。对于施肥罐压差相同、首部压力不同对施肥均匀度的影响也有待进一步探究。