玉米秸秆复合渗灌管研制及渗水性能研究

仵 峰，王富斌，宰松梅，楚运旺

玉米秸秆复合渗灌管研制及渗水性能研究

仵 峰，王富斌，宰松梅，楚运旺

（1. 华北水利水电大学水利学院，郑州 450046； 2. 河南省节水农业重点实验室，郑州 450046）

秸秆地下灌溉是将作物秸秆与土壤混合挤压形成具有渗水能力的复合渗灌管进行田间灌水的一项技术，开发符合灌水要求的秸秆复合管材关系到秸秆地下灌溉的成败。利用自制的秸秆复合管成型机，以秸秆掺量、含水率、螺旋轴转速为参数，在室内进行了基于玉米秸秆的秸秆复合管性能3因素3水平正交试验，研究了秸秆复合管材的成型和渗水性能，分析了秸秆掺量、初始含水率、螺旋轴转速对秸秆复合管材的容重、渗水速率和渗水均匀系数等的影响。结果表明：1）秸秆复合管材的容重在1.278～1.355 g/cm3之间，影响其容重的主要因素是秸秆掺量，随着秸秆掺量的增加，复合管材的容重减小；秸秆掺量为5%，初始含水率为22%，螺旋轴转速为62 r/min时，有利于秸秆复合管成型；2）在0.25 m压力水头自由出流条件下，1 h的秸秆复合管材渗水速率在0.76～1.40 L/(m·h)之间，与常用的微灌灌水器流量相当。秸秆掺量为9%，初始含水率为24%，螺旋轴转速为50 r/min时，秸秆复合管材渗水速率最大；3）低压自由出流条件下，秸秆复合管材透水均匀系数在0.13～0.35之间，秸秆掺量为5%，初始含水率为24%，螺旋轴转速为50 r/min时，透水均匀系数最大，仍不能满足灌溉要求；4）综合考虑秸秆复合管材容重、渗水速率及渗水均匀度等因素，秸秆掺量为5%，初始含水率为24%，螺旋轴转速为50 r/min时，秸秆复合管材综合性能指标最优。上述结论对秸秆复合管材的研究和开发具有一定的参考价值，有利于推动秸秆资源化利用和田间节水技术的发展。

秸秆；含水率；灌溉；秸秆复合管材；容重；渗水性能；均匀系数

0 引 言

秸秆作为农业生产的副产品，经济价值较低，不合理的处置，会给生产、环境等带来一系列问题[1]。目前，中国的秸秆利用方式有秸秆还田[2]、秸秆饲料[3]、秸秆燃料[4]、秸秆基质[5]等，以秸秆还田为主。研究表明，秸秆还田在优化农田生态环境方面具有重要作用，能明显改善土壤有机碳的活性与质量[6-7]，有效防止土壤腐殖质的流失[8]，促进土壤呼吸，增加净CO2吸收[9]，减少非甲烷烃的排放[10]，降低表层土壤硝态氮的浓度[11]，改善土壤水肥状况和提高作物产量[12-13]。有利于盐渍土的团聚体稳定[14]，有效改良盐碱地[15]。秸秆还田技术的推广与农业机械化程度密不可分，还田方式的选择需要考虑气候条件的区域性差异。中国西北和东北地区常用秸秆粉碎覆盖还田与免耕技术配套的种植模式来直接还田；南方地区一般采用整杆或高留茬等方式直接还田；华北地区大多采用小麦高茬免耕和玉米秸秆粉碎犁翻方式直接还田[16]。据调查，秸秆还田量仅占秸秆利用量的43.2%[17]，秸秆还田还难以达到全量直接还田的标准，而且秸秆还田后，由于下茬作物的出苗、病虫害以及微生物与作物争水争肥等问题突出，甚至会引起减产，且不宜连续操作，导致秸秆还田推而不广，秸秆还田技术有待进一步提升。

随着水资源的日益紧缺，农业节水倍受关注，亟待研发适应现代农业生产模式的节水灌溉新技术。地下灌溉是一种古老的灌水技术，通过地埋渗水瓦管向作物根区供水，是一种低定额、高效的灌溉技术。材料工业的发展，出现了替代瓦管的渗灌管，渗灌管主要有微孔渗灌管和打孔渗灌管2类，微孔渗灌管采用塑料加发泡剂或者利用废旧橡胶和聚乙烯等材料生产[18]，打孔渗灌管是在常规PE管上按一定距离划口或打孔[19]，形成了地下灌溉的分支—渗灌。20世纪90年代以来，微灌技术迅速发展，用滴灌毛管（滴灌带）代替渗灌管，出现了地下滴灌。进入21世纪，出现了半渗膜、全壁微孔渗灌管等，提出了微润灌[20]、痕量灌溉[21-22]等新技术。总体上看，渗灌管出流均匀性较差、防堵性能不理想、压力流量关系不佳[23-24]。目前，虽然国内外均有地下滴灌成功应用的案例，但应用中仍存在出苗水供给不足和堵塞风险增加等问题，而且报废时毛管的回收也是一个难题。

针对秸秆还田和地下灌溉的优势和存在的问题，笔者提出了秸秆地下灌溉的设想[25]。将作物秸秆粉碎与土壤混合挤压形成具有渗水能力的复合管材，替代田间灌水毛管，应用时采用一次性浅埋，一年或一季后直接还田，一定程度上缓解或解决地下滴灌堵塞的问题。同时，由于秸秆与下茬作物根区分离，解决了下茬作物的出苗及生长过程中与微生物争水、争肥的问题，也为集中处理病虫害创造了条件。秸秆地下灌溉应用的理论基础是秸秆复合管的成型及其水力性能。本文通过室内正交试验，初步研究玉米秸秆复合管成管过程中各因素对其容重、渗水量和渗水均匀系数等的影响，以期得到复合管材水力性能最佳的因素组合，开发秸秆复合管，推动秸秆就地综合利用及节水灌溉事业的发展。

1 材料与方法

试验所需玉米秸秆来自河南省节水农业重点实验室当年种植的玉米秸秆。玉米品种为郑单958，种植密度为67 500株/hm2，待玉米收获后，用秸秆还田机将玉米秸秆打碎成3～8 cm的碎段还田于地表，按1.0 m宽定量收集还田于地表的玉米秸秆风干后备用。供试土壤取自试验田的地表土，土壤为沙壤土，试验前测定土壤的含水率作为基数。将风干后的玉米秸秆与土壤按一定的配比混合，按照试验设计，计算在试验过程中加入的水量，调节各试验处理的含水率。调整到设定的含水率后，搅拌均匀，覆膜静置24 h后，复测其含水率，作为试验的初始含水率。利用自制的秸秆复合管成型装置制备成秸秆复合管。自制的秸秆复合管成型机结构如图1所示。主要由电机、支架、轴承、螺旋轴、外壳、底座等部分构成。电机是整个装置的动力源，采用3 kW异步电动机和减速比为23的减速机，同时接入变速调频器，可对秸秆复合管成型机的转速进行调节。支架和底座主要起固定和支撑作用；外壳既是保护结构，也是秸秆复合管定型的主要组成部分；螺旋轴是用来传动和挤压秸秆与土壤的混合材料，秸秆和土壤混合料在螺旋轴和外壳的共同作用下，形成具有一定强度的复合管材。

1.入料口 2.外壳 3.螺旋轴 4.支架 5.底座 6.轴承 7.连接部分8.电机

试验前采用烘干法测定秸秆复合管材的含水率、容重等基本数据。秸秆复合管材的渗水试验采用马氏瓶供水，以0.25 m的恒压水头进行试验。试样由支架支撑悬空，从供水端开始，等待其渗水1 h时，每隔30 cm设置一个测点，测量每个测点渗出的水量，并称取试样质量，计算出每个测点渗水量，进而求得渗水均匀系数。

单位长度的渗水量由测点渗水量与对应试样长度的比值得到，渗水均匀系数的计算采用下式计算[26]。

式中为均匀系数；w为测点的渗水量，mL；为各测点平均渗水量，mL；为试验测点数。

通过以上分析，对每个因素设置3个水平，秸秆质量3个水平分别为含量5%、7%、9%，初始含水率3个水平分别为质量含水率20%、22%、24%，螺旋轴转速对应的3个水平分别为50、62、74 r/min，共有9种不同的试验组合方案。每组试验设置3个重复，以平均值作为试验结果。因素水平表见表1。

表1 因素水平表

试验结果采用直观分析法和方差分析法进行分析，对试验结果进行检验，判断各因素对试验结果的影响是否显著。通过综合分析法对试验结果进行系统分析，权衡各试验指标的重要性，对各指标进行归一化处理，分析确定最佳的试验方案。

2 结果与分析

各试验组合条件下秸秆复合管的容重、渗水速率及渗水均匀系数结果见表2。其中，第7组试验组合由于秸秆含量最大、含水量最低、螺旋杆转速最高，最不利于秸秆复合管成型，通过秸秆复合管成型机后成型的秸秆复合管断裂严重，不能参与试验分析，后经多次反复挤压方才成型；由于挤压次数过多，造成秸秆复合管容重过大，相应的试验结果出现较大偏差，后续结果分析时，对第7组没有进行分析。

表2 试验因素水平组合及试验结果

注：为秸秆掺量（质量百分数，%）；为初始含水率，%；为螺旋轴转速，r·min-1。下同。

Note:is the straw content (mass percent, %);is the initial water content, %; andis the spiral shaft speed, r·min-1.The same below.

2.1 不同因素对秸秆复合管材容重的影响

秸秆复合管材的容重对其成型具有重要影响。由于秸秆的密度小，秸秆掺加量对秸秆复合材料的容重影响较大。为了更好地利用秸秆，充分发挥秸秆的纤维骨架作用，需要确定最佳的秸秆掺量，保证秸秆复合材料稳定成型，对秸秆复合管材的容重进行了测定分析。

为了分析各因素对秸秆复合管材容重影响的显著性，对其进行了方差计算，得到各因素的值（表3）。由表3可知，值由大到小依次为秸秆掺量、含水率和螺旋轴转速。其中秸秆掺量对复合管材容重的影响在0.05水平达到显著，其他两因素在0.10显著水平下的影响仍不显著。表明秸秆复合管材成型的关键因素在于秸秆掺量。这是由于与土壤相比，秸秆本身的容重小的多，秸秆掺量的多少对秸秆复合管材的容重影响显著。

表3 秸秆复合管材容重的方差

注：**表示在0.05水平时影响显著；*表示在0.10水平时影响显著。下同。

Note: ** indicates that the effect is significant at 0.05 level; * indicates that the effect is significant at 0.10.The same below.

试验中发现，螺旋轴的转速对整个秸秆复合管成型机的影响较大。秸秆成型机的转速增大，则由于土壤和秸秆的内摩擦作用，使其休止角增大[27]，导致秸秆复合管材的容重快速增加，严重时造成秸秆成型机停机，对电机产生较大危害。初步研究表明，在高转速范围内，秸秆与土壤混合挤压成块，容重较大，但在现有条件下不能使秸秆复合管从成型机中顺利挤出。因此，试验选用低转速进行，从试验结果分析，低转速范围对其容重的影响并不显著。

2.2 不同因素对秸秆复合管材渗水量的影响

表2给出了各处理秸秆复合管材渗水速率的试验结果，秸秆复合管材的渗水量范围在0.76～1.40 L/(m·h)。研究表明，在8 m工作压力下，将额定流量为2.60 L/(m·h)的内镶片式灌水器作为渗灌管的平均流量是1.68 L/(m·h)[28]；10 m工作压力下滴灌用内镶片式灌水器的设计流量为2 L/h[29]，按照每米3个滴头计算，出流量为6 L/(m·h)，是秸秆掺量为9%时的秸秆复合管材的渗水量的4.9倍；番茄微润灌溉的最大灌水定额约为35 L/m2[30]，按照秸秆复合管材的渗水量，需要25～46 h可以完成灌溉；在10 m工作压力下，痕量灌溉带的出流量为0.9 L/(m·h)，在地埋过程中会有所下降，平均出流量为0.846 L/(m·h)[31]。秸秆复合管的渗水量略大于痕量灌溉要求，可解决作物需水高峰期痕量灌溉难以满足作物需水要求的难题。

表2计算了秸秆复合管材渗水速率的极差。秸秆复合管材渗水量极差由大到小依次为秸秆掺量、螺旋轴转速、空列和含水率，表明秸秆掺量对秸秆复合管材的渗水量影响最大，含水率的影响最小。随着秸秆掺量的增加，单位长度秸秆复合管材的渗水量增加。主要是由于秸秆掺量的增加，导致秸秆复合管材的孔隙率增大、容重减小而引起的；随着含水率的增加，单位长度秸秆复合管材的渗水量缓慢增加，说明超过一定的含水率时，对其单位长度的渗水量影响不大；螺旋轴转速对秸秆复合材料的影响呈线性递减的趋势，主要原因是随着螺旋轴转速增大，秸秆复合管材的容重增大、孔隙率减小。通过上述分析，最佳因素组合为331，即秸秆掺量为9%、初始含水率为24%、转速为50 r/min时，秸秆复合管材的渗水速率达到最大，能较好地满足农田灌溉需求。

秸秆复合管材渗水速率的方差计算结果见表4。

表4 秸秆复合管材的渗水速率方差

由表4可以看出，值由大到小依次为秸秆掺量、转速和含水率。但各因素对秸秆复合管材渗水量的影响均不显著。其主要原因可能是由于水流通过秸秆复合管壁及裂缝，形成水流通道，在入渗过程中，水流对管壁的侵蚀作用对其渗水速率影响较大，导致试验因素对渗水速率的影响不显著。

2.3 不同因素对秸秆复合管材的渗水均匀系数的影响

渗水均匀度是衡量灌水效果的指标之一，灌水均匀度越大，灌水越均匀，灌水越好。渗水均匀度采用克里斯琴森均匀系数表示。

表2给出了秸秆复合管材的渗水均匀系数结果，整体来看，试验结果偏小。现阶段，在0.25 m压力水头自由渗水条件下，秸秆复合管材的渗水均匀系数尚不能满足灌溉要求，主要是由于秸秆复合管材表面的裂缝以及未打碎的秸秆对其渗水均匀系数的影响较大。这与张昊等[29]的研究结果一致，即多孔渗灌管的渗水均匀度差，低于压力补偿滴头的渗水均匀度。这一结果也说明秸秆复合管只能作为地下灌溉的田间毛管，即将秸秆复合管埋入地下，在“管-沟-土”的协同作用下，进一步提高其渗水均匀度，方才有望成为一种新的灌水技术。

表2中关于渗水均匀系数的极差结果显示，极差由大到小依次为秸秆掺量、空列、螺旋轴转速和含水率。秸秆掺量越大，秸秆复合管材的渗水均匀系数越小；随初始含水率增加，秸秆复合管材的渗水均匀系数逐渐增大，且增幅也变大；螺旋轴转速对渗水均匀系数的影响呈先减后增的趋势，但增加幅度并不明显。通过上述分析，最佳因素组合为131，即秸秆掺量为5%、初始含水率为24%、转速为50 r/min时，秸秆复合管材的渗水均匀系数最大。

不同因素水平组合秸秆复合管材渗水均匀系数的方差计算结果见表5。

表5 秸秆复合管材的渗水均匀系数方差

由表5可知，秸秆复合管材渗水均匀系数的值由大到小依次为秸秆掺量、转速和含水率。在0.05显著性水平下，秸秆掺量对秸秆复合管材渗水均匀系数的影响达到显著水平，其他两因素的影响不显著。表明秸秆掺量显著影响秸秆复合管材的渗水均匀性；转速对渗水均匀系数的影响次之，含水率的影响最小。

2.4 秸秆复合管综合性能分析

通过上述分析，分别确定了影响秸秆复合管材性能的最佳因素组合。为了更好地发挥秸秆复合管材的性能，找出有利于秸秆复合管成型并符合灌溉需求的组合，对上述3个指标进行综合分析。综合性能指标是按照不同的权重，对秸秆复合管的容重、渗水速率、渗水均匀度3个指标进行加权平均，能反映秸秆综合性能好坏的指标。

秸秆复合管材作为一种新的灌溉材料，既要满足农田灌溉要求，同时在输水方面又要有足够的可靠性，即要求控制秸秆复合管材的渗水速率和渗水均匀系数在合理的范围内。为此，对秸秆复合管的容重、渗水速率、渗水均匀系数3个指标进行归一化处理，用综合性能指标来综合衡量秸秆复合管的成型及渗水性能，有利于秸秆复合管更好地推广应用。由于渗水速率与均匀系数是秸秆复合管推广与应用的重要指标，而容重是其成型的主要指标，按照各个指标的重要程度加以不同的权重，假定秸秆复合管材容重的权重为0.2，渗水速率和渗水均匀系数的权重均为0.4，对其综合性能指标进行计算，结果如表6所示。根据综合性能指标的计算结果，进行直观分析，得到对应的极差，各因素水平对综合性能指标影响的直观分析结果见图2。

表6 试验指标归一化综合计算

注：为实测秸秆复合管容重，(g·cm-3)；为实测秸秆复合管渗水速率，(L·m-1·h-1)；为实测秸秆复合管渗水均匀系数；′为归一化秸秆复合管容重；′为归一化秸秆复合管渗水速率；′为归一化秸秆复合管渗水均匀系数。

Note:is the measured bulk density of straw composite pipes, (g·cm-3);is the measured water infiltration rate of straw composite pipes, (L·m-1·h-1);is the measured water infiltration volume coefficient of straw composite pipes;′ is bulk density of the normalized straw composite pipes;′ is the infiltration water volume per unit length of the normalized straw composite pipes; and′ is the infiltration uniformity coefficient of the normalized straw composite pipes.

图2 不同因素水平下秸秆复合管材综合指标的变化

由图2可知，秸秆掺量和螺旋轴转速对综合性能指标的影响呈负相关，含水率对综合指标的影响呈正相关。根据秸秆复合管材的成型要求和渗水性能及农田作物生长对水分的需求，试验条件下秸秆复合管材的最佳因素组合为131，即秸秆掺量为5%，初始含水率为24%，转速为50 r/min时，既能使秸秆复合管有较好的成型效果，又有利于满足农田灌溉的需求。

3 结 论

研制了一种新型秸秆复合管材，采用3因素3水平正交试验对其性能进行了初步测试分析，确定了秸秆复合管作为田间灌水毛管的最佳因素组合，为秸秆地下灌溉技术的应用提供了一定的参考。主要得出如下结论：

1）根据材料成型的基本要求，以秸秆复合管材的容重为指标，当秸秆掺量为5%、初始含水率为22%、螺旋轴转速为62 r/min时，其容重达到最大，有利于秸秆复合管材的稳定成型。

2）自由出流、0.25 m工作水头条件下，秸秆复合管单位长度的渗水量与微灌灌水器相当。当秸秆掺量为9%、初始含水率为24%、螺旋轴转速为50 r/min时，秸秆复合管渗水速率最大，有利于满足灌溉要求。

3）以渗水均匀系数为指标，在0.25 m低压水头、自由出流条件下，当秸秆掺量为5%、初始含水率为24%、螺旋轴转速为50 r/min时，秸秆复合管材渗水均匀系数最大，但仍不能满足灌溉要求。

4）对容重、渗水速率和渗水均匀系数3个指标进行归一化处理，按照2:4:4的权重分配，综合分析得出最佳因素组合为秸秆掺量5%、初始含水率24%、螺旋轴转速50 r/min。此时，秸秆复合管材的各项试验指标均得到较好的试验效果，有利于秸秆复合管材的成型和应用。

秸秆地下灌溉作为一种新型灌水技术，可在一定程度上缓解或解决地下滴灌与秸秆还田2项技术目前存在的问题。其核心产品是秸秆复合管，应用的理论基础是秸秆复合管的水力性能。本文仅对玉米秸秆复合管的性能进行了初步探索，结果表明，利用秸秆复合管可以达到田间灌水毛管的灌水速率，现阶段，在低压条件下、空气中自由出流时其均匀度偏低，尚达不到均匀出流的要求，但研究中发现，秸秆复合管在工作机制等方面与渗灌管不尽相同，如：渗灌管（地下滴灌毛管）的材料是塑料或橡胶，与其周围土壤性质完全不同。而秸秆复合管的管材是秸秆和土壤，与其周围土壤性质一致。材料的同质性使秸秆地下灌溉表现出灌溉水与土壤水更强的联动特征，参照渗灌、微润灌等的研究成果，秸秆复合管埋入土壤后的出流均匀度会有所提高，但能否实现均匀灌水等一系列问题还正在试验和探索当中，相关研究还有待进一步深入和细化。

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Development and infiltration performance of corn straw composite infiltration irrigation pipe

Wu Feng, Wang Fubin, Zai Songmei, Chu Yunwang

(1.450046,; 2.450046,)

Straw subsurface irrigation (SSI) is an innovative technology based on the combination of straw returning and subsurface drip irrigation. Straw composite infiltration irrigation pipe, which formed from crop straw and soil mixture by extrusion, was used to replace the capillary of subsurface drip irrigation for irrigation. It can help to solve the problems of subsurface drip irrigation to a certain extent, such as the emergence of water shortage, emitter blocking and capillary recycling as well as straw returning. The research and development of straw composite infiltration irrigation pipe that meet the irrigation requirements was related to the success of SSI technology. In the current study, the straw composite pipe (SCP) was produced with corn stalk as the main material by using a self-made straw composite pipe forming machine, orthogonal test of straw composite pipe (SCP) was performed with three-factor and three-levels. The straw content, initial water content and spiral shaft speed were taken as scientific parameters to study the factors affecting the formation and water infiltration properties of SCP. The three levels of straw mass content were 5%, 7%, and 9%, respectively. While, the three levels of initial mass water content were 20%, 22%, and 24%, and the three levels of the spiral shaft speed were 50, 62, and 74 r/min. Effects of straw content, initial water content and spiral shaft speed on the bulk density, permeability rate and water infiltration uniformity coefficient of SCP were analyzed. The results showed that: 1) The bulk density of SCP was in between 1.278-1.355 g/cm3, and the main factor affecting the bulk density of SCP was straw content. With the increasing of straw content, the bulk density of SCP was reduced. The best combination to the formation of SCP was 5% straw content, 22% initial water content, and 62 r/min spiral shaft rotation speed, the corresponding bulk density of SCP was 1.355 g/cm3; 2) The free water outlet rate of the SCP was between 0.76-1.40 L/(m·h) at 0.25 m working pressure, which meets the requirement of commonly micro-irrigation emitters flow rate. Water infiltration rate was mainly influenced by straw content. When the straw content was 9%, the initial water content was 24%, and the spiral shaft rotation speed was 50 r/min, per unit length of SCP had the largest free water outlet rate; 3) Under the condition of free flow, the uniformity coefficient of water permeability for SCP was between 0.13 and 0.35 with low working pressure. The optimal combination was 5% of straw content, 24% of water content and 50 r/min of the spiral shaft rotation speed, but it still could not meet the irrigation requirements; 4) It took into consideration of the formation, water infiltration and water uniformity of SCP, the best characters of SCP was 5% of straw content, 24% of water content and 50 r/min of spiral shaft rotation speed. The conclusions have a certain reference value for the research and development of SCP, which would be beneficial to promote the utilization of straw resources and the development of field water-saving technology.

straws; water content; irrigation; straw composite pipe (SCP); bulk density; infiltration properties; uniformity coefficient

2019-05-09

2019-06-14

中原科技创新领军人才资助项目（194200510008）；国家重点研发计划课题（2016YFC0400103）；国家科技支撑计划课题（2015BAD24B02）；华北水利水电大学研究生创新课题（YK2018-14）。

仵 峰，教授，博士，博士生导师，从事节水灌溉理论与技术研究。Email：wufeng@ncwu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.012

S278; TU552

A

1002-6819(2019)-14-0098-07

仵 峰，王富斌，宰松梅，楚运旺. 玉米秸秆复合渗灌管研制及渗水性能研究[J]. 农业工程学报，2019，35(14)：98－104. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.012 http://www.tcsae.org

Wu Feng, Wang Fubin, Zai Songmei, Chu Yunwang. Development and infiltration performance of corn straw composite infiltration irrigation pipe[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 98－104. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.012 http://www.tcsae.org