微喷带随水施用除草剂除草效果及均匀度研究

石文鹏，王文娥，胡笑涛，徐 茹

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

0 引 言

水药一体化是指在灌溉的过程中，通过管道将充分溶解混合后的药液随水一同输送至作物根部的灌溉施药模式[1]，以其高效节水节药，精确控制灌水量、施药量和时间等优点已经成为当下国内最具推广价值的节水灌溉技术之一[2]，能缓解我国农业生产过程中水分农药利用率低的问题。微喷带自20世纪90年代进入我国，由于性能优、价格低，在设施农业领域得到广泛，深受用户欢迎[3,4]。与其他灌溉设备相比，微喷带具有投资少、工作压力低、出水量大、可实现水肥药一体化等突出优点[5,6]。陈林[7]、程功、魏义长[8]等研究人员通过试验发现除草剂随滴灌灌水施用是可行的，既可以有效防止杂草生长，又可显著改善烟草的经济和农艺性状；同时指出不同除草剂在控制杂草的同时也有不同的负面效果，如除草剂对下茬作物的影响等，因此选择除草剂时应以土壤处理为主、茎叶处理为辅，主防主要杂草兼防次要杂草为原则。马冬梅[9]运用滴灌施药方法对棉花田间恶性杂草龙葵进行防治，结果显示药剂处理区棉花生长正常，根系、幼芽均未发现明显药害反应；对其他非靶标生物(棉花害虫及天敌)无任何影响。WANG D等[10]用2种地埋滴灌(深度2～5、30 cm)处理对比传统的注射方式发现，1，3-二氯丙烯(1,3-dichloropropene)的散失量分别为66%、57%和90%，滴灌处理具有明显优势。目前的研究成果表明，利用微灌进行水药一体化施用可以达到很好的施药效果。由于药品施用的均匀度直接影响大田除草效果，进一步影响作物生长和产量，因此施药均匀度是评价施药质量的重要指标之一。水药一体化条件下，农药随灌溉水一起输移，灌溉水到达的位置农药才能到达，所以灌水均匀度直接影响施药均匀度。微灌系统设计及运行参数影响灌水均匀度，进一步影响随水施药时的施药均匀度。

由于农药一般毒性较大，施药时间一般较短，而水中或者土壤中的农药检测难度大、检测费用高[11,12]，因此目前的研究主要集中在使用微灌系统施药的防治效果方面，如除草效果[13,14]等，对水药一体化微灌技术设备运行参数及其性能、施药均匀度等缺少深入研究。本文通过微喷带随水施不同浓度除草剂试验，观测微喷带喷洒范围内不同位置处大田除草效果，计算株防效，比较除草剂配置浓度不同时的除草均匀度，确定适宜的配药浓度，建立施药均匀度与施药浓度的关系，为水药一体化施用技术的不断完善与大面积推广应用提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验基本情况

试验于2017年10月至2018年7月，在位于甘肃省武威市凉州区的石羊河节水试验站内进行，地理位置为37°52′N，102°50′E。该地全年日照平均时数为3 200～3 300 h，年平均气温在8 ℃左右，无霜期在150 d以上，多年平均降雨量为164.4 mm，属典型的荒漠绿洲灌溉农业区。供试除草剂为50%二氯喹啉酸(3，7-二氯-8-喹啉羧酸，Quinclorac)可湿性粉剂(江苏富田农化有限公司生产)，微喷带为φ32单列斜5孔，孔水平间距2.5 cm，孔组间距19.3～19.4 cm，孔组倾斜度11°，孔径0.7 mm，壁厚0.02 mm，最大承受压强100 kPa。

1.2 试验设计与实施

采用水药一体化微喷带施药时，除草剂先放入施药器与水混合(浓度较高)，之后进入微喷带与灌溉水混合(稀释)后喷入田间。每一试验小区喷洒的药量等于药液浓度与喷洒药液量的乘积。

微喷带药量分布受水量分布影响，因此首先进行了微喷带喷洒水量分布试验。试验采用φ32微喷带，结构如图1所示，铺设长度40 m、首部压强55 kPa，在微喷带的首、中、尾设置3个取样点，分别距微喷带水流入口位置3、20和37 m。每个取样点放置3×8共24个烧杯，如图1所示。待微喷带压力稳定后，用烧杯接取喷洒水量，计时30 min，试验完成后对烧杯中接收的水进行称重，试验重复3次。距微喷带相同位置取3个烧杯水量平均值，取3次重复的平均值作为该位置的试验值。

图1 微喷带结构及水量分布试验布置Fig.1 Layout of micro-sprinkler belt structure and water distribution test

清水喷洒试验后，进行大田水药一体微喷带施药均匀性试验。试验处理设置详见表1，水药一体微喷带施药均匀性试验布置方式如图2所示。

试验分为A、B、C 3个施药试验区和1个对照区D(不施除草剂)共4个小区，每个小区均为长方形，长40 m，宽5 m，面积200 m2，由2条微喷带控制(单条喷幅2.5 m)。除草剂用量选用当地农民除草时常用的量，即1.522 5 kg/hm2。4个试验小区施用的除草剂总量相同，但采用不同的除草剂浓度施入，其中A、B、C施药试验区的除草剂药液浓度分别为1.5、2.0、3.0 g/L。

表1 水肥一体微喷带施肥均匀性试验设置Tab.1 Test setting of uniformity of fertilizer application with water-fertilizer integrated micro-sprinkler belt

实际施用时，根据试验设计，称取相应质量的50%二氯喹啉酸除草粉剂，加水搅拌溶解后，放入施药器中。除草剂汇入灌溉水的时间为麦田出苗后第一次灌水完成前5 min，施药完成后再用清水冲洗管道5 min。

图2 水药一体化微喷带施药系统试验装置Fig.2 Schematic diagram of test device for water-pesticide integrated micro-spraying belt spraying system

以试验区A为例，打开开关a1、b1，调节压力至55 kPa，待压力稳定后打开施药器开关b2，施药完成后关闭开关b2，注清水5 min，关闭开关a1、b1。通过同样方法对试验区B、C完成施药，试验区D不施药，施相同时间清水。

1.3 微喷带施药均匀度及施药效果评价指标

株防效测定方法：试验完成后采用绝对值调查法计算每个试验区的株数防效。如图2所示，每个试验区取3个取样带，每个取样带距进药口距离分别为3、20、37 m，每个取样带沿垂直微喷带方向连续取5 个点，每点0.5 m×0.5 m，共计0.25 m2，施药8、16 d后目测试验区和对照区杂草情况，观察杂草有无干枯、黄化、枯萎、枯斑等症状；施药30 d后观察小麦有无畸形、病害等，并统计每个取样点内杂草数量，计算杂草株数防效。

株防效[15]计算公式：

(1)

式中：K为株数防效指数；Ei为对照区杂草数，株；Ec为试验区杂草数，株。

施药均匀度是衡量微灌系统施药质量的重要指标，施药均匀性过低会使除草不均匀、或者杀草效果不理想，造成作物的产量和质量下降、除草剂利用率低或残留等危害[16]，严重的还会使作物绝收[17]。因此对微灌系统施药均匀性的评估是系统管理的重要内容。目前随水施除草剂研究内容主要集中在除草效果方面，能对适宜的除草剂种类或者浓度提出建议，并不能直观地评价除草剂在微喷灌农田中的施用均匀度。参考微灌灌水均匀度计算方法，结合除草剂除草株防效的分布，均匀度计算方法如下：

(1)喷灌系统的水量分布均匀度。常用克里斯琴森均匀系数[18]表示，可以反映施药量平均偏差，计算公式为：

(2)

(2)分布均匀度DU。田间实际施药时，由于施药装置的差异或者人为造成的不可控因素，导致一些地方的施药量低于保证作物正常生长的最低药量，该指标重点关注防治效果较低的部分，有利于保证作物获得必要的最低施药量。计算公式为：

(3)

(3)统计均匀度[19]。它是用统计分析的方法，研究微喷带喷施药量分布的整体均匀度，比Cu更侧重施药量的整体均匀性，用US表示：

(4)

(5)}

式中：Sx为观测值的标准差；US为统计均匀度，%。

2 结果与分析

2.1 微喷带喷洒水量分布

随水施用除草剂时，微喷带药量分布与水量分布直接相关，且BURT[20]提出微喷带灌溉水肥分布的非均匀性大约45%由水压导致，水药一体化同理，因此，需要对微喷带水量分布特点进行研究。

设置试验对微喷带水量分布进行研究，试验压力55 kPa，距微喷带阀门端3、20、37 m 3个取样点，取样点喷洒水量累积量分别为4 270、3 838、3 409 mL，原因可能是受水头损失的影响沿微喷带布置方向总水量逐渐减小。

图3是微喷带水量分布图，可以看出，垂直微喷带方向，喷洒强度分布呈现先逐步增大，然后逐步减少的变化趋势。在近首部处，距微喷带1.7 m处喷洒水量达到最大值，为789 mL；而在微喷带近尾部处，距微喷带1.4 m处水量最大，为650 mL；而在微喷带的中部，喷洒水量分布相同较为均匀。

图3 微喷带水量分布Fig.3 Water distribution map of micro-sprinkler belt

3个取样点中，37 m位置喷洒水量累积量最少。从图3中可以看出，喷洒水量较少的37 m位置，垂直微喷带方向分布非常不均匀，距微喷带0.5、0.8、1.1、1.4、1.7、2.0、2.3、2.6 m位置水量积累量分别占总水量7.7%、7.8%、9.1%、19.1%、17.5%、16.5%、12.7%、9.6%。为了保证喷洒面积上均达到较好除草效果，水药一体喷洒时间要足够长，使水量少的位置处单位面积上达到能够杀死杂草的最低施药量。

2.2 不同浓度除草剂对除草效果的影响

施用除草剂后，经过一段时间药效发挥作用后，进行田间施药效果观察。分别于施药后 8、16、30 d对小麦及杂草生长情况进行田间观察，小麦未发现畸形、褪绿、病斑、生长受滞等药害现象，杂草在8 d发现干枯，16 d开始逐渐死亡。说明所供试除草剂对小麦安全，可用于麦田杂草防除。通过对每个测方中杂草数量的调查，根据式(1)计算各小区的株数防效，图4给出了垂直微喷带方向杂草株防效试验结果。从图4中可以看出，除草剂浓度越高对麦田总杂草防效越好，且处理间株防效差异显著。试验区A(1.5 g/L)的50%二氯喹啉酸株防效均在87.93%以上，最高可达96.36%；试验区B(2.0 g/L)的50%二氯喹啉酸株防效89.05%以上，最大株防效为98.04%；区C(3.0 g/L)的50%二氯喹啉酸株防效差异显著，最低仅为68.42%，最高可达98.73%。整体上来看，3个试验区杂草防效垂直微喷带方向，呈现先增加后降低的趋势，这与微喷带水量分布相吻合，说明水量分布多的区域除草剂含量多，从而除草效果也较好。C区最低株防效明显较A区、B区低，沿管道方向首中尾(C1、C2、C3)，C3区株防效比C2、C1区低20%以上。经分析，由于C区除草剂浓度较大，但除草剂总含量不变，施药器进药时间减少，使距微喷带进药口较近的C1、C2取样点除草剂含量变大，离进药口远的C3区由于水头损失压力变小造成除草剂含量变小，是造成C区株防效差异大的主要原因。

图4 垂直微喷带方向杂草株防效Fig.4 Control effect map of weeds in vertical micro-spray zone direction

施药浓度不同时，微喷带不同位置平均株防效见表2。可以看出距离药液进口3 m取样点A1(1.5 g/L)与B1(2.0 g/L)、C1(3.0 g/L)之间平均株防效达到了显著差异(P<0.05)，距进药口20 m取样点各处理之间差异不明显(P>0.05)，距进药口37 m取样点A3、B3平均株防效与C3间存在显著差异(P<0.05)。原因是试验区B、C药液浓度高，距进药口较近取样点累计的药液含量比试验区A高，而距进药口37 m位置，施药总含量不变，浓度高施药时间少，使试验区C喷洒药液时间少，没有累计到能够杀死杂草的最低药量，因此C3区较A3、B3区平均株防效低。

2.3 微喷带随水施除草剂均匀度分析

施药均匀度是判断微喷带性能的关键参数，通过对不同除草剂浓度下的株防效进行分析，根据公式(2)～(4)计算杂草株防效的克里斯琴森均匀系数Cu、分布均匀度DU和统计均匀度US，分析判断沿微喷带方向和垂直微喷带方向杂草株防效均匀度，从而得出微喷带随水施除草剂的均匀度。

图5是3种不同浓度(1.5、2.0、3.0 g/L)条件下沿微喷带方向杂草株防效均匀度变化过程。

从图5中看出，A区Cu最大值为98.76%，最小值为98.11%；B区Cu最大值为97.68%，最小值为97.54%；C区Cu最大值为98.61%，最小值为90.21%。A区、B区杂草株防效均匀度沿微喷带方向变化不显著，C区在C1、C2取样点均匀度明显比C3取样点高，达到了显著水平。同时3个试验区的DU、US也具有和Cu相同的分布情况。3个处理中距进药口3 m位置的均匀度比37 m位置的要高，由于微喷带首部压力大，喷水量大，相应的首部除草剂药量比较多，尾部压力小，喷水量小，相应除草剂药量比较少，造成首部除草比较均匀，尾部除草均匀度变化比较大。

表2 不同施药浓度及微喷带不同位置平均株防效Tab.2 Average plant control effect in different concentration and location of micro-sprinkler belt

图5 沿微喷带方向均匀度变化曲线Fig.5 Uniformity curve along micro-spray zone direction

图6给出了3种施药浓度条件下垂直微喷带方向除草株防效均匀度随离微喷带距离的变化曲线。图6中每个点代表该试验区内离微喷带相同距离的除草均匀度。由图6可以看出，1.5、2.0 g/L浓度处理的Cu变化不大，呈先变大后变小的趋势，这与在微喷带垂直方向水量分布类似，在灌水分布的中间位置，水量大，除草剂含量多，除草效果好，相应的除草均匀度就比较高；分布均匀度和统计均匀度变化不明显，说明在低浓度条件下，施药效果较低的部分也能够满足均匀度要求；3.0 g/L浓度处理均匀度变化显著。实际农业生产中重点关注施药效果较小部分，即以分布均匀度DU为例，1.5和2.0 g/L分布均匀度DU为0.971和0.972，分别是3.0 g/L分布均匀度的1.230和1.231倍，说明试验区C施药效果较差的部分不能满足均匀度要求。一方面是由于地面偏差，另一方面在高浓度药量条件下，水头损失造成的药量分布不均匀会相对扩大。使用微喷带施药，当施药量不变时，为了提高均匀度，可以适当减小施药浓度。

图6 垂直微喷带方向均匀度变化曲线Fig.6 Directional uniformity curve of vertical micro-jet belt

3 结论和讨论

微喷带在田间应用的最大优势在于其制造和推广成本远低于微灌和喷灌，可以快速布置和回收，既可以满足灌溉补充土壤水分的效果，又可以利用水肥、水药一体化技术施肥、施药，达到高效节能的目的。本文通过对3种浓度除草剂随水施用对微喷带大田除草效果和均匀度影响的分析，得出以下结论：

(1)55 kPa下，φ32微喷带总水量沿程急剧减小(最大水量4 270 mL，最低水量3 409 mL)，垂直微喷带方向，水量先变大，后变小，首部在距微喷带1.7 m处水量达到最大值，尾部在距微喷带1.4 m处水量达到最大值，中部水量分布较为均匀。

(2)试验区B(2.0 g/L)平均杂草株防效最高为93.57%，分别比试验区A(1.5 g/L)、C(3.0 g/L)高1.77%、1.87%，试验区A、B、C杂草株防效沿微喷带方向逐渐降低，垂直微喷带方向，先变大后变小，与微喷带水量分布类似。

(3)沿微喷带方向，试验区A、B均匀度明显高于试验区C，试验区A、B均匀度相差不大；垂直微喷带方向，试验区A、B、C均匀度整体呈先变大后变小趋势，试验区A、B分布均匀度DU分别为试验区C的1.230和1.231倍。

(4)总体而言，1.5和2.0 g/L的杂草株防效和施药均匀性明显高于3.0 g/L的，1.5和2.0 g/L杂草株防效相差不大，2.0 g/L沿微喷带和垂直微喷带方向施药均匀度略大于1.5 g/L施药均匀度，为了减少施药时长，微喷带随水施用除草剂时推荐浓度采用2.0 g/L。