干旱区农田滴灌带“一带两用”灌水均匀度和堵塞率研究

马 亮，依明·热合曼，梁聪聪，张 旭，魏光辉，2

（1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐830052；2.新疆塔里木河流域管理局，新疆库尔勒841000）

新疆是我国主要的粮食产区之一，南疆是新疆重要的粮食生产区和粮食消费的主要区域，对新疆的粮食安全有着重要的作用[1]。南疆光热资源丰富，大部分地区年积温大于3 600 ℃，属于一年两熟种植区[2]。冬小麦种植面积集中分布于黄淮海平原、陕西关中平原、湖北、四川盆地和新疆[3]，达到“控水减肥”的目标，将滴灌水肥一体化的节水灌溉技术应用到南疆粮食作物生长中，以达到“控水减肥”、提高水肥利用率的目标，对促进农业现代化进程产生积极作用。滴灌灌水器如同滴灌系统的“心脏”，其性能指标直接影响着整个滴灌系统的灌水均匀性、灌溉质量、运行成本和单位投资等[4]。由于目前我国滴灌施肥常采用固体化肥溶解于水中，而水溶肥采用的行业标准中水不溶物规定≤5%，故造成滴灌水肥一体化设备中毛管和滴头堵塞[5,6]，影响了滴头出水量，降低了滴灌均匀度，直接影响了滴灌系统的使用寿命和经济效益[7]。滴灌灌水器根据堵塞机理可分为物理、化学和生物堵塞，有学者认为水质是影响灌水器堵塞的重要原因[8,9]，也有学者认为水中高含量的可溶性盐是灌水器发生化学堵塞的重要原因。Bozkurt[10]等研究发现多种化肥混施时，同时包含Ca2+和SO24-肥料的施肥方式易导致灌水器堵塞。刘燕芳[11]等研究认为施肥量对灌水器平均流量的影响达到极显著水平，堵塞主要是物理堵塞和化学堵塞共同作用引起。王心阳[12]等研究了温室滴灌系统随水施肥过程对滴头堵塞的影响，结果表明滴施的肥料颗粒及杂质，降低了滴灌管的过流能力，杂质聚集在滴头入水口处，减小了滴头流量。目前，学者对滴灌施肥对滴头堵塞的研究大多集中在温室或实验室中，运用新滴灌带模拟大田土壤颗粒大小、浑水泥沙级配、施肥浓度或不同管径等条件，对滴灌带的堵塞因素进行分析验证，滴灌带布设并未与作物种植模式及生长环境相结合，这与野外田间滴灌系统的实际运行工况存在较大差异。本文以不同水、氮梯度下滴灌带历经冬小麦和复播玉米两种作物的生育期，将免耕与浅埋滴灌技术应用作物种植中，使同一条滴灌带为两种作物生育期灌水（一带两用），期限长达12个月，探究滴灌带在长期使用下，不同水氮梯度对滴头堵塞率、灌水均匀度的影响，为干旱地区滴灌“一带两用”技术模式提供理论及实践参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

大田试验地位于新疆阿克苏地区红旗坡农场（80°14′E，41°16′N），地处塔里木盆地西北缘，天山托木尔峰南麓，属典型大陆性干旱气候。该区多年日照时数为2 855～2 967 h，无霜期为205～219 d，降水量为42.4～94.4 mm，年平均气温为11.2 ℃，太阳总辐射量为544.115～590.156 kJ/cm2，试验区地下水位距地表10m，土壤质地为粉砂壤土。

1.2 大田试验设计

供试冬小麦品种为新冬22 号，复播玉米品种为新玉9 号，采用人工点播方式种植在长（2.2 m）×宽（3 m）×深（2 m）的试验小区内，四周采用10 cm 厚混凝土做防水处理。小麦行间距0.2 m，播量为300 kg/hm2，复播玉米采用行间距为0.4 m+0.4 m+0.8 m 的宽窄行种植，株距0.25 m，种植密度7.5 万株/hm2。冬小麦种植滴灌带间距为0.8 m，浅埋在地下约0.05 m处，一管四行，冬小麦收获后直接在麦茬行距中播种玉米，不更换滴灌带，冬小麦留茬高度为0.15 m，滴灌带一管2行玉米，收获复播玉米后，滴灌带统一回收。滴头流量为1.8 L/h，滴头间距0.2 m，工作压力10 m，冬小麦、复播玉米、滴灌带的布设模式剖面见图1。

图1 冬小麦麦茬、复播玉米、滴灌带布设模式剖面图（单位：m）

冬小麦、复播玉米设置3 个灌水梯度和4 个氮肥梯度处理，各处理播种后立即滴施出苗水，两种作物出苗水均为900 m3/hm2。冬小麦、复播玉米于拔节期开始采取定周期灌水，3个灌水梯度分别为80%ETc、100%ETc、120%ETc[13]，ETc为作物蒸发蒸腾量，灌水周期均为7 d，冬小麦5月底、复播玉米8月底停止灌水。4 个施氮梯度分别为：N0 不施氮，N1 冬小麦施氮138 kg/hm2、夏玉米施氮168 kg/hm2，N2 冬小麦施氮207 kg/hm2、复播玉米施氮306.5 kg/hm2，N3 冬小麦施氮276 kg/hm2、复播玉米施氮444.5 kg/hm2。因水分亏缺条件下，过量施氮阻碍玉米干物质积累[14]，故本试验不设低水高肥（I1N3）处理。基肥播种后一次性随水施入土壤，追肥在冬小麦返青期、拔节期、孕穗期；复播玉米在拔节期、喇叭口期、吐丝期按2∶2∶1 的比例随水滴施（见表1）。每个处理3 次重复，作物全生育期防治病虫害、除草等农艺措施均按当地高产田进行田间管理。

冬小麦、复播玉米生育期内每次滴灌灌水量均根据前一个灌水周期内的作物实际耗水量确定，其计算公式为：

式中：ETc为作物蒸发蒸腾量；ET0为一个灌水周期内参考作物蒸发蒸腾量，由试验地气象站测得的气象数据经FAO Penman-Monteith 公式计算得出，Kc值通过查询FAO-56 推荐的冬小麦、复播玉米单作物系数Kc表和文献[15]获得。

1.3 室内测定项目和方法

复播玉米收获后取出试验小区内的滴灌带，滴灌带参数见表2，每个处理选3 条滴灌带进行灌水均匀度和堵塞率测试，每个处理33个采样点。

表1 冬小麦、复播玉米水氮试验方案

表2 试验小区滴灌带（内镶贴片式）参数

根据农业灌溉设备滴头和滴灌管技术规范和试验方法(GB/T17187－2009)[16]，运用滴灌带水力性能综合测试平台（见图2），对试验小区各处理的滴灌带进行滴头流量测定。试验相关测量仪器还包括250 mL 量筒、精密压力表和秒表。水源为自来水，水温20 ℃，水箱内置水泵和过滤器等。试验前进行“排气”，待排气完成后进入测试阶段，进水口压力为0.1 MPa，待压力稳定后，用量杯接取滴头流量，历时5 min，测试结束后用精度为0.001 g电子秤称重量杯中的水量。

图2 滴灌带水力性能综合测试平台

以滴头相对流量（qr）、滴灌带平均相对流量（）、平均流量偏差（）、灌水均匀度（Cu）、堵塞率（Rc）为滴灌带特征参数。当滴头流量小于设计流量的75%时[17]，认为滴头发生堵塞，将发生堵塞滴头数（qr＜75%）与滴头总个数之比称为堵塞率，各指标的计算公式分别为：

式中：qr为相对流量，%；qi为滴头实际流量，L/h；q0为滴头设计流量，L/h；为平均相对流量，%；n为滴头个数，Cu为灌水均匀度，%；为滴头平均流量偏差，为滴头流量平均值，L/h。

1.4 数据统计分析

采用多元方差分析（MANOVA）方法分析灌水、施氮及水氮素耦合作用对滴灌带特征参数的影响，采用逐步回归分析建立灌水均匀度、堵塞率与特征参数的预测模型，多重比较采用LSD法，统计分析过程在SPSS 20.0软件中完成。

2 结果与分析

2.1 不同水氮处理对灌水均匀度的影响

我国现行《微灌工程技术规范》要求滴灌系统设计灌水均匀度不能小于85%，实测灌水均匀度不能小于80%[18]。经检测I3N0、I3N2、I2N2 处理的滴灌带灌水均匀度分别为81.01%、80.55%、80.13%，平均相对流量分别为80.08%、79.03%、82.09%，均满足实测灌水均匀度的规范要求。I1N2、I2N3、I3N3 处理的灌水均匀度均小于70%。在相同灌水量条件下，高肥水平的灌水均匀度均最小。

由多元方差分析（见表3）可知，灌水量、施氮量对滴灌带灌水均匀度均呈极显著影响（P＜0.01）。水氮耦合作用对灌水均匀度呈显著影响（P＜0.05）。

2.2 不同施氮量对滴灌带堵塞率的影响

由表3可知，在I1 水平下N1、N2 分别比N0 堵塞率高10.99%、21.08%；I2 水平下N1、N2、N3 分别比N0 堵塞率高14.29%、14.29%、114.29%；I3 水平下N1、N2、N3 分别比不施氮水平堵塞率高14.29%、28.57%、42.86%。I1N2、I2N3 和I3N3 的堵塞率分别为36.36%、45.45%，30.30%，I3N3 堵塞率均小于较I1N2 和I2N3，分析原因可能是I3N3 处理灌水量较大，氮肥溶解较I2N3处理充分，滴灌水肥溶液中颗粒物较少，故出水口堵塞率降低。由此可见，适宜的水肥比例，能够减少滴施追肥对滴灌带出水口的堵塞，提高灌水均匀度。在相同灌水水平下滴灌带堵塞率随施氮量的增加而增加，且施氮量对堵塞率影响显著，这与李康勇等[17]、闫大壮等[19]研究结果一致。

表3 不同灌水、施氮水平滴灌带特征参数及多元方差分析

灌水量对滴灌带堵塞率的影响呈极显著水平（P＜0.01），施氮量对滴灌带堵塞率呈显著影响（P＜0.05），水氮耦合作用对滴灌带堵塞率无显著影响（P＞0.05）。

2.3 灌水均匀度回归预测模型

建立灌水均匀度与滴灌带特征参数的回归方程（见表4）。由表4可知，平均流量偏差、平均相对流量对灌水均匀度有显著影响，灌水均匀度Cu随平均流量偏差的增大而减小，随平均相对流量的增加而增加，这与表4所得结论一致。平均流量偏差和平均相对流量的标准回归系数分别为-0.792和0.253，表明对灌水均匀度的影响表现为

表4 灌水均匀度与滴灌带特征参数回归预测模型

3 结 语

本研究以大田试验使用一年的滴灌带为研究对象，应用滴灌带水力性能综合试验平台对滴灌带流量进行量测，通过平均流量、流量偏差及相对流量等参数，对滴灌带灌水均匀度及堵塞情况进行分析评价，所得结论如下。

（1）高水低肥处理灌水均匀度均高于其他处理，其中I3N0、I3N2 和I2N2 处理灌水均匀度分别为81.01%、80.55%、80.13%，达到国家规范要求。其他处理灌水均匀度较国家规范低5.3%～12.36%，其中以低水高肥处理的灌水均匀度最小。在滴灌施肥条件下，滴灌水量与滴施肥量的合理配比应当在推广应用中重点考虑，以保证随水追肥的肥料利用率和灌水均匀度。

（2）滴灌带历时12 个月的使用期，有3 个处理中灌水均匀度依然能够到达国家规范要求，说明冬小麦、复播玉米种植中不更换滴灌带依然能够满足作物的需水要求，同时可节约滴灌带使用量，降低单位亩投资。在实际生产中，只需使用滴施专用肥，增加肥料溶解度，加装管道过滤装置，减少杂质进入滴灌带，即可实现“一带两用”。