王 睿 李 鵬 王文娥

(1.西安理工大學(xué)旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國家林業(yè)局重點實驗室， 西安 710048; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

在滴灌系統(tǒng)設(shè)備中，滴灌帶是連接首部樞紐與作物的橋梁。灌水均勻系數(shù)是滴灌系統(tǒng)設(shè)計和衡量系統(tǒng)灌水質(zhì)量的重要指標(biāo)，影響灌水均勻系數(shù)的因素很多，如灌水器工作壓力變化、灌水器制造偏差、堵塞情況、水溫變化、微地形變化及滴灌帶長度等[1]。席奇亮等[2]比較了4種滴灌帶鋪設(shè)長度和4種進水壓力交互作用下的灌水均勻度，認為內(nèi)嵌式滴灌帶的灌水均勻度較薄壁式滴灌帶更好，且更適合于較長距離鋪設(shè)使用。馬曉鵬等[3]對滴灌帶灌水均勻系數(shù)影響規(guī)律進行探究，認為0°坡度低壓條件下、滴灌帶長度較短(60～120 m)時，隨著滴灌帶長度的增加，滴灌帶流量成為影響滴灌帶灌水均勻系數(shù)的主要因素。羅春艷[4]研究發(fā)現(xiàn)，滴灌帶進水口的壓力對灌水均勻度產(chǎn)生一定影響，隨著進口壓力的增加，滴頭灌水均勻度呈上升趨勢。提高灌水均勻度目的在于提高作物的品質(zhì)和產(chǎn)量，有學(xué)者從滴灌帶配置方式的角度研究對作物的影響。孔繁宇等[5]設(shè)置不同滴灌帶類型、不同鋪設(shè)長度進行試驗，結(jié)果表明，適合于鋪設(shè)100 m長的3種滴灌帶，即易潤、耐特菲姆(厚、薄)3種，其滴頭流量分別為1.24、1.65、1.25 L/h。李波[6]通過研究不同滴灌帶類型的流量變化情況、玉米的均值產(chǎn)量以及均勻系數(shù)對灌水均勻性的影響，發(fā)現(xiàn)滴灌均勻度對作物產(chǎn)量和均勻度系數(shù)影響不大，卻對作物的千粒質(zhì)量、百粒質(zhì)量影響較顯著。王雪苗等[7]研究了不同灌水處理、不同滴灌帶配置方式對玉米農(nóng)田生產(chǎn)力的影響，結(jié)果表明，全生育期內(nèi)對玉米葉面積、葉片光合勢影響顯著的是灌水處理，灌水定額為450 m3/hm2時，鋪設(shè)方式三行兩管更有利于玉米生長及產(chǎn)量的增加。

滴灌系統(tǒng)首部設(shè)備與滴灌帶的配合及運行模式直接影響系統(tǒng)的灌水施肥均勻度和運行成本。本文擬用比例式施肥泵配合兩種滴灌帶，采用3種不同施肥比例及3種首部壓力，在甘肅省石羊河流域進行灌溉施肥試驗，通過分析不同首部壓力下滴灌帶沿程流量、土壤含水率及玉米農(nóng)田生產(chǎn)力的差異，優(yōu)化滴灌系統(tǒng)設(shè)備配置。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗于2017年5—9月在甘肅省石羊河生態(tài)節(jié)水試驗站進行。該試驗站地處騰格里沙漠邊緣，平均海拔1 581 m，干旱指數(shù)15～25。年平均降雨量160 mm，年平均蒸發(fā)量2 000 mm以上，屬于典型的干旱缺水地區(qū)。試驗站水源為井水，經(jīng)砂石過濾器后通過管道輸送至試驗地。水中主要含有碳酸氫根離子、硫酸氫根離子及氯離子等陰離子，鈣離子、鉀離子及鎂離子等陽離子。pH值8.0，礦化度510 g/L，總硬度0.25 g/L，為中性偏弱堿性淡水，水質(zhì)微硬。土壤類型屬于粉砂質(zhì)粘壤土，0～100 cm土層土壤容重1.52 g/cm3，平均田間持水率為19.3%。

1.2 大田試驗布置

圖1 小區(qū)大田滴管設(shè)備布置圖Fig.1 Field experiment layout for drip irrigation system1.水泵 2.閥門 3.比例式施肥泵 4.取水口 5.精密壓力表6.水表 7.過濾器 8.流量計 9.滴灌帶

試驗采用膜下滴灌水肥一體化灌溉技術(shù)，滴灌系統(tǒng)包括施肥裝置、過濾設(shè)備及灌水器等。其中施肥裝置采用比例式施肥泵，可調(diào)節(jié)施肥比例范圍1%～4%；采用網(wǎng)式、疊片式120目(0.13 μm)過濾器；滴頭采用內(nèi)鑲貼片式(N0.30，滴頭間距S=0.3 m)和側(cè)翼迷宮式滴灌帶(L0.15，滴頭間距S=0.15 m)，膜下滴灌鋪設(shè)方法采用一膜單管雙行種植方式，膜寬0.12 m。供試作物為“先玉335”玉米，采用穴播機進行播種，株距0.25 m，行距0.4 m。將整套滴灌系統(tǒng)布置于長110 m、寬22 m(0.25 hm2)的大田中，將其劃分為4行2列共8個小區(qū)(50 m×3.6 m)，每個小區(qū)布設(shè)1條支管、3條毛管(長50 m)，其中2條毛管首部分別安裝網(wǎng)式、疊片式過濾器。為了防止側(cè)翼迷宮式滴灌帶因管壁較薄而發(fā)生破損，將鋪設(shè)L0.15的首部壓力設(shè)置為0.04、0.05、0.06 MPa，小區(qū)編號F、G、H；將鋪設(shè)N0.30的首部壓力設(shè)置為0.08、0.09、0.10 MPa，小區(qū)編號B、C、D。以上6個小區(qū)進行施肥處理，其余2個小區(qū)分別鋪設(shè)N0.30、L0.15作為清水對照組，小區(qū)編號A及E。單個小區(qū)滴灌系統(tǒng)布置見圖1，管道上設(shè)有量程范圍為0～0.25 MPa的精密數(shù)顯壓力表(Y180型，杭州米科傳感技術(shù)有限公司)、毛管首部設(shè)有超聲波流量計(測量精度±1%)等。

1.3 試驗設(shè)計

為保證各小區(qū)灌水量一致，通過水表計量，達到灌溉水量時關(guān)閉小區(qū)首部閥門即可，而各條毛管流量由流量計計量；過濾器水頭損失(m)由其兩端壓力表差值換算(0.01 MPa換算為1 m)得到(圖1)。施肥泵施肥比例設(shè)置為2%、3%、4%。

根據(jù)當(dāng)?shù)毓喔戎贫?，?017年5月6日進行播種，播種前將30%的尿素(N 280 kg/hm2)、全部硫酸鉀(K2O 90 kg/hm2)作基肥施入，全生育期內(nèi)充分灌溉，9月24日收獲，生育期共計142 d。在6月6日—9月9日期間，共進行9次施肥(磷酸二胺(P2O5) 200 kg/hm2)且各小區(qū)灌溉制度相同，施加磷酸二胺量平均分配，則每次每個小區(qū)0.8 kg。按照施肥比例不同，每個小區(qū)各比例各進行3次重復(fù)，共計9次。結(jié)合當(dāng)?shù)亟涤甑葘崟r情況，灌水周期為8～10 d；保證所施加的肥料均流入管道內(nèi)，設(shè)定每次灌水時間為20 min。各處理分別進行施肥，施肥完畢后統(tǒng)一進行清水灌溉，保證灌水量基本一致。

每次灌水前，采用干燥法進行土壤含水率的測定(每20 cm裝袋)，選取每個小區(qū)首、中及尾部呈“s”形采樣；各生育期至少取一次植株樣本測定作物的干物質(zhì)積累量，每個小區(qū)沿滴灌帶首、尾部各取1株植株，105℃殺青后80℃干燥至恒定質(zhì)量，稱取干質(zhì)量；成熟后，每個小區(qū)沿滴灌帶長度方向選取首(5～15 m)、中(20～30 m)及尾部(35～45 m)各3個重復(fù)晾曬至含水率14%計產(chǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌系統(tǒng)滴灌帶水力性能

2.1.1水力特性曲線

滴灌帶灌水器流量取決于作用壓力，在一定壓力范圍內(nèi)，灌水器水力特性曲線可用流量-壓力關(guān)系式進行描述[8]。根據(jù)兩種滴頭的水力性能試驗結(jié)果，分析了一定壓力范圍內(nèi)滴頭的流量-壓力關(guān)系，繪制了滴灌管水力特性曲線，如圖2所示(圖中q為灌水器流量，h為灌溉壓力)。

圖2 滴灌帶灌水器壓力-流量關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves of drip emitter pressure and flow

2.1.2沿滴灌帶長度方向上的滴頭流量變化

滴灌帶屬于沿程泄流有壓管，由于沿程存在水頭損失，管道內(nèi)作用壓力沿程下降；同時隨著沿程流量逐漸減小，管徑不變，單位長度上的水頭損失逐漸減小，所以滴灌帶沿程壓力降低值逐漸減小，水力坡度逐漸變緩，作用壓力不同導(dǎo)致灌水器流量、均勻系數(shù)不同，進一步影響到土壤的含水率及肥料分布，作物根區(qū)的土壤含水率直接影響作物對水分和肥料的吸收和利用。已知滴灌帶末端壓力，由圖2滴灌帶壓力-流量公式q=5.562h0.636(N0.30)、q=4.326h0.655(L0.15)得到該末端流量后，求得灌水器間管段水頭損失，依次類推，由末孔逆流向上游遞推求得沿程所有滴頭流量[9]，圖3為各小區(qū)在不同初始水頭下沿滴灌帶長度上的滴頭流量變化?？煽吹?，N0.30沿程流量比L0.15沿程流量降低的趨勢緩。L0.15沿程前30 m的滴頭流量下降較快，后20 m趨于滴頭流量趨于水平；而N0.30滴頭流量在前15 m有明顯變化，后35 m趨于水平。原因是滴頭孔距越小，產(chǎn)生的沿程總摩阻損失越大[10]，則流量下降越大。由于L0.15滴頭間距是N0.30的0.5倍，L0.15沿程水頭損失耗損嚴重，流量降幅大。

圖3 不同首部壓力下滴灌帶沿程滴頭流量變化曲線Fig.3 Variation curves of drip flow along line of drip irrigation belt under different head pressures

表1為各小區(qū)滴灌帶灌水均勻度及滴頭平均流量的統(tǒng)計。由滴灌帶沿程灌水器流量，根據(jù)灌水均勻度公式

式中qi——第i個灌水器流量

n——滴頭數(shù)量

求得不同壓力下各小區(qū)(B～D、F～H)滴灌帶灌水均勻度為96.95%、96.74%、96.52%和94.71%、94.60%、94.53%?？梢钥闯?，隨著首部壓力的增大，灌水均勻度在逐漸降低，且關(guān)系顯著(P<0.05)。不同壓力下各小區(qū)滴頭平均流量(B～D、F～H)為1.50、1.63、1.76 L/h及1.09、1.25、1.37 L/h，小區(qū)滴頭平均流量關(guān)系也顯著(P<0.05)。因此，對兩種滴灌帶不同滴頭流量和灌水均勻度下土壤的含水率、作物的生長指標(biāo)及產(chǎn)量進行了分析。

表1 各小區(qū)滴灌帶灌水均勻度及滴頭平均流量Tab.1 Statistics on uniformity of irrigation water and average drip flow rate of drip irrigation belt in each plot

注：同列不同小寫字母表示各處理差異顯著(P<0.05)。

2.2 膜下滴灌玉米各生育期內(nèi)相關(guān)指標(biāo)

2.2.1全生育期不同滴頭流量對土壤含水率的影響

試驗過程中對各小區(qū)滴灌帶首、中、尾部的土壤含水率進行全生育期觀測，圖4(圖中B～D、F～H表示小區(qū)編號，1、2、3分別表示滴灌帶的首、中、尾部，下同)為全生育期內(nèi)60 cm土層土壤的平均含水率動態(tài)變化情況。滴灌帶類型差異使得土壤的平均含水率在生育期內(nèi)變化規(guī)律有所差異，N0.30土壤含水率變化規(guī)律均呈較明顯的先下降后上升趨勢，且隨著滴頭流量的增大其變異系數(shù)依次降低，分別為23.3%、18.8%、12.6%，滴頭流量越大，生育期土壤含水率變化越平穩(wěn)；L0.15土壤含水率變化趨勢平緩，且隨著隨著滴頭流量的增大其變異系數(shù)依次升高，分別為12.2%、12.5%、14.6%，滴頭流量越大，生育期土壤含水率變化越顯著。拔節(jié)期—抽雄期(6月6日—7月10日)、抽雄期—灌漿期(7月11日—8月12日)階段玉米需水量劇增，土壤含水率宜保持在田間持水率的80%左右[12]，即15.4%以上。得到全生育期N0.30土層(60 cm)平均含水率變化顯著且呈先下降后上升趨勢，作物需水時期含水率低于15.4%，因此不能為作物提供充足水分；全生育期L0.15土層(60 cm)平均含水率趨勢穩(wěn)定且保持在15%左右，認為可以為作物提供充足水分。灌漿期—成熟期(8月13日—9月17日)，土壤含水率宜保持在田間持水率的60%[11]，即11.6%，N0.30、L0.15處理均滿足作物適宜的土壤水分條件。

圖4 玉米生育期內(nèi)各小區(qū)滴灌帶首、中、尾部土壤含水率動態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of soil moisture content in head, middle and tail of drip irrigation belts of different plots during maize growth period

2.2.2不同生育期玉米干物質(zhì)質(zhì)量動態(tài)變化

作物產(chǎn)量的形成與干物質(zhì)積累過程密切相關(guān)，產(chǎn)量與最大干物質(zhì)積累速率呈正相關(guān)，積累速率越大，產(chǎn)量越高[12]。定量分析作物生產(chǎn)過程中干物質(zhì)積累的動態(tài)變化是揭示作物產(chǎn)量形成和掌握高產(chǎn)群體調(diào)控指標(biāo)的重要內(nèi)容。圖5(圖中柱狀表示干物質(zhì)積累量，折線表示干物質(zhì)積累速率)為玉米各生育期干物質(zhì)積累量及干物質(zhì)積累速率變化過程。

A、E小區(qū)為清水對照組，由圖5可知，施加肥料可提高作物干物質(zhì)積累量。由于滴灌帶灌水均勻系數(shù)均在90%以上，影響作物干物質(zhì)質(zhì)量差異的原因有可能是作物吸收養(yǎng)分的差異，通過解剖滴灌帶發(fā)現(xiàn)其管壁上附著有較多的白色粉末肥料，是由于施肥輸水過程中肥液中的肥料沉淀引起的?？梢悦黠@觀測到附著在滴灌帶管壁上的白色粉末有所不同，按由多到少依次為D、C、B和H、G、F，說明流速越低，附著在管壁的肥料越多，則尾部作物的肥料利用率越低。

圖5 干物質(zhì)積累量和積累速率隨時間的變化Fig.5 Changes of dry matter accumulation amount and speed with time

兩種滴灌帶下的作物干物質(zhì)積累速率曲線也有較直觀差異，在灌漿期初(7月17日)L0.15的作物干物質(zhì)積累速率漲幅較明顯，此時正是玉米籽粒形成期(玉米灌漿期)，需要保證充足養(yǎng)分和水分，是決定產(chǎn)量高低的關(guān)鍵。相比于N0.30，灌水器流量較小的L0.15更有利于作物產(chǎn)量的提高。

2.2.3各小區(qū)產(chǎn)量沿滴灌帶長度變化規(guī)律

各小區(qū)沿滴灌帶長度上(首、中、尾部各取3個重復(fù)點)的產(chǎn)量分布情況見圖6(圖中折線表示兩種滴灌帶下首、中、尾部產(chǎn)量均值)，并進行顯著性分析得到各小區(qū)的作物產(chǎn)量均差異顯著，且滴灌帶尾部的作物產(chǎn)量較首、中部的作物產(chǎn)量來說總體呈下降趨勢。2.2.2節(jié)中分析原因在于滴灌帶越長，其滴頭流量越小，附著在管壁的肥料越多，則肥液利用率就越低，因此滴灌帶尾部的產(chǎn)量應(yīng)該較低。再分別對不同滴灌帶作物首、中、尾部的產(chǎn)量進行標(biāo)準(zhǔn)差分析，由大到小依次為N0.30首、中、尾部和L0.15中、尾、首部，N0.30毛管的尾部產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)差最低，說明不同滴頭流量下毛管尾部(大于30 m)的作物產(chǎn)量差異小，而L0.15毛管的中部產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)差最高，說明不同滴頭流量下毛管中部產(chǎn)量差異性大。再對不同處理下毛管的首、中、尾部產(chǎn)量均勻性進行分析，發(fā)現(xiàn)隨著滴灌帶長度的增加，N0.30的作物產(chǎn)量均勻性逐漸降低，L0.15的作物產(chǎn)量均勻性逐漸上升，故不同滴頭流量對沿滴灌帶長度方向的產(chǎn)量均勻性有一定影響。

圖6 各小區(qū)沿滴灌帶長度上的產(chǎn)量Fig.6 Yield along length of drip irrigation belt in each plot

3 討論

圖7 各小區(qū)全生育期內(nèi)每一層(60 cm)土壤平均含水率變化Fig.7 Changes of average soil water content of each plot in whole growth period

本文2.2.1節(jié)探討了各生育期60 cm土層的土壤含水率平均值的動態(tài)變化，討論生育期內(nèi)土壤含水率變化對作物生長過程產(chǎn)生的影響。為進一步分析土層土壤水分分布下滴灌帶首、中、尾部作物產(chǎn)量的差異，對各個生育期每層(10 cm)土壤含水率進行平均，如圖7所示。發(fā)現(xiàn)隨著滴頭流量的增大，首、中、尾部的3條土壤平均含水率曲線逐漸重合，而其中N0.30的差異又比L0.15的差異小，分析原因，由于滴灌帶間距不同，致使水平濕潤半徑重疊面積的差異，導(dǎo)致滴頭下濕潤體體積及土壤含水率不同，黃綿土(粉質(zhì)壤土)的濕潤體水平擴散距離R(t)、垂直入滲距離H(t)與入滲時間關(guān)系的表達式[12]為R(t,q)=2.409 1q0.348 2t-0.004 5q+0.376、H(t,q)=2.439 4q0.072 1t0.408 5q0.080 7。該試驗選取土樣與本試驗土質(zhì)相似，由此得到濕潤半徑R和濕潤體體積V的關(guān)系式為V=2nπR(t,q)2H(t,q)/3，見表2。當(dāng)L0.15滴頭的水平濕潤半徑為7.5 cm時，表層濕潤面積開始重疊(20 min)，此時N0.30滴頭水平濕潤半徑小于15 cm，濕潤面積未發(fā)生重疊；當(dāng)N0.30滴頭間水平濕潤半徑達到15 cm時，歷時100 min，此時L0.15滴頭水平濕潤半徑達到14 cm，表層重疊面積幾乎達到50%。在兩個點源擴散下的濕潤體含水率相比在一個點源擴散下的濕潤體含水率大，土壤含水率基數(shù)大，則蒸散發(fā)、降雨等相同環(huán)境下土壤含水率變化幅度相對較低。結(jié)合2.2.1節(jié)不同時期土壤含水率變化趨勢，解釋了N0.30的土壤含水率變異系數(shù)大，而L0.15的土壤含水率變異系數(shù)小的原因。

表2 滴頭不同平均流量下濕潤體半徑及體積Tab.2 Radius and volume of wetting body under different average flow rates of emitter

4 結(jié)論

(1)滴灌帶類型差異使得土壤的平均含水率在生育期內(nèi)變化規(guī)律有所差異，N0.30土壤含水率變化規(guī)律呈較明顯的先下降后上升趨勢，且隨著滴頭流量的增大，在全生育期土壤含水率變化越平緩；L0.15土壤含水率變化趨勢平緩，且隨著滴頭流量的增大，在全生育期土壤含水率變化越顯著。L0.15下全生育期土壤含水率均滿足作物生長的需求，可以為作物提供充足水分。

(2)流入滴灌帶的肥液流速越低、長度越長，附著在管壁的肥料質(zhì)量越多，尾部作物的肥料利用率越低，致使養(yǎng)分吸收少，作物產(chǎn)量降低。

(3)對不同處理下毛管的首、中、尾部產(chǎn)量均勻性進行分析表明，隨著滴灌帶長度的增加，N0.30的作物產(chǎn)量均勻性逐漸降低，L0.15的作物產(chǎn)量均勻性逐漸上升，故不同滴頭流量對沿滴灌帶長度方向的產(chǎn)量均勻性有一定影響。