仵 峰，楚運(yùn)旺，宰松梅，王富斌，劉生東

(1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南鄭州450046;2.河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450046)

中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，同時(shí)又是一個(gè)水資源匱乏的國(guó)家，每年消耗在農(nóng)田灌溉上的水量占全社會(huì)用水總量50%以上。中國(guó)的灌溉水利用系數(shù)僅為0.51［1］，與發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在一定差距，亟需探尋一種符合中國(guó)國(guó)情的節(jié)水灌溉技術(shù)，緩解農(nóng)業(yè)用水的壓力。地下灌溉由來已久，灌溉水經(jīng)埋設(shè)在距地表10～40 cm處的滲水毛管或滴頭對(duì)作物根區(qū)進(jìn)行灌溉［2-4］，與地面灌溉相比可節(jié)水70%～80%［5］。研究表明，地下灌溉可調(diào)節(jié)土壤理化性狀，提高土壤孔隙度，改善耕作層土壤結(jié)構(gòu)［6-7］，改良土壤的水熱條件［8］，降低管理成本，提高作物品質(zhì)，促進(jìn)作物增產(chǎn);且灌水管網(wǎng)埋于地下，可節(jié)省土地，提高土地利用率［9］。但由于地下灌溉存在滴頭易堵塞［10］、維修難度大、毛管回收成本高等問題［11］，限制了其發(fā)展。近幾年來，涌現(xiàn)出負(fù)壓灌溉及痕量灌溉等新型灌溉技術(shù)［12-13］，但這些技術(shù)均有其適用條件，甚至還存在部分技術(shù)難題，推廣應(yīng)用尚存爭(zhēng)議［14］。

秸稈作為農(nóng)田產(chǎn)物之一，其產(chǎn)量占比可達(dá)作物生物總量的50%左右［15］，隨著糧食的連年增產(chǎn)，中國(guó)作物秸稈年產(chǎn)量已超出 1×109t［16］。秸稈“五化”［17］為秸稈的綜合利用提供了新思路，其中秸稈還田(秸稈肥料化)是維持作物生產(chǎn)力和培肥地力的有效措施［18-26］，也是秸稈資源化利用的主要手段之一。但由于秸稈直接還田存在著秸稈與土壤的混合度差，影響機(jī)械耕作和作物出苗［27］;微生物與作物爭(zhēng)奪速效氮素影響作物生長(zhǎng)［28］;以及秸稈直接還田可能帶來的病蟲害隱患等問題［29］，使其難以實(shí)現(xiàn)全量還田或者連續(xù)還田。目前，中國(guó)秸稈還田占比 43.2%［30］，與美國(guó)(68%)、英國(guó)(73%)以及日本(75%)還存在較大差距［31-32］。

綜合考慮地下灌溉與秸稈還田兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與不足，參照在秸稈材料化利用方面已有的研究結(jié)論［33-34］，自主研發(fā)了秸稈復(fù)合管成型機(jī)，用于制作新型的地下灌溉綠色管材——秸稈復(fù)合管。秸稈復(fù)合管應(yīng)用于地下灌溉，既可達(dá)到灌溉的目的，又能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)作物秸稈的集中處理，在開發(fā)一種新型節(jié)水灌溉模式的同時(shí)，開辟了一種秸稈還田的新途徑。本文對(duì)埋于田間的秸稈復(fù)合管進(jìn)行了初步灌水試驗(yàn)，研究了利用秸稈復(fù)合管進(jìn)行地下灌溉的可行性。針對(duì)秸稈摻量及秸稈復(fù)合管長(zhǎng)度2個(gè)因素，對(duì)秸稈復(fù)合管的水力性能進(jìn)行了初步分析，為以秸稈復(fù)合管為核心的秸稈地下灌溉技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2019年1月14日至3月24日在河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。所用秸稈為試驗(yàn)田中收獲的前茬玉米秸稈，玉米品種為鄭單958。玉米收獲后，用秸稈還田機(jī)將其打碎，并收集3～8 cm長(zhǎng)的秸稈碎段備用。制作秸稈復(fù)合管的土壤取自試驗(yàn)田中的表層土，土壤類型為沙質(zhì)壤土，干容重為 1.4 g·cm-3。

試驗(yàn)所需的秸稈復(fù)合管由自主研發(fā)的秸稈復(fù)合管成型機(jī)制成。秸稈復(fù)合管成型機(jī)組成如圖1所示，主要由入料口、外殼、螺旋軸、支架、底座、軸承、聯(lián)軸器以及電機(jī)等8部分組成，其中電機(jī)是整個(gè)裝置的動(dòng)力來源，為螺旋軸的轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力;螺旋軸為變徑螺旋軸，軸轂上附有等寬圓錐螺旋葉片;螺旋軸至無縫鋼管與圓錐外殼連接處改為由直徑2.8 cm的圓柱狀軸轂連接，外殼依據(jù)螺旋軸形狀設(shè)計(jì)為圓錐狀，其前端出料口處用法蘭將圓錐外殼和長(zhǎng)10 cm內(nèi)徑6.0 cm的無縫鋼管連接。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制，配備了減速比為23∶1的減速機(jī)以及型號(hào)為Z2400-3R7G/5R5P的電流矢量型變速調(diào)頻器。

圖1 秸稈復(fù)合管成型機(jī)的組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Composition and structure of straw composite pipe forming machine

1.1 秸稈復(fù)合管的制備材料及性能

秸稈復(fù)合管是由秸稈、水、土壤混合物經(jīng)秸稈復(fù)合管成型機(jī)擠壓而成的中空管道，如圖2所示。秸稈復(fù)合管內(nèi)徑，外徑，質(zhì)地均勻，內(nèi)壁光滑。管壁上分布有均勻的微小裂縫，具有較好輸水、透水條件，具備成為一種新型灌溉材料的潛質(zhì)。

觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)秸稈復(fù)合管成型機(jī)混合擠壓之后，秸稈主要以較小的條塊狀秸稈和纖維狀的秸稈絲2種形態(tài)存在。條塊狀秸稈在復(fù)合管中作為骨架，維系復(fù)合管的斷面穩(wěn)定，使其在過水狀態(tài)下不易垮塌。纖維狀的秸稈絲則可起連接作用，增加了復(fù)合管的抗拉性能，使其不易發(fā)生斷裂。根據(jù)試驗(yàn)要求不同，可以制作出不同長(zhǎng)度的秸稈復(fù)合管。秸稈復(fù)合管埋于作物根層附近，灌溉時(shí)，水流經(jīng)管壁及微小裂縫滲出，擴(kuò)散至周圍土壤，從而達(dá)到灌溉的目的。

1.2 秸稈復(fù)合管的性能試驗(yàn)方法

為探究秸稈復(fù)合管能否應(yīng)用于灌溉及其灌水效果等問題，以秸稈摻量及秸稈復(fù)合管長(zhǎng)度為試驗(yàn)因素進(jìn)行了田間小區(qū)灌水試驗(yàn)，研究秸稈復(fù)合管的水力性能。經(jīng)預(yù)試驗(yàn)可知，秸稈摻量的合理范圍在9%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))以內(nèi)，試驗(yàn)選取3個(gè)秸稈摻量分別為5%、7%和9%;受試驗(yàn)條件限制，初步試驗(yàn)選取的2個(gè)管長(zhǎng)分別為1.0 m和3.5 m。試驗(yàn)開始前對(duì)所取用來制作秸稈復(fù)合管的土壤以及秸稈進(jìn)行含水率的測(cè)量，并用薄膜對(duì)其進(jìn)行覆蓋處理，減少期間水分蒸發(fā)，以保證所測(cè)含水率的準(zhǔn)確性。經(jīng)預(yù)試驗(yàn)得知，混合料的綜合含水率在22%(質(zhì)量含水率)左右時(shí)，秸稈復(fù)合管的成型效果良好。試驗(yàn)前，調(diào)整混合料的初始含水率，當(dāng)其含水率為22%時(shí)進(jìn)行秸稈復(fù)合管的制作。

圖2 秸稈復(fù)合管試樣Fig.2 Straw composite pipe sample

表1 因素水平表Table 1 Factor level table

為避免電機(jī)轉(zhuǎn)速、埋管溝寬及斷面規(guī)格、埋管間距等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，試驗(yàn)中電機(jī)轉(zhuǎn)速定為50 r·min-1，埋管溝等腰梯形斷面為溝深16 cm、下底寬度10 cm、上口寬度15 cm。復(fù)合管埋深10 cm(復(fù)合管的頂端距地表的距離)，管距50 cm。埋管時(shí)，管與溝之間的空隙及其上方的回填土進(jìn)行人工壓實(shí)。

每組試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)，以平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)因素水平布置如表1所示。

為排出秸稈復(fù)合管內(nèi)空氣，將自帶排氣功能的輸水管(管壁上方嵌入一根與外界連通的內(nèi)徑為6 mm的塑料軟管)插入秸稈復(fù)合管中，用粘土對(duì)連接處進(jìn)行密封。試驗(yàn)前先對(duì)復(fù)合管進(jìn)行充水，用燒杯在輸水管道另一端向管內(nèi)進(jìn)行充水，直至排氣管開始滴水，用止水夾封閉排氣管，連通供水管道開始試驗(yàn)。利用馬氏瓶原理，采用自制的恒壓供水裝置對(duì)秸稈復(fù)合管進(jìn)行供水，壓力水頭為0.5 m。試驗(yàn)開始后，每隔10 min記錄一次供水量，直至試驗(yàn)結(jié)束。

灌水試驗(yàn)時(shí)間控制為2 h，灌水結(jié)束后，對(duì)地表土壤濕潤(rùn)寬度進(jìn)行測(cè)量，利用地表土壤濕潤(rùn)面狀況，對(duì)灌水均勻度進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用等間距法對(duì)地表濕潤(rùn)寬度進(jìn)行測(cè)量，管長(zhǎng)1.0 m、3.5 m的秸稈復(fù)合管測(cè)量間距分別為0.2、0.5 m。

灌水均勻度計(jì)算公式如下:

式中，Cu為均勻度;bi為i測(cè)點(diǎn)地表濕潤(rùn)寬度(m);b為各測(cè)點(diǎn)地表平均濕潤(rùn)寬度(m);n為試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)總數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈復(fù)合管的出流量

由于秸稈復(fù)合管埋于地下，其出流量難以直接測(cè)量。根據(jù)水量平衡原理，以自制的恒壓供水裝置的供水量作為秸稈復(fù)合管地下灌溉的出流量。單位管長(zhǎng)上各組單位長(zhǎng)度秸稈復(fù)合管的10 min出流量(mL·m-1)及累計(jì)出流量(mL·m-1)統(tǒng)計(jì)見表2。

由表2可知，不同秸稈摻量及管長(zhǎng)對(duì)單位時(shí)段內(nèi)秸稈復(fù)合管單位管長(zhǎng)的10 min出流量影響規(guī)律大致相同。灌水前期單位管長(zhǎng)的10 min出流量較大，隨灌水時(shí)間的延長(zhǎng)，出流量逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。秸稈復(fù)合管的管長(zhǎng)對(duì)其出流量具有較大影響。秸稈摻量為5%、7%、9%水平下，管長(zhǎng)為3.5 m的秸稈復(fù)合管單位長(zhǎng)度的累計(jì)出流量比管長(zhǎng)為1.0 m的分別高出71.66%、77.52%、8.14%，表明隨著管長(zhǎng)的增長(zhǎng)，單位管長(zhǎng)的累計(jì)出流量有明顯增大的趨勢(shì)，即管長(zhǎng)越長(zhǎng)，出流量越大。其中秸稈摻量在5%和7%水平下，3.5 m秸稈復(fù)合管比1.0 m秸稈復(fù)合管單位長(zhǎng)度累計(jì)出流量大70%以上，可能是由于秸稈復(fù)合管表面裂縫的累積效應(yīng)所致，具體原因仍需進(jìn)一步深入研究。而秸稈摻量為9%時(shí)，3.5 m與1.0 m秸稈復(fù)合管單位長(zhǎng)度的累計(jì)出流量增加比率與前兩組相比存在較大差距，主要是處理T3在灌水過程中發(fā)生了管涌，累計(jì)出流量偏大導(dǎo)致其計(jì)算值偏小，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)系列的完整性，處理T3灌水試驗(yàn)數(shù)據(jù)以前20 min參與分析，處理T2則整個(gè)試驗(yàn)過程均參與試驗(yàn)分析。

表2 單位長(zhǎng)度秸稈復(fù)合管10 min出流量統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of 10 min output flow of unit length SCP

此外，秸稈摻量的變化對(duì)秸稈復(fù)合管的單位長(zhǎng)度累計(jì)出流量也有一定影響，與摻量為5%的秸稈復(fù)合管相比，摻量為7%和9%時(shí)，1.0 m和3.5 m長(zhǎng)的秸稈復(fù)合管單位長(zhǎng)度累計(jì)出流量分別少了12.60%、15.80%和9.09%、18.70%。秸稈摻量為5%時(shí)，秸稈復(fù)合管單位長(zhǎng)度的累計(jì)出流量最大，出流量相對(duì)穩(wěn)定，滲水效果最好。

2.2 秸稈復(fù)合管的入滲速率

根據(jù)秸稈復(fù)合管各個(gè)時(shí)段的出流量計(jì)算出對(duì)應(yīng)時(shí)段內(nèi)的入滲速率，秸稈復(fù)合管入滲速率隨時(shí)間變化過程見圖3。

由圖3可知，管長(zhǎng)為3.5 m時(shí)比管長(zhǎng)為1.0 m時(shí)前期入滲速率大，且波動(dòng)幅度也較大;隨著灌水時(shí)間的增長(zhǎng)，2組管長(zhǎng)的入滲速率均漸趨平穩(wěn)，最終均接近于穩(wěn)定入滲。整個(gè)秸稈復(fù)合管入滲過程可分為3個(gè)階段:初始入滲階段(0～30 min)、波動(dòng)階段(30～90 min)、穩(wěn)定入滲階段(90～120 min)。初始入滲階段，各組的入滲速率均明顯下降;波動(dòng)階段，各組入滲速率下降趨勢(shì)變緩，但入滲速率波動(dòng)幅度較大;灌水90 min后，各組入滲速率均趨于平穩(wěn)，達(dá)到穩(wěn)定入滲。處理T3入滲速率在20～30 min時(shí)發(fā)生突變，致使其入滲速率與處理T1和T2產(chǎn)生較大差異，這主要是因?yàn)樵囼?yàn)進(jìn)行到20 min時(shí)，其中1根秸稈復(fù)合管在距管頭20 cm處發(fā)生了管涌，另外2根雖未發(fā)生管涌，但在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)其出流量也明顯大于處理T1和T2，導(dǎo)致該時(shí)間段內(nèi)入滲速率變化波動(dòng)較大，具體原因有待深入研究。處理T5灌水進(jìn)行到40 min時(shí)，發(fā)現(xiàn)灌水區(qū)域表層土內(nèi)有蚯蚓活動(dòng)，進(jìn)而引起灌水量有較大波動(dòng)，移除蚯蚓后，灌水恢復(fù)正常。

圖3 秸稈復(fù)合管入滲速率隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Infiltration rate change of SCP

表3為各處理的秸稈復(fù)合管初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率和平均入滲速率統(tǒng)計(jì)。綜合分析圖3、表3可知，秸稈復(fù)合管的初始入滲速率為247.13～632.52 mL·m-1·min-1，穩(wěn)定入滲速率為165.67～221.87 mL·m-1·min-1。秸稈復(fù)合管的入滲速率和秸稈摻量存在一定聯(lián)系。隨著秸稈摻量的增大，平均入滲速率趨于減小，秸稈摻量為5%時(shí)，秸稈復(fù)合管的平均入滲速率最大。處理T3初始入滲速率明顯大于處理T2，表明處理T3發(fā)生管涌之前其入滲速率就已經(jīng)發(fā)生突變。入滲速率的波動(dòng)程度，反映了秸稈復(fù)合管在整個(gè)灌水過程中的穩(wěn)定程度，入滲速率變化越小，說明秸稈復(fù)合管的水力性能越佳。排除試驗(yàn)以外因素影響，處理T2和T5在整個(gè)灌水過程中，入滲速率的波動(dòng)幅度最小，說明該兩個(gè)處理秸稈復(fù)合管的水力性能比較穩(wěn)定，即秸稈摻量為7%時(shí)，秸稈復(fù)合管的水力性能最為穩(wěn)定。此外，管長(zhǎng)對(duì)秸稈復(fù)合管的平均入滲速率和穩(wěn)定入滲速率也有較大的影響，管長(zhǎng)為3.5 m時(shí)比管長(zhǎng)為1.0 m時(shí)單位管長(zhǎng)的平均入滲速率和穩(wěn)定入滲速率分別高出47.38%和11.68%。

2.3 秸稈復(fù)合管的滲水均勻度

灌水試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)秸稈復(fù)合管進(jìn)行地表濕潤(rùn)寬度統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4所示。

表3 入滲速率統(tǒng)計(jì)/(mL·m-1·min-1)Table 3 Infiltration rate statistics

圖4 不同位置處地表濕潤(rùn)寬度Fig.4 Wetwidth of surface at different positions

由圖4可知，隨著秸稈摻量的增加，地表濕潤(rùn)寬度總體上呈增加趨勢(shì)。處理T3試驗(yàn)的地表濕潤(rùn)寬度與試驗(yàn)中管涌出現(xiàn)有關(guān)，管涌的出現(xiàn)造成了地表濕潤(rùn)寬度顯著增加。

通過公式(1)對(duì)秸稈復(fù)合管的灌水均勻度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，灌水結(jié)束時(shí)秸稈復(fù)合管灌水均勻度在67.09%～85.00%之間，表明秸稈復(fù)合管具備成為一種新型灌溉材料的潛質(zhì)，在一定程度上能夠滿足農(nóng)田的灌溉需求。在管長(zhǎng)為1.0 m時(shí)，秸稈摻量為7%時(shí)秸稈復(fù)合管的灌水均勻度最高(85.00%);而管長(zhǎng)為3.5 m時(shí)，秸稈摻量5%時(shí)秸稈復(fù)合管的灌水均勻度最高(81.38%)。秸稈復(fù)合管長(zhǎng)度相同時(shí)，隨著秸稈摻量的變化，其灌水均勻度的變化規(guī)律不盡一致。處理T3單位長(zhǎng)度累計(jì)出流量比處理T1和T2分別高出29.05%、47.65%，而灌水均勻度卻分別降低6.78%、7.41%，主要是由于灌水試驗(yàn)開始后發(fā)生管涌，形成地表積水，加速了該區(qū)域濕潤(rùn)鋒的擴(kuò)散速度，導(dǎo)致測(cè)量的地表濕潤(rùn)寬度值偏大，灌水均勻度偏低。處理T6灌水均勻度也顯著低于處理T4和T5，且灌水過程未發(fā)生異常，其主要原因可能與秸稈摻量有關(guān)。處理T6秸稈摻量最大(9%)，在管材制作過程中，成型難度較大，且由于管長(zhǎng)的要求，使這一問題變得尤為突出，導(dǎo)致最終測(cè)得的灌水均勻度僅為67.09%，具體造成其灌水均勻度偏低的原因，有待深入研究。

管長(zhǎng)對(duì)秸稈復(fù)合管的灌水均勻度也有較大影響，秸稈摻量為5%、7%、9%條件下，管長(zhǎng)為3.5 m時(shí)秸稈復(fù)合管的灌水均勻度比管長(zhǎng)為1.0 m時(shí)分別降低3.60%、5.45%、13.72%。

3 討論與結(jié)論

秸稈復(fù)合管由秸稈、土壤以及水按一定比例混合，經(jīng)秸稈復(fù)合管成型機(jī)擠壓成型。經(jīng)前期研究以及試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)秸稈復(fù)合管的性能進(jìn)行了初步研究，表明將秸稈復(fù)合管用于灌溉具有一定的可行性。主要結(jié)論如下:

(1)管長(zhǎng)對(duì)秸稈復(fù)合管的出流量和灌水均勻度影響明顯。在秸稈摻量為5%、7%、9%水平下，處理T4、T5、T6的單位長(zhǎng)度累計(jì)出流量比處理 T1、T2、T3分別增加71.66%、77.52%、8.14%，灌水均勻度分別減小3.60%、5.45%、13.72%。管長(zhǎng)對(duì)秸稈復(fù)合管的灌水效果具有較大影響，而秸稈復(fù)合管管長(zhǎng)對(duì)其水力性能的影響機(jī)理仍需深入研究。

(2)秸稈摻量對(duì)秸稈復(fù)合管的出流量、入滲速率以及灌水均勻度均有影響。隨著秸稈摻量的增加，單位長(zhǎng)度秸稈復(fù)合管的累計(jì)出流量趨于減小。管長(zhǎng)為1.0m和3.5 m時(shí)，秸稈摻量為7%和9%的秸稈復(fù)合管單位長(zhǎng)度累計(jì)出流量分別比秸稈摻量為5%時(shí)減少了12.60%、15.80%和9.09%、18.70%;秸稈摻量為7%時(shí)，2個(gè)管長(zhǎng)秸稈復(fù)合管的入滲速率波動(dòng)最小，水力性能最為穩(wěn)定。在秸稈摻量為7%時(shí)，1.0 m長(zhǎng)的秸稈復(fù)合管灌水均勻度達(dá)到最高，在秸稈摻量為5%時(shí)，3.5 m長(zhǎng)秸稈復(fù)合管灌水均勻度達(dá)到最高，分別為85.00%和81.38%。

(3)綜合考慮出流量、入滲速率、均勻度等試驗(yàn)指標(biāo)，認(rèn)為秸稈復(fù)合管具備作為灌水毛管用于田間灌溉的條件，秸稈摻量在5%～7%時(shí)，秸稈復(fù)合管的水力性能最優(yōu)。

秸稈復(fù)合管的研發(fā)是秸稈還田及地下灌溉兩項(xiàng)技術(shù)的集成與創(chuàng)新。秸稈復(fù)合管以秸稈為骨架，原料均來自于田間，有望實(shí)現(xiàn)秸稈全量還田和持續(xù)還田，并為傳統(tǒng)秸稈還田導(dǎo)致的作物出苗效果不佳、土壤碳氮比失調(diào)、集中調(diào)控與防治病蟲害創(chuàng)造了便捷條件。與傳統(tǒng)地下灌溉的一年鋪設(shè)、多年使用模式相比，秸稈復(fù)合管的應(yīng)用更具可變性和靈活性。試驗(yàn)證實(shí)了秸稈復(fù)合管用于田間灌溉具備一定的可行性，秸稈復(fù)合管地下灌溉有望成為一種新型節(jié)水灌溉方式。但將秸稈復(fù)合管應(yīng)用于地下灌溉的研究尚處于萌芽階段，存在諸多問題亟需解決，如管材的水力性能、耐久性，節(jié)水效果以及秸稈腐解的碳氮比調(diào)節(jié)等，仍需進(jìn)行深入研究。