石文鵬，王文娥，胡笑濤，徐 茹

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

水藥一體化是指在灌溉的過程中，通過管道將充分溶解混合后的藥液隨水一同輸送至作物根部的灌溉施藥模式[1]，以其高效節(jié)水節(jié)藥，精確控制灌水量、施藥量和時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為當(dāng)下國(guó)內(nèi)最具推廣價(jià)值的節(jié)水灌溉技術(shù)之一[2]，能緩解我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中水分農(nóng)藥利用率低的問題。微噴帶自20世紀(jì)90年代進(jìn)入我國(guó)，由于性能優(yōu)、價(jià)格低，在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛，深受用戶歡迎[3,4]。與其他灌溉設(shè)備相比，微噴帶具有投資少、工作壓力低、出水量大、可實(shí)現(xiàn)水肥藥一體化等突出優(yōu)點(diǎn)[5,6]。陳林[7]、程功、魏義長(zhǎng)[8]等研究人員通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)除草劑隨滴灌灌水施用是可行的，既可以有效防止雜草生長(zhǎng)，又可顯著改善煙草的經(jīng)濟(jì)和農(nóng)藝性狀；同時(shí)指出不同除草劑在控制雜草的同時(shí)也有不同的負(fù)面效果，如除草劑對(duì)下茬作物的影響等，因此選擇除草劑時(shí)應(yīng)以土壤處理為主、莖葉處理為輔，主防主要雜草兼防次要雜草為原則。馬冬梅[9]運(yùn)用滴灌施藥方法對(duì)棉花田間惡性雜草龍葵進(jìn)行防治，結(jié)果顯示藥劑處理區(qū)棉花生長(zhǎng)正常，根系、幼芽均未發(fā)現(xiàn)明顯藥害反應(yīng)；對(duì)其他非靶標(biāo)生物(棉花害蟲及天敵)無任何影響。WANG D等[10]用2種地埋滴灌(深度2～5、30 cm)處理對(duì)比傳統(tǒng)的注射方式發(fā)現(xiàn)，1，3-二氯丙烯(1,3-dichloropropene)的散失量分別為66%、57%和90%，滴灌處理具有明顯優(yōu)勢(shì)。目前的研究成果表明，利用微灌進(jìn)行水藥一體化施用可以達(dá)到很好的施藥效果。由于藥品施用的均勻度直接影響大田除草效果，進(jìn)一步影響作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量，因此施藥均勻度是評(píng)價(jià)施藥質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。水藥一體化條件下，農(nóng)藥隨灌溉水一起輸移，灌溉水到達(dá)的位置農(nóng)藥才能到達(dá)，所以灌水均勻度直接影響施藥均勻度。微灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)影響灌水均勻度，進(jìn)一步影響隨水施藥時(shí)的施藥均勻度。

由于農(nóng)藥一般毒性較大，施藥時(shí)間一般較短，而水中或者土壤中的農(nóng)藥檢測(cè)難度大、檢測(cè)費(fèi)用高[11,12]，因此目前的研究主要集中在使用微灌系統(tǒng)施藥的防治效果方面，如除草效果[13,14]等，對(duì)水藥一體化微灌技術(shù)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及其性能、施藥均勻度等缺少深入研究。本文通過微噴帶隨水施不同濃度除草劑試驗(yàn)，觀測(cè)微噴帶噴灑范圍內(nèi)不同位置處大田除草效果，計(jì)算株防效，比較除草劑配置濃度不同時(shí)的除草均勻度，確定適宜的配藥濃度，建立施藥均勻度與施藥濃度的關(guān)系，為水藥一體化施用技術(shù)的不斷完善與大面積推廣應(yīng)用提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)基本情況

試驗(yàn)于2017年10月至2018年7月，在位于甘肅省武威市涼州區(qū)的石羊河節(jié)水試驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行，地理位置為37°52′N，102°50′E。該地全年日照平均時(shí)數(shù)為3 200～3 300 h，年平均氣溫在8 ℃左右，無霜期在150 d以上，多年平均降雨量為164.4 mm，屬典型的荒漠綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。供試除草劑為50%二氯喹啉酸(3，7-二氯-8-喹啉羧酸，Quinclorac)可濕性粉劑(江蘇富田農(nóng)化有限公司生產(chǎn))，微噴帶為φ32單列斜5孔，孔水平間距2.5 cm，孔組間距19.3～19.4 cm，孔組傾斜度11°，孔徑0.7 mm，壁厚0.02 mm，最大承受壓強(qiáng)100 kPa。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

采用水藥一體化微噴帶施藥時(shí)，除草劑先放入施藥器與水混合(濃度較高)，之后進(jìn)入微噴帶與灌溉水混合(稀釋)后噴入田間。每一試驗(yàn)小區(qū)噴灑的藥量等于藥液濃度與噴灑藥液量的乘積。

微噴帶藥量分布受水量分布影響，因此首先進(jìn)行了微噴帶噴灑水量分布試驗(yàn)。試驗(yàn)采用φ32微噴帶，結(jié)構(gòu)如圖1所示，鋪設(shè)長(zhǎng)度40 m、首部壓強(qiáng)55 kPa，在微噴帶的首、中、尾設(shè)置3個(gè)取樣點(diǎn)，分別距微噴帶水流入口位置3、20和37 m。每個(gè)取樣點(diǎn)放置3×8共24個(gè)燒杯，如圖1所示。待微噴帶壓力穩(wěn)定后，用燒杯接取噴灑水量，計(jì)時(shí)30 min，試驗(yàn)完成后對(duì)燒杯中接收的水進(jìn)行稱重，試驗(yàn)重復(fù)3次。距微噴帶相同位置取3個(gè)燒杯水量平均值，取3次重復(fù)的平均值作為該位置的試驗(yàn)值。

圖1 微噴帶結(jié)構(gòu)及水量分布試驗(yàn)布置Fig.1 Layout of micro-sprinkler belt structure and water distribution test

清水噴灑試驗(yàn)后，進(jìn)行大田水藥一體微噴帶施藥均勻性試驗(yàn)。試驗(yàn)處理設(shè)置詳見表1，水藥一體微噴帶施藥均勻性試驗(yàn)布置方式如圖2所示。

試驗(yàn)分為A、B、C 3個(gè)施藥試驗(yàn)區(qū)和1個(gè)對(duì)照區(qū)D(不施除草劑)共4個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)均為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)40 m，寬5 m，面積200 m2，由2條微噴帶控制(單條噴幅2.5 m)。除草劑用量選用當(dāng)?shù)剞r(nóng)民除草時(shí)常用的量，即1.522 5 kg/hm2。4個(gè)試驗(yàn)小區(qū)施用的除草劑總量相同，但采用不同的除草劑濃度施入，其中A、B、C施藥試驗(yàn)區(qū)的除草劑藥液濃度分別為1.5、2.0、3.0 g/L。

表1 水肥一體微噴帶施肥均勻性試驗(yàn)設(shè)置Tab.1 Test setting of uniformity of fertilizer application with water-fertilizer integrated micro-sprinkler belt

實(shí)際施用時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，稱取相應(yīng)質(zhì)量的50%二氯喹啉酸除草粉劑，加水?dāng)嚢枞芙夂?，放入施藥器中。除草劑匯入灌溉水的時(shí)間為麥田出苗后第一次灌水完成前5 min，施藥完成后再用清水沖洗管道5 min。

圖2 水藥一體化微噴帶施藥系統(tǒng)試驗(yàn)裝置Fig.2 Schematic diagram of test device for water-pesticide integrated micro-spraying belt spraying system

以試驗(yàn)區(qū)A為例，打開開關(guān)a1、b1，調(diào)節(jié)壓力至55 kPa，待壓力穩(wěn)定后打開施藥器開關(guān)b2，施藥完成后關(guān)閉開關(guān)b2，注清水5 min，關(guān)閉開關(guān)a1、b1。通過同樣方法對(duì)試驗(yàn)區(qū)B、C完成施藥，試驗(yàn)區(qū)D不施藥，施相同時(shí)間清水。

1.3 微噴帶施藥均勻度及施藥效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

株防效測(cè)定方法：試驗(yàn)完成后采用絕對(duì)值調(diào)查法計(jì)算每個(gè)試驗(yàn)區(qū)的株數(shù)防效。如圖2所示，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)取3個(gè)取樣帶，每個(gè)取樣帶距進(jìn)藥口距離分別為3、20、37 m，每個(gè)取樣帶沿垂直微噴帶方向連續(xù)取5 個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)0.5 m×0.5 m，共計(jì)0.25 m2，施藥8、16 d后目測(cè)試驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū)雜草情況，觀察雜草有無干枯、黃化、枯萎、枯斑等癥狀；施藥30 d后觀察小麥有無畸形、病害等，并統(tǒng)計(jì)每個(gè)取樣點(diǎn)內(nèi)雜草數(shù)量，計(jì)算雜草株數(shù)防效。

株防效[15]計(jì)算公式：

(1)

式中：K為株數(shù)防效指數(shù)；Ei為對(duì)照區(qū)雜草數(shù)，株；Ec為試驗(yàn)區(qū)雜草數(shù)，株。

施藥均勻度是衡量微灌系統(tǒng)施藥質(zhì)量的重要指標(biāo)，施藥均勻性過低會(huì)使除草不均勻、或者殺草效果不理想，造成作物的產(chǎn)量和質(zhì)量下降、除草劑利用率低或殘留等危害[16]，嚴(yán)重的還會(huì)使作物絕收[17]。因此對(duì)微灌系統(tǒng)施藥均勻性的評(píng)估是系統(tǒng)管理的重要內(nèi)容。目前隨水施除草劑研究?jī)?nèi)容主要集中在除草效果方面，能對(duì)適宜的除草劑種類或者濃度提出建議，并不能直觀地評(píng)價(jià)除草劑在微噴灌農(nóng)田中的施用均勻度。參考微灌灌水均勻度計(jì)算方法，結(jié)合除草劑除草株防效的分布，均勻度計(jì)算方法如下：

(1)噴灌系統(tǒng)的水量分布均勻度。常用克里斯琴森均勻系數(shù)[18]表示，可以反映施藥量平均偏差，計(jì)算公式為：

(2)

(2)分布均勻度DU。田間實(shí)際施藥時(shí)，由于施藥裝置的差異或者人為造成的不可控因素，導(dǎo)致一些地方的施藥量低于保證作物正常生長(zhǎng)的最低藥量，該指標(biāo)重點(diǎn)關(guān)注防治效果較低的部分，有利于保證作物獲得必要的最低施藥量。計(jì)算公式為：

(3)

(3)統(tǒng)計(jì)均勻度[19]。它是用統(tǒng)計(jì)分析的方法，研究微噴帶噴施藥量分布的整體均勻度，比Cu更側(cè)重施藥量的整體均勻性，用US表示：

(4)

(5)}

式中：Sx為觀測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)差；US為統(tǒng)計(jì)均勻度，%。

2 結(jié)果與分析

2.1 微噴帶噴灑水量分布

隨水施用除草劑時(shí)，微噴帶藥量分布與水量分布直接相關(guān)，且BURT[20]提出微噴帶灌溉水肥分布的非均勻性大約45%由水壓導(dǎo)致，水藥一體化同理，因此，需要對(duì)微噴帶水量分布特點(diǎn)進(jìn)行研究。

設(shè)置試驗(yàn)對(duì)微噴帶水量分布進(jìn)行研究，試驗(yàn)壓力55 kPa，距微噴帶閥門端3、20、37 m 3個(gè)取樣點(diǎn)，取樣點(diǎn)噴灑水量累積量分別為4 270、3 838、3 409 mL，原因可能是受水頭損失的影響沿微噴帶布置方向總水量逐漸減小。

圖3是微噴帶水量分布圖，可以看出，垂直微噴帶方向，噴灑強(qiáng)度分布呈現(xiàn)先逐步增大，然后逐步減少的變化趨勢(shì)。在近首部處，距微噴帶1.7 m處噴灑水量達(dá)到最大值，為789 mL；而在微噴帶近尾部處，距微噴帶1.4 m處水量最大，為650 mL；而在微噴帶的中部，噴灑水量分布相同較為均勻。

圖3 微噴帶水量分布Fig.3 Water distribution map of micro-sprinkler belt

3個(gè)取樣點(diǎn)中，37 m位置噴灑水量累積量最少。從圖3中可以看出，噴灑水量較少的37 m位置，垂直微噴帶方向分布非常不均勻，距微噴帶0.5、0.8、1.1、1.4、1.7、2.0、2.3、2.6 m位置水量積累量分別占總水量7.7%、7.8%、9.1%、19.1%、17.5%、16.5%、12.7%、9.6%。為了保證噴灑面積上均達(dá)到較好除草效果，水藥一體噴灑時(shí)間要足夠長(zhǎng)，使水量少的位置處單位面積上達(dá)到能夠殺死雜草的最低施藥量。

2.2 不同濃度除草劑對(duì)除草效果的影響

施用除草劑后，經(jīng)過一段時(shí)間藥效發(fā)揮作用后，進(jìn)行田間施藥效果觀察。分別于施藥后 8、16、30 d對(duì)小麥及雜草生長(zhǎng)情況進(jìn)行田間觀察，小麥未發(fā)現(xiàn)畸形、褪綠、病斑、生長(zhǎng)受滯等藥害現(xiàn)象，雜草在8 d發(fā)現(xiàn)干枯，16 d開始逐漸死亡。說明所供試除草劑對(duì)小麥安全，可用于麥田雜草防除。通過對(duì)每個(gè)測(cè)方中雜草數(shù)量的調(diào)查，根據(jù)式(1)計(jì)算各小區(qū)的株數(shù)防效，圖4給出了垂直微噴帶方向雜草株防效試驗(yàn)結(jié)果。從圖4中可以看出，除草劑濃度越高對(duì)麥田總雜草防效越好，且處理間株防效差異顯著。試驗(yàn)區(qū)A(1.5 g/L)的50%二氯喹啉酸株防效均在87.93%以上，最高可達(dá)96.36%；試驗(yàn)區(qū)B(2.0 g/L)的50%二氯喹啉酸株防效89.05%以上，最大株防效為98.04%；區(qū)C(3.0 g/L)的50%二氯喹啉酸株防效差異顯著，最低僅為68.42%，最高可達(dá)98.73%。整體上來看，3個(gè)試驗(yàn)區(qū)雜草防效垂直微噴帶方向，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，這與微噴帶水量分布相吻合，說明水量分布多的區(qū)域除草劑含量多，從而除草效果也較好。C區(qū)最低株防效明顯較A區(qū)、B區(qū)低，沿管道方向首中尾(C1、C2、C3)，C3區(qū)株防效比C2、C1區(qū)低20%以上。經(jīng)分析，由于C區(qū)除草劑濃度較大，但除草劑總含量不變，施藥器進(jìn)藥時(shí)間減少，使距微噴帶進(jìn)藥口較近的C1、C2取樣點(diǎn)除草劑含量變大，離進(jìn)藥口遠(yuǎn)的C3區(qū)由于水頭損失壓力變小造成除草劑含量變小，是造成C區(qū)株防效差異大的主要原因。

圖4 垂直微噴帶方向雜草株防效Fig.4 Control effect map of weeds in vertical micro-spray zone direction

施藥濃度不同時(shí)，微噴帶不同位置平均株防效見表2?？梢钥闯鼍嚯x藥液進(jìn)口3 m取樣點(diǎn)A1(1.5 g/L)與B1(2.0 g/L)、C1(3.0 g/L)之間平均株防效達(dá)到了顯著差異(P<0.05)，距進(jìn)藥口20 m取樣點(diǎn)各處理之間差異不明顯(P>0.05)，距進(jìn)藥口37 m取樣點(diǎn)A3、B3平均株防效與C3間存在顯著差異(P<0.05)。原因是試驗(yàn)區(qū)B、C藥液濃度高，距進(jìn)藥口較近取樣點(diǎn)累計(jì)的藥液含量比試驗(yàn)區(qū)A高，而距進(jìn)藥口37 m位置，施藥總含量不變，濃度高施藥時(shí)間少，使試驗(yàn)區(qū)C噴灑藥液時(shí)間少，沒有累計(jì)到能夠殺死雜草的最低藥量，因此C3區(qū)較A3、B3區(qū)平均株防效低。

2.3 微噴帶隨水施除草劑均勻度分析

施藥均勻度是判斷微噴帶性能的關(guān)鍵參數(shù)，通過對(duì)不同除草劑濃度下的株防效進(jìn)行分析，根據(jù)公式(2)～(4)計(jì)算雜草株防效的克里斯琴森均勻系數(shù)Cu、分布均勻度DU和統(tǒng)計(jì)均勻度US，分析判斷沿微噴帶方向和垂直微噴帶方向雜草株防效均勻度，從而得出微噴帶隨水施除草劑的均勻度。

圖5是3種不同濃度(1.5、2.0、3.0 g/L)條件下沿微噴帶方向雜草株防效均勻度變化過程。

從圖5中看出，A區(qū)Cu最大值為98.76%，最小值為98.11%；B區(qū)Cu最大值為97.68%，最小值為97.54%；C區(qū)Cu最大值為98.61%，最小值為90.21%。A區(qū)、B區(qū)雜草株防效均勻度沿微噴帶方向變化不顯著，C區(qū)在C1、C2取樣點(diǎn)均勻度明顯比C3取樣點(diǎn)高，達(dá)到了顯著水平。同時(shí)3個(gè)試驗(yàn)區(qū)的DU、US也具有和Cu相同的分布情況。3個(gè)處理中距進(jìn)藥口3 m位置的均勻度比37 m位置的要高，由于微噴帶首部壓力大，噴水量大，相應(yīng)的首部除草劑藥量比較多，尾部壓力小，噴水量小，相應(yīng)除草劑藥量比較少，造成首部除草比較均勻，尾部除草均勻度變化比較大。

表2 不同施藥濃度及微噴帶不同位置平均株防效Tab.2 Average plant control effect in different concentration and location of micro-sprinkler belt

圖5 沿微噴帶方向均勻度變化曲線Fig.5 Uniformity curve along micro-spray zone direction

圖6給出了3種施藥濃度條件下垂直微噴帶方向除草株防效均勻度隨離微噴帶距離的變化曲線。圖6中每個(gè)點(diǎn)代表該試驗(yàn)區(qū)內(nèi)離微噴帶相同距離的除草均勻度。由圖6可以看出，1.5、2.0 g/L濃度處理的Cu變化不大，呈先變大后變小的趨勢(shì)，這與在微噴帶垂直方向水量分布類似，在灌水分布的中間位置，水量大，除草劑含量多，除草效果好，相應(yīng)的除草均勻度就比較高；分布均勻度和統(tǒng)計(jì)均勻度變化不明顯，說明在低濃度條件下，施藥效果較低的部分也能夠滿足均勻度要求；3.0 g/L濃度處理均勻度變化顯著。實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重點(diǎn)關(guān)注施藥效果較小部分，即以分布均勻度DU為例，1.5和2.0 g/L分布均勻度DU為0.971和0.972，分別是3.0 g/L分布均勻度的1.230和1.231倍，說明試驗(yàn)區(qū)C施藥效果較差的部分不能滿足均勻度要求。一方面是由于地面偏差，另一方面在高濃度藥量條件下，水頭損失造成的藥量分布不均勻會(huì)相對(duì)擴(kuò)大。使用微噴帶施藥，當(dāng)施藥量不變時(shí)，為了提高均勻度，可以適當(dāng)減小施藥濃度。

圖6 垂直微噴帶方向均勻度變化曲線Fig.6 Directional uniformity curve of vertical micro-jet belt

3 結(jié)論和討論

微噴帶在田間應(yīng)用的最大優(yōu)勢(shì)在于其制造和推廣成本遠(yuǎn)低于微灌和噴灌，可以快速布置和回收，既可以滿足灌溉補(bǔ)充土壤水分的效果，又可以利用水肥、水藥一體化技術(shù)施肥、施藥，達(dá)到高效節(jié)能的目的。本文通過對(duì)3種濃度除草劑隨水施用對(duì)微噴帶大田除草效果和均勻度影響的分析，得出以下結(jié)論：

(1)55 kPa下，φ32微噴帶總水量沿程急劇減小(最大水量4 270 mL，最低水量3 409 mL)，垂直微噴帶方向，水量先變大，后變小，首部在距微噴帶1.7 m處水量達(dá)到最大值，尾部在距微噴帶1.4 m處水量達(dá)到最大值，中部水量分布較為均勻。

(2)試驗(yàn)區(qū)B(2.0 g/L)平均雜草株防效最高為93.57%，分別比試驗(yàn)區(qū)A(1.5 g/L)、C(3.0 g/L)高1.77%、1.87%，試驗(yàn)區(qū)A、B、C雜草株防效沿微噴帶方向逐漸降低，垂直微噴帶方向，先變大后變小，與微噴帶水量分布類似。

(3)沿微噴帶方向，試驗(yàn)區(qū)A、B均勻度明顯高于試驗(yàn)區(qū)C，試驗(yàn)區(qū)A、B均勻度相差不大；垂直微噴帶方向，試驗(yàn)區(qū)A、B、C均勻度整體呈先變大后變小趨勢(shì)，試驗(yàn)區(qū)A、B分布均勻度DU分別為試驗(yàn)區(qū)C的1.230和1.231倍。

(4)總體而言，1.5和2.0 g/L的雜草株防效和施藥均勻性明顯高于3.0 g/L的，1.5和2.0 g/L雜草株防效相差不大，2.0 g/L沿微噴帶和垂直微噴帶方向施藥均勻度略大于1.5 g/L施藥均勻度，為了減少施藥時(shí)長(zhǎng)，微噴帶隨水施用除草劑時(shí)推薦濃度采用2.0 g/L。