施肥滴灌加速滴頭堵塞風險與誘發機制研究

劉 璐 牛文全， 武志廣 官雅輝 李 元

(1.西北農林科技大學水土保持研究所， 陜西楊凌 712100； 2.西北農林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西楊凌 712100；3.中科院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

施肥滴灌加速滴頭堵塞風險與誘發機制研究

劉 璐1牛文全1，2武志廣2官雅輝3李 元1

(1.西北農林科技大學水土保持研究所， 陜西楊凌 712100； 2.西北農林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西楊凌 712100；3.中科院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

以2種內鑲片式迷宮流道滴頭為研究對象，采用數學分析方法、掃描電鏡/能譜分析技術(SEM-EDS)和X射線衍射技術(XRD)對不同水溶性肥料滴灌后滴頭流量、堵塞物表面微形貌及其化學組分進行多角度分析，研究肥料特性和流道結構對滴頭堵塞過程的影響效應。結果表明：肥料特性是決定堵塞類型和誘發風險的重要因素(P<0.01)，流道結構對堵塞的影響需雙重考慮結構尺寸及結構類型；當施肥質量分數小于等于0.5%時，施肥加速滴頭堵塞的效果較小且與肥料類型關系不大，當施肥質量分數在0.5%～2.0%之間時，各肥料滴灌適用性由大到小依次為：磷肥、尿素、鉀肥、復合肥，當施肥質量分數在2.0%～3.0%之間時，尿素滴灌滴頭流量降幅為10.26%，顯著高于施加磷肥(7.85%)、鉀肥(4.07%)和復合肥(2.74%)；施加尿素滴灌誘發滴頭堵塞主要物質的形成機理為分子態尿素析出物與水中懸浮顆粒物形成團聚體在較差流體的運動粘度下造成的物理堵塞，磷肥主要為吸附作用加速肥料雜質團聚沉淀的物理、化學堵塞，硫酸鉀施肥滴灌主要為離子交換形成的鈣、鎂沉淀導致流道壁面糙度升高、過水斷面減小的化學堵塞過程，復合肥誘發滴頭堵塞風險最低。施肥滴灌存在誘發或者加速滴頭堵塞的風險，但不同肥料誘發滴頭堵塞主要物質的形成機理不同，加速堵塞的風險也不同，故對于不同的肥料類型宜采用不同的抗堵塞管理策略。

滴灌施肥； 滴頭； 堵塞； 風險； 機理

引言

本文選用2種結構形式流道滴頭，在4種不同肥料類型及4種肥料濃度梯度條件下，在對施肥滴灌滴頭流量變化過程測試基礎上，討論施肥滴灌滴頭堵塞的發生規律，并借助裝有能譜儀(EDS)的場發射掃描電鏡(FESEM，S-4800型，日立)對堵塞物質表面形貌進行顯微分析和元素分析，同時配合采用X射線衍射儀(XRD，D8 Adance，Bruker)確定不同肥料類型滴灌誘發滴頭堵塞主要物質的化學組分，揭示滴頭堵塞的誘發機制，評估和預測滴頭堵塞風險，旨在為水肥滴灌影響下合理防治滴頭堵塞管理策略提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料制備

試驗用水為陜西楊凌示范區居民自來水，通過環境保護局2015—2016年最新監測數據來看，符合我國農田灌溉用水水質標準[17](表1)，細菌數小于1 CFU/mL，短周期滴灌可忽略生物堵塞的影響，故該水質條件下研究水肥特性對滴頭堵塞影響的試驗結果具有一定的代表性。試驗選用滴頭參數如表2所示。

表1 試驗期間自來水水質參數特征
Tab.1 Quality characteristics of irrigation water during experiment

參數COD/(mg·L-1)pH值TDS/(mg·L-1)TSS/(mg·L-1)EC/(μS·cm-1)Fe/(mg·L-1)Mn/(mg·L-1)硫酸鹽/(mg·L-1)總硬度/(mg·L-1)細菌數/(CFU·mL-1)測試值1.2～2.37.86～8.01106～1520.95～1.30217.1～372.5<0.05<0.0510～2170～81<1

注：COD為化學需氧量；TDS為可溶性總懸浮物；TSS為總懸浮顆粒；EC為電導率。

表2 試驗用滴頭特征參數
Tab.2 Parameters of emitters used in experiment

滴頭編號流道類型流道尺寸(長×寬×深)/(mm×mm×mm)額定流量/(L·h-1)流量系數流態指數滴頭結構E1圓弧齒形56.8×1.1×0.882.30.7470.492E2尖角齒形54.3×1.08×0.822.50.9830.472

試驗選用4種可溶性肥料，分別為氮肥、磷肥、鉀肥和復合肥。氮肥為尿素(云南三環化工股份有限公司)，分子式CO(NH2)2，粒徑1～2 mm的半透明粒子。尿素極易溶于水且無任何雜質，溶液呈透明狀。試驗用磷肥為過磷酸鈣(河北省礬山磷礦有限公司)，含磷組分為磷酸二氫鈣的水合物Ca(H2PO4)2·H2O，雜質為硫酸鈣、二氧化硅和少量游離的磷酸和硫酸，常溫下是灰白色粉末。過磷酸鈣含有效P2O5質量分數14%～20%(其中80%～95%溶于水)，屬于水溶性速效磷肥。制備磷肥水溶液時，攪拌后溶液渾濁，溶液底部存在大量灰色粉末狀沉淀，待過磷酸鈣顆粒在玻璃燒杯中充分溶解、靜置后，取上清液透明液體，經濃度檢測后作為試驗材料。試驗用鉀肥為硫酸鉀(山東魯豐鉀肥有限公司)，硫酸鉀含K2O質量分數50%～54%，淡灰色微晶體粉末狀。制備硫酸鉀溶液過程中，經充分攪拌溶解后溶液底層沉積灰白色沉淀同時肥液表層懸浮白色包膜材料，待靜置分層經過濾后取上清液，經濃度檢測后作試驗材料。復合肥采用臨沂沃夫特復合肥有限公司生產的全水溶高鉀型螯合態化肥，主要成分為尿素、磷酸二氫鉀、硝酸鉀，其中氮、磷和鉀質量比為16∶6∶28。該肥料極易溶于水，溶液呈淡藍色透明狀。

抗堵塞測試平臺參照GB/T 17187—2009《農業灌溉設備 滴頭和滴灌管 技術規范和試驗方法》、SL/T 67.1—94《微灌灌水器——滴頭》以及國際抗堵塞研究標準草案[18]關于室內滴灌滴頭堵塞敏感性測試試驗搭建而成，平臺由水泵、過濾裝置、攪拌裝置、壓力表、控制閥門、支管以及待測試滴灌帶組成。滴灌管布設于測試系統架上(長6 m、寬0.5 m、高1.2 m)，共4臺測試架，每個架子布設4條滴灌帶，其間距為12 cm，每條滴灌帶有20個滴頭，滴頭間距為30 cm，一臺測試架共80個滴頭(圖1)。首部采用1個120目篩網過濾器串聯，利用分流原理控制系統的工作壓力。

圖1 滴頭抗堵塞測試平臺Fig.1 Experimental setup1.毛管 2.滴頭 3.回水槽 4.沖洗閥 5.水箱 6.水泵7.回水閥 8.進水閥 9.篩網過濾器 10.壓力表

1.2 室內試驗設計

試驗選用4種肥料，質量分數分別為0.5%、1.0%、2.0%、3.0%(CF1、CF2、CF3、CF4)進行滴灌抗堵塞測試，不加肥作為對照(CF0)，進行完全隨機試驗，共34個處理。為加速試驗進程，試驗參照國際滴灌滴頭抗堵塞性能測試標準草案，將灌水周期等比例縮短，測試時間為1 h，每隔2 h灌水1次，1 d灌水5次，連續4 d作為一個測試周期，每個處理累計灌水20 h，每組4個重復。每次灌水結束后均采用電導率儀監測滴灌水溫、pH值以及電導率動態變化情況。每組處理結束后，將換下毛管置于遮陰通風位置晾曬風干，稱量灌水前后毛管質量的變化，定量分析毛管及滴頭堵塞物質淤積量及成分。

1.3 滴頭堵塞測定及評價方法

在每條滴灌帶上等間距布置10個采樣點，待系統運行30 min滴頭保持穩定出流后，將量杯按2 s間隔依次放置在滴頭正下方，測量10 min后再依次按2 s間隔將量杯挪出，用電子天平(精度0.1 g)稱量量杯和水的總質量，然后換算成滴頭流量。為消除溫度對滴頭流量的影響，采用美國農業工程師協會關于微灌系統田間評價標準進行流量-溫度修正，最后采用相對流量評價滴頭堵塞及灌水質量情況，計算公式為

1.4 堵塞物表面形貌及組分分析方法

用高精度電子天平稱量灌水前毛管質量，滴灌施肥測試結束后，再稱量風干后毛管質量，兩者質量之差即為所求灌水前后毛管內的淤積物質的量。解剖不同處理下采樣點滴頭，觀察堵塞物在流道中的分布特征，并收集流道內的淤積物質，根據試驗編號將各處理一分為二。對進行固定、脫水、干燥、噴金等處理的樣品，采用裝有能譜儀的場發射掃描電鏡(FESEM，S-4800型，日立)分析堵塞物的表面形貌及元素組成。其余樣品按照編號研磨過篩(300目)后制成表面平整試片，使用X射線衍射儀獲取其多晶衍射圖譜，再使用MDI Jade 5.0軟件對其化學組分進行定性分析，以進一步確認堵塞物質化學組分。

2 結果與分析

2.1 迷宮結構對滴頭堵塞的影響

迷宮結構包含結構尺寸和結構類型。首先采用周博等[19]提出的片式滴頭抗堵塞能力快速評估方法，比較2種滴頭結構尺寸參數與其抗堵塞性能，采用片式滴頭抗堵塞性能評估指數Ia，其計算式為

式中Q——滴頭額定流量，m3/sL——滴頭流道長度，mW——滴頭流道寬度，mD——滴頭流道深度，m

由表2提供的參數計算可知，E1、E2滴頭Ia分別為8.17和3.69，由此確定E1流道結構尺寸的滴頭自身抗堵塞性能相對結構尺寸E2滴頭而言較優。除自身尺寸條件外，進一步考慮流道結構形式及滴灌施肥水質參數。經試驗測定，采用SPSS 22.0軟件對34個處理末次灌水結束滴頭相對流量數據進行方差分析，檢驗結果如表3所示，2種迷宮結構滴頭對施肥滴灌堵塞的發生并無顯著性影響(P>0.05)，說明在一定施肥濃度范圍內，施肥加速滴頭堵塞的風險受所選滴頭流道結構尺寸影響，另外，流道結構形式的影響也不容忽視，兩者存在交互作用，綜合考慮不同肥料特性滴灌條件，尖角齒形結構比圓弧齒形結構抗堵塞性能更優。

表3 試驗結果方差分析
Tab.3 Analysis of variance for total test data

方差來源平方和自由度均方差F值肥料類型0.00730.00211.400**施肥濃度0.05040.01261.127**滴頭類型0.00110.0012.543ns肥料類型×肥料濃度0.023120.0029.223**肥料類型×滴頭類型0.00130.0011.615ns施肥濃度×滴頭類型0.00140.0010.834ns施肥類型×施肥濃度×滴頭類型0.002120.0010.998ns誤差0.0301490.001

注：** 表示在P<0.01水平差異顯著，ns表示差異不顯著(P>0.05)。

2.2 施肥特性對滴頭堵塞的影響

施肥特性包括肥料類型和施肥濃度，方差分析結果表明兩者對滴頭堵塞的影響極顯著(表3)，是加速滴頭堵塞發生的關鍵性因子。以E1滴頭為例，4種肥料類型在不同施肥濃度條件下對滴頭相對流量變化的影響如圖2所示，各處理組選用Duncan多重比較模型對滴頭相對流量進行單因素多變量方差分析顯著性檢驗，結果如表4所示。

由圖2可知，施肥滴灌與清水滴灌(CF0)比較，未施肥處理組的滴頭流量曲線整體表現平直，沒有出現隨灌水次數增加而下降的趨勢，兩者存在極顯著差異(表4，P<0.01)，且施肥滴灌滴頭相對流量在整個灌水期間均隨著灌水次數的增加而逐漸降低，呈波動變化。各處理滴頭平均相對流量都在87.61%以上，總體處于輕微堵塞水平，但不同肥料類型影響滴頭相對流量下降幅度仍存在一定差異，灌水20次后，尿素滴灌降為12.39%，顯著高于磷肥、鉀肥及復合肥，其中鉀肥與復合肥滴灌相對流量差異較小(幅度在3.13%以內)。說明施肥滴灌存在加速滴頭堵塞的風險，不同肥料類型之間存在一定差異。

另外，不同施肥處理組滴頭相對流量差異受施肥濃度的影響較大，當施肥質量分數在0～0.5%之間時，濃度對滴頭堵塞性能的影響均較微弱，并無顯著差異(P>0.05)，滴頭均保持較高的相對流量(變幅在2.76%以內)。當施肥質量分數在0.5%～2.0%之間時，滴頭相對流量隨濃度變化明顯，高低波動現象突出，說明該濃度范圍段流道內堵塞物質“碰撞-團聚-沉淀-破碎-再團聚-再沉淀”的動態過程較為頻繁，磷肥在該濃度范圍滴灌對堵塞較為敏感，顯著高于其他3種肥料(P<0.05)。當施肥質量分數在2.0%～3.0%之間時，不同肥料類型之間滴頭流量變幅差異較大，尿素滴灌相對流量降幅顯著增高，磷肥有所回升，鉀肥平緩降低，復合肥變化不大，堵塞由大到小表現為：尿素、磷肥、鉀肥、復合肥。整體來看，復合肥和鉀肥表現出較好的滴灌適用性，而尿素和磷肥滴灌易誘發或加速滴頭堵塞。

圖2 肥料類型對滴頭堵塞程度的影響Fig.2 Effect of fertilizer types on dynamic emitter clogging characteristics with irrigation intervals

肥料類型E1E2CF0CF1CF2CF3CF4CF0CF1CF2CF3CF4尿素99.9a98.4bcd97.0fgh96.7ghi87.6m99.9a97.2ghi96.5hij96.9ij89.7l磷肥99.9a97.9bcd97.4cde92.8k93.1k99.9a98.5bcd92.9k92.2k92.2k鉀肥99.9a98.7b97.2efg97.8bcd97.3cde99.9a98.2bcd98.5bcd96.3ij95.9j復合肥99.9a97.5bcd98.4cd97.7bcd96.9ghi99.9a97.8bc97.2fg97.8bcd97.3def

注:不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.3 堵塞物質化學組分分析

借助場發射掃描電鏡及X射線衍射儀對采樣點滴頭內淤積物質進行觀察和分析，同種肥料不同濃度梯度施肥滴灌后，誘發滴頭堵塞的主要化學物質元素組成并無明顯變化，故以施肥質量分數3.0%滴灌后流道內淤積物質的電鏡掃描微結構(圖3)、表面能譜分析(表5)和XRD檢測圖譜(圖4)為例來看：堵塞物質表面形貌較原狀肥料而言，形貌更復雜且顆粒間連接更為緊密，由排列不均一的晶體顆粒相互咬合鑲嵌形成。

進一步分析表面能譜和XRD檢測結果，可看到：尿素灌水后流道淤積物C、N元素含量與滴灌前尿素無明顯差異(表5)，O元素有7.01%的消耗，新增元素Mg、S比例為1∶1，可能為硫酸鎂鹽沉淀。由XRD物相分析圖譜可知(圖4)，灌水后堵塞物質除尿素外，分別在角度20.157°、22.926°、30.857°出現新峰值，物質為六水合亞硫酸鎂(MgSO3·6H2O)，與能譜分析結果一致。說明尿素滴灌滴頭堵塞的淤積物主要成分是尿素分子，含極少量亞硫酸鹽沉淀。

磷肥滴灌后淤積物表面形貌為薄片狀晶體結構(圖3b)，從XRD結果看，磷肥中CaSO4為主項，磷酸二氫鈣水合物為次項，含磷量不高。灌水后從XRD峰值看來(圖4)，CaSO4和少量SiO2依然存在且含量并無明顯變化，磷酸二氫鈣水合物幾乎完全消失，有新峰值出現，為微溶無水磷酸氫鈣(CaHPO4)。EDS結果顯示，堵塞物P元素含量是磷肥的2.05倍，S元素含量降低了6.15%，其余元素含量變化不大(表4)。說明流道內淤積物為CaSO4、CaHPO4和SiO2，硅鋁酸鹽雜質與磷產生吸附作用，P元素含量明顯升高。

鉀肥滴灌后流道內淤積物在電鏡下清晰可見許多細小晶粒以面面接觸的方式附著于較大斜方結晶物表面(圖3c)，C、O、Ca、Mg元素含量增加，K、S元素含量相對減少(表4)，其原子數比例為2∶1(24.79%∶12.57%)，說明淤積物仍以硫酸鉀斜方結晶析出物為主，附著的細小晶粒可能是由于離子置換產生的沉淀物。結合XRD衍射圖譜(圖4)，再次證明鉀肥滴灌流道內淤積物除硫酸鉀結晶物外，含有少量硫酸鈣和芒硝石((K,Na)3Na(SO4)2)。

圖3 不同肥料類型在施肥質量分數為3.0%下滴灌后流道內淤積物電鏡掃描結構圖Fig.3 FESEM micrographs of sediment with different fertilizer types of 3.0% fertilization concentration

檢測對象CNOPKCaSMgFeSiAl尿素18.5739.7241.04000000.6700尿素滴灌殘留物21.8440.5934.030000.420.420.9500磷肥6.766.2651.4610.97014.409.52000.430.22磷肥滴灌殘留物9.340.1650.2122.51011.863.7300.470.730.99鉀肥7.801.6440.69032.88016.060.12000鉀肥滴灌殘留物8.57053.14024.790.2212.570.35000復合肥14.5912.1037.4625.449.070.8800.520.4800復合肥滴灌殘留物3.8718.1755.643.2619.0600000.540

圖4 流道內淤積物化學組分XRD檢測圖譜Fig.4 Surface XRD patterns of sediment in emitter-channel

復合肥滴灌后流道內淤積物表面形貌為斜方晶型結構的團聚結構(圖3d)，其Ca、Mg、Fe元素相對含量較灌水前降至0，N、O、K原子數百分比分別為18.17%、55.64%、19.06%(1∶3∶1)(表4)，XRD結果顯示，灌水前磷肥含有硝酸鉀、尿素、磷酸二氫銨，灌水后尿素幾近消失，其余峰值出現角度無明顯變化(圖4)。說明復合肥滴灌流道淤積物為硝酸鉀和少量磷酸二氫銨的結晶析出物。

3 討論

迷宮流道結構是影響滴頭堵塞發生規律及抗堵塞能力的主要因素，可以通過改變流道幾何參數、流道類型、流道結構等提高滴頭的抗堵塞能力[20-21]。本試驗發現選用的2種流道結構對加肥滴灌誘發或者加速滴頭堵塞的影響并不顯著，即施肥誘發或加速滴頭堵塞受該流道結構尺寸和形式交互作用的影響較小。以滴頭關鍵影響因素為核心，通過量綱分析法建立的堵塞評價指標Ia是目前較為有效地快速判定滴頭堵塞性能的指標，從該評估指數計算結果來看，E1、E2滴頭Ia分別為8.17和3.69，說明該尺寸條件下E2滴頭自身抗堵塞能力相對較強。而試驗結果顯示，滴頭結構對堵塞影響并不顯著，是因為尖角齒形結構比圓弧齒形結構抗堵塞性能更優。有研究表明，對于齒形流道滴頭抗堵塞性能是隨其轉角的增加呈下降趨勢，轉角增大導致流道流場運動紊亂度增加，流體內固體顆粒越容易進入漩渦區，其相應的停留時間也越久，最終導致流道堵塞的可能性增加[22]。故轉角相對較大的圓弧齒形流道比轉角較小的尖角齒形流道發生堵塞的可能性更高。

當滴灌肥料特性不同時，灌溉水中的懸浮顆粒物、鹽分含量、pH值和細菌數等則不同，誘發滴頭堵塞的過程和滴頭堵塞程度也將不同。本試驗發現不同肥料類型和濃度滴灌時，毛管內淤積物質量不同，流道內淤積物形貌特征及其主要元素組成相對含量也不同。

試驗選用的磷肥含大量硫酸鈣和少量硅石雜質，經沉淀過濾后，這些雜質的懸浮顆粒仍會進入系統，經長期灌水，除雜質外，磷酸二氫鈣水合物轉化成微溶的無水磷酸氫鈣最終誘發滴頭堵塞，該過程發生了化學反應且生成沉淀。一方面，當施肥濃度增大時，水中陽離子數量在增大，細小的不溶或者難溶物質顆粒也在增多，當陽離子增加到一定值時，雙電層受靜電引力壓縮而變薄，Zeta 電位降低，懸浮物絮凝強度及沉降強度顯著增大[27]，易在流道進口處和拐角處淤積下來；另一方面，含磷的陰離子與懸浮雜質發生的吸附作用，增強了顆粒間絮凝團聚的可能，故磷肥誘發滴頭流道堵塞風險較高[28-29]。當施肥濃度繼續增加，灌溉水pH值進一步降低至3.21時(圖5b)，有效抑制了碳酸鈣等鹽類沉淀及微生物生長引起的化學堵塞和生物堵塞，滴頭流道將恢復通暢[30-31]，較低濃度滴灌反而降低了堵塞風險。因此，可溶性磷肥滴灌誘發的滴頭堵塞機制主要為磷肥的吸附作用加速雜質、離子置換形成的沉淀顆粒絮凝物的形成，其堵塞為物理、化學耦合堵塞。

圖5 不同肥料類型和濃度滴灌的電導率和pH值Fig.5 Electric conductivity and pH value of irrigation water with different fertilizers and fertilization concentrations

硫酸鉀是一種較強的電解質[32]，故不同濃度肥液的電導率均顯著高于氮肥、磷肥和復合肥，為11 910～27 860 μS/cm(圖5a)，水體運動粘度系數小，進入流道內的懸浮顆粒及可溶性鹽離子跟隨流動性好，懸浮物易隨水流流出滴頭流道[21]。鉀肥滴灌pH值在7.23～7.33之間(圖5b)，屬于中度堵塞范圍，易加速水中鈣、鎂離子形成沉淀，經檢測生成硫酸鈣和芒硝石。在長期滴灌的干濕交替中，流道內壁化學沉淀附著層將逐漸加厚，壁面粘附力增大，進而懸浮顆粒更易被吸附粘結在壁面，導致流道過流能力逐漸下降。鉀肥濃度越大，硫酸鉀結晶物、化學沉淀物越多，滴頭堵塞的風險越大，但總體小于尿素與磷肥，其堵塞主要為化學堵塞。

但本試驗未考慮長期滴灌過程中微生物滋生、營養物質輸送及水流剪切力變化引起的滴頭堵塞物質形成和生長動態變化過程，今后將綜合考慮物理、化學、生物等多因素影響，確定不同施肥滴灌條件下，滴頭的堵塞機理與過程，提出相應的預防和治理管理辦法。

4 結論

(1)在沒有或者僅有少量固體懸浮物參與的情況下，施肥滴灌具有誘發或加速滴頭堵塞的風險。

(2)不同肥料特性誘發滴頭堵塞的風險不同。肥料質量分數小于2.0%時，滴頭堵塞風險由大到小表現為：磷肥、尿素、鉀肥、復合肥，當肥料質量分數大于等于3.0%時，尿素誘發滴頭堵塞的風險最高，磷肥次之，鉀肥和復合肥較小。

(3)不同肥料類型誘發滴頭堵塞的主要物質形成機制不同。尿素滴灌主要考慮肥料分子改變水體流動性誘發的顆粒物質與壁面粘附的沉積堵塞；可溶磷肥滴灌主要考慮磷吸附行為下肥料雜質的團聚沉淀堵塞；硫酸鉀滴灌主要考慮鈣、鎂沉淀誘發流道壁面糙度升高使過流斷面減小造成的堵塞；可溶性復合肥誘發機理有待進一步研究。

(4)滴頭結構對施肥誘發堵塞的影響存在流道結構尺寸和流道結構類型的交互作用。

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Risk and Inducing Mechanism of Acceleration Emitter Clogging with Fertigation through Drip Irrigation Systems

LIU Lu1NIU Wenquan1,2WU Zhiguang2GUAN Yahui3LI Yuan1

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China2.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China
3.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

The inducing mechanism of emitters clogging with fertigation was explored. A laboratory experiment was conducted to investigate the influence of three factors (fertilizer types, fertilizer concentration and flow path structure) on anti-clogging performance of drip emitters. The intermittent drip irrigation experiment was studied by using two flow path types of non-pressure compensating emitters (arc-shaped saw-tooth and cup-shaped saw-tooth), four levels of fertilization concentration (0.5%, 1.0%, 2.0% and 3.0%) and four types of fertilizer (urea, calcium superphosphate, potassium sulfate and water soluble compound fertilizer) and the system was allowed to run for 20 h. The mathematical analysis methods in combination with field scanning electron microscope (FESM), energy dispersive spectrometer (EDS) and X-ray diffraction (XRD) technology were then used to quantitatively and qualitatively analyze the variations of the emitter’s average relative flow rate, surface topographical characteristics and components of the clogging materials internal emitters. Results showed that fertilizer characteristic was an important factor in deciding the emitter clogging type and degree (P<0.01), and the influence of the two flow path structures on the accelerating effect of emitter clogging performance needed to consider the path structural size and style. The accelerating effect of fertilizer application on emitter was not obvious when the concentration of fertilizer solution was less than 0.5%. When the concentration was increased to 0.5%～2.0%, there were obvious changes in the quantities of outflow discharge occurred in phosphate-fertigation, which made it clog easily, followed with urea-fertigation, the applicability of potassium-fertigation and compound-fertigation was better than that of the former. When the concentration was risen to 2.0%～3.0% or higher, the clogging degree was so serious with urea-fertigation, the flow rate was decreased by 10.26%, which was significantly higher than those of phosphate-fertigation (7.85%), potassium-fertigation (4.07%) and compound-fertigation (2.74%). Fertilization can promote the clogging of the emitters. These fertilizer types had different water quality, hence resulting into different emitter clogging risk and inducing mechanism. Emitters clogging with urea fertigation were caused by the role of aggregation and adhesion with both crystallization of the molecular urea state and suspended particles in the water. The adsorption function that particulate impurities to phosphorus promoted flocculation while precipitation among solid particles was as a result of inducing mechanism of emitter clogging with phosphate fertigation. The main inducing mechanism for emitter clogging with potassium-fertigation was chemical precipitation because of the ion-exchange action, while emitter clogging with compound-fertigation had the lowest risk. Therefore, fertigation with different fertilizer types should adopt different emitter clogging controlling management strategy.

fertigation; emitter; clogging; risk; mechanism

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.01.030

2016-09-04

2016-11-04

國家重點研發計劃項目(2016YFC0400202)和國家自然科學基金項目(51679205)

劉璐(1986—)，女，博士生，主要從事灌溉理論與節水技術研究，E-mail: wzx130807@163.com

牛文全(1971—)，男，研究員，博士生導師，主要從事水土資源高效利用與節水灌溉技術研究，E-mail: nwq@nwafu.edu.cn

S275.6

A

1000-1298(2017)01-0228-09