紅壤粒徑肥料濃度和灌溉方式對不同灌水器堵塞的影響

余 楊，許文其，宋時雨，楊昊霖，張毅杰

（云南農業大學機電工程學院，昆明 650201）

0 引 言

滴灌水肥一體化將灌水和施肥相結合，是目前最有效的施肥方式[1-2]。灌水器堵塞問題是制約滴灌水肥一體化技術發展的重要因素，因此國內外專家學者開展了關于土壤粒徑、肥料濃度、灌溉方式等因素對灌水器堵塞的試驗研究工作。文獻[3-4]以河沙為供試土壤，迷宮滴灌帶為試驗灌水器，進行地上滴灌堵塞試驗，結果顯示，泥沙顆粒粒徑是灌水器堵塞的主要因素。仵峰等[5]對運行8 a的地下滴灌試驗小區的灌水器堵塞情況進行了評價，指出細小顆粒在灌水器進口的累積是造成堵塞的主要原因。葛令行等[6]通過 FLUENT軟件分析了迷宮灌水器中沙粒運動及沉積規律，得出粒徑越大，沙粒的沉積危險系數越大。牛文全等[7-11]2012—2015年，開展了土壤粒徑和肥料濃度對灌水器堵塞的影響試驗，研究以沙壤土為供試土壤，迷宮流道內鑲片式滴灌帶為試驗灌水器，進行地上滴灌堵塞試驗，試驗顯示存在造成迷宮流道內鑲片式滴灌帶堵塞的敏感沙壤粒徑段。劉燕芳等[12]以迷宮式灌水器進行水肥地上滴灌堵塞試驗，得出隨著肥料的加入，增加離子間的結合幾率，加速灌水器堵塞發生。王心陽等[13]研究發現，在地上滴灌施肥過程中，肥料難溶顆粒隨水進入滴灌帶，造成滴頭堵塞。Bozkurt等[14]2006年進行了地上滴灌堵塞試驗，研究表明施肥處理下的灌水器堵塞程度比不施肥條件下的堵塞更嚴重。

從上述文獻可以看出，國內外專家學者主要針對沙壤土進行渾水試驗，沒有發現針對云南紅壤土進行試驗研究的文獻，而云南紅壤土與沙壤土相比，有較大的差異。紅壤土較為黏重，緊實易板結，土壤通氣性和透水性都較差，其土壤顆粒組成中，黏粒(＜0.002 mm)占39.47%，而沙壤土土質松散，不黏不硬，通氣、透水性好，其土壤顆粒組成中，黏粒(＜0.002 mm)僅占10.1%；采用的灌溉方式均為地上滴灌，沒有發現根區滲灌試驗報道；再者，試驗使用的灌水器主要采用內鑲貼片式滴灌帶，缺乏對其他常用灌水器的對比試驗。因此，需要在云南紅壤土條件下，開展多種灌水器的不同灌溉方式對比研究。

本文以云南紅壤土作為供試土壤，選擇 3種灌水器（內鑲貼片式滴灌帶、2孔流量可調灌水器和8孔流量可調灌水器）為研究對象，通過配置不同肥料濃度和云南紅壤粒徑段組合的水質條件下，進行地上滴灌和根區滲灌對比試驗，分析云南紅壤粒徑、肥料濃度和灌溉方式對灌水器堵塞的影響，為水肥一體化技術在云南紅壤土中的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試灌水器：選擇 3種云南實際生產中常用的灌水器作為研究對象（內鑲貼片式滴灌帶、2孔流量可調式灌水器和 8孔流量可調試灌水器，均由廣州順綠噴灌設備有限公司提供）。其中，內鑲貼片式滴灌帶管外徑16 mm，壁厚0.3 mm，工作壓力0.02～0.25 MPa，流量2～3 L/h；2孔流量可調式灌水器外形結構為扁圓盤形，在灌水器底部有2個垂直向下的出水孔，出水孔的直徑為2 mm，流量范圍4～140 L/h，壓力范圍為0.01～0.3 MPa；8孔流量可調試灌水器外形結構呈扁圓盤狀，盤壁均勻開有 8個窄縫出水孔，出水孔的大小為2 mm×1 mm，可調的流量范圍為0～70 L/h，壓力范圍為0.01～0.3 MPa。

供試化肥：復合肥（云南云天化股份有限公司）。其中N、P和K 3種成分的質量比例為1:1:1。根據文獻查閱，當肥料濃度大于1.2 g/L時，灌水器特別容易發生堵塞[7]。因此，設置0（不施肥）、0.6（中間值）和1.2 g/L，作為3個試驗肥料濃度。

供試土壤：采用云南紅壤土。土壤取自云南農業大學后山試驗基地。花盆中的土壤：采用自然風干和粗篩后獲得的紅壤土，粒徑為2 mm左右。土壤各粒徑段的選擇：目前，中國一般采用120目（孔徑0.125 mm）過濾網過濾灌溉水，但粒徑小于0.125 mm的土壤顆粒還是能通過過濾網，造成灌水器堵塞。為了接近生產實際情況，論文選擇 3個能通過過濾網進入灌水器的粒徑段，進行試驗研究。具體操作方法是：將經過粗篩后的紅壤土進行振蕩研磨處理，采用150、200和400目篩網，對其進行過篩處理。在150目和200目篩網之間，獲得0.074～0.1 mm紅壤土粒徑段（D3）；在200目和400目篩網之間，獲得0.0385～0.074 mm紅壤土粒徑段（D2）；通過400目篩網的紅壤土粒徑段為0～0.0385 mm（D1）。

1.2 試驗過程

試驗配置 3個云南紅壤粒徑段（0～0.0385 mm、0.0385～0.074、0.074～0.1 mm）和3個肥料濃度（0、0.6、1.2g/L）組合的 9種水質，于 2017-08-25—2017-10-20期間在云南農業大學試驗基地對3種灌水器（8孔流量可調灌水器、2孔流量可調灌水器、內鑲貼片式滴灌帶）進行 2種灌溉方式（根區滲灌、地上滴灌）的渾水堵塞試驗，各處理3次重復，共進行162組試驗。

試驗裝置如圖 1所示，由水箱、水位浮球開關、管道、開關、試驗花盆和灌水器等組成，此系統能夠形成1個試驗組，進行1個土壤粒徑段、1種肥料濃度、2種灌溉方式和3種灌水器的堵塞試驗，每個處理采用3次重復，共有9組相同的試驗裝置同時進行試驗。

圖1 試驗系統示意圖Fig.1 Sketch of test system

按照設計方案，將粗篩后的土樣以容重 1.23 g/cm3均勻填裝在供試花盆（桶口上底直徑 35 cm、下底直徑22 cm、高30 cm）中[15]。根區滲灌灌水器從花盆土壤表面中心垂直向下埋入，埋深為10 cm[16]。地上滴灌灌水器置于供試花盆土壤中心高于土壤表面2 cm處[15]。利用浮球開關，將灌溉水工作壓力水頭穩定在2 m[17]。灌溉水含沙量為1 g/L，將3個云南紅壤粒徑段和3個肥料濃度（其中ND1=0 g/L為對照組）全面組合成9個處理進行試驗，每個處理重復3次。

為了盡可能接近當地生產實際，每次試驗的灌水時長選擇為5 min，灌水間隔3 d。灌水前后均用電子秤（品牌：蓉城，型號：SL—728#，量程：30 kg，分度值：10 g）稱量每一個花盆質量，前后差值即為灌水量。灌水測試結束后，計算平均相對流量 qr，即 3個滴頭渾水平均流量與設計流量之比，當qr＜75%時，停止灌水并記錄灌水次數。

試驗系統搭建結束后要對該系統灌水器流量進行調試，保證每個灌水器單位時間內的流量相等。

1.3 評價方法

根據現行微灌工程技術規范規定，當滴頭流量小于設計流量的 75%時，認為滴頭發生嚴重堵塞[18]。平均相對流量qr的計算公式為

式中qr為平均相對流量，%； i為滴頭序號；n為滴頭總數；qi為第 i個滴頭的渾水流量，L/h；q0為滴頭設計流量，L/h。對于qr≥75%的灌水過程稱為有效灌水，有效灌水過程的次數稱為有效灌水次數。

1.4 數據處理

將數據輸入到SPSS Statistics 22.0中，應用主體間效應檢驗進行顯著性分析，Sigmaplot 12.5進行繪圖制作。

2 結果與分析

2.1 土壤粒徑、肥料濃度和灌溉方式對灌水器堵塞的影響

以土壤粒徑、肥料濃度、灌溉方式和灌水器種類為自變量，有效灌水次數為因變量進行主體間效應檢驗，結果見表1。

表1 灌水器堵塞顯著性檢驗表Table 1 Significance test for emitter clogging

表 1表明，土壤粒徑、肥料濃度、灌溉方式和灌水器種類等因素對灌水器的有效灌水次數影響顯著，土壤粒徑與灌水器種類、肥料濃度與灌水器種類、灌溉方式與灌水器種類有極顯著交互作用（P＜0.01），但四者之間沒有顯著交互作用（P＞0.05）。

2.2 根區滲灌條件下，渾水施肥對灌水器堵塞的影響

試驗結果表明，對于不同的灌水器，云南紅壤粒徑對灌水器有效灌水次數影響存在差異。對于8孔和2孔流量可調灌水器，隨著云南紅壤粒徑的增大，有效灌水次數減小。而對于內鑲貼片式滴灌帶，灌水器的有效灌水次數并不是完全隨著云南紅壤粒徑的增大而減小，存在部分小粒徑段優先大粒徑段造成內鑲貼片式滴灌帶堵塞。這是因為存在造成內鑲貼片式滴灌帶堵塞的敏感粒徑段[7-11]。

8孔流量可調灌水器在根區滲灌條件下（圖2a），肥料濃度為0.6 g/L時，其云南紅壤粒徑段D1、D2和D3對應的有效灌水次數分別為6次、4次和2次。2孔流量可調灌水器在根區滲灌條件下（圖2b），肥料濃度0.6 g/L時，云南紅壤粒徑D1灌水10次后即發生堵塞，下降幅度為32%。云南紅壤粒徑D2時堵塞加劇，整個灌水過程只有6次。云南紅壤粒徑D3時堵塞進一步加劇，灌水4次，灌水器相對流量即下降到 75%以下，且下降幅度達到33.2%，灌水器發生較為嚴重堵塞。上述試驗表明，云南紅壤粒徑段越大，越容易造成8孔和2孔流量可調灌水器堵塞。

圖2 根區滲灌條件下不同灌水器的相對流量變化趨勢Fig. 2 Variation tendency of relative flow rate of different emitter in conditions of root zone subsurface irrigation

內鑲貼片式滴灌帶在根區滲灌條件下（圖2c），未添加肥料時，云南紅壤粒徑段D1、D2和D3配置的含沙水堵塞發生的次數分別為16、10和11次，且下降幅度分別為28.6%、27.9%和28.1%；肥料濃度0.6 g/L時，云南紅壤粒徑段D1、D2和D3配置的含沙水堵塞發生的次數分別為12、6和7次，粒徑段D2的有效灌水次數少于粒徑段D3的有效灌水次數，且D2的下降幅度為32%高于D3的28.6%，說明粒徑段D2快于D3造成灌水器堵塞；肥料濃度1.2 g/L時，灌水5次后，D2粒徑段灌水器就發生堵塞，D3粒徑段需要灌水6次，灌水器才發生堵塞，D1粒徑段相對流量降到75%以下需要11次；由此可以得出，D2粒徑段易造成內鑲貼片式滴灌帶堵塞，其次是大粒徑段D3，最后是小粒徑段D1。D2粒徑段優先大粒徑段D3造成灌水器堵是因為D3粒徑段較大，不易隨水流動[19]。

肥料濃度對灌水器堵塞影響顯著。肥料濃度從0增加至0.6 g/L時，灌水器有效灌水次數減少1～5次；從0.6增加至1.2 g/L時，灌水器有效灌水次數沒有顯著變化，但整個灌水過程的相對流量變化趨勢增大，表明灌水器堵塞程度增加。例如，8孔流量可調灌水器在根區滲灌條件下，D1粒徑段時，肥料濃度從0增加至0.6 g/L，有效灌水次數從8次減至6次。肥料濃度從0.6增加至1.2 g/L，有效灌水次數均為6次，但灌水結束后相對流量分別下降到71.3%和65.7%；D2粒徑段時，肥料濃度從0增加至0.6 g/L，有效灌水次數從6次減至4次。肥料濃度從0.6增加至1.2 g/L，有效灌水次數均為4次，但灌水結束后相對流量分別下降到71.2%和60.9%；D3粒徑段時，肥料濃度從0增加至0.6 g/L，有效灌水次數從3次減至2次。肥料濃度從0.6增加至1.2 g/L，有效灌水次數均為2次，但灌水結束后相對流量分別下降到70.2%和58.3%。內鑲貼片式滴灌帶在根區滲灌條件下，D1粒徑段時（圖2c），肥料濃度從0增加至0.6 g/L，有效灌水次數從15次減至11次，下降了4次。

肥料濃度從0.6增加至1.2 g/L，有效灌水次數分別為11次和10，下降了1次；D2粒徑段時（圖2c），肥料濃度從0增加至0.6 g/L，有效灌水次數從9次減至5次，下降了4次。肥料濃度從0.6增加至1.2 g/L，有效灌水次數分別為5次和4次，下降了1次；D3粒徑段時（圖2 c），肥料濃度從0增加至0.6 g/L，有效灌水次數從10次減至6次，下降了4次。肥料濃度從0.6增加至1.2 g/L，有效灌水次數分別為6次和5次，下降了1次。由此得出，肥料濃度達到0.6 g/L之后，灌水器的有效灌水次數不會再隨肥料濃度的增加而發生顯著變化。 2孔流量可調灌水器進行根區滲灌也有相同的肥料濃度影響規律。

2.3 地上滴灌條件下，渾水施肥對灌水器堵塞的影響

地上滴灌條件下，云南紅壤粒徑和肥料濃度對灌水器堵塞的影響與根區滲灌條件下存在相同的影響規律。但結合圖2與圖3分析灌溉方式對灌水器堵塞的影響時發現，根區滲灌和地上滴灌對不同灌水器堵塞的影響存在差異。8孔流量可調灌水器在根區滲灌條件下更容易發生堵塞；而灌溉方式對于2孔流量可調灌水器和內鑲貼片式滴灌帶堵塞的影響差異不明顯。

圖3 地上滴灌條件下不同灌水器的相對流量變化趨勢Fig. 3 Variation tendency of relative flow rate of different emitter in conditions of drip irrigation

8孔流量可調灌水器在地上滴灌條件下（圖3a），未添加肥料時，D1、D2和D3 3種粒徑段的總有效灌水次數為21次，而根區滲灌（圖2a）為17次；肥料濃度0.6 g/L時，地上滴灌3種粒徑段的總有效灌水次數為16次，而根區滲灌為12次；肥料濃度1.2 g/L時，地上滴灌3種粒徑段的總有效灌水次數為 15次，而根區滲灌為 12次。

然而，2孔流量可調灌水器和內鑲貼片式滴灌帶在根區滲灌條件下（圖2b、圖2c）的總有效灌水次數分別為56次和75次，地上滴灌條件下（圖3b、圖3c）的總有效灌水次數為58次和77次，與地上滴灌相比，根區滲灌的總有效灌水次數僅下降了3%和2%。

為進一步分析灌溉方式對灌水器堵塞的影響，試驗結束后，將灌水器在自然狀態下風干，然后利用數碼顯微鏡（日本奧林巴斯公司，型號DP—70，放大倍數0～35）對灌水器外部進行觀測拍照（放大倍數為8倍），觀測出水口外部堵塞情況。

圖4 灌水器出水口外部堵塞情況Fig.4 Illustration of emitter clogging in outlet

發現根區滲灌條件下，8孔流量可調灌水器出水口外部有堵塞情況（圖4a）；地上滴灌條件下，灌水器出水口外部沒有堵塞情況（圖4b）。而2孔流量可調灌水器和內鑲貼片式滴灌帶在根區滲灌和地上滴灌條件下，都沒有發現出水口外部堵塞。

根據文中1.3的評價方法，結合圖2、圖3統計每種灌水器的有效灌水器次數，進一步分析渾水施肥對不同灌水器堵塞的影響。根區滲灌條件下，未添加肥料時，內鑲貼片式滴灌帶（圖2c）云南紅壤粒徑D1、D2和D3 3種粒徑段的總有效灌水次數為34次，2孔流量可調灌水器（圖2b）為24次，8孔流量可調灌水器（圖2a）為17次，與內鑲貼片式滴灌帶對比，總有效灌水次數分別下降了29%和50%；肥料濃度0.6 g/L時，內鑲貼片式滴灌帶云南紅壤粒徑D1、D2和D3 3種粒徑段的總有效灌水次數為22次，2孔流量可調灌水器為17次，8孔流量可調灌水器為12次，2孔流量可調灌水器與內鑲貼片式滴灌帶相比總有效灌水次數下降了23%，8孔流量可調灌水器與內鑲貼片式滴灌帶相比總有效灌水次數下降了45%；肥料濃度1.2 g/L時，內鑲貼片式滴灌帶云南紅壤粒徑D1、D2和D3 3種粒徑段的總有效灌水次數為19次，2孔流量可調灌水器為15次，8孔流量可調灌水器為12次，與內鑲貼片式滴灌帶對比，總有效灌水次數分別下降了21%和37%；地上滴灌條件下，未添加肥料時，內鑲貼片式滴灌帶（圖3c）云南紅壤粒徑D1、D2和D3 3種粒徑段的總有效灌水次數為35次，2孔流量可調灌水器（圖3b）為24次，8孔流量可調灌水器（圖3a）為21次；肥料濃度0.6 g/L時，內鑲貼片式滴灌帶云南紅壤粒徑D1、D2和D3 3種粒徑段的總有效灌水次數為23次，2孔流量可調灌水器為18次，8孔流量可調灌水器為16次；肥料濃度1.2 g/L時，內鑲貼片式滴灌帶云南紅壤粒徑D1、D2和D3 3種粒徑段的總有效灌水次數為19次，2孔流量可調灌水器為16次，8孔流量可調灌水器為15次。這表明8孔流量可調灌水器最容易發生堵塞，其次是 2孔流量可調灌水器，內鑲貼片式滴灌帶最不容易發生堵塞。

3 討 論

3.1 云南紅壤粒徑對灌水器堵塞的影響

肥料濃度一定時，土壤粒徑大小直接決定流量可調灌水器堵塞的難易程度，這可能是因為其流道結構引起的。流量可調灌水器由旋蓋和內芯兩部分組成。內芯設有進水孔，旋蓋內設有圓錐塞，圓錐塞插入進水孔，二者之間的間隙形成了一個灌溉水流道。通過調節圓錐塞與進水孔的間隙控制流量大小，當間隙一定時，土壤粒徑越大，越容易造成堆積堵塞。文獻[20-21]表明，灌水器堵塞主要由過濾后進入滴灌系統水源中的小粒徑顆粒物引起的，一般來說粒徑越大，灌水器堵塞越嚴重。王文娥等[22]研究表明，灌溉水濃度一定時，粒徑與流道結構的相對尺寸對流道的抗堵塞性有很大影響，但文獻[22]采用的灌水器為迷宮滴頭，本試驗發現流量可調灌水器也有相似規律。

本試驗發現，存在造成內鑲貼片式滴灌帶堵塞的敏感粒徑段。文獻[7-11]對沙壤粒徑的研究指出，范圍0.03～0.038 mm的沙壤粒徑容易造成灌水器堵塞，而本試驗分析的結果是范圍0.0385～0.074 mm的紅壤粒徑容易造成灌水器堵塞，與文獻[7-11]的研究結果存在差異。這可能是因為文獻[7-11]中采用的試驗泥沙是沙壤土，而本次試驗采用的試驗泥沙是云南紅壤土，土壤通氣性和透水性都較差，二者在物理性質上存在較大差異，且二者灌溉方式也存在差異，進而二者結果不同。本次試驗設置土壤粒徑段數量較少，得不到更具體的敏感粒徑段，今后還需細分泥沙粒徑段范圍。

3.2 肥料濃度對灌水器堵塞的影響

肥料濃度0～0.6 g/L之間，肥料濃度加速灌水器堵塞顯著。一方面，泥沙表面帶有負電，灌溉水中添加肥料帶入大量陽離子，泥沙顆粒在含有離子的灌溉水條件下，不是單顆粒在水中游動，而是許多顆粒彼此連接在一起，產生絮凝現象，從而產生大顆粒造成灌水器堵塞。王黨偉[23]等對粘性細顆粒的研究指出，一定范圍內，泥沙顆粒表面的雙電層厚度隨水中陽離子濃度增大而下降，泥沙絮凝現象越明顯。文獻[24-26]對陽離子濃度對絮凝沉降影響的研究指出，一定范圍內，絮凝作用隨陽離子濃度的增大而增大。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[27]。本次試驗設置肥料濃度為0、0.6和1.2 g/L，跨度較大，今后還需設置多組肥料濃度，得到最佳肥料濃度。

肥料濃度大于0.6 g/L后，肥料濃度加速灌水器堵塞的效果較小。這是由于灌溉水中離子濃度增加到一定值時，泥沙顆粒表面的雙電層厚度就會趨于穩定值，雙電層厚度決定泥沙顆粒間相互結合發生絮凝的難易程度。另外，隨著肥料濃度的增加，灌溉水的pH值會降低，酸性灌溉水能有效抑制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，灌水器堵塞程度能夠得到有效緩解[28]。溫度也是影響絮凝的一個重要因素，今后還需進行溫度對渾水水肥灌水器堵塞影響的試驗和驗證。

3.3 灌溉方式對灌水器堵塞的影響

在灌溉方式對比試驗中發現，相同條件下，地上滴灌 8孔流量可調灌水器的抗堵塞性能好于根區滲灌。根區滲灌灌水器埋于土壤中，土壤與灌水器出水口接觸，灌溉結束關閉開關時，會在灌水器出水口形成負壓[29-30]。根區滲灌系統在灌溉結束時產生的這種負壓，可能就是造成 8孔流量可調灌水器吸泥和堵塞的原因。國攀等[16]以清水作為灌溉水，對 8孔流量可調灌水器進行根區滲灌試驗，試驗結束后觀測灌水器內部，其內部出現泥沙，認為這些泥沙來源于與灌水器接觸的土壤。

4 結 論

1)土壤粒徑、肥料濃度、灌溉方式和灌水器種類等因素對灌水器的有效灌水次數影響顯著，土壤粒徑段與灌水器種類、肥料濃度與灌水器種類、灌溉方式與灌水器種類有極顯著交互作用（P＜0.01），但四者之間沒有顯著交互作用（P＞0.05）。

2)對于不同的灌水器，云南紅壤粒徑對灌水器有效灌水次數影響存在差異。對于8孔和2孔流量可調灌水器，隨著云南紅壤粒徑段的增大，有效灌水次數減小。而對于內鑲貼片式滴灌帶，與其他紅壤粒徑段相比，粒徑段為0.0385～0.074 mm（D2）時，灌水器有效灌水次數最少，最容易造成灌水器堵塞。

3)肥料濃度對灌水器堵塞影響顯著。肥料濃度從 0增加至0.6g/L時，灌水器有效灌水次數減少1～5次；從0.6增加至1.2 g/L時，灌水器有效灌水次數沒有顯著變化，但整個灌水過程的相對流量變化趨勢增大，表明灌水器堵塞程度增加。

4)根區滲灌和地上滴灌對不同灌水器的影響存在差異。8孔流量可調灌水器在根區滲灌條件下的堵塞比地上滴灌更顯著；而灌溉方式對于 2孔流量可調灌水器和內鑲貼片式滴灌帶堵塞的影響差異不明顯。

5)渾水施肥條件下，內鑲貼片式滴灌帶的抗堵塞性能最好，其次是2孔流量可調灌水器，8孔流量可調灌水器最容易發生堵塞。