日光温室番茄地下滴灌系统灌水器流量测试分析

日光温室番茄地下滴灌系统灌水器流量测试分析

1地下统一灌溉的水刺剂和小流量与地表灌木相比，地下灌溉可以减少土壤蒸发，提高水利用率。然而由于地下滴灌的毛管和灌水器均埋于地下一定深度,灌水器堵塞的监测和修复都存在较大困难,这对地下滴灌系统的安全运行构成了潜在威胁,使得堵塞成为制约地下滴灌推广应用的一个关键问题。引起地下滴灌灌水器堵塞的原因很复杂,除了地表滴灌常见的物理、化学和生物堵塞外,负压吸泥和根系入侵也可能引发灌水器堵塞。科研人员一直在针对不同的堵塞原因研究堵塞的防止措施。王荣莲等通过比较灌水器类型对抗负压堵塞的影响得出小流量灌水器在防止负压堵塞方面具有较强优势。Suarez-Rey等及于颖多的研究指出,使用材料中含有氟乐灵的灌水器或向系统注入小剂量氟乐灵可使根系入侵的比例降低为零。除了向系统注入除草剂外,定期注入氯化物或酸也可以有效地降低根系入侵造成的堵塞。仵峰等对未注入任何化学制剂(化肥和农药)运行8年的地下滴灌试验小区(小麦-番茄轮作2年,棉花1年,小麦-玉米连作5年,水源为生活饮用水)的灌水器堵塞情况进行了评价,指出细小颗粒在灌水器进口的累积是造成堵塞的主要原因,但未发现根系入侵和负压吸泥造成的堵塞。从上面的分析可以看出,由于不同研究者所处的条件和侧重点不同,所得结论也不尽相同;同时,缺乏堵塞程度对灌水均匀性影响的定量评估,有必要对地下滴灌灌水器堵塞状况进行进一步研究。本文的目的是:通过对运行2年的温室地下滴灌系统的灌水器水力特性进行测试,定量评价毛管埋深及灌溉与施肥制度对灌水器堵塞的影响,并分析产生堵塞的原因;建立灌水均匀性与堵塞程度的定量关系为地下滴灌系统的运行管理提供科学依据2材料和方法2.1地面土壤物理处理为了进行地下滴灌管理措施对番茄生长和土壤水氮动态影响的研究,2006年3月在国家节水灌溉北京工程技术研究中心大兴试验基地(北纬39°39′,东经116°15′)日光温室内安装了滴灌系统。温室南北长50m,东西宽8m,土壤为砂质壤土,其颗粒组成、干容重和田间持水量见表1。灌溉系统首部由封闭式水箱(容积1m3)、水泵(扬程30m)、过滤装置、水表、压力表及控制阀门等部分组成。为了防止物理堵塞的发生,采用2级过滤,即在水泵出口安装120目的叠片式过滤器(以色列耐特菲姆),在支管进口安装200目的筛网式过滤器(以色列耐特菲姆)。试验开始前,对整个系统进行了彻底冲洗。番茄生育期内肥料全部利用滴灌系统施入,肥料选用尿素,施肥时将预订数量的尿素溶解于储水箱内,然后通过水泵加压注入系统。施肥系统运行采用水肥利用率高的14-12-14的模式,即前14时间灌清水,中间12时间施肥,最后14时间灌清水冲洗管网。2006年番茄5月10日移栽,8月11日拉秧试验结束;2007年番茄4月5日移栽,7月16日拉秧试验结束。2年试验处理设置相同,即毛管埋深设置0、15和30cm3个水平,施氮量设置0、150、225kghm23个水平,对应的3个施尿素量水平为0、341和511kghm2。为了研究土壤层状质地结构对地下滴灌特性的影响,采用人工回填的方法构建了2种层状土壤,一种是上层20cm为砂土,下层为原状砂质壤土(简记为上砂下壤),另一种为上层20cm为砂质壤土,接着10cm为砂土,下部为原状砂质壤土(简记为砂土夹层);层状结构土壤处理的毛管埋深均为15cm。回填所用砂土的物理特性也列入表1。共设置11个处理,每个处理设置3个重复,因此在温室内布置了33个3.5m×2.4m的小区。2个层状土壤处理的小区安排在温室北端(小区1-6),其余9个处理的小区随机排列。每个处理安装独立的水表和压力表以控制运行压力和灌水量,灌水过程中每个处理进口压力控制为0.1MPa。毛管沿小区的长边方向布设,每条毛管控制1行番茄,间距为0.6m。毛管选用以色列耐特菲姆公司生产的地下滴灌专用滴灌带台风150,壁厚0.4mm,灌水器带有防负压吸泥舌片,间距0.4m,0.1MPa压力下的额定流量为1.05Lh。这样,每个小区布设4条滴灌带,每条滴灌带上有8～9个灌水器。2.2灌溉对番茄和水中不同高度的统一控制指标的测定灌溉水取自试验基地的灌溉专用机井。委托北京市农林科学院植物营养与资源研究所对灌溉水的Ca2+、Mg2+(原子吸收法)、Na+(火焰光度计法)、Cl-(硝酸银滴定法)、HCO3-(滴定法)和SO42-(比浊法)进行了测定,结果列入表2。从表中可以看出,水中易引起化学堵塞的Ca2+、Mg2+和HCO3-含量均较高。根据以往对滴灌番茄水肥需求规律的研究结果,生育期内灌水频率取3～4d,灌水量根据放置在与番茄等高的直径20cm蒸发皿的蒸发量确定;施肥频率取7d左右。2006年番茄生育期共灌水24次,灌水定额5～16mm,灌溉定额260mm;2007年共灌水21次,灌水定额8～23mm,灌溉定额268mm。2006和2007年的施肥次数分别为10次和9次。在2年的运行过程中,一般在每次施肥前对过滤器进行冲洗,但2年中均未对灌溉系统进行过冲洗。由于2年试验同一处理所用的小区有些差异,因此表3按小区给出了毛管埋深及年施肥次数和施肥量2.3试验装置和过程2007年7月16日番茄拉秧后,对运行2年的地下滴灌系统灌水器堵塞情况进行了评估。极小心地将埋于地下的毛管挖出,观察根系入侵情况。选择每1小区中间2条滴管带上的16个灌水器作为堵塞评估对象,测试方法参照相关标准。所有田间评估试验的工作压力均为0.10MPa。将进口压力调至设定压力后,让系统运行10min左右,使系统工作压力稳定,然后将容积2L的容器置于每个灌水器下方,开始计时。1h后关闭水泵,用量筒测量每个容器中的水量,然后换算成灌水器流量。每次试验6个小区同时运行,每个小区重复3次。为了防止灌水器出流沿滴灌带流动,在每个灌水器附近都系了一段尼龙绳,以保证每个灌水器的出流都流入相应的容器。在每次试验开始前,通过系统都预先运行一段时间的方法,使尼龙绳充分饱和。待所有小区灌水器流量测试完成后,对与试验所用滴灌带相同批次的新滴灌带的灌水器流量也进行了测试。灌水器的堵塞程度用流量降低百分数来评价:式中:Rq为流量降低百分数(%);q为使用后的灌水器流量(Lh);qnew为新灌水器流量(Lh)。2.4采用灌流均匀评价法评价根据每个小区16个灌水器流量的实测结果,用变差系数CV来定量评价灌水器流量的均匀程度:式中:q和S分别为灌水器流量的均值和标准差。3结果与分析3.1按流量流量之比,可确定灌溉器的堵塞情况,见表3目前国内外尚没有判别滴灌灌水器堵塞的标准,ISOTC23SC18“Cloggingtestmethodsforemitters”初稿建议当拟评价灌水器流量与参考灌水器(新灌水器)流量之比小于75%时,即流量降低百分数Rq超过25%时,认为灌水器发生了堵塞。本文采用这一标准对灌水器的堵塞情况进行评价。各试验小区发生堵塞(灌水器流量减低百分数超过25%)和完全堵塞(流量为零)的灌水器个数列于表3,图1给出了灌水器流量降低超过给定值的灌水器个数占灌水器总数比例的变化情况(33个小区的平均值)。运行2年后,流量降低超过10%(10%<Rq≤100%)的灌水器占6%,超过20%(20%<Rq≤100%)的灌水器占3%(图1);发生堵塞的灌水器占2.7%,完全堵塞的灌水器占2.1%(表3),因此可以认为灌水器堵塞程度较轻。3.2按毛管埋深选择的按灌溉器流量降低百分数分析堵塞灌水器在系统中的分布有利于找出发生堵塞的原因,以便采取相应防护措施。从表3可以看出,不同小区发生堵塞灌水器个数和完全堵塞灌水器个数之间无明显差别。图2绘出了按毛管埋深选择的3个典型小区灌水器流量降低百分数沿毛管的变化情况(灌水器自毛管入口开始编号)。从图中可以看出,灌水器流量降低百分数随离开毛管进口距离的增加一般呈增大趋势,完全堵塞的灌水器均发生在毛管的末端,其余8个有完全堵塞灌水器的小区,完全堵塞灌水器也位于毛管末端。这是由于毛管内的水流速度沿毛管逐渐减小,在末端减小为零,从而增大了固体微粒在灌水器周围沉积和堵塞灌水器的可能性。另外,滴灌系统在2年的运行过程中从未对支管和毛管进行过冲洗,无疑也增加了毛管末端灌水器堵塞的可能性。3.3地下下灌溉器流道分析灌水器流量降低百分数与滴灌系统运行2年来的累计施肥次数和施尿素量的关系绘于图3。随施肥次数和施肥量的增加,灌水器流量降低百分数没有表现出明显的降低或增加,这说明对试验所用的水质和施肥管理措施来说,采用的2级过滤可以将肥料微粒拦截,从而保证了系统运行安全可靠。图4给出了灌水器流量降低百分数随毛管埋深的变化情况。地表滴灌小区灌水器流量降低百分数明显大于地下滴灌小区,但毛管埋深15cm和30cm小区的灌水器流量降低百分数没有明显差别,毛管埋深0、15、30cm灌水器流量降低百分数均值分别为7%、2%和2%。这说明地表滴灌灌水器比地下滴灌更容易发生堵塞。观察地表滴灌毛管周围的变化发现,发生堵塞灌水器出口处都有白色或浅黄色固体微粒沉积严重者已将出水口完全堵塞而地下滴灌未发现这一现象这可能与灌溉水中易诱发化学堵塞的Ca2+、Mg2+、Na+和HCO3-浓度较高(表2),而温室内较高的地表温度又为这些离子在地表滴灌灌水器周围沉淀累积营造了适宜环境,造成地表滴灌堵塞比地下滴灌稍重。对土壤层状结构对灌水器流量降低百分数影响的分析表明,上砂下壤(小区1、3、4)和砂土夹层(小区2、5、6)的灌水器流量降低值分别为0.3%和1.2%,层状结构的影响不显著(F=0.20,α=0.05)。为了进一步分析地下滴灌灌水器堵塞的原因,选择堵塞严重的灌水器剖开,对其流道观察后发现,堵塞均为泥土微粒在流道进口或第1和第2齿沉积造成,未发现根系入侵造成的堵塞。这一结果与仵峰等对使用8年的地下滴灌灌水器调查后所得结论相同,但与于颖多在同一土壤上对冬小麦地下滴灌灌水器堵塞情况的研究结果不同。该研究指出,生育期结束时,发生根系入侵的灌水器比例高达16%。研究结果产生差异的原因除了冬小麦与番茄根系分布特点不同外,更主要的是本研究采用的灌水频率(3～4d)明显高于于颖多采用的灌水频率。较高的灌水频率可以保持灌水器周围一直处于较高的土壤含水率,从而防止根系入侵的发生。由于试验采用了带防负压吸泥舌片的地下滴灌专用灌水器,因此可以推断造成灌水器堵塞的泥土微粒主要来源于灌溉水源中的泥沙。由于试验地的机井老化失修,在试验中确实发现水中含有泥沙颗粒。3.4灌溉均匀性的变化图5给出了使用2年后和新灌水器的流量变差系数CV。总的来看,运行2年后灌水器的流量变差系数CV有所增大,田间测得的33个试验小区的CV均值(0.12)为新滴灌带的6倍(0.02);21个小区的CV值小于10%,最大值为0.38(小区10)。比较图5和表3可以看出,灌水器堵塞个数较多的小区其CV值也就较大,而没有发生堵塞的小区其灌水均匀性均较好。如有2个灌水器堵塞的小区10和21,它们的CV值分别为0.38和0.31。由此可见,灌水器堵塞对系统均匀性影响十分明显,尤其是当小区内出现完全堵塞的灌水器时,灌水均匀性会显著变差。原状土壤滴灌带埋深为0、15和30cm的变差系数均值分别为0.17、0.14和0.09,地表滴灌的灌水均匀性比地下滴灌差,这是由于地表滴灌灌水器的堵塞程度比地下滴灌严重所致,但它们之间的差异未达到显著水平(F=0.84,α=0.05)。层状土壤结构对灌水器流量CV值的影响也不显著(F=0.83,α=0.05)。定量分析灌水器堵塞对变差系数的影响,将有助于形成灌水器堵塞的评价准则。为此图6给出了33个试验小区流量变差系数CV与流量降低百分数Rq的关系,回归方程为:式中:n为样本数;r为相关系数。式(3)具有较高的相关系数,且CV的截距(0.03)与田间实测的新滴灌带的CV值(0.02)很接近,因此可以认为该式较好地反映了灌水器堵塞引起的流量降低对流量变差系数的影响。由式(3)可见,由于堵塞引起的灌水器流量降低百分数增大1%,变差系数将约增大0.03。4地下下灌溉系统排水效果对运行2年的日光温室番茄地下滴灌系统灌水器堵塞情况进行了田间评估,分析了施肥次数、施肥量、滴灌带埋深、土壤层状结构等对灌水器堵塞的影响,得到如下结论:(1)运行2年后地表和地下滴灌系统灌水器均发生了轻微堵塞,流量降低超过10%的灌水器占6%,超过20%的灌水器占3%,超过25%的灌水器占2.7%,完全堵塞的灌水器占2.1%;(2)施肥次数和施肥量对灌水器堵塞无明显影响,但地表滴灌比地下滴灌堵塞略微严重。造成地下滴灌灌水器堵塞的原因主要是固体颗粒在灌水器