农田水利论文：水肥滴灌滴头堵塞的诱发原因与解决措施

摘要： 以 2 种内镶片式迷宫流道滴头为研究对象，采用数学分析方法、扫描电镜/能谱分析技术（ SEM-EDS） 和X 射线衍射技术（ XRD） 对不同水溶性肥料滴灌后滴头流量、堵塞物表面微形貌及其化学组分进行多角度分析，研究肥料特性和流道结构对滴头堵塞过程的影响效应。结果表明： 肥料特性是决定堵塞类型和诱发风险的重要因素（ P <0. 01） ,流道结构对堵塞的影响需双重考虑结构尺寸及结构类型； 当施肥质量分数小于等于 0. 5% 时，施肥加速滴头堵塞的效果较小且与肥料类型关系不大，当施肥质量分数在 0. 5% ~2. 0% 之间时，各肥料滴灌适用性由大到小依次为： 磷肥、尿素、钾肥、复合肥，当施肥质量分数在 2. 0% ~ 3. 0% 之间时，尿素滴灌滴头流量降幅为10. 26% ,显着高于施加磷肥（ 7. 85% ） 、钾肥（ 4. 07% ） 和复合肥（ 2. 74% ） ; 施加尿素滴灌诱发滴头堵塞主要物质的形成机理为分子态尿素析出物与水中悬浮颗粒物形成团聚体在较差流体的运动粘度下造成的物理堵塞，磷肥主要为吸附作用加速肥料杂质团聚沉淀的物理、化学堵塞，硫酸钾施肥滴灌主要为离子交换形成的钙、镁沉淀导致流道壁面糙度升高、过水断面减小的化学堵塞过程，复合肥诱发滴头堵塞风险最低。施肥滴灌存在诱发或者加速滴头堵塞的风险，但不同肥料诱发滴头堵塞主要物质的形成机理不同，加速堵塞的风险也不同，故对于不同的肥料类型宜采用不同的抗堵塞管理策略。
　　
　　关键词： 滴灌施肥； 滴头； 堵塞； 风险； 机理。

　　引言。
　　
　　滴灌施肥是定量供给作物水分和养分并维持土壤适宜水肥浓度的有效方法，其精量性可改善旱地农业水肥资源利用现状、缓解水资源危机、促进作物生长[1],也是旱地农业技术未来发展的研究重点。水中大量矿物微粒、肥料离子和细小固体悬浮颗粒大大提高了滴头堵塞风险，而滴头堵塞又直接决定了滴灌系统的使用寿命及经济效益[2 -3].已有研究表明，水体中高浓度的 Ca2 +、Mg2 +、HCO3 -、SO2 -4等无机离子组分以及相对较高的 pH 值，是造成滴头流道淤积的重要因素[4].然而，施肥滴灌改变水源中营养物质的种类、浓度、水中悬浮颗粒数量、水温、pH 值、电导率等参数，导致各类溶质在流道内水流紊动作用下相互碰撞、吸附、团聚、沉淀形成的堵塞淤积规律改变，由此诱发堵塞风险更高，堵塞机制更为复杂且与施肥浓度呈正相关[5 -13],滴头有效率仅为50% ~75%[14].其中，小流量滴头高浓度施肥条件滴头堵塞程度最高，且含有 P、Ca、Mg、Fe、S 的肥料类型可显着提高诱发滴头堵塞的风险[15 -16].因此，研究施肥滴灌过程中，滴头堵塞过程及形成机理对于防治水肥一体化过程中滴头堵塞，提高滴灌系统运行效率具有重要意义。但以往研究仅针对单一流道结构，或者单一肥料类型，在不同肥料类型和浓度条件下对于不同结构形式流道加速滴头堵塞的风险是否一致，诱发堵塞的机理是否相同，这些问题都还有待于进一步研究和确认。
　　
　　本文选用 2 种结构形式流道滴头，在 4 种不同肥料类型及 4 种肥料浓度梯度条件下，在对施肥滴灌滴头流量变化过程测试基础上，讨论施肥滴灌滴头堵塞的发生规律，并借助装有能谱仪（ EDS） 的场发射扫描电镜（ FESEM,S-4800 型，日立） 对堵塞物质表面形貌进行显微分析和元素分析，同时配合采用 X 射线衍射仪（ XRD,D8 Adance,Bruker） 确定不同肥料类型滴灌诱发滴头堵塞主要物质的化学组分，揭示滴头堵塞的诱发机制，评估和预测滴头堵塞风险，旨在为水肥滴灌影响下合理防治滴头堵塞管理策略提供理论依据。
　　
　　1 材料与方法。
　　
　　1. 1 试验材料制备。
　　
　　试验用水为陕西杨凌示范区居民自来水，通过环境保护局 2015-2016 年最新监测数据来看，符合我国农田灌溉用水水质标准[17]（ 表 1） ,细菌数小于1 CFU / mL,短周期滴灌可忽略生物堵塞的影响，故该水质条件下研究水肥特性对滴头堵塞影响的试验结果具有一定的代表性。试验选用滴头参数如表 2所示。
　　 　　试验选用 4 种可溶性肥料，分别为氮肥、磷肥、钾肥和复合肥。氮肥为尿素（ 云南三环化工股份有限公司） ,分子式 CO（ NH2）2,粒径 1 ~2 mm 的半透明粒子。尿素极易溶于水且无任何杂质，溶液呈透明状。试验用磷肥为过磷酸钙（ 河北省矾山磷矿有限公 司） ,含 磷 组 分 为 磷 酸 二 氢 钙 的 水 合 物Ca（ H2PO4）2·H2O,杂质为硫酸钙、二氧化硅和少量游离的磷酸和硫酸，常温下是灰白色粉末。过磷酸钙含有效 P2O5质量分数 14% ~ 20% （ 其中80% ~95% 溶于水） ,属于水溶性速效磷肥。制备磷肥水溶液时，搅拌后溶液浑浊，溶液底部存在大量灰色粉末状沉淀，待过磷酸钙颗粒在玻璃烧杯中充分溶解、静置后，取上清液透明液体，经浓度检测后作为试验材料。试验用钾肥为硫酸钾（ 山东鲁丰钾肥有限公司） ,硫酸钾含 K2O 质量分数 50% ~ 54% ,淡灰色微晶体粉末状。制备硫酸钾溶液过程中，经充分搅拌溶解后溶液底层沉积灰白色沉淀同时肥液表层悬浮白色包膜材料，待静置分层经过滤后取上清液，经浓度检测后作试验材料。复合肥采用临沂沃夫特复合肥有限公司生产的全水溶高钾型螯合态化肥，主要成分为尿素、磷酸二氢钾、硝酸钾，其中氮、磷和钾质量比为 16∶ 6∶ 28.该肥料极易溶于水，溶液呈淡蓝色透明状。

抗堵塞测试平台参照 GB/T 17187-2009《农业灌溉设备 滴头和滴灌管 技术规范和试验方法》、SL/T 67. 1-94《微灌灌水器---滴头》以及国际抗堵塞研究标准草案[18]关于室内滴灌滴头堵塞敏感性测试试验搭建而成，平台由水泵、过滤装置、搅拌装置、压力表、控制阀门、支管以及待测试滴灌带组成。滴灌管布设于测试系统架上（ 长 6 m、宽0. 5 m、高 1. 2 m） ,共 4 台测试架，每个架子布设 4 条滴灌带，其间距为 12 cm,每条滴灌带有 20 个滴头，滴头间距为 30 cm,一台测试架共 80 个滴头（ 图1） .首部采用 1 个 120 目筛网过滤器串联，利用分流原理控制系统的工作压力。
　　 　　1. 2 室内试验设计。
　　
　　试验选用 4 种肥料，质量分数分别为 0. 5%、1. 0% 、2. 0% 、3. 0% （ CF1、CF2、CF3、CF4） 进行滴灌抗堵塞测试，不加肥作为对照（ CF0） ,进行完全随机试验，共 34 个处理。为加速试验进程，试验参照国际滴灌滴头抗堵塞性能测试标准草案，将灌水周期等比例缩短，测试时间为 1 h,每隔 2 h 灌水 1 次，1 d灌水 5 次，连续 4 d 作为一个测试周期，每个处理累计灌水 20 h,每组 4 个重复。每次灌水结束后均采用电导率仪监测滴灌水温、pH 值以及电导率动态变化情况。每组处理结束后，将换下毛管置于遮阴通风位置晾晒风干，称量灌水前后毛管质量的变化，定量分析毛管及滴头堵塞物质淤积量及成分。
　　
　　1. 3 滴头堵塞测定及评价方法。
　　
　　在每条滴灌带上等间距布置 10 个采样点，待系统运行 30 min 滴头保持稳定出流后，将量杯按 2 s间隔依次放置在滴头正下方，测量 10 min 后再依次按 2 s 间隔将量杯挪出，用电子天平（ 精度 0. 1 g） 称量量杯和水的总质量，然后换算成滴头流量。为消除温度对滴头流量的影响，采用美国农业工程师协会关于微灌系统田间评价标准进行流量-温度修正，最后采用相对流量评价滴头堵塞及灌水质量情况，计算公式为：
　　 　　其中　　 　　式中 Dra---相对流量，%.   i---滴头序号。  n---滴头总数。  x---流态指数。 T---测试水温，℃。  ---第 i 个滴头在温度 T 下的实测流量，L / h.
　　
　　1. 4 堵塞物表面形貌及组分分析方法。
　　
　　用高精度电子天平称量灌水前毛管质量，滴灌施肥测试结束后，再称量风干后毛管质量，两者质量之差即为所求灌水前后毛管内的淤积物质的量。解剖不同处理下采样点滴头，观察堵塞物在流道中的分布特征，并收集流道内的淤积物质，根据试验编号将各处理一分为二。对进行固定、脱水、干燥、喷金等处理的样品，采用装有能谱仪的场发射扫描电镜（ FESEM,S-4800 型，日立） 分析堵塞物的表面形貌及元素组成。其余样品按照编号研磨过筛（ 300 目）后制成表面平整试片，使用 X 射线衍射仪获取其多晶衍射图谱，再使用 MDI Jade 5. 0 软件对其化学组分进行定性分析，以进一步确认堵塞物质化学组分。
　　
　　2 结果与分析。
　　
　　2. 1 迷宫结构对滴头堵塞的影响。
　　
　　迷宫结构包含结构尺寸和结构类型。首先采用周博等[19]提出的片式滴头抗堵塞能力快速评估方法，比较 2 种滴头结构尺寸参数与其抗堵塞性能，采用片式滴头抗堵塞性能评估指数 Ia,其计算式为：
　　 　　式中 Q---滴头额定流量，m3/ s.
　　
　　L---滴头流道长度，m.
　　
　　W---滴头流道宽度，m.
　　
　　D---滴头流道深度，m.
由表 2 提供的参数计算可知，E1、E2 滴头 Ia分别为 8. 17 和 3. 69,由此确定 E1 流道结构尺寸的滴头自身抗堵塞性能相对结构尺寸 E2 滴头而言较优。除自身尺寸条件外，进一步考虑流道结构形式及滴灌施肥水质参数。经试验测定，采用 SPSS 22. 0软件对 34 个处理末次灌水结束滴头相对流量数据进行方差分析，检验结果如表 3 所示，2 种迷宫结构滴头对施肥滴灌堵塞的发生并无显着性影响（ P >0. 05） ,说明在一定施肥浓度范围内，施肥加速滴头堵塞的风险受所选滴头流道结构尺寸影响，另外，流道结构形式的影响也不容忽视，两者存在交互作用，综合考虑不同肥料特性滴灌条件，尖角齿形结构比圆弧齿形结构抗堵塞性能更优。
　　 　　2. 2 施肥特性对滴头堵塞的影响。
　　
　　施肥特性包括肥料类型和施肥浓度，方差分析结果表明两者对滴头堵塞的影响极显着（ 表 3） ,是加速滴头堵塞发生的关键性因子。以 E1 滴头为例，4 种肥料类型在不同施肥浓度条件下对滴头相对流量变化的影响如图 2 所示，各处理组选用 Duncan 多重比较模型对滴头相对流量进行单因素多变量方差分析显着性检验，结果如表 4 所示。
　　 　　由图 2 可知，施肥滴灌与清水滴灌（ CF0） 比较，未施肥处理组的滴头流量曲线整体表现平直，没有出现随灌水次数增加而下降的趋势，两者存在极显着差异（ 表 4,P <0. 01） ,且施肥滴灌滴头相对流量在整个灌水期间均随着灌水次数的增加而逐渐降低，呈波动变化。各处理滴头平均相对流量都在87. 61% 以上，总体处于轻微堵塞水平，但不同肥料类型影响滴头相对流量下降幅度仍存在一定差异，灌水 20 次后，尿素滴灌降为 12. 39%,显着高于磷肥、钾肥及复合肥，其中钾肥与复合肥滴灌相对流量差异较小（ 幅度在 3. 13% 以内） .说明施肥滴灌存在加速滴头堵塞的风险，不同肥料类型之间存在一定差异。
　　
　　另外，不同施肥处理组滴头相对流量差异受施肥浓度的影响较大，当施肥质量分数在 0 ~0. 5% 之间时，浓度对滴头堵塞性能的影响均较微弱，并无显着差异（ P >0. 05） ,滴头均保持较高的相对流量（ 变幅在 2. 76% 以内） .当施肥质量分数在 0. 5% ~2. 0% 之间时，滴头相对流量随浓度变化明显，高低波动现象突出，说明该浓度范围段流道内堵塞物质“碰撞-团聚-沉淀-破碎-再团聚-再沉淀”的动态过程较为频繁，磷肥在该浓度范围滴灌对堵塞较为敏感，显着高于其他 3 种肥料（ P <0. 05） .当施肥质量分数在 2. 0% ~3. 0%之间时，不同肥料类型之间滴头流量变幅差异较大，尿素滴灌相对流量降幅显着增高，磷肥有所回升，钾肥平缓降低，复合肥变化不大，堵塞由大到小表现为： 尿素、磷肥、钾肥、复合肥。整体来看，复合肥和钾肥表现出较好的滴灌适用性，而尿素和磷肥滴灌易诱发或加速滴头堵塞。

·······
4 结论。
　　
　　（ 1） 在没有或者仅有少量固体悬浮物参与的情况下，施肥滴灌具有诱发或加速滴头堵塞的风险。
　　
　　（ 2） 不同肥料特性诱发滴头堵塞的风险不同。肥料质量分数小于 2. 0% 时，滴头堵塞风险由大到小表现为： 磷肥、尿素、钾肥、复合肥，当肥料质量分数大于等于 3. 0% 时，尿素诱发滴头堵塞的风险最高，磷肥次之，钾肥和复合肥较小。
　　
　　（ 3） 不同肥料类型诱发滴头堵塞的主要物质形成机制不同。尿素滴灌主要考虑肥料分子改变水体流动性诱发的颗粒物质与壁面粘附的沉积堵塞； 可溶磷肥滴灌主要考虑磷吸附行为下肥料杂质的团聚沉淀堵塞； 硫酸钾滴灌主要考虑钙、镁沉淀诱发流道壁面糙度升高使过流断面减小造成的堵塞； 可溶性复合肥诱发机理有待进一步研究。
　　
　　（ 4） 滴头结构对施肥诱发堵塞的影响存在流道结构尺寸和流道结构类型的交互作用。