石文鵬，王文娥，胡笑濤，徐 茹

(西北農林科技大學旱區(qū)農業(yè)水土工程教育部重點實驗室，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、施藥量和時間等優(yōu)點已經成為當下國內最具推廣價值的節(jié)水灌溉技術之一[2]，能緩解我國農業(yè)生產過程中水分農藥利用率低的問題。微噴帶自20世紀90年代進入我國，由于性能優(yōu)、價格低，在設施農業(yè)領域得到廣泛，深受用戶歡迎[3,4]。與其他灌溉設備相比，微噴帶具有投資少、工作壓力低、出水量大、可實現水肥藥一體化等突出優(yōu)點[5,6]。陳林[7]、程功、魏義長[8]等研究人員通過試驗發(fā)現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，又可顯著改善煙草的經濟和農藝性狀；同時指出不同除草劑在控制雜草的同時也有不同的負面效果，如除草劑對下茬作物的影響等，因此選擇除草劑時應以土壤處理為主、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]運用滴灌施藥方法對棉花田間惡性雜草龍葵進行防治，結果顯示藥劑處理區(qū)棉花生長正常，根系、幼芽均未發(fā)現明顯藥害反應；對其他非靶標生物(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)處理對比傳統(tǒng)的注射方式發(fā)現，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。目前的研究成果表明，利用微灌進行水藥一體化施用可以達到很好的施藥效果。由于藥品施用的均勻度直接影響大田除草效果，進一步影響作物生長和產量，因此施藥均勻度是評價施藥質量的重要指標之一。水藥一體化條件下，農藥隨灌溉水一起輸移，灌溉水到達的位置農藥才能到達，所以灌水均勻度直接影響施藥均勻度。微灌系統(tǒng)設計及運行參數影響灌水均勻度，進一步影響隨水施藥時的施藥均勻度。

由于農藥一般毒性較大，施藥時間一般較短，而水中或者土壤中的農藥檢測難度大、檢測費用高[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，對水藥一體化微灌技術設備運行參數及其性能、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，觀測微噴帶噴灑范圍內不同位置處大田除草效果，計算株防效，比較除草劑配置濃度不同時的除草均勻度，確定適宜的配藥濃度，建立施藥均勻度與施藥濃度的關系，為水藥一體化施用技術的不斷完善與大面積推廣應用提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗基本情況

試驗于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)水試驗站內進行，地理位置為37°52′N，102°50′E。該地全年日照平均時數為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(江蘇富田農化有限公司生產)，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100 kPa。

1.2 試驗設計與實施

采用水藥一體化微噴帶施藥時，除草劑先放入施藥器與水混合(濃度較高)，之后進入微噴帶與灌溉水混合(稀釋)后噴入田間。每一試驗小區(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，因此首先進行了微噴帶噴灑水量分布試驗。試驗采用φ32微噴帶，結構如圖1所示，鋪設長度40 m、首部壓強55 kPa，在微噴帶的首、中、尾設置3個取樣點，分別距微噴帶水流入口位置3、20和37 m。每個取樣點放置3×8共24個燒杯，如圖1所示。待微噴帶壓力穩(wěn)定后，用燒杯接取噴灑水量，計時30 min，試驗完成后對燒杯中接收的水進行稱重，試驗重復3次。距微噴帶相同位置取3個燒杯水量平均值，取3次重復的平均值作為該位置的試驗值。

圖1 微噴帶結構及水量分布試驗布置Fig.1 Layout of micro-sprinkler belt structure and water distribution test

清水噴灑試驗后，進行大田水藥一體微噴帶施藥均勻性試驗。試驗處理設置詳見表1，水藥一體微噴帶施藥均勻性試驗布置方式如圖2所示。

試驗分為A、B、C 3個施藥試驗區(qū)和1個對照區(qū)D(不施除草劑)共4個小區(qū)，每個小區(qū)均為長方形，長40 m，寬5 m，面積200 m2，由2條微噴帶控制(單條噴幅2.5 m)。除草劑用量選用當地農民除草時常用的量，即1.522 5 kg/hm2。4個試驗小區(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設置Tab.1 Test setting of uniformity of fertilizer application with water-fertilizer integrated micro-sprinkler belt

實際施用時，根據試驗設計，稱取相應質量的50%二氯喹啉酸除草粉劑，加水攪拌溶解后，放入施藥器中。除草劑匯入灌溉水的時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)試驗裝置Fig.2 Schematic diagram of test device for water-pesticide integrated micro-spraying belt spraying system

以試驗區(qū)A為例，打開開關a1、b1，調節(jié)壓力至55 kPa，待壓力穩(wěn)定后打開施藥器開關b2，施藥完成后關閉開關b2，注清水5 min，關閉開關a1、b1。通過同樣方法對試驗區(qū)B、C完成施藥，試驗區(qū)D不施藥，施相同時間清水。

1.3 微噴帶施藥均勻度及施藥效果評價指標

株防效測定方法：試驗完成后采用絕對值調查法計算每個試驗區(qū)的株數防效。如圖2所示，每個試驗區(qū)取3個取樣帶，每個取樣帶距進藥口距離分別為3、20、37 m，每個取樣帶沿垂直微噴帶方向連續(xù)取5 個點，每點0.5 m×0.5 m，共計0.25 m2，施藥8、16 d后目測試驗區(qū)和對照區(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)計每個取樣點內雜草數量，計算雜草株數防效。

株防效[15]計算公式：

(1)

式中：K為株數防效指數；Ei為對照區(qū)雜草數，株；Ec為試驗區(qū)雜草數，株。

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

(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[18]表示，可以反映施藥量平均偏差，計算公式為：

(2)

(2)分布均勻度DU。田間實際施藥時，由于施藥裝置的差異或者人為造成的不可控因素，導致一些地方的施藥量低于保證作物正常生長的最低藥量，該指標重點關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。計算公式為：

(3)

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

(4)

(5)}

式中：Sx為觀測值的標準差；US為統(tǒng)計均勻度，%。

2 結果與分析

2.1 微噴帶噴灑水量分布

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

設置試驗對微噴帶水量分布進行研究，試驗壓力55 kPa，距微噴帶閥門端3、20、37 m 3個取樣點，取樣點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，噴灑強度分布呈現先逐步增大，然后逐步減少的變化趨勢。在近首部處，距微噴帶1.7 m處噴灑水量達到最大值，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個取樣點中，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到較好除草效果，水藥一體噴灑時間要足夠長，使水量少的位置處單位面積上達到能夠殺死雜草的最低施藥量。

2.2 不同濃度除草劑對除草效果的影響

施用除草劑后，經過一段時間藥效發(fā)揮作用后，進行田間施藥效果觀察。分別于施藥后 8、16、30 d對小麥及雜草生長情況進行田間觀察，小麥未發(fā)現畸形、褪綠、病斑、生長受滯等藥害現象，雜草在8 d發(fā)現干枯，16 d開始逐漸死亡。說明所供試除草劑對小麥安全，可用于麥田雜草防除。通過對每個測方中雜草數量的調查，根據式(1)計算各小區(qū)的株數防效，圖4給出了垂直微噴帶方向雜草株防效試驗結果。從圖4中可以看出，除草劑濃度越高對麥田總雜草防效越好，且處理間株防效差異顯著。試驗區(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96.36%；試驗區(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98.73%。整體上來看，3個試驗區(qū)雜草防效垂直微噴帶方向，呈現先增加后降低的趨勢，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，施藥器進藥時間減少，使距微噴帶進藥口較近的C1、C2取樣點除草劑含量變大，離進藥口遠的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，微噴帶不同位置平均株防效見表2。可以看出距離藥液進口3 m取樣點A1(1.5 g/L)與B1(2.0 g/L)、C1(3.0 g/L)之間平均株防效達到了顯著差異(P<0.05)，距進藥口20 m取樣點各處理之間差異不明顯(P>0.05)，距進藥口37 m取樣點A3、B3平均株防效與C3間存在顯著差異(P<0.05)。原因是試驗區(qū)B、C藥液濃度高，距進藥口較近取樣點累計的藥液含量比試驗區(qū)A高，而距進藥口37 m位置，施藥總含量不變，濃度高施藥時間少，使試驗區(qū)C噴灑藥液時間少，沒有累計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鍵參數，通過對不同除草劑濃度下的株防效進行分析，根據公式(2)～(4)計算雜草株防效的克里斯琴森均勻系數Cu、分布均勻度DU和統(tǒng)計均勻度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取樣點均勻度明顯比C3取樣點高，達到了顯著水平。同時3個試驗區(qū)的DU、US也具有和Cu相同的分布情況。3個處理中距進藥口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，相應的首部除草劑藥量比較多，尾部壓力小，噴水量小，相應除草劑藥量比較少，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中每個點代表該試驗區(qū)內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，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，相應的除草均勻度就比較高；分布均勻度和統(tǒng)計均勻度變化不明顯，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。實際農業(yè)生產中重點關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相對擴大。使用微噴帶施藥，當施藥量不變時，為了提高均勻度，可以適當減小施藥濃度。

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 結論和討論

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

(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處水量達到最大值，尾部在距微噴帶1.4 m處水量達到最大值，中部水量分布較為均勻。

(2)試驗區(qū)B(2.0 g/L)平均雜草株防效最高為93.57%，分別比試驗區(qū)A(1.5 g/L)、C(3.0 g/L)高1.77%、1.87%，試驗區(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，試驗區(qū)A、B均勻度明顯高于試驗區(qū)C，試驗區(qū)A、B均勻度相差不大；垂直微噴帶方向，試驗區(qū)A、B、C均勻度整體呈先變大后變小趨勢，試驗區(qū)A、B分布均勻度DU分別為試驗區(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，為了減少施藥時長，微噴帶隨水施用除草劑時推薦濃度采用2.0 g/L。