朱德蘭 張 銳 趙 航 葛茂生 程 琪 蔡耀輝

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

0 引言

農(nóng)果復(fù)合種植模式近年來(lái)被廣泛應(yīng)用[1-2]。農(nóng)果復(fù)合林中果樹(shù)和農(nóng)作物有機(jī)結(jié)合，可減少地表蒸發(fā)，增加土壤有機(jī)質(zhì)、微生物群落和酶活性，提高土地生產(chǎn)力和水資源利用率[3-6]。相比于單一種植，農(nóng)果復(fù)合在獲得更大產(chǎn)出和效益的同時(shí)，也能蓄水保墑，防治土壤侵蝕[7-8]。農(nóng)果復(fù)合種植模式中果樹(shù)和作物的根系位于不同深度的土層，在吸收水分時(shí)存在明顯的層次差異，一年生套種作物主要利用淺層水分，多年生果樹(shù)主要吸收深層土壤水分[9-12]。此外，農(nóng)作物和果樹(shù)的根系在灌水量和灌水時(shí)間上也存在較大差異。

近年來(lái)隨著氣候變化，單純依靠降水的“雨養(yǎng)”已經(jīng)難以滿足農(nóng)果復(fù)合系統(tǒng)中的水分需求，因此須采取一定的灌溉措施[13-14]。果園中最常見(jiàn)的節(jié)水灌溉方式是地面滴灌，由于果樹(shù)耗水量大，使用地面滴灌時(shí)通常需增加滴頭數(shù)量，延長(zhǎng)灌溉時(shí)間，才能使灌溉水充分入滲到果樹(shù)的深層根系[15-17]。因此將水直接輸送至作物根區(qū)，實(shí)現(xiàn)灌溉對(duì)象由土壤到作物的轉(zhuǎn)變才能有效提高灌溉水利用效率[18-19]。但根區(qū)直接灌溉需要將灌水器埋置于地下，普通的地下滴灌灌水器極易發(fā)生負(fù)壓吸泥、根系入侵等堵塞問(wèn)題，一旦產(chǎn)生，難以檢修[20]。為此蔡耀輝等[21-22]以黏土為主要原料，制作出兼顧力學(xué)性能和水力性能的微孔陶瓷灌水器，并利用Hydrus-2D軟件模擬出灌水器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和埋置深度，將灌水器應(yīng)用于蘋(píng)果樹(shù)，結(jié)果表明，微孔陶瓷灌水器可促進(jìn)果樹(shù)增產(chǎn)，依據(jù)土壤水勢(shì)實(shí)時(shí)補(bǔ)充土壤水分，防止地表徑流和深層滲漏[23-24]。雖然直接灌溉根區(qū)可滿足深層果樹(shù)根系的水肥補(bǔ)給，但卻難以兼顧根系較淺的一年生套種作物[25]。微噴灌系統(tǒng)噴灑水滴粒徑小，霧化程度高[26]。在高溫下開(kāi)啟微噴灌系統(tǒng)，可快速降溫增濕，調(diào)節(jié)田間小氣候，提高了葉片的氣孔導(dǎo)度和光合速率[27]。微噴灌存在較大的蒸發(fā)或飄移損失，濕潤(rùn)層深度較小，適合灌溉農(nóng)果復(fù)合種植中的淺根系作物[28-30]?，F(xiàn)有灌水器的灌溉對(duì)象局限于單一的深根或淺根，對(duì)農(nóng)果復(fù)合林而言，滴灌、微噴灌等單一的灌溉方式易導(dǎo)致深根或淺根缺水，造成水分脅迫。綜上，開(kāi)發(fā)一種能同時(shí)灌溉深根和淺根的灌水裝置具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

因此，本文設(shè)計(jì)一種基于水壓控制的微噴灌與陶瓷滲灌互補(bǔ)裝置，以實(shí)現(xiàn)“低壓-滲灌-深根，高壓-微噴灌-淺根”的灌溉功能。優(yōu)選滲灌壓力轉(zhuǎn)換器中彈性膜片的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使?jié)B灌部分具有良好的壓力補(bǔ)償效果；開(kāi)發(fā)微噴壓力轉(zhuǎn)換器，使微噴頭在低壓工況(滲灌)下不出流；理論推導(dǎo)伸縮裝置中伸縮裝置臨界伸長(zhǎng)壓力并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。將灌水器實(shí)際應(yīng)用于獼猴桃大棚中，跟蹤監(jiān)測(cè)灌溉效果。以期為農(nóng)果復(fù)合種植中深根和淺根的高效灌溉提供一種新方法。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

微噴灌與陶瓷滲灌互補(bǔ)裝置(互補(bǔ)式灌水器)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。非灌溉期間，灌水器不進(jìn)行滲灌和微噴灌。灌溉工況下，灌溉水從支管流入灌水器，當(dāng)水壓力較低時(shí)，滲灌壓力轉(zhuǎn)換器開(kāi)啟，水流從陶瓷滲灌器流出進(jìn)行滲灌，而微噴壓力轉(zhuǎn)換器關(guān)閉；隨著水壓力的增大，滲灌壓力轉(zhuǎn)換器中彈性膜片形變?cè)龃?，出水口過(guò)水?dāng)嗝婷娣e減小，當(dāng)壓力超過(guò)一定值后，彈性膜片封堵流道，滲灌停止。此時(shí)，伸縮裝置伸長(zhǎng)，微噴壓力轉(zhuǎn)換器開(kāi)啟，微噴頭開(kāi)始噴灑，灌溉淺根系作物。灌溉結(jié)束后，伸縮裝置在自身重力和彈簧拉力的作用下自動(dòng)收縮，灌溉過(guò)程結(jié)束。為實(shí)現(xiàn)基于水壓力的“低壓-滲灌-深根，高壓-微噴-淺根”自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，設(shè)計(jì)了如圖1所示的裝置，并對(duì)滲灌壓力轉(zhuǎn)換器、微噴壓力轉(zhuǎn)換器和伸縮裝置3個(gè)核心部件進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。

1.1 滲灌壓力轉(zhuǎn)換器

由圖1可知，滲灌壓力轉(zhuǎn)換器位于陶瓷灌水器下端，用于控制滲灌灌水器的開(kāi)閉。通過(guò)AutoCAD和Pro/E軟件建模，設(shè)計(jì)的滲灌壓力轉(zhuǎn)換器如圖2所示，通過(guò)SPS450B型激光快速成型機(jī)制作出試驗(yàn)樣品，材料為光敏樹(shù)脂，加工精度0.1 mm。如圖2a所示，工作時(shí)水從柱體下方流入，水壓力作用在柱體底部，推動(dòng)柱體向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)水壓較低時(shí)，柱體上方彈性膜片的壓縮較小，水流通過(guò)彈性膜片與出水孔之間的間隙出流；當(dāng)壓力持續(xù)增加，彈性膜片形變?cè)龃?，徹底封堵流?滲灌壓力轉(zhuǎn)換器關(guān)閉，微孔陶瓷灌水器停止出流)。

如圖2b所示，滲灌壓力轉(zhuǎn)換器由PVC外殼、柱體和彈性膜片3部分組成。陶瓷灌水器進(jìn)水口端通常連接直徑20 mm的標(biāo)準(zhǔn)PVC管件，故本文選取PVC外殼為直徑20 mm、壁厚2 mm的標(biāo)準(zhǔn)PVC管[20]；為使柱體在PVC管中能上下運(yùn)動(dòng)且在低壓過(guò)水時(shí)不產(chǎn)生較大晃動(dòng)，將柱體直徑設(shè)計(jì)為略小于PVC管內(nèi)徑(18 mm)，為16 mm；柱體上平臺(tái)起“固定”作用，可確保無(wú)壓不過(guò)流時(shí)，柱體不滑落，其直徑為19 mm(小于PVC外殼直徑20 mm且大于PVC管內(nèi)徑18 mm)；空腔尺寸參照壓力補(bǔ)償式灌水器的上腔體，為定型的標(biāo)準(zhǔn)件，其內(nèi)徑和高度分別為20 mm和10 mm[14,31]；彈性膜片為壓力補(bǔ)償式灌水器中常用墊片，直徑為15 mm；為連接常用的φ4接頭，將出水口直徑設(shè)計(jì)為4 mm。綜上，滲灌壓力轉(zhuǎn)換器各部件尺寸如表1所示。

表1 滲灌壓力轉(zhuǎn)換器各部件尺寸Tab.1 Dimensions of components of ceramic subsurface irrigation pressure converter mm

1.2 伸縮裝置

為實(shí)現(xiàn)伸縮裝置在非灌溉期間地埋，減小對(duì)耕作的影響，將直徑20 mm、長(zhǎng)30 cm的伸縮裝置內(nèi)插在直徑32 mm的PVC外管中，灌溉時(shí)微噴頭隨伸縮桿上下移動(dòng)，噴灑高度可調(diào)節(jié)，灌溉結(jié)束后，伸縮裝置通過(guò)自身重力和彈簧拉力回縮。為使伸縮過(guò)程穩(wěn)定均勻，伸縮裝置材質(zhì)選取光潔度較好的薄壁不銹鋼，彈簧線徑為1.6 mm。

1.3 微噴壓力轉(zhuǎn)換器

為控制微噴頭在低壓條件下不出水，利用防滴器工作原理，設(shè)計(jì)微噴壓力轉(zhuǎn)換器，如圖1所示，其安裝位置位于伸縮裝置和微噴頭之間。微噴壓力轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)水壓較低時(shí)，彈性膜片緊貼過(guò)水通道斷面，流道封閉，出水口不過(guò)流；受壓面受到較大的水流推力時(shí)，彈性膜片產(chǎn)生形變，壓縮彈簧，微噴壓力轉(zhuǎn)換器開(kāi)啟，水流通過(guò)空腔到達(dá)出水口，微噴頭開(kāi)始噴灑。

2 核心部件參數(shù)試驗(yàn)優(yōu)化

2.1 滲灌壓力轉(zhuǎn)換器彈性膜片參數(shù)試驗(yàn)優(yōu)選

2.1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

滲灌壓力轉(zhuǎn)換器中彈性膜片形變程度對(duì)滲灌部分的壓力補(bǔ)償和流道封堵有決定性的作用。因此，將壓力補(bǔ)償式灌水器中常用的彈性膜片厚度(1.0、1.5、1.6、1.7、2.0、3.0 mm，記為T(mén)1～T6)和硬度(20～70 HA，間隔10 HA，記為H2～H7)設(shè)為試驗(yàn)因素，每種因素取6個(gè)水平，采用完全試驗(yàn)，測(cè)試所有處理下微孔陶瓷灌水器的壓力-流量關(guān)系。彈性膜片硬度制作精度為3 HA，厚度制作精度為0.1 mm，分別用邵氏硬度計(jì)和游標(biāo)卡尺測(cè)量。滲灌器工作壓力為5～100 kPa，每隔5 kPa測(cè)試1次，測(cè)試時(shí)間為2 min，每個(gè)處理重復(fù)3次，取平均值。

2.1.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4為滲灌壓力轉(zhuǎn)換器中不同厚度和硬度的彈性膜片的壓力-流量關(guān)系。流量隨膜片硬度的增加而增加，膜片硬度相同時(shí)，隨著厚度增加，壓力補(bǔ)償范圍和穩(wěn)定流量均呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定再減小的趨勢(shì)，但不同厚度的膜片對(duì)起調(diào)壓力的影響不顯著。

滲灌出水口的水力特征方程為

Q=kpx

(1)

式中Q——流量，L/hk——流量系數(shù)

p——工作壓力，MPa

x——流態(tài)指數(shù)

其中x為0～1，x=0表示灌水器出流不受壓力影響，補(bǔ)償效果良好。

對(duì)試驗(yàn)得到的滲灌出流量的壓力和流量進(jìn)行回歸分析得到式(1)中的流量系數(shù)和流態(tài)指數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。采用SPSS軟件對(duì)彈性膜片厚度T(1.0～3.0 mm)、硬度H(60～70 HA)共12種處理下灌水器的流態(tài)指數(shù)和流量進(jìn)行多元線性回歸分析，得到流量Q、流態(tài)指數(shù)與彈性膜片結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的線性回歸模型為

Q=f(H,T)=-5.890+0.197T+0.535H

(2)

表2 硬度為60、70 HA的彈性膜片壓力補(bǔ)償區(qū)間和流量系數(shù)及流態(tài)指數(shù)Tab.2 Pressure compensation interval and flow coefficient of elastic diaphragm with hardnesses of 60 HA and 70 HA

x=f(H,T)=1.098-0.015T-0.083H

(3)

兩回歸方程的相關(guān)系數(shù)分別為0.679和-0.728,表明硬度、厚度與流量呈正相關(guān)，與流態(tài)指數(shù)呈負(fù)相關(guān)。流量和流態(tài)指數(shù)回歸方程中厚度和硬度的sig.值分別為0.023和0.049，均小于0.05，故厚度和硬度對(duì)流態(tài)指數(shù)和流量回歸方程的影響顯著。

以起調(diào)壓力較小、流態(tài)指數(shù)較小、壓力補(bǔ)償區(qū)間較大、適宜流量為原則優(yōu)選彈性膜片硬度和厚度。由表2可以看出，硬度為70 HA、厚度分別為1.5、1.6、1.7 mm的3種彈性膜片在壓力補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)，穩(wěn)定流量約為10 L/h。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，厚度1.5 mm的彈性膜片不僅補(bǔ)償區(qū)間較大，流量也更穩(wěn)定，且當(dāng)水壓超過(guò)0.06 MPa后，其流量-壓力曲線下降趨勢(shì)最陡，即滲灌部分停止灌溉時(shí)間最短。因此，優(yōu)選出厚度1.5 mm、硬度70 HA的彈性膜片，其穩(wěn)定工作流量約為10 L/h，流態(tài)指數(shù)為0.004。

圖5為微噴灌與滲灌互補(bǔ)裝置的壓力-流量曲線，該圖直觀反映了兩種灌水器在不同工作壓力下的流量關(guān)系，當(dāng)工作壓力小于0.066 MPa，滲灌具有壓力補(bǔ)償性能，流量穩(wěn)定在10 L/h，隨著壓力持續(xù)增加，微噴轉(zhuǎn)換器開(kāi)啟，微噴頭開(kāi)始噴灑，流量逐漸增加至最大流量40 L/h。

綜上所述，不同工作壓力區(qū)間微噴灌與滲灌互補(bǔ)裝置的工作狀態(tài)如圖6所示。

2.2 伸縮裝置與微噴壓力轉(zhuǎn)換器臨界工作壓力確定

2.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

伸縮裝置臨界工作壓力是指伸縮裝置初始伸長(zhǎng)時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力，臨界工作壓力與伸縮裝置自身重力、管壁摩擦力和伸縮裝置下端的受壓面積有關(guān)。首先通過(guò)理論分析得出彈簧線徑(1.6 mm)、材質(zhì)為薄壁不銹鋼的伸縮裝置臨界伸長(zhǎng)壓力，再通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定的伸縮裝置伸長(zhǎng)高度隨壓力的變化曲線進(jìn)行驗(yàn)證。工作壓力從0.03～0.17 MPa變化，間隔0.01 MPa，伸長(zhǎng)高度用毫米刻度尺測(cè)量。

微噴壓力轉(zhuǎn)換器的臨界工作壓力是指微噴頭開(kāi)始出水時(shí)的壓力。由圖3可知，彈簧可控制微噴壓力轉(zhuǎn)換器開(kāi)閉，因此本試驗(yàn)以彈性膜片為脫離體進(jìn)行受力分析(圖7)，確定微噴壓力轉(zhuǎn)換器中彈簧勁度系數(shù)，使微噴壓力轉(zhuǎn)換器在低壓時(shí)關(guān)閉，伸縮裝置升起后打開(kāi)。

初始過(guò)流時(shí)刻的受壓面積和彈簧勁度系數(shù)計(jì)算式為

(4)

(5)

式中S1——初始過(guò)流時(shí)刻的受壓面積，m2

r1——過(guò)水通道半徑，6 mm

k1——彈簧勁度系數(shù),N/m

p1——伸縮裝置升起時(shí)對(duì)應(yīng)的水壓力，MPa

Δx1——彈簧預(yù)裝壓縮長(zhǎng)度，即彈簧原長(zhǎng)(2 cm)與固定桿長(zhǎng)度(1.5 cm)之差

2.2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

微噴灌與陶瓷滲灌互補(bǔ)裝置通過(guò)水壓的變化來(lái)控制工作狀態(tài)。因此，確定陶瓷滲灌和微噴灌的工作壓力范圍和伸縮裝置的臨界伸長(zhǎng)壓力具有重要意義。伸縮裝置的臨界伸長(zhǎng)壓力處于陶瓷滲灌和微噴灌工作壓力之間，因此，首先確定伸縮裝置的臨界伸長(zhǎng)壓力，再確定滲灌和微噴灌的工作壓力區(qū)間。

取伸縮裝置為脫離體，伸長(zhǎng)過(guò)程受力分析如圖8b所示，臨界伸長(zhǎng)狀態(tài)力學(xué)平衡方程為

p2S2=Ff+Gp+k2Δx2

(6)

式中p2——臨界伸長(zhǎng)時(shí)管道內(nèi)水壓力，MPa

S2——伸縮裝置與水的接觸面積，取710 m2

Gp——伸縮裝置自身重力，N

k2——伸縮裝置內(nèi)彈簧的勁度系數(shù)，取130 N/m

Δx2——彈簧的壓縮長(zhǎng)度，取3 cm

Ff——伸縮裝置伸長(zhǎng)時(shí)薄壁不銹鋼管受到的摩擦阻力，N

伸縮裝置在上升過(guò)程中，需要克服自身重力Gp、摩擦阻力Ff和彈簧彈力k2Δx2，而下降過(guò)程中彈簧壓縮量被釋放，給伸縮裝置向下的彈力k2Δx2，此時(shí)，管道中余留的水尚未排出，對(duì)伸縮裝置起反向頂托作用，水壓力作為阻力存在。伸長(zhǎng)和下降兩個(gè)過(guò)程中伸縮裝置受的摩擦阻力不同，灌溉結(jié)束后，伸縮裝置下降，F(xiàn)f的方向由豎直向下轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直向上。由式(6)可知，欲求解伸縮裝置伸長(zhǎng)的臨界壓力p2，須先確定各臨界壓力對(duì)應(yīng)的摩擦阻力Ff。

以伸縮過(guò)程穩(wěn)定為原則，在確定伸縮裝置材質(zhì)(薄壁不銹鋼)和彈簧線徑(1.6 mm)的基礎(chǔ)上，可通過(guò)力學(xué)平衡分析推算伸縮裝置伸長(zhǎng)所需臨界壓力p2，本試驗(yàn)通過(guò)在伸縮裝置上安裝不同配重來(lái)測(cè)試p2與伸縮裝置重力的關(guān)系，為簡(jiǎn)化受力分析，在測(cè)量Ff時(shí)先取出伸縮裝置內(nèi)的彈簧，即k2Δx2=0，不同水壓力對(duì)應(yīng)的摩擦阻力計(jì)算式為

Ff=p2S2-G′p

(7)

式中G′p——伸縮裝置及其配重的總重力，N

由式(7)可知，推動(dòng)力p2S2與伸縮裝置及其配重的總重力G′p之差即為該壓力下的摩擦阻力Ff，由此計(jì)算出各水壓力對(duì)應(yīng)的伸縮裝置臨界伸長(zhǎng)摩擦阻力Ff，取下配重，將1.6 mm線徑(k2=130 N/m)的彈簧安裝到伸縮裝置中，安裝后彈簧存在預(yù)壓縮長(zhǎng)度Δx2=3 cm。30 cm薄壁不銹鋼伸縮裝置質(zhì)量m為200 g,g取9.8 m/s2。由圖9可知，當(dāng)水壓力約等于0.066 MPa時(shí)，水推力p2S2等于阻力Gp+Ff+k2Δx2。

由圖9可看出，伸縮裝置上升過(guò)程中的升力p2S2和阻力Gp+Ff+k2Δx2隨工作壓力的變化關(guān)系，當(dāng)工作壓力大于0.066 MPa后，推動(dòng)力大于阻力，伸縮裝置開(kāi)始上升，理論分析結(jié)果與圖10實(shí)測(cè)結(jié)果吻合。由于彈簧彈力在上升過(guò)程中作為阻力，因此在試驗(yàn)工作壓力下，推動(dòng)力并未遠(yuǎn)大于阻力，伸縮裝置上升過(guò)程的加速度較小，整個(gè)伸縮過(guò)程平緩、均勻，穩(wěn)定。伸縮裝置臨界伸長(zhǎng)壓力p2為0.066 MPa。

為驗(yàn)證上述推導(dǎo)過(guò)程的準(zhǔn)確性，實(shí)測(cè)了薄壁不銹鋼伸縮裝置和1.6 mm線徑彈簧的臨界伸長(zhǎng)壓力。如圖10所示，伸縮裝置在0.066 MPa時(shí)開(kāi)始伸長(zhǎng)，與理論推導(dǎo)結(jié)果相符。由設(shè)計(jì)原理可知，伸縮裝置伸長(zhǎng)后，微噴頭開(kāi)始出水，聯(lián)立式(4)、(5)計(jì)算出微噴壓力轉(zhuǎn)換器中彈簧勁度系數(shù)為1 500 N/m。

3 互補(bǔ)裝置性能測(cè)試

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按上述工作原理對(duì)灌水器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，得到灌水器實(shí)物如圖11所示。其中，滲灌部分選用西北農(nóng)林科技大學(xué)自主研制、成本低廉、抗堵塞性能良好的微孔陶瓷灌水器；微噴部分選用霧化效果良好、水量分布較均勻的新型十字霧化微噴頭，其主要工作參數(shù)如下：工作壓力0.15～0.30 MPa，流量40～75 L/h，射程0.8～1.5 m。通過(guò)調(diào)壓旋鈕調(diào)整壓力在0～0.18 MPa范圍變化，間隔0.01 MPa，用雨量筒收集微噴頭的流量，測(cè)試時(shí)間5 min，設(shè)置3次重復(fù)。

3.2 性能檢測(cè)結(jié)果

參照SL/T 67.3—94，對(duì)本試驗(yàn)選用的霧化微噴頭進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，其表面光滑、無(wú)毛刺和銳邊，不透光并經(jīng)過(guò)抗紫外線處理，可適用于噴灑化肥、農(nóng)藥；可手工更換零部件，螺紋連接符合GB 7306.1—2000的規(guī)定；設(shè)計(jì)中微噴頭額定工作壓力為0.15 MPa，經(jīng)檢測(cè)各部件在常溫下能承受兩倍額定工作壓力，連接處不出現(xiàn)泄漏和脫落；額定工作壓力下噴頭噴灑直徑1.5 m，灌水強(qiáng)度40 L/h。參照GB/T 19812.2—2017，對(duì)滲灌部分進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，滲灌灌水器材料為多孔陶瓷，內(nèi)外表面光滑平整，無(wú)裂口，缺損及變形；在搭建的長(zhǎng)50 m的試驗(yàn)平臺(tái)上，每隔1 m安裝一個(gè)互補(bǔ)式灌水器，額定工作壓力4 m下，灌水器滲灌部分流量約為10 L/h，流態(tài)指數(shù)0.004。綜上所述，互補(bǔ)式灌水器符合相關(guān)國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4 田間應(yīng)用試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

加工、制作并組裝了150個(gè)灌水器，安裝在陜西省楊凌區(qū)五泉鎮(zhèn)湯家村某獼猴桃溫室(34°29′N(xiāo)，107°99′E)。安裝時(shí)滲灌灌水器與獼猴桃根系水平距離30 cm，裝置整體埋于地下30 cm處。試驗(yàn)時(shí)首先調(diào)節(jié)壓力為0.04 MPa進(jìn)行滲灌，灌溉2 h后，增大首部壓力至0.15 MPa進(jìn)行微噴灌，噴灑0.5 h。

4.2 田間應(yīng)用效果

為直觀驗(yàn)證灌水器應(yīng)用效果，將灌水器進(jìn)行實(shí)地應(yīng)用，圖12為田間布置和灌溉實(shí)況，設(shè)定相同的灌水量10 L，對(duì)滲噴結(jié)合、微噴灌、地面滴灌和陶瓷滲灌4種不同灌溉方式灌水結(jié)束1 d后獼猴桃植株的土壤剖面進(jìn)行觀測(cè)，其土壤剖面含水率如圖13所示。4種灌水方式中，微噴灌和地面滴灌的主要濕潤(rùn)層深度為15～30 cm，但由于微噴灌在噴灑過(guò)程中存在較大的蒸發(fā)和飄移損失，所以其主要濕潤(rùn)層的土壤含水率略低于地面滴灌；陶瓷滲灌器埋深為30 cm，灌溉水由于重力的作用向下運(yùn)移，地下30～60 cm處土壤含水率較大，靠近地表處則較低；互補(bǔ)式灌水器滲噴結(jié)合灌溉后，土壤剖面含水率自上而下分布均勻，說(shuō)明該方法有效解決了滲灌難以濕潤(rùn)淺層土壤、微噴灌難以濕潤(rùn)深層土壤的問(wèn)題。為期1年的跟蹤觀測(cè)結(jié)果顯示灌水器伸縮轉(zhuǎn)換效果良好，工作穩(wěn)定，土壤剖面含水率分布均勻。

本文設(shè)計(jì)的伸縮式微噴灌與陶瓷滲灌互補(bǔ)裝置灌溉對(duì)象為農(nóng)果復(fù)合種植中果樹(shù)深根和套種作物淺根，其根系深度、灌溉時(shí)間和灌水量不同。因此在實(shí)際應(yīng)用中，微噴灌與滲灌的使用頻率、灌水量、灌溉時(shí)長(zhǎng)等也不盡相同。以溫室獼猴桃為例，成齡獼猴桃樹(shù)和套種作物根系分別垂直分布在距地表40～60 cm和10～20 cm的土層中，6—8月為需水高峰期，獼猴桃樹(shù)每8～10 d灌溉1次，滲灌器每次工作1.5 h，灌水15 L，套種作物根系較淺，溫室內(nèi)溫度較高，為減少蒸發(fā)損失多為夜間灌溉，每5 d灌溉1次，微噴頭每次工作0.5 h，灌水20 L。由于獼猴桃喜濕且不耐高溫，因此正午溫室內(nèi)溫度高于35℃時(shí)需間歇式開(kāi)啟微噴灌，以降溫增濕[32]。

需要注意的是，微噴頭每次工作時(shí)間不宜超過(guò)1 h，因?yàn)楣嗨枯^大不僅會(huì)形成地表徑流和土壤結(jié)皮，還會(huì)導(dǎo)致灌溉水下滲至獼猴桃根系附近，雖然同時(shí)灌溉了深根和淺根，但過(guò)量灌溉，降低了灌溉水利用效率，違背了互補(bǔ)式灌水器中微噴和滲灌分別針對(duì)不同根系進(jìn)行灌溉的設(shè)計(jì)理念。使用滲灌應(yīng)嚴(yán)格遵守獼猴桃各生育期耗水量確定灌溉制度，防止灌水量較大引起深層滲漏或根區(qū)濕度過(guò)大導(dǎo)致獼猴桃出現(xiàn)“爛根”現(xiàn)象[33]。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了伸縮式微噴灌與陶瓷滲灌互補(bǔ)裝置，開(kāi)發(fā)的3個(gè)核心部件——滲灌壓力轉(zhuǎn)換器、微噴壓力轉(zhuǎn)換器和伸縮裝置協(xié)同使用可實(shí)現(xiàn)低壓時(shí)滲灌，灌溉深根，壓力較大時(shí)滲灌停止，伸縮裝置升起，微噴頭噴灑，灌溉淺根的功能。

(2)優(yōu)選出滲灌壓力轉(zhuǎn)換器中具有壓力補(bǔ)償性能的彈性膜片，其硬度為70 HA，厚度為1.5 mm；設(shè)計(jì)了微噴壓力轉(zhuǎn)換器，可使微噴頭在低壓工況下不出流，0.066 MPa時(shí)開(kāi)始噴灑，0.15 MPa時(shí)充分霧化；開(kāi)發(fā)出伸縮裝置，在伸縮裝置材質(zhì)為薄壁不銹鋼、彈簧線徑為1.6 mm時(shí)，理論推導(dǎo)出伸縮裝置臨界伸長(zhǎng)壓力為0.066 MPa，與試驗(yàn)結(jié)果相符。

(3)制作了裝置并在田間應(yīng)用。實(shí)測(cè)壓力轉(zhuǎn)換，壓力低于0.066 MPa時(shí)灌溉果樹(shù)深根，高于0.066 MPa后自動(dòng)轉(zhuǎn)換為微噴灌，灌溉農(nóng)作物淺根。為期1年的跟蹤觀測(cè)結(jié)果表明，灌水器伸縮轉(zhuǎn)換效果良好，工作穩(wěn)定，土壤剖面含水率分布均勻，表明深淺根均能得到有效灌溉，裝置應(yīng)用效果達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。