异形喷嘴变量喷头结构设计及其水量分布试验

为提高灌溉质量,降低喷灌系统工程投资,在摇臂式喷头基础上安装动静片和改装异形喷嘴装置,研制了一种新型的异形喷嘴变量喷洒喷头,介绍了其结构形式及工作原理。对安装异形喷嘴的变量喷头和圆形喷嘴变量喷头进行了对比试验研究及分析,并绘制了单喷头三维水量分布图和径向水量分布曲线。研究表明,异形喷嘴变量喷头运行可靠、基本能够实现三角形喷洒域,减小了现有的变域喷洒喷头喷洒均匀性容易受工作压力波动的影响,与圆形喷嘴的摇臂变量喷头相比其喷洒性能良好,减小了雨滴打击强度,改善了喷灌均匀性。经计算其平均喷灌强度为6.74 mm/h。用异形喷头装置可以改善变量喷头喷洒均匀度。     

沙漠边缘区漏沙土的改良措施探讨——以甘肃张掖为例

漏沙土是"三北"防护林区重要的耕作土壤,也是沙漠边缘区主要低产土壤类型之一,其形成与整地方法不当、新开垦后耕种年限短土壤熟化程度低、风沙侵袭频繁等因素有关。通过对甘肃张掖地区漏沙土的剖面理化性质分析可以看出,耕作层有机质含量低至0.78%,全剖面各类土壤养分含量极低;除耕作层具有微弱团粒结构外,以下土层质地明显偏沙,多为粒状结构,阳离子代换量仅不到6.0 meq/100g土,土壤保肥保水能力很差。应根据当地自然条件,考虑林带的位置、结构和树种的选择,注重农田防护林和防风固沙林的营造与管护;发展豆科绿肥作物,实行草田轮作,提高土壤养分含量;兴修水利,调整灌溉制度,推广喷灌、滴灌技术,减少水分的淋失;深耕整地,选用耐旱抗风沙的作物品种,调整播种期以避开风季,多施土粪加厚有效土层,巧施氮、磷化肥和微肥,防止作物因生长后期脱肥而减产。     

中国黑钙土地区土地整理方法探讨

黑钙十具有较高肥力,但十地利用方式与自然条件(坡度、气候等)的限制会使黑钙土地区存在一定程度的土壤侵蚀与退化,通过土地整理增强其水土保持能力与耕地生产力.该文将GIS与遥感影像引入土地整理,根据研究区土壤特性与地理要素,通过运用GIS软件并结合模拟分析方法,探讨适宜于黑钙土地区耕地整理中田、水、路、林的设计方法.研究结果:黑钙土地区土地平整应依据实际生产方式与土壤特性采取修改局部地形面方法;农田水利设施需采用喷灌系统进行节水灌溉;田间道路设计须根据实地条件与生产方式最人限度节约耕地;营造防护林以减缓有害风;注重培肥地力、改变耕作方式以改良土壤.研究结论:黑钙土地区耕地整理应针对侵蚀区域进行局部平整,避免大规模表土搬运与平整,同时采用喷灌设施,改善生态环境,并注重土壤改良,保持黑钙土肥力.     

根灌和滴灌对三种典型荒漠植物生长的影响

根灌是一种能将水直接灌到植物根部的高效节水农业新技术,具有抗旱、保水的功能。利用根灌和滴灌对人工栽植于退耕地上的柽柳、沙枣、柠条锦鸡儿进行了灌溉试验,通过研究不同灌溉方式下植物生长量和土壤含水率及其变化规律,探讨了两种灌溉方式对土壤水分的补给和保持作用以及对植物生长的促进作用。结果表明:（1）根灌和滴灌对土壤水分补给的范围和深度不一致,滴灌主要集中在土壤表面,而根灌主要集中在20 cm以下区域,而且与灌水时间和灌水量密切相关。（2）根灌能够更好地保存土壤水分,而滴灌表层土壤水分散失较快。（3）根灌灌溉的三种植物生长量均大于滴灌灌溉的,根灌能够更好地促进植物生长,是三种典型沙生植物理想的灌溉方式。     

开封黑岗口引黄灌区稻麦轮作下农田土壤剖面重金属分布特征

引黄灌区是我国重要的农业生产基地,其土壤重金属赋存状况直接关系到农业的可持续发展。本研究以黑岗口引黄灌区开封北郊稻麦轮作下农田土壤为研究对象,采集了耕作层(0~15 cm与15~30 cm)与剖面(0~100 cm)土壤样品,对其土壤剖面主要性质与重金属Pb、Cd、Cu和Zn的积累特征进行了分析。结果表明:(1)长期引黄灌溉及稻麦轮作下,开封北郊农业土壤主要性质在剖面上表现出明显的分异特征:总有机碳(TOC)与全氮(TN)含量主要分布在耕作层土壤,而30 cm以下的土层其含量明显降低;全磷(TP)含量在各土壤层中无明显差异;在部分土壤剖面中CaCO3呈现出明显的淀积层。(2)耕作层(0~30 cm)土壤中重金属Pb、Cu、Zn的含量与研究区背景值相当,而Cd含量显著高于背景值。除少部分剖面含量超标外,Cd、Pb、Cu、Zn的平均含量均未超出WHO限值,且远低于我国农业土壤环境质量标准。因子分析源解析表明:引黄灌区土壤中Pb、Cu和Zn具有相似的来源和迁移特性,而Cd的来源和迁移特性具有特殊性,它可能与当地的化肥施用等农业活动有关。(3)土壤剖面中Cu和Zn具有明显的表聚现象,Pb的表聚作用不明显,而Cd在剖面各层土壤含量具有较大变异性,这与重金属的自身属性、土壤剖面性质和当地的耕作条件有较大相关性。(4)Cu和Zn在土壤剖面主要以有机结合态和残余态形式存在;Pb的残余态、有机态以及铁锰氧化态含量也较高,且Pb的全量与有机结合态含量百分比变化呈现出一定的相似性;而Cd具有较高的碳酸盐结合态和离子交换态,表明Cd在土壤中具有较强的移动性,预示Cd的潜在健康风险较高。     

中国设施土壤重金属累积特征与污染阻控技术研究进展

长期集约化耕作导致中国设施土壤重金属累积和面源污染风险增加的状况已引起广泛关注。该研究总结了中国设施土壤重金属累积状况及其来源,发现长期盲目投入肥料及农药是引发设施菜田土壤重金属累积问题的主要原因。目前,设施土壤重金属累积呈现出广泛性和中轻度污染特征,其中镉是主要的污染元素。遵循面源污染治理中“源头预控-过程阻断-末端修复”原则,基于国内外文献综述,该文总结归纳出适用于设施土壤重金属累积特征与污染的联合阻控技术及作用机制。首先在灌溉和肥药投入等源头环节减少重金属输入;其次在作物种植过程中,通过选用重金属低积累特性的蔬菜种类或品种,结合水肥一体化施用大分子有机水溶性肥料或叶面喷施具有阻控重金属作用的营养型阻控剂,抑制作物吸收重金属;最后在末端修复环节,利用具有多元功能的土壤改良剂或微生物菌剂进行土壤钝化修复,或采用具有超重金属富集能力且能提高设施土壤生物多样性的植物作为填闲作物,实现生物修复的目标。该联合阻控技术的原则在于协同考虑污染防治、土壤改良、减肥增效等农学和环境目标,集成土壤修复与改良、水肥一体化、填闲作物栽培等技术,并兼顾设施土壤重金属污染修复工程所面临的投入品成本较高、经济效益不明显、缺失可持续改良导致效果不稳定等问题,优推能够钝化重金属并改良土壤的多功能土壤改良剂以及具有阻控重金属吸收、提高作物抗逆性的多功能有机水溶性肥料。上述措施能解决设施土壤普遍存在的重金属累积问题,提升土壤的安全生产能力,可为设施农业可持续发展提供更有效的技术支撑。     

根区局部控水无压地下灌溉技术对黄瓜和番茄产量及其品质影响的研究

根区局部控水无压低下灌溉技术（简称无压灌溉）是把带有出水器的毛管埋在作物根区,利用土壤吸力对作物进行“主动灌溉”,满足生育期需水要求.其适宜压力变化范围-4～8 cm,埋深10～30 cm,出水器孔径3～8 mm.通过2 a的温室大棚种植黄瓜、番茄,采用无压灌溉和沟灌对比试验,研究了黄瓜、番茄生育期内根区土壤水分运动和变化规律、作物耗水量及其规律、作物产量和水分生产率关系以及不同灌溉方式对作物品质影响的机理.研究表明无压灌溉改善了设施内作物的生存环境,为作物根系提供了充足的氧气,使根系与大气很好地进行能量交换,让根系生存在一个更加适宜的环境中,从而影响光合同化产物向不同组织器官的分配,调节了作物的生长发育,改善产品品质.与沟灌相比,无压灌溉并不降低作物产量,且能够提高作物水分利用率和水分生产率,使黄瓜、番茄的维生素C、可溶性糖、总糖和无机磷含量明显提高,具有以水调质功效.     

有机种植条件下水肥管理对氮素淋洗和氮素平衡的影响研究

利用自流式农田地下淋溶收集装置,研究设施蔬菜有机种植中有机肥与水的不同管理模式下氮素淋洗的变化特征,并对土壤-作物体系的氮素表观平衡进行评估。结果表明,有机肥施肥量对淋洗液中NO3--N浓度有明显影响,并在施肥后60 d左右出现峰值,种植期间的淋溶液中NO3--N的平均浓度最高达到61.57 mg/L。施肥量明显影响氮素累积淋洗量,常规水肥管理(施有机肥N量718.2 kg/hm2,灌溉量1 200 mm)下氮素淋失量最大,为17.32 kg/hm2;而水肥减量管理(施有机肥N量359.1 kg/hm2,灌溉量700 mm)下,氮素淋失量明显降低,为10.78 kg/hm2。在0~90 cm的作物-土壤体系中,常规施肥管理下的氮素平衡值超过300 kg/hm2,而减半量施肥的平衡值在15.0 kg/hm2以下,有效地维持了系统氮素平衡。     

称重式蒸渗仪系统改进及在农田蒸散研究中的应用

水分是制约黄土丘陵区农作物正常生长和农业生产的关键因子。该区年平均降水量少且季节多变,研究农田土壤水分平衡对该区旱地农业生产具有重要意义。土壤蒸渗仪（Lysimeter）可测量总蒸散量、渗漏量等有关水量平衡的各个分量,具有其它装置和方法不可比拟的优越性。它为田间蒸散和降水入渗实验研究提供了一种较先进的量测方法和技术手段。它对推动我国实验水文学的发展具有重要作用,并为相关领域的科学研究提供了一种较先进的技术设备和实验环境。中国科学院安塞试验站对原建造的用于测定农田蒸腾蒸发转化的称重式蒸渗仪在2005年对称重感应系统、电源进行改造,主要对主机、采集软件进行了重新更新,使其可直接在Windows界面下工作,数据采集更加方便,将测量出来的模拟量信号转换为数字信号,经处理显示并记录在数据采集器内。改进后蒸渗仪主要有以下特点：（1）土柱重19～26t,蒸渗仪精度为152g（0．05nm）,可测量蒸腾蒸发量和地下水对土壤水的补给量与入渗量;（2）蒸渗仪面积3m^2（1．5m×2m）,深度3m,可充分允许农作物根系发育与吸水,土壤水和地下水转化,地下水位变化等过程进行,蒸渗仪的供排水系统能够在蒸渗仪内模拟实际地下水位变化,可较好代表大田实际情形,并对作物生长过程中水分利用动态变化进行深入研究。     

阻尼喷头动能分布试验及模型

针对阻尼喷头外流场水力学特性研究较少的问题,该文研究了单位体积动能、动能强度与有无散水齿、不同喷嘴直径之间的关系。在工作压力分别为175、200、250和300 k Pa,喷嘴直径分别为3.6、4.0、4.4和4.8 mm下,采用激光雨滴谱仪对Nelson R33阻尼喷头的水滴直径、速度和数目等参数进行试验测试,并对试验结果分析及模型建立。结果表明:有无散水齿条件下的单位体积动能均有逐渐增大的趋势;距喷头相同测点处,单位体积动能随喷嘴直径的增大而减小;给出了有无散水齿下不同喷嘴阻尼喷头单位体积水滴动能分布模型,相关系数均在0.94以上;在距喷头0~4 m,不同喷嘴直径的动能强度较小且差值不超过0.002 W/m2,在距喷头较远处,不同喷嘴直径的动能强度差值较大,最大差值达到0.006 W/m2。有散水齿时,动能强度在不同压力下波动均比较小,差值不超过5%。该结果为进一步研究阻尼喷头外流场水力学特性提供理论依据。     

喷灌水量分布均匀性评价指标的试验研究

利用多喷头组合喷洒试验研究了分布均匀系数ＤＵ与喷灌均匀系数ＣＵ之间的关系。试验表明,ＤＵ随ＣＵ的增大而线性增加,当ＣＵ等于规范规定值７５％时,ＤＵ值约为６６％。通过田间试验探讨了喷灌均匀系数对水量在土壤中分布均匀程度的影响。发现喷灌水量在土壤中的分布比其在地表的分布均匀得多,这一结果为合理降低喷灌均匀系数设计值提供了一个新的研究空间。该文还对作物冠层对喷灌水量分布的影响进行了田间试验,结果指出,冠层截留可以使喷灌水量分布的均匀性得到一定程度的改善。     

摇臂式喷头组合喷洒均匀性的改进

该文针对摇臂式喷头副喷嘴为圆形,径向水量分布中部较高不利于组合的问题,根据水射流原理,设计出一种新型结构的副喷嘴,其上端设有盖板,起到阻挡水流的作用,使副喷嘴水流射出后主要分散在近处,从而有利于提高组合喷洒的均匀性。分别对15PY、20PY、30PY摇臂式喷头副喷嘴改进前后的水量分布进行了对比试验,同时,以正方形布置方式为例,计算出不同组合间距下的喷洒匀性系数。结果表明：副喷嘴的改进消除了改进前喷头中间部分水量,使径向水量分布呈“三角形”。改进副喷嘴后提高了均匀性系数,不同组合间距下的值均为80%以上,平均喷灌强度符合喷灌规范中的要求。最后,提出副喷嘴改进后15PY,20PY,30PY摇臂式喷头的最佳组合间距分别为1.2R,1.3R,1.1R,计算出组合均匀性系数值分别为85.6%,86.3%,85.3%。改进后的副喷嘴对喷洒均匀性有较好的改善作用。     

卷盘式喷灌机灌溉施肥计算模型与综合评价体系构建

卷盘式喷灌机实现精准水肥一体化作业对农作物生产具有重要意义。该研究以卷盘式喷灌机为研究对象,开展了桁架式喷头车选配的低压喷头径向水量分布特性测试,构建了低压多喷头组合喷灌水量分布模拟模型,提出了水肥一体化条件下灌溉施肥参数计算模型,建立了基于喷灌均匀系数、设计喷灌强度、单机控制灌溉面积、单位面积年投资、年运行费5个指标的卷盘式喷灌机综合评价体系。研发了一款基于Web平台的卷盘式喷灌机灌溉施肥参数设计软件,以北京地区种植冬小麦为例,对JP75-300卷盘式喷灌机桁架式喷头车配置三款低压喷头进行方案优选,采用主成分分析法对初筛的12种机组运行方案进行综合评价,最高综合得分0.78为最优运行方案,即喷头类型PG134、工作压力0.15 MPa运行方案下机组喷灌均匀系数为88.96%,喷灌强度为57.31 mm/h,单机控制灌溉面积为5.05hm²,单位面积年投资1 981.04元/hm²,年运行费为1 019.99元/hm²。研究成果可为卷盘式喷灌机灌溉施肥的参数设计和设备选型提供技术支持。     

喷灌条件下玉米地土壤水分动态与水分利用效率

为了探索适宜于鄂尔多斯高原玉米的最佳喷灌定额和节水效果,在鄂尔多斯市赛乌素镇喷灌示范基地内进行了田间试验,研究了喷灌和管灌方式下玉米地土壤水分动态、玉米产量及其构成因子和水分利用效率（WUE）的变化。结果表明：喷灌区土壤含水率在玉米全生育期内变化幅度较小,20～60?cm土层的含水率略高于其他土层,管灌区变幅较大;喷灌水入渗速率明显低于管灌;喷灌灌溉定额主要通过影响单穗粒数和单位数量粒籽质量影响玉米粒籽产量,对玉米穗数也有一定影响,当喷灌灌溉定额大于4?965?m3/hm2时,喷灌与管灌产量无明显差异,灌溉定额5?430?m3/hm2时,喷灌WUE可提高到1.26?kg/m3,比管灌提高17.76%;耗水量70.40%～88.90%来自于灌溉,且随灌溉定额的增加,所占比例增加;试验地从播种到定苗期需补充灌溉,否则玉米穗数（株数）会显著降低。     

摇臂式喷头与全射流喷头水滴分布对比试验

摇臂式喷头(impact sprinkler,PY)出口流体为单相水,全射流喷头(complete fluidic sprinkler,PXH)出口流体为气液两相流,为了深入探索2种类型喷头水滴分布的存在规律及差别,该文采用激光雨滴谱仪测量技术对PY及PXH喷头的水滴分布进行试验研究,采用体积加权法分析了这2种喷头在工作压力为150、200、250、300和350 k Pa情况下,距喷头不同距离处的水滴频率分布、水滴累计频率及中数直径的变化规律。结果表明:1)PXH喷头水滴频率普遍小于PY喷头。PXH喷头和PY喷头水滴频率分布分别符合对数正态分布和正态分布;2)PXH喷头水滴累计频率变化更加均匀,2种喷头的水滴直径分布均符合指数函数分布规律,在距离喷头距离较小时,PXH喷头比PY喷头的拟合精度更高,在距喷头距离为4 m下,PXH喷头拟合函数的R2值较PY喷头高3.5%;3)在低压条件下距喷头不同距离时,PXH喷头的水滴分布更加连续及均匀。建立了2种喷头中数直径与工作压力及距喷头距离的函数。该结果完善了多类型喷头喷洒水力学特性,对研究射流运动模型及喷洒的外特性提供了参考。     

北京地区冬小麦田渗灌高产节水技术研究初报

研究了不同灌溉方式下冬小麦田间土壤水分变化特点及对小麦产量形成的影响。结果表明,渗灌浇根不浇地,冬小麦全生育期渗灌田0～20cm土壤表层含水量较低,比喷灌0～20cm土层土壤水分消耗小,比20～120cm土层土壤水分消耗多;2种灌溉方式120cm以下土层土壤含水量为冬小麦利用较少。渗灌比喷灌增产11.6%,比少灌增产17.6%,比喷灌节水57.1%,其水分利用效率为喷灌的1.35倍。     

间歇和连续喷灌下土壤水分运动特征COMSOL数值模拟与验证

为探明间歇喷灌和连续喷灌条件下的土壤水分运动规律,建立喷灌随时间变化的非均匀灌水边界下的土壤水分二维运动模型,借助COMSOL数值模拟软件,实现模型的求解,并通过土箱试验对模型进行验证,分析不同喷灌模式下土壤水分运动特征,评估喷灌均匀性和喷灌模式对土壤含水率均匀性的影响。结果表明,土壤含水率和土壤湿润峰模拟值与实测值之间的一致性较好。喷灌模式对土壤水分运动过程和含水率均匀度影响不大。随着间歇次数和间歇时长的增加,喷灌结束时表层土壤含水率减小、水分入渗深度增加。喷灌条件下,土壤含水率均匀度高于地表测得的喷灌均匀度。当喷灌均匀度为39.77%～80.15%时,土壤含水率均匀度为88.57%～94.47%。当喷灌均匀度较低、点喷灌强度较高、总灌水量较大时,采用间歇喷灌、增加间隙次数和总间歇时长,可以一定程度降低地表径流和深层渗漏风险、改善土壤含水率均匀性。研究可为喷灌系统设计均匀度合理取值和高效运行提供理论基础。     

考虑配重的垂直摇臂式喷头摇臂运动规律及水力性能

为了研究摇臂运动规律及配重对喷头水力性能的影响,以垂直摇臂式喷头为研究对象,对垂直摇臂式喷头摇臂的运动特征进行理论分析,推导出摇臂运动周期公式,并在公式中考虑了配重位置变化因素;采用高速摄影对Nelson SR100喷头的摇臂运动情况进行了试验研究,将得出的摇臂运动周期与计算结果进行对比,并通过改变配重安装位置来考察运动周期变化对喷头水力性能的影响。结果表明:通过高速摄影试验得到的摇臂运动周期与理论公式计算值吻合较好,相对误差基本在10%以内,验证了推导公式的正确性,针对理论公式的计算误差,根据试验结果对理论进行了修正,进一步提高了理论公式的计算精度,相对误差都在3%以内;增大喷头工作压力和前移配重安装位置均可使喷头的运动周期减小。配重位置距摇臂旋转轴较近时,喷头近处的喷灌强度明显增加,3~10 m内的水量分布较配重在最远处时增加了40%左右;配重位置距摇臂旋转轴远时,喷头近处的喷灌强度随之降低,射程末端的喷灌强度随之增加。该研究可为垂直摇臂式喷头摇臂设计方法的建立和在喷头运行过程中能合理调节摇臂配重提供参考。     

喷灌和畦灌对冬小麦农田表层土壤结构的影响

A two-year experiment was carried out on the effect of sprinkler irrigation on the topsoil structure in a winter wheat field. A border-irrigated field was used as the control group. The total soil porosity, pore size distribution, pore shape distribution, soil cracks and soil compaction were measured. The sprinkler irrigation brought significant changes to the total soil porosity, capillary porosity, air-filled porosity and pore shape of topsoil layers in comparison with the border irrigation. The total porosity and air-filled porosity of the topsoil in the sprinkler irrigation were higher than those in the border irrigation. The changes in the air-filled and elongated pores were the main reasons for the changes in total porosity. The porosities of round and irregular pores in topsoil under sprinkler irrigation were lower than those under border irrigation. Sprinkler irrigation produced smaller soil cracks than border irrigation did, so sprinkler irrigation may restrain the development of macropore flow in comparison with border irrigation. The topsoil was looser under sprinkler irrigation than under border irrigation. According to the conditions of topsoil structure, it is preferable for crops to grow under sprinkler irrigation than under border irrigation.