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。     

玉米冠层对喷灌水量再分配影响的田间试验研究

为了确定喷灌水量通过作物冠层时的分配规律,定量评价作物冠层对喷灌水利用率的影响,该文采用水量平衡法对喷灌条件下的玉米冠层上部、棵间、茎秆下流及冠层截留水量进行了田间观测。试验结果表明,喷灌水经玉米冠层再分配后所形成的棵间和茎秆下流水量分别占冠层上部水量的45.4%和43.0%。截留水量空间分布变化较冠层上部、棵间和茎秆下流水量为大,均值为3.6 mm,变异系数Cv平均值为0.5。由相关分析知茎秆下流水量和棵间水量均随冠层上部水量的增加而线性增加,但茎秆下流水量与冠层上部水量的关系更为密切。冠层上部水量、叶面积和株高对截留量的影响较小。     

喷灌均匀性和灌水量对冬小麦冠层下水量分配的影响

为研究冬小麦冠层对喷灌水量的再分配规律,探讨不同灌水量下喷灌均匀性对土壤含水率空间分布、冬小麦生长状况及产量的影响,于2020-2021年在常州市金坛区开展了冬小麦田间喷灌试验。该试验依据作物需水量设置3个灌水量（充分灌溉、2/3需水量、1/3需水量）处理和2个喷灌均匀性（高：75%、低：55%）处理,通过冠层上、下雨量筒和自制的茎流收集器测量喷灌水量分布,并对喷灌后的土壤含水率（Soil Water Content,SWC）、冬小麦生长状况及产量的空间分布进行了监测。结果表明,冠层上喷灌均匀性比冠层下高约1.5%。喷灌水经冬小麦冠层再分配后所形成的棵间穿透流量、茎秆流量以及冠下喷灌损失分别占冠层上部水量的56.0%～73.9%、25.0%～37.0%和2.5%～12.7%。冠下穿透流率和茎秆流率与冬小麦的冠层特征（叶面积指数、株高）极显著相关（P<0.01）,而受喷灌均匀性和灌水量的影响较小。茎秆流率变异系数高于穿透流率变异系数。喷灌后24 h,0～20 cm深度土壤水分的变化与冬小麦产量及产量变异系数显著相关（P<0.05）。低喷灌均匀性会导致区域性缺水（SWC<65%田间持水量）,引发小范围减产,产量变异系数增大,减少灌水量则会加剧这一现象,冬小麦显著减产,灌水量对产量的影响占主导作用。该研究可为冬小麦的喷灌设计提供理论依据。     

基于能量平衡的喷灌作物冠层净截留损失估算

为了定量评价喷灌作物冠层截留损失,以地面灌为对照,利用热平衡茎流计对喷灌冬小麦和夏玉米冠层截留水量蒸发产生的蒸腾抑制效应进行了连续两年的田间观测,结果表明：各次灌水,喷灌冠层截留水量的蒸发明显影响田间小气候进而抑制作物蒸腾。喷灌冬小麦和夏玉米蒸腾抑制量变化范围分别为1.65～4.09 mm和0.50～2.75 mm。在此基础上,基于能量平衡原理,结合波文比能量平衡系统,计算出的冬小麦冠层净截留损失不足0.1 mm;夏玉米净截留损失变化范围在1～2 mm之间,占灌水量的4.3%～6.5%。     

喷灌施肥均匀性对冬小麦产量影响的田间试验评估

喷灌均匀系数是喷灌系统设计的重要参数,而喷灌洒水与施肥的均匀性对作物产量的影响是确定均匀系数设计值的重要依据。在喷灌施肥的试验中测定了冠层以上承雨筒内肥料溶液浓度和水量的分布,在冬小麦收获时测定了植株的全氮量。结果指出,肥料溶液浓度的均匀系数一般高于水量和肥料施入量的均匀系数。通过分析化肥施入量与灌水量的统计分布规律发现,它们都可以用正态分布来表示。田间试验结果还表明,对华北平原种植的冬小麦而言,在试验的喷灌均匀系数变化范围内（62%～82%）,喷灌洒水及施肥的均匀性对产量的影响不明显,现行规范规定的喷灌均匀系数设计值（CU≥75%）是偏于安全的。     

喷灌均匀系数对土壤水分空间分布及作物产量影响的研究现状

喷灌均匀系数对土壤水分空间分布及作物产量的影响是制订喷灌均匀系数设计标准的重要依据,该文综述了这方面的研究成果。对喷灌条件下土壤含水率分布规律的数学模拟和田间试验研究都表明,水分在土壤中的再分布使得作物根区土壤含水率的均匀系数明显大于喷灌洒水均匀系数。目前关于喷灌均匀系数对作物产量影响的研究以模拟为主,现有模型的不足之处是未考虑喷洒水量在土壤中的再分布对提高土壤含水率均匀系数的作用。由于试验资料缺乏,模型所得结果难以验证,因此也很难在实际中应用。现阶段的工作重点是探明土壤含水率均匀系数和深层渗漏量与喷灌均匀系数的定量关系,开展喷灌均匀系数对作物产量影响的田间试验     

土壤及喷灌水量不均匀性对干旱区春小麦产量影响的试验研究

在一种土壤特性变异程度较大的砂土及壤质砂土上，对干旱地区喷灌条件下春小麦生育期内的土壤水分空间分布、作物产量等进行了监测，研究了田间持水量及土壤机械组成的空间变化特性。对田间持水量及土壤机械组成的统计分布及空间变异规律的分析结果表明，田间持水量可以用正态分布和对数正态分布来描述，土壤细颗粒(粒径＜0.02 mm)含量服从对数正态分布；田间持水量随土壤细颗粒含量的增加而明显增大，细颗粒含量离散程度较大时，田间持水量的离散程度也较大。田间试验结果还表明，喷灌均匀系数和可利用水量(田间持水量与凋萎系数之差)的离散程度对作物产量及其分布均有影响，但对所试验地块而言，可利用水量的离散程度对作物产量的影响更明显，在制订喷灌均匀系数设计标准时，土壤特性的空间变异也应作为一个考虑因素。由于干旱地区作物生育期降水量明显小于湿润和半湿润地区，降水难以弥补灌水不均匀对产量带来的负面影响，因此干旱地区喷灌均匀系数设计标准一般应高于湿润和半湿润地区。     

喷灌对冠层水汽交换的影响

以冬小麦为研究对象,研究了喷灌对冠层内外水汽交换的影响。研究结果表明喷灌影响了冠层内外水汽交换的过程。喷灌对冠层顶部的蒸发力影响不显著,对冠层内的蒸发力影响较大,喷灌冠层内的农田蒸发力小于地面灌冠层内同一高度的农田蒸发力。在地面灌和喷灌同时灌溉的情况下,地面灌农田的土面蒸发量大于喷灌农田;与白天相比,夜间地面灌和喷灌农田的土面蒸发都大大减少。喷灌农田的作物蒸散量通常小于地面灌农田。喷灌小麦晚上出现凝结水的量大于地面灌农田。     

圆形喷灌机变量灌溉效益的田间试验评估

科学的变量灌溉（Variable Rate Irrigation,VRI）水分管理方法是实现VRI技术适时适量适位水量空间分配功能和提高作物水分利用效率（WaterUseEfficiency,WUE）的关键。为研究变量灌溉水分管理方法的灌溉效益,以冬小麦和夏玉米为供试作物,基于土壤可利用水量（Available soil Water holding Capacity,AWC）将试验田块划分为4个管理区,每个管理区划分为4个子区,分别布置2种常规喷灌管理（Uniform Rate Irrigation,URI）方法和2种VRI管理方法,对比评估了VRI水分管理方法在节水、增产、提高WUE,以及改善作物株高、叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）、产量和WUE空间分布均匀性方面的效果。结果表明,基于各管理区灌水上限值制定变量灌溉处方图并根据气象预报降雨量等级适当减少灌水量的VRI水分管理方法最优。与常规喷灌相比,最优VRI水分管理方法条件下,冬小麦节水36%,WUE提高12%;夏玉米节水40%,WUE提高29%。VRI与常规喷灌的冬小麦、夏玉米产量均未产生显著差异,VRI水分...     

两种园林地埋式喷头组合喷洒性能的模拟试验

根据Hunter和Rainbird公司分别提供的PGP型和R50型园林地埋式喷头的径向水量分布曲线资料,在正方形和正三角形两种布置形式下,分别进行了不同组合系数的喷洒性能模拟试验.结果表明,在最大零漏喷范围内,喷灌均匀系数的大小与组合形式关系不大,主要取决于喷头结构及径向水量分布曲线的特点;当组合系数为0.9～1.4时,喷灌均匀系数为 77.5%～95.1%.喷灌均匀系数、分布均匀系数和喷灌草坪水利用系数之间存在较为密切的线性关系,该文给出了喷灌均匀系数与分布均匀系数及喷灌草坪水利用系数之间的统计回归公式.一般情况下,喷灌均匀系数越大,分布均匀系数和喷灌草坪水利用系数呈增大趋势.     

基于弹道理论坡地喷灌水量分布模拟及均匀度计算

为解决坡地喷灌水量分布实测困难的问题,该文基于弹道轨迹方程,考虑水滴运动蒸发,通过三维坐标系降维转化,计算坡地喷灌水滴空间运动轨迹,以平地实测水量分布为基础,根据水量平衡原理,建立坡地喷灌水量分布计算模型。结果表明,实测与模拟的水量分布、射程的相对误差小于9%和5.04%,说明建立的模型能够准确反映坡地喷灌水量分布规律,具有一定的可靠性,可应用于坡地喷灌系统设计。以雨鸟LF1200喷头为研究对象,应用模型重点分析地形坡度、喷头布置方式、间距和工作压力等因素对喷灌均匀度的影响,结果表明,在95%的置信度下,地形坡度、喷头工作压力、布置方式和间距对喷灌均匀度的影响均呈显著水平,其中喷头工作压力影响最大,布置方式和喷头间距影响次之,地形坡度影响最小,且在一定坡度范围内,地形坡度对喷灌均匀度的影响远小于工作压力、喷头布置方式和间距。在坡地喷灌系统设计时,如果选用雨鸟LF1200喷头,须保证喷头在正常工作压力下运行,不宜低压作业,应优先考虑方形布置,在兼顾系统成本和喷灌质量时,建议喷头间距宜为其平地射程的0.8倍,且喷头不宜在15°以上的坡地作业。研究可为坡地喷灌系统规划设计提供参考。     

喷头安装高度对圆形喷灌机灌水质量的影响

根据作物高度适时调整喷头安装高度,是保证圆形喷灌机灌水均匀度和喷灌效率的重要措施之一。该研究通过引入自主研发的喷头安装高度调节装置,以安装D3000低压折射式非旋转喷头的圆形喷灌机为研究对象,研究了不同喷灌机出流量(8.8、16.7、24.2 m3/h)情况下喷灌机水力性能的稳定性,测试了喷灌机3种出流量在喷头安装高度(0.5、1.0、1.5、2.0、2.6 m)改变时的灌水均匀系数和灌水深度。结果表明,在喷头标准安装高度(1.5 m)下,圆形喷灌机水力性能稳定,喷灌机3种出流量的灌水深度沿径向均呈锯齿形波动,灌水均匀系数为82.5%~84.0%。喷头安装高度小于标准高度时,灌水深度沿径向的分布出现了较大波动,0.5 m时波动最剧烈,灌水均匀系数最大降低23.9%。喷头安装高度大于标准高度时,灌水深度沿径向的分布更为均匀,灌水均匀系数与标准高度的均匀系数无显著差异。与标准高度时的灌水深度测量值相比,喷头安装高度调节后的测量水深相对误差在10%以内。为保证喷灌均匀性和灌水深度,建议作物高度大于1.5 m时,可根据作物高度适时升高喷头安装高度。     

喷灌对冬小麦生长环境的调节及其对水分利用效率影响的研究

研究了在不同气候条件下喷灌对近地面空气温湿度和农田蒸发能力（冠层顶部20 cm蒸发皿水面蒸发量）的影响，在干热风天气条件下微量喷水对冠层温度和农田蒸发能力的影响，以及喷灌对冬小麦产量和水分利用效率的影响。试验结果表明，如果4～5月份降水量较少、空气相对湿度较低，则喷灌会明显降低近地面空气日最高温度和日平均温度，增加日平均相对湿度特别是最低相对湿度。喷灌条件下农田蒸发能力明显低于地面灌溉。微量喷水明显降低冠层温度和降低农田蒸发能力。农田蒸发能力变化与喷水量和日最高温度成正比，与日最低相对湿度和风速成反比。喷     

基于单片机控制的变域喷洒喷头水力性能试验

为解决变域喷洒喷头能耗过高、喷头节能效果不理想的问题,设计了基于单片机的控制器调控水泵转速,改变喷头工作压力,实现变域喷洒,研究喷头实现方形域喷洒时的水力性能和能耗。结果表明:方形域喷头工作压力实测值为107~225 kPa,能精确响应设计规律;实测射程变化范围为7.6~10.1 m,最短射程为最长射程的0.75倍,射程变化满足方形域喷洒要求;方形域喷洒实现程度的系数为97.2%,高于使用节流装置的方形域喷洒喷头;平均喷灌强度为2.8 mm/h,最高组合均匀度系数达77.7%,最佳组合间距为13~14 m,组合均匀度和组合间距与185 kPa时圆形域喷头一致。方形域喷洒比圆形域喷洒的能耗低30.3%。该研究可为变域喷洒提供一种低能耗的新模式。     

基于夏玉米冠层内辐射分布的不同层叶面积指数模拟

为了模拟夏玉米冠层内各层叶面积指数垂直分布,光合有效辐射（photosynthetically active radiation, PAR）是研究作物群体光合作用和长势的重要特征参数,阐明冠层内PAR的垂直分布规律与冠层结构等参数之间的相关关系,可为遥感定量反演冠层结构参数提供模型基础。该文基于PAR在冠层内的辐射传输规律结合冠层结构模拟不同太阳高度角的PAR透过率垂直分布模型,并用地面冠层分析仪测量值进行验证,结果表明模型对封垄前玉米抽雄期冠层内PAR透过率垂直分布模拟精度较高。通过不同太阳高度角PAR透过率的垂直分布模型结合消光系数运用不同算法分别反演层叶面积指数（leaf area index, LAI）,并与不同高度层LAI实测值进行比较。结果显示：Bonhomme& Chartier算法反演不同高度层LAI精度较高,上层均方根误差（root mean square error,RMSE）为0.18,中层RMSE为0.55,下层RMSE为0.09。不同太阳高度角反演结果存在差异,30°和45°高度角均能较好地反演下层LAI,RMSE分别为0.11与0.09;30°高度角反演中层LAI精度较高,RMSE为0.30;45°高度角反演上层LAI精度较高,RMSE为0.18。结果表明基于不同太阳高度角构建的层LAI反演模型更适于实现夏玉米不同高度层LAI的遥感估算。该研究可为模拟垄行结构冠层内LAI垂直分布提供参考。     

掺气水射流应用于低压摇臂喷头的试验

为解决固定式旋转喷头低压喷灌时,水射流向末端集中形成水量分布不均匀的问题,提出水气两相射流进行喷灌的方法。在摇臂喷头结构的基础上,增加掺气结构,形成掺气射流喷头,以相同工作水压力、射流仰角、喷嘴出口流量相同为约束,以及不考虑副喷嘴对喷洒的影响,对比了掺气与不掺气2种情况下 PY20喷头的射程、径向水量分布、1倍射程间距的正方形组合喷灌均匀系数,雨滴粒径等参数。试验结果表明：原不掺气摇臂喷头出口直径7 mm,安装内径2 mm 的掺气管后出口直径改为8.3 mm,此时两者具有相同的出口流量,2种喷头在相同工作压力下具有近似相等的射程;在掺气喷头工作水压低至100 kPa 情况下,喷头仍具有76 mm 水银柱高差的掺气负压能力;掺气摇臂喷头改善了径向水量分布线射程中段的水量,使水量分布线发生了中段略微增高、末端略下降的变化,从而使1倍间距的正方形组合喷灌均匀系数在低于国家标准工作压力的200 kPa 情况下,从62.8%提高到68.8%;采用激光雨滴谱仪测量射程中部和末端2个地方的水滴粒径表明：掺气状态下射程中部的水量累积百分比中位直径 d50远大于不掺气状态,射流末端对比 d50则小于不掺气状态,说明掺气改变了喷头的雨滴粒径分布。该文试验结果证明掺气摇臂喷头在农业喷灌中应用具有可行性。     

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。     

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。