尿素一般以分子态溶于水中,由于 N 原子电负性大,尿素分子间易形成氢键,故相同浓度尿素比其他肥料滴灌流体的电导率小且运动粘度系数大,分子间作用力及有效接触面积大[23],分子缔合程度高,流动性差,与流道壁面的粘附力强[23 -25].另外,由于尿素滴灌时 pH 值在 7. 28 ~ 7. 78 之间( 图 5) ,水中 Ca2 +、Mg2 +、HCO3 -、SO24等离子易生成化学沉淀[4],尿素分子与水中悬浮颗粒易发生物理吸附并附着于流道壁面。正是由于尿素分子缔合析出物对流道内悬浮颗粒的捕捉团聚以及其水体较差的流动性,形成了堵塞物絮状磨砂的多孔表面,且其间可见尿素分子晶体的四方锥单形结构[26]
( 图 3a) .施肥浓度越高,水的粘度系数越大,尿素分子与流道壁面的粘附力越大,尿素分子析出量也越大,故尿素滴灌诱发滴头堵塞的风险在肥料质量分数为 3. 0% 滴灌时最为显着。因此,尿素滴灌诱发滴头堵塞的机制可能为分子态尿素析出物与水中悬浮颗粒物形成团聚体造成的物理堵塞。
试验选用的磷肥含大量硫酸钙和少量硅石杂质,经沉淀过滤后,这些杂质的悬浮颗粒仍会进入系统,经长期灌水,除杂质外,磷酸二氢钙水合物转化成微溶的无水磷酸氢钙最终诱发滴头堵塞,该过程发生了化学反应且生成沉淀。一方面,当施肥浓度增大时,水中阳离子数量在增大,细小的不溶或者难溶物质颗粒也在增多,当阳离子增加到一定值时,双电层受静电引力压缩而变薄,Zeta 电位降低,悬浮物絮凝强度及沉降强度显着增大[27],易在流道进口处和拐角处淤积下来; 另一方面,含磷的阴离子与悬浮杂质发生的吸附作用,增强了颗粒间絮凝团聚的可能,故磷肥诱发滴头流道堵塞风险较高[28 -29].当施肥浓度继续增加,灌溉水 pH 值进一步降低至 3. 21时( 图 5b) ,有效抑制了碳酸钙等盐类沉淀及微生物生长引起的化学堵塞和生物堵塞,滴头流道将恢复通畅[30 -31],较低浓度滴灌反而降低了堵塞风险。因此,可溶性磷肥滴灌诱发的滴头堵塞机制主要为磷肥的吸附作用加速杂质、离子置换形成的沉淀颗粒絮凝物的形成,其堵塞为物理、化学耦合堵塞。
硫酸钾是一种较强的电解质[32],故不同浓度肥液的电导率均显着高于氮肥、磷肥和复合肥,为11 910 ~ 27 860 μS / cm( 图 5a) ,水体运动粘度系数小,进入流道内的悬浮颗粒及可溶性盐离子跟随流动性好,悬浮物易随水流流出滴头流道[21].钾肥滴灌 pH 值在7. 23 ~7. 33 之间( 图5b) ,属于中度堵塞范围,易加速水中钙、镁离子形成沉淀,经检测生成硫酸钙和芒硝石。在长期滴灌的干湿交替中,流道内壁化学沉淀附着层将逐渐加厚,壁面粘附力增大,进而悬浮颗粒更易被吸附粘结在壁面,导致流道过流能力逐渐下降。钾肥浓度越大,硫酸钾结晶物、化学沉淀物越多,滴头堵塞的风险越大,但总体小于尿素与磷肥,其堵塞主要为化学堵塞。
选用的复合肥滴灌适用性最优,一方面是由于其氨基酸螯合态 Ca、Mg、Fe 等中微量元素离子有效避免了与 PO3 -4、CO2 -3生成沉淀[33],完全随水流流出滴头; 另一方面,由于其滴灌水质呈弱酸性( pH 值为 5. 74 ~6. 10) ,引起滴头堵塞程度轻微,由于钙、镁沉淀形成的壁面附着层几率较低,电导率为13210 ~26 660 μS / cm,明显高于尿素和磷肥,肥料离子与水中悬浮颗粒物通过性也较高。故该肥料滴灌过程不生成沉淀,原有悬浮颗粒物的通过性也良好。
但本试验未考虑长期滴灌过程中微生物滋生、营养物质输送及水流剪切力变化引起的滴头堵塞物质形成和生长动态变化过程,今后将综合考虑物理、化学、生物等多因素影响,确定不同施肥滴灌条件下,滴头的堵塞机理与过程,提出相应的预防和治理管理办法。
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。
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