混合施肥对滴灌系统叠片过滤器性能的影响机制及优化策略研究

《Agricultural Water Management》：Performance of disc filters as affected by the use of mixed fertilizers supplying major nutrients during drip irrigation

本研究针对黄河水泥沙滴灌施肥系统中叠片过滤器性能退化问题，系统探究了不同配比氮磷钾混合肥料对过滤器水力性能和过滤性能的影响机制。研究发现施肥显著加剧了过滤器流道堵塞，导致水头损失增加、过流能力下降和过滤效率降低，其中硫酸钾(PS)是影响性能的关键因子。研究结果为优化施肥策略、降低滴灌系统堵塞风险提供了重要理论依据。

　　

在干旱半干旱地区，利用富含泥沙的黄河水进行滴灌施肥是保障农业生产的重要方式。然而，泥沙和肥料的共同作用常常导致滴灌系统关键设备——叠片过滤器的性能快速退化，严重影响系统运行效率。当过滤器流道发生堵塞时，不仅会增加系统能耗，还会降低过滤效果，导致含有较多杂质的水进入滴灌带，进而引起灌水器堵塞，造成整个灌溉系统瘫痪。目前，关于混合施肥如何影响叠片过滤器性能的内在机制尚不明确，特别是氮、磷、钾肥配比对过滤器水力特性和过滤效率的影响规律缺乏系统研究。

针对这一难题，西北农林科技大学的研究团队在《Agricultural Water Management》上发表了一项创新性研究，系统揭示了不同配比混合肥料对叠片过滤器性能的影响机制。研究团队设置了三种不同配比的氮磷钾混合肥料处理：T1(尿素UR:磷酸二铵DAP:硫酸钾PS=0.5:0.2:0.3)、T2(UR:DAP:PS=0.3:0.3:0.4)和T3(UR:DAP:PS=0.5:0.4:0.1)，以及不施肥的对照(CK)，通过96小时的连续试验，全面评估了过滤器在不同施肥条件下的运行性能。

研究采用的主要技术方法包括：水力性能测试系统实时监测过滤器水头损失和相对流量变化；激光粒度分析仪测定过滤前后泥沙颗粒特征；扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析流道内沉积物的微观结构和矿物组成；高通量测序技术解析沉积物中微生物群落特征；并结合灌溉水质参数测定，综合评估施肥对过滤器性能的影响机制。

混合施肥对水力性能的影响

研究发现，施肥处理显著恶化了过滤器的水力性能。随着运行时间延长，施肥处理的过滤器水头损失增长率达到对照的1.6-5.3倍，而相对流量下降率为对照的1.6-3.3倍。特别值得注意的是，有效运行时间与PS浓度呈显著负相关，T2处理(PS比例最高)的有效运行时间仅为25.88小时，远低于T3处理的56小时。这表明PS是影响过滤器性能的关键因素，高浓度的PS会加速流道堵塞进程。

混合施肥对过滤性能的影响

在过滤性能方面，施肥处理同样表现出明显的负面效应。所有施肥处理的过滤效率仅为对照的60%-76%，而过滤后出水中的泥沙浓度和中值粒径分别比对照增加11%-19%和40%-107%。进一步分析发现，过滤效率与PS浓度呈显著负相关，高PS浓度的T1和T2处理过滤效率比对照降低16%-40%。这表明施肥降低了过滤器的截污能力，更多杂质进入后续灌溉系统。

混合施肥对灌溉水质的影响

施肥显著改变了灌溉水质参数，电导率平均增加2.58倍，K⁺浓度大幅提升。更重要的是，施肥导致水体的zeta电位绝对值显著降低，从对照的30.37mV降至15.72-18.22mV，这表明泥沙颗粒间的静电排斥作用减弱，促进了絮凝作用。同时，施肥引入了大量SO₄^2?和HPO₄^2?等离子，为化学沉淀创造了条件。

混合施肥对沉积物的影响

对过滤器流道内沉积物的分析揭示了施肥影响性能的深层机制。SEM观察显示，施肥处理的沉积物体积更大、结构更致密。XRD分析发现，施肥处理沉积物中出现了石膏(CaSO₄·2H₂O)和羟基磷灰石[Ca₅(PO₄)₃OH]等化学沉淀物，这些物质在对照中并未出现。微生物分析表明，施肥处理显著提高了沉积物中微生物群落的物种丰富度和均匀度，Chao1指数和Shannon指数分别增加28%-44%和4%-11%，这进一步促进了碳酸盐沉淀的形成。

综合性能评价与优化策略

通过TOPSIS熵权法综合评价显示，过滤器性能优劣顺序为CK > T3 > T1 > T2。过滤效率(权重系数13.6%)、过滤后泥沙中值粒径(12.8%)和粒径降低率(12.5%)是影响过滤器综合性能的关键指标。基于研究结果，团队提出了优化建议：将施肥装置置于主过滤器之后，采用单通道施肥器按PS-UR-尿素磷酸盐的顺序依次施肥，肥料浓度控制在1.2g·L^-1以下，同时根据水质特点动态调整反冲洗压差设定值。

这项研究首次系统揭示了混合施肥影响叠片过滤器性能的内在机制，明确了PS在加剧过滤器堵塞中的关键作用。研究结果对指导滴灌施肥实践、优化过滤器运行管理具有重要价值，为降低滴灌系统堵塞风险、提高水资源利用效率提供了科学依据。未来研究应进一步探讨过滤器规格、泥沙浓度与肥料浓度的耦合效应，为不同水质条件下的过滤器选型和运行参数优化提供更全面的指导。