摘要
滴灌是实现沼液高效还田利用的重要技术和工程载体，然而，目前针对沼液滴灌系统灌水器选型和相关维护技术，以及沼液滴灌对土壤入渗、作物生长及环境评估等方面的研究甚少。本研究借助室内水力性能试验、电镜-能谱联用技术、高通量测序、计算流体力学（CFD）仿真模拟和土壤水分运移模拟（Hydrus）等技术手段，明晰了沼液滴灌系统灌水器堵塞特征及堵塞物成分,筛选出了适宜沼液滴灌系统的灌水器类型和水肥配比，阐明了沼液滴灌系统中冲洗控制策略对灌水器堵塞的影响，确定了沼液滴灌水分入渗特征并对滴灌系统布设参数进行了优化，并基于田间玉米试验讨论了土壤水氮-作物生理生长的互作机制，最后对沼液滴灌的固碳减排效应进行了评估，主要结论包括: （1）明确了沼液滴灌系统灌水器堵塞物的基本形态与物质组成。沼液滴灌系统灌水器中的堵塞物质表观形态呈现粘性团聚特征，主要由粒径0.3-1.5um之间的堵塞颗粒构成;堵塞物质中的优势微生物群落包括Firmicutes（29.7％）和Proteobacteria（19％）,其主要来源于沼液中的主要菌群;堵塞物质主要由85％的水分和15％复合态干物质组成，堵塞物质中水分、干物质和胞外聚合物的重量随运行时间加长而增大,但在堵塞物质中的相对占比较为稳定;在复合态干物质中，以有机碳、Al2O3和SiO2颗粒物为代表的物理堵塞类物质占到了总干物质量的50％以上，以CaCO3和MgCO3为代表的化学堵塞类物质占总干物质质量的9％,以胞外聚合物为代表的生物堵塞类物质占比为5.62％。在总干物质质量中，约30％的不确定堵塞物质需要进一步研究。 （2）提出了可保持滴灌系统高效运行的电导率水肥配比方法和灌水器类型。沼液滴灌系统中各类型灌水器相对平均流量和均匀性系数随运行时间加长，呈现先降低后趋于平缓的变化趋势，随着水肥浓度的增加，灌水器首次堵塞发生的快时间迅速缩短;内镶贴片式灌水器对沼液滴灌系统的适应性最差，而压力补偿与单翼迷宫抗堵性能要明显优于内镶贴片，贴片灌水器主要堵塞位置在进水口栅栏处，单翼迷宫灌水器则主要是在内部流道和出口处发生堵塞;进水口栅栏和压力补偿功能部件是影响沼液滴灌系统中灌水器堵塞的关键特征参数。基于灌溉均匀性和经济成本，建议一次性大田作物和多年经济作物分别采用大流量单翼迷宫灌水器和压力补偿灌水器。从提高沼液滴灌系统运行长效性来看，水肥混合比例不宜高于1∶4,在1∶8-1∶20范围内有利于沼液滴灌系统的稳定运行。 （3）阐明了沼液滴灌系统的冲洗机制并提出了提升沼液滴灌系统稳定性的冲洗组合策略。在相同的冲洗方向上，与不冲洗处理相比，高频冲洗减少了约50％灌水器堵塞物含量。在相同冲洗频率下，灌水器出水口朝下冲洗时堵塞物干物质含量约为灌水器出水口朝上处理的2倍。不冲洗且灌水器出水口朝下时堵塞物最多，是最优冲洗组合的3.44倍，最优冲洗组合可提升189.1％。滴灌带铺设方向并不会改变水流的运动特性,但堵塞颗粒并未完全跟随水流运动，部分颗粒因重力而沉降在滴灌带下壁面,进而导致灌水器朝下的更易发生堵塞。当发生堵塞后，冲洗速度的增加有利于增加灌水器进口表面湍动能，更易使得堵塞物随水冲走。从维持沼液滴灌系统长效运行考虑推荐以高频冲洗30h/次+冲洗方向朝上的组合冲洗策略，且冲洗速在0.6-0.9m/s。 （4）沼液滴灌改变了传统水源的水氮运移过程和分布并模拟优化了沼液滴灌系统布设参数。沼液滴灌下湿润锋的垂直距离显著小于水平距离，约为传统水源的50％。沼液滴灌土壤表面的碳元素增加了19.05％-47.62％,土壤孔隙度降低11.99％-40.5％。Hydrus模型可较为准确（10％误差以内）的模拟沼液滴灌系统的水分运移规律。相比传统水源滴灌，沼液滴灌的土壤水力参数不是固定值，而与时间成幂函数，这种水力参数的变化是影响沼液滴灌入渗的内在原因。交汇湿润深度、垂直入渗距离、水平湿润距离和湿润均匀度与累计入渗量分别呈对数函数、幂函数、幂函数和指数函数，此外，影响沼液滴灌湿润锋敏感的因素顺序是:灌水器间距＞土壤初始含水率＞灌水器流量，这为普适情景下提高沼液滴灌系统水分湿润均匀度提供了控制策略。 （5）沼液滴灌替代追施化肥改变了土壤环境，促进了玉米的生长，提高了玉米产量及水氮利用效率。沼液替代化肥追肥前后显著提高玉米根系层土壤含水率在5％以内，同时也提高了玉米根系层土壤铵态氮和硝态氮的含量，但铵态氮会与水分存在相似现象，仅在施肥前后短期内会有显著变化。沼液替代追施化肥可以显著促进玉米生长发育，以沼液100％替代化肥处理表现综合表现最好，其较纯追施化肥相比，最大可提高株高、径粗和叶面积指数约10％,提高SPAD值、干物质量及吸氮量分别约为50％、30％和20％。沼液替代追施化肥较对照处理（纯追施化肥和不追肥）相比,可提高产量、水分利用效率和氮肥利用效率分别为16.86-26.47％、4-6kg/（hm2·mm）和31.82％-34.61％。 （6）阐明了不同滴灌方式和沼液替代化肥比例对气体排放的影响并分析了相应的排放路径。地下沼液滴灌方式的CO2、NO2及NH3日排放量和累计排放量要远低于地表滴灌，而CH4排放量较大。沼液替代可以有效减弱N2O和CO2的排放量，但会增加CH4和NH3的排放量，随时间的增加，三种温室气体对增温潜势的贡献率基本不发生变化，主要以CO2和N2O排放为主，而CH4贡献率均不足1％,总体而言，沼液替代最大可降低约50％的全球增温潜势值;滴灌方式和替代比会造成土壤环境因素产生差异，该差异直接或间接影响气体排放量与排放路径，土壤水、土壤碳和土壤孔隙是气体排放路径中重要的介导。
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