于珍珍，汪 春,2，李嘉熙，劉少東，王宏軒

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163000;2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院 南亞熱帶作物研究所，廣州 湛江 524000)

0 引言

我國是一個水資源嚴重短缺的國家，用水量巨大，人均水資源占有量排在世界第109位，約為世界平均的1/3[1-2]。其中，重要的用水途徑就是農(nóng)業(yè)灌溉用水，但由于我國水資源總量不足，使得農(nóng)業(yè)用水面臨困境[3]。我國近幾年旱災頻繁，再加上時空降水分布不均、對水資源進行粗放式管理、灌溉方式比較落后及節(jié)水灌溉技術沒有進行大面積推廣應用，用水形勢堪憂。我國是世界上最大的化肥生產(chǎn)國和消費國，2008年化肥消費量已達4 000萬t多[4]。據(jù)推測，目前我國化肥的利用率只有25%～30% ,化肥農(nóng)藥的不合理使用會導致作物吸收的少，剩余的化肥由于沒有被作物充分吸收會隨水流或其它方式流失，進而會造成海洋與河流湖泊中氮、磷等含量超標，甚至會出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象。過度施用肥料不僅會增加生產(chǎn)成本，還會造成農(nóng)業(yè)資源的浪費，同時使土壤理化性變差，導致次土壤次鹽漬化和酸化、設施內(nèi)出現(xiàn)連作障礙、土傳病害等問題，造成植株生長不良，產(chǎn)量和品質(zhì)下降[5]，嚴重威脅農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

國外農(nóng)業(yè)發(fā)達國家，如有美國、荷蘭、以色列和加拿大等，以以色列與荷蘭為首最早開始進行研究節(jié)水灌溉技術。以色列和荷蘭在發(fā)展農(nóng)業(yè)過程中都受到共同的制約因素：人均耕地面積少，農(nóng)業(yè)資源匱乏且年平均降水量小于200mm。以色列在淡水資源及其匱乏的條件下，采用新技術，以最少的水量投入獲得最大的經(jīng)濟效益，近幾年來重點研究精準灌溉施肥一體化技術，并將農(nóng)業(yè)網(wǎng)工程與信息技術、人工智能決策聯(lián)系在一起，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中逐步實現(xiàn)水肥一體化自動調(diào)控技術，以達到科學合理精確的施用肥料。相比于國外發(fā)達國家，我國灌溉施肥技術起步較晚。從20世紀90年代開始，我國開始逐步重視灌溉施肥一體化技術的研究與應用，并通過引進國外先進技術，開始逐步自主創(chuàng)新出一些適合于我國農(nóng)業(yè)形勢的一些灌溉施肥設備。

水肥一體化技術將灌溉與施肥融為一體，同步進行[6]，在灌溉的同時將肥料與灌溉水融和，借助系統(tǒng)的滴灌網(wǎng)，將肥料隨毛管水流送達作物根部。其可以根據(jù)作物生長過程中對水分和養(yǎng)分的需求，提供作物適量的水分和養(yǎng)分，保證作物在吸收水分的同時吸收養(yǎng)分，目前被公認為是世界上水、肥利用效率最佳的技術[7]。

地表下灌溉改變了傳統(tǒng)地表設管的灌溉方式，是將全部滴灌管道和灌水器埋入地表下面的一種灌水方式，能克服地面毛管易老化的缺陷[8]，防止毛管損壞或者丟失，同時方便田間作業(yè)。其在灌溉過程中，全部由管道輸水很少有沿程滲漏和蒸發(fā)，為了保證可以適時適量地為作物根區(qū)供水供肥，自動調(diào)節(jié)灌水速度，達到增產(chǎn)增收的目的[9]。為此，設計出一種壓力管道輸水，不用要求地面的平整度，在灌水器前加入過濾裝置，對水質(zhì)中的泥沙、有機物或是微生物進行沉淀和化學處理[10]，避免管道堵塞引起系統(tǒng)無法正常工作，且加入自動檢測系統(tǒng)，采用定時器進行灌溉控制到自動檢測土壤水分信息和肥料信息，提高了灌溉施肥自動化水平[11]。

1 總體設計與工作原理

滴灌是利用安裝在管道末端的毛管作為滴灌帶，將壓力水以水滴的形式濕潤作物根部周圍土壤的灌溉方式。傳統(tǒng)灌溉方式是將毛管放在地表上，稱為地表滴灌；本研究將毛管埋入地面以下，稱為地表下滴灌。

地表下水肥一體化系統(tǒng)由水源、首部樞紐、控制系統(tǒng)、輸配水管網(wǎng)及流量、壓力控制部件和水量檢測儀等組成，如圖1所示。

圖1 主要設備連接示意圖Fig.1 Main equipment connection diagram

2 主要工作部件的優(yōu)化設計

2.1 過濾裝置的設計

根據(jù)生產(chǎn)需要，多采用井水作為作物提供灌溉用水，但由于出現(xiàn)渾濁，無法直接使用。過濾分為三級過濾，即初級過濾、物理過濾和化學過濾[12]。初級過濾一般采用砂石過濾，主要是針對一些大體積雜物、枯枝殘葉、雜草和其他較大的漂浮物等，以防止雜物進入管道。初級過濾采用傳統(tǒng)的過濾方法即可，一般多使用篩網(wǎng)，構(gòu)造簡單，可以根據(jù)水源實際情況自行設計制作。本研究針對二級過濾，即物理過濾進行創(chuàng)新設計。

經(jīng)過調(diào)研，擬采用一種高效微沙疊片式過濾器(見圖2)，采用大量很薄的圓形疊片重疊起來，成為一個類似于圓柱形的過濾中心；疊片緊密壓實疊加在一起，上下兩層疊片之間的溝槽起到過濾攔截的作用，如圖3所示。該裝置在很大程度上可以代替砂濾器和傳統(tǒng)的機械過濾裝置，其性能優(yōu)越、水電耗遠低于其他產(chǎn)品[13]。試驗研究表明，該過濾器的過濾能力可以達到40～400目之間，出水渾濁度低于10度，大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的安全度，完全滿足農(nóng)業(yè)灌水的質(zhì)量要求。

1.進水口 2. 排氣口 3.閥蓋 4.集砂器圖2 高效微沙疊片式過濾器Fig.2 High-efficient micro-sand laminated filter

2.2 施肥機的結(jié)構(gòu)設計及性能優(yōu)化

施肥機主要作用是將肥料隨同灌溉水進入田間[14]，是水肥一體化技術的關鍵部分。在水肥一體化技術中常用到的施肥機主要設備選型包括旁通施肥罐、文丘里施肥機、重力自壓施肥機、泵吸肥機及泵注肥機等。其中，文丘里施肥機以結(jié)構(gòu)簡單、水頭損失較小得以廣泛使用[15]。

圖3 疊片式過濾芯Fig.3 Stacked filter

文丘里施肥機主要由閥門、文丘里管、三通及彎頭等幾個部分連接而成，原理是由于水流運動時流速不同從而產(chǎn)生壓力差，利用壓力差將液體肥料壓入輸水管網(wǎng)中的一種施肥裝置。水流通過一個由大漸小的管道時(文丘里管喉部)，水流經(jīng)狹窄部分時流速加大、壓力下降，使前后形成壓力差；當管徑變小時，形成負壓，將肥料溶液從一敞口肥料罐通過小管徑吸取上來。文丘里施肥機就是根據(jù)這一原理制作而成，如圖4所示。

2.2.1 采用水溶肥代替?zhèn)鹘y(tǒng)固體肥料

傳統(tǒng)灌溉施肥條件下使用的是固體肥料或液體肥料， 固體肥料與灌溉用水無法徹底溶解， 容易引發(fā)滴頭堵塞等問題； 液體肥料品種少， 價格高， 且運輸不便，所以在生產(chǎn)中很少使用到。受無土栽培的啟示，提出使用水溶性專用固體肥料，簡單說就是一種可以完全溶于水的多元復合肥料，更容易被作物吸收。大量試驗研究表明：使用水溶性肥料遵循少量多次與薄肥勤施的原則，可以避免水肥浪費，在進行施肥時要先滴清水，等管道中的水分充滿以后再進行施肥，且施肥后立刻用清水沖0.5h左右，有助于排出管道中殘留的肥液。

圖4 文丘里管施肥機示意圖Fig.4 Venturi tube applicator schematic

在實際農(nóng)業(yè)操作中，多數(shù)會采用幾種肥料同時混合使用，但在混合使用過程中搭配不當會引起沉淀，在使用混合肥料前不僅要考慮肥料的酸堿度，還要考慮肥料間的相互作用。在運輸儲存過程中要進行分別儲存，通過試驗總結(jié)，制出肥料混合表，如圖5所示。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可以按照此表進行混合施肥，提高生產(chǎn)效率。

圖5 肥料混合表Fig.5 Fertilizer mixTable

2.2.2 文丘里管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

文丘里施肥機的主要參數(shù)：①進口處工作壓力p進。②壓差。p進-p出=壓差，常被表達成進口壓力的百分比，只有當壓差降到一定值時，才開始抽吸。③抽吸量。指單位時間里抽吸液體肥料的體積，單位為L/h。④流量。指流過施肥機本身的水流量，進口壓力和喉部尺寸影響著施肥機的流量。

文丘里管施肥機采用抗腐蝕材料制作(現(xiàn)在絕大部分是采用塑料制作)，在工作時必須依靠過量的壓力來保證必要的壓力損耗。為了保證養(yǎng)分濃度的均勻性，必須保證文丘里管入口處壓力穩(wěn)定，擬采用安裝控制閥門和調(diào)節(jié)器來調(diào)整[16]。傳統(tǒng)的文丘里管與主管道串聯(lián)安裝，改進后的管路將文丘里管作為主管的旁通件進行并聯(lián)安裝，且采用兩段式文丘里管道結(jié)構(gòu)，可以保證吸肥時的水管損耗降低12%～15%[17]，結(jié)構(gòu)簡單，通用性強，可以進行廣泛推廣應用。改進后的兩段式文丘里管相應的存在流量降低的缺點，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1.節(jié)制閥 2.壓力表 3.大文丘里 4.小文丘里圖6 兩段式文丘里管施肥機Fig.6 Potato planter structure

2.3 自動控制系統(tǒng)設計的實現(xiàn)

改善灌溉施肥效果、提高灌溉施肥效率是本研究的重要內(nèi)容之一。本研究的精準定量灌溉施肥自動監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括大氣環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)與智能灌溉施肥系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)。兩個子系統(tǒng)之間通過無線傳感器進行連接， 可進行遠程監(jiān)控且可以進行數(shù)據(jù)同步，進而對整個系統(tǒng)、作物生長及環(huán)境信息進行實時監(jiān)測。地表下水肥一體化自動檢測系統(tǒng)如圖7所示。

3 水肥一體化技術研究在應用中存在的問題

太陽輻射水肥一體化技術是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術符合當今世界對水資源和資源環(huán)保的戰(zhàn)略取向，也是我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐技術之一。水肥一體化技術是資源節(jié)約型技術，應是我國未來農(nóng)業(yè)灌溉和施肥技術的重要發(fā)展方向。近年來，我國在水肥一體化技術的研究與推廣示范上取得了顯著的效果，但是還存在很多問題，主要有以下兩個方面：

1)在水肥一體化設施中設備的配套性差，容易導致在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中不穩(wěn)定，且缺乏配套的水溶肥[18]。我國對于液態(tài)肥料的研究還處于起步階段，灌溉肥料仍以固體肥料為主，無法與灌溉水完全溶合；

2)由于農(nóng)民收入普遍偏低，且認識不到位，人們只追求眼前利益，沒有考慮到水資源匱乏將對生態(tài)環(huán)境及社會發(fā)展造成的嚴重影響。此外，水肥一體化設備設施投入成本較高，在灌溉用水中電費所占比例較大，水資源本身價格偏低，如果沒有政府在政策及資金上進行扶持，很難進行大面積的推廣應用。

1.電磁閥 2.土壤濕度傳感器圖7 水肥一體化自動檢測系統(tǒng)Fig.7 Water and fertilizer integration automatic detection system

4 結(jié)論

1)滴灌技術是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設的主要支撐技術之一，是一種廣泛普及的節(jié)水技術，適宜使用滴灌的作物種類也很廣泛[19]，其不僅可以大幅度節(jié)省農(nóng)業(yè)用水、顯著提高作物的產(chǎn)量，而且還可以提高耕地的利用效率和勞動生產(chǎn)率，減少農(nóng)藥化肥使用量，降低農(nóng)田和食品的污染源，達到改善生態(tài)環(huán)境、減少環(huán)境污染的目的。

2)本研究針對滴灌過程中存在的問題進行了試驗研究，提出了地表下水肥一體化滴灌技術，并且針對水肥一體化設備中存在的問題進行調(diào)研，進而進行改進創(chuàng)新，在結(jié)構(gòu)設計及性能方面都進行了優(yōu)化設計，且通過互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)信息技術對滴灌系統(tǒng)進行自動調(diào)節(jié)控制[20]。通過控制灌水量，根據(jù)作物需要適時、適量地進行精量灌溉，一方面可以達到提高用水效率提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的目的，另一方面還可以節(jié)省勞動力，免去田間監(jiān)測的重復勞動。