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(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163000；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 南亞熱帶作物研究所，廣東 湛江 524000)

0 引言

植物莖部有發(fā)達(dá)的通氣組織[1]，能將空氣中的氧運(yùn)輸?shù)街参锔?，改善根系環(huán)境，但土壤的通氣狀況仍是影響植物生長發(fā)育的關(guān)鍵因子[2]。根部是作物主要呼吸及吸收養(yǎng)分的部分，還可為植物提供活性物質(zhì)。所以，根系的良好發(fā)育對植株起著至關(guān)重要的作用，植物根部的呼吸作用強(qiáng)弱直接影響植物的生長發(fā)育[3-5]。土壤中的空氣、熱量和水分是植物生長過程中必不可少的三大要素。在傳統(tǒng)灌溉過程中，水分含量升高必然會(huì)引起植物呼吸作用減弱，氧氣含量降低，即使是在排水設(shè)施良好的環(huán)境下也會(huì)出現(xiàn)植物根部的暫時(shí)性缺氧，導(dǎo)致土壤氧氣含量下降，不能有效地進(jìn)行根部營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)換，影響植物后期的生長發(fā)育及營養(yǎng)物質(zhì)積累[6-8]。植物從種子發(fā)芽到生長發(fā)育成熟都要求有土壤空氣(氧氣)供應(yīng)，只是各類植物的要求不同而已。例如，塊莖類植物要求土壤的供養(yǎng)能力高于一般植物，而水生植物的要求就微弱得多，但并不是不需要氧氣的供應(yīng)。所以，植物的正常發(fā)育是離不開土壤空氣的[9]。

對于許多經(jīng)濟(jì)作物來說，在土壤呼吸過程中，當(dāng)氧氣的濃度百分比含量<10時(shí)，對植物的生長發(fā)育及根部的呼吸作用產(chǎn)生明顯的影響[10]；當(dāng)氧氣濃度的百分比含量<3時(shí)，植物根部將會(huì)停止呼吸作用，植物將會(huì)停止生長[11]。一般生長在通氣良好土壤中的根系較長、健壯、色淺、根毛多，如果缺氧表現(xiàn)出根少而弱，根毛特別少，根系可能停止發(fā)育[12-14]。土壤通氣性不良和土壤過度潮濕常常會(huì)引起植物對外界病菌抵抗力的衰弱，易于感染病害，或者植物生長受阻，發(fā)育不正常。大量觀察證明，土壤通氣性是限制產(chǎn)量高低的重要因素。一般認(rèn)為，種子正常發(fā)芽需要氧的含量必須在10%以上，低于5%，種子的發(fā)芽會(huì)受到很大的影響；而低于0.5%時(shí)則種子不萌發(fā)并很快死亡；若二氧化碳的濃度超過30%，種子亦很難萌發(fā)[15]。因此，要保證種子的正常發(fā)芽，土壤必須具有良好的通氣性以供給植物充足的氧氣。

調(diào)節(jié)土壤空氣的方法主要是改善土壤結(jié)構(gòu)，以改變土壤孔隙大小分配的比例，采用某些措施調(diào)節(jié)土壤的孔隙狀況，如耕作、輪作及排水等。

根區(qū)土壤在成分上是由固、液、氣組成，傳統(tǒng)灌溉技術(shù)措施，在給作物輸水的同時(shí)，擠出了土壤中的空氣，導(dǎo)致根際臨時(shí)缺氧或長期缺氧，因此，“水氧矛盾”成為了目前灌溉農(nóng)業(yè)中的主要瓶頸問題。在配套較好的排水系統(tǒng)的同時(shí)，通水過程中植物根部也會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)性或周期性的缺氧，導(dǎo)致作物根部呼吸作用減弱，直接影響作物的營養(yǎng)物質(zhì)合成。

研究指出，地下滴灌培育的作物產(chǎn)量并不能夠彌補(bǔ)滴灌設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)施投入；也有研究指明，當(dāng)灌溉水量大于作物需水量的70%后，地下滴灌下的作物產(chǎn)量并不能隨著灌溉水量的增加而增加。傳統(tǒng)灌溉農(nóng)業(yè)普遍存在灌水的同時(shí)擠走了土壤中氧氣(即水氧矛盾)的問題，使得作物根系經(jīng)常受到低氧脅迫，影響根系正常的生長功能、土壤微生物的活性及相應(yīng)的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化，降低滴灌利用效率，還會(huì)影響正常作物根系的呼吸代謝，導(dǎo)致有毒物質(zhì)不斷積累及根系作物細(xì)胞代謝失衡，嚴(yán)重的會(huì)影響作物的生長，甚至?xí)?dǎo)致爛根死苗，最終影響作物的經(jīng)濟(jì)效益。對于植物根系，單一的灌溉水會(huì)降低作物根系的通氣性，影響作物的正常呼吸及作物的生長發(fā)育。所以，在灌溉水中加入氧氣(空氣)可以有效改善土壤通氣性，還可以促進(jìn)土壤二氧化碳的排出，提高養(yǎng)分和營養(yǎng)元素的吸收率。

在設(shè)施園藝、旱地滴灌及花卉養(yǎng)殖中，已經(jīng)廣泛采用氣泵充氧等措施來增加水中的溶氧量，并提高水分和肥料的利用效率。通過調(diào)查研究，在經(jīng)濟(jì)行作物中投入增氧灌溉系統(tǒng)，提高了作物品質(zhì)與產(chǎn)量，收益大于設(shè)備投入成本，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)的建設(shè)中。由此可見，作物氧氣需求已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中亟待解決的問題。

本研究利用增氧灌溉的原理和方法對作物根際增氧灌溉進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以期實(shí)現(xiàn)優(yōu)化和改善作物的土壤環(huán)境、增強(qiáng)作物根系生長及達(dá)到提高作物生產(chǎn)質(zhì)量和品質(zhì)的目的。為此，將信息技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，軟件與硬件相結(jié)合，研制出一套可以檢測、反饋、自動(dòng)控制的一套完備系統(tǒng)。本研究中，信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)節(jié)水增氧相結(jié)合，運(yùn)用信息遙感技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸與人工智能決策技術(shù)相結(jié)合，形成一種新的農(nóng)業(yè)增氧灌溉技術(shù)方式，在管理方式上由靜態(tài)單因素的管理方法變?yōu)閯?dòng)態(tài)多目標(biāo)層次管理轉(zhuǎn)變；采用土壤墑情自動(dòng)檢測技術(shù)，水肥氣自動(dòng)灌溉控制技術(shù)、數(shù)字化管理技術(shù)，充分將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，穩(wěn)固基礎(chǔ)性工作。同時(shí)，采用TDR土壤水分儀，對土壤水分進(jìn)行實(shí)時(shí)性監(jiān)測，采用氧化還原電位計(jì)、溶氧儀對土壤的氧氣含量、作物作用坐擁、葉面空氣溫差與作物旱澇脅迫狀況進(jìn)行快速測定，利用PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。由于地塊面積大，為了使氧氣在管道內(nèi)能夠進(jìn)行長時(shí)間、遠(yuǎn)距離的運(yùn)輸，采用羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行通氧。

1 總體設(shè)計(jì)及其工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

機(jī)械通氣是利用空氣壓縮機(jī)對灌溉土壤進(jìn)行通氣的灌溉方法，本研究擬在水肥一體化灌溉裝置中加入1個(gè)氣泵進(jìn)行氧氣供應(yīng)。氣泵與灌溉水用同一個(gè)管道,設(shè)計(jì)一種水氣耦合高效灌溉系統(tǒng)，可以產(chǎn)生巨量微氣泡，形成均勻的水氣耦合物，有效改善灌溉造成的土壤缺氧情況。該系統(tǒng)利用文丘里空氣射流器加氧，水流在入口段流速緩慢，壓力減小而吸入空氣或氧氣，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。研究表明：氧氣在水中和空氣中的擴(kuò)散系數(shù)差異較大，氧氣在空氣中的擴(kuò)散速率近似于水中的10 000倍。工作時(shí)，為了將氣泵中的氧氣與水更好地溶解，采用一個(gè)高速旋切泵，將水氧進(jìn)行進(jìn)一步旋切，碎化氣泡，使得更多的氧氣融入水中。

1.逆止閥 2.閘閥 3.截止閥 4.文丘里空氣射流器 5.高速旋切泵 6.壓力表

1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

增氧灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)由信息測量、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)及中央控制系統(tǒng)組成，如圖2所示。在增氧灌溉系統(tǒng)中，由遠(yuǎn)程中央控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)總體監(jiān)控，控制系統(tǒng)通過接收傳感器信息對電磁閥門、開關(guān)及水泵進(jìn)行控制。

圖2 增氧灌溉自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)圖

1.3 系統(tǒng)工作原理

增氧灌溉裝置與水肥一體化滴灌裝置結(jié)合，采用多層次組合裝置，主要由加氣部分及水氣混流裝置組成。氣泵連接文丘里裝置，水氣進(jìn)入管道混合后利用高速旋切泵進(jìn)行碎泡處理。工作時(shí)，通過過濾裝置的水源進(jìn)入管道，利用氣泵將氧氣注入文丘里空氣射流計(jì)，當(dāng)水流經(jīng)過文丘里空氣射流器時(shí)，流向截面變小導(dǎo)致水體流速上升，產(chǎn)生文丘里效應(yīng)；水流流速增大，使得水體附近產(chǎn)生低壓，產(chǎn)生吸附作用，進(jìn)而使得大量氧氣與水流進(jìn)行初步混合，形成均勻的水氣耦合物；再經(jīng)過高速旋切泵，由機(jī)械旋切對氣泡進(jìn)行二次碎化，增氧處理后的水體呈現(xiàn)渾濁的乳白色，大大提高水體增氧效率；最后，通過施肥器與水溶性液體肥進(jìn)行混合，將水、肥、氣進(jìn)行高效耦合。

1.4 文丘里空氣射流器的設(shè)計(jì)

文丘里管示意圖如圖3所示。

圖3 文丘里管工作原理示意圖

高速水流經(jīng)文丘里管的縮小截面時(shí)，速度急劇增大,從噴嘴中噴出水霧椎體。為了保證水分與氣體充分耦合，將文丘里管加氣裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，即將大量氧氣從錐形管的正面噴孔部分排出，水流流速急劇增加，從而產(chǎn)生文丘里效應(yīng)。首先需要確定噴嘴參數(shù)，還需要計(jì)算文丘里空氣射流器在不同噴嘴下吸風(fēng)量和耗水量。

1)耗水量的計(jì)算。公式為

式中 △p—孔口前后壓差(Pa)；

A—孔口面積(m2)；

ρ—流體的密度(kg/m3)；

μ—常量系數(shù)，參考結(jié)構(gòu)選型；

q—流量，即耗水量(m3/s)。

由公式可知，噴嘴耗水量與孔口大小及孔口前后壓差有關(guān)。

2)水流流速計(jì)算。在理想狀態(tài)下，流體連續(xù)性方程推導(dǎo)公式為

式中q—孔部水量消耗(m3/s)；

d—孔口直徑(m)；

V—整體流速(m/s)。

將耗水量公式代入上述公式得

2 智能檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)中，對于地表下的氧氣濃度要求非常精確。當(dāng)土壤空氣中氧濃度低于10%時(shí)，大多數(shù)植物的生長將會(huì)受到影響，所以在該設(shè)計(jì)中增添一個(gè)氧氣濃度檢測裝置十分必要。傳統(tǒng)的氧氣檢測設(shè)備往往測量精度不夠，一旦出現(xiàn)誤差，作物的生長將會(huì)受到較大的影響。針對這個(gè)不足之處，該部分設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的氧氣濃度檢測系統(tǒng)。

2.1 總體框架設(shè)計(jì)

智能檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架圖如圖4所示。工作時(shí)，氧氣檢測模塊將檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)置、信號縮放，輸出一個(gè)可以檢測到的數(shù)據(jù)；隨后將該信號在處理模塊處理后傳到AT89C51單片機(jī)中，經(jīng)識別之后將數(shù)據(jù)于液晶顯示屏上呈現(xiàn)出來。當(dāng)數(shù)據(jù)小于10%時(shí)，會(huì)觸發(fā)報(bào)警電路，提示工作人員進(jìn)行加氧處理；傳感器把測得的氧分壓轉(zhuǎn)化為電壓E0，把土壤溫度轉(zhuǎn)化為溫度電壓，傳入單片機(jī)中然后進(jìn)行計(jì)算，即

式中Px—氧分壓；

R—?dú)怏w常數(shù)；

F—常數(shù)；

Pa—參考?xì)怏w中的氧分壓。

由公式可知，氧氣濃度的高低與氧分壓、溫度、氣體常數(shù)等多種因素有關(guān)。

圖4 總體設(shè)計(jì)框架圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

對于軟件，主要進(jìn)行以下幾個(gè)模塊設(shè)計(jì)，即主程序流程部分設(shè)計(jì)、子程序輸入/輸出部分設(shè)計(jì)、模塊功能編輯及軟/硬件調(diào)試，主要包括程序驅(qū)動(dòng)、信號檢測、數(shù)據(jù)顯示、定向、轉(zhuǎn)換及模數(shù)等功能模塊。軟件部分設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1)通過安裝增氧灌溉裝置，改善了土壤的通透性，可使作物根系處于最佳的生長狀態(tài)。當(dāng)土壤根系呼吸良好時(shí)，作物根系還會(huì)給地上部分提供植物生長所需的能量和物質(zhì)，從而促進(jìn)植物葉和莖的生長。

2)將灌溉水與氧氣通過文丘里管產(chǎn)生巨量氣泡，利用流體力學(xué)原理，通過高速旋切，讓水氣在高速旋切下生成微氣泡，形成均勻的水氣耦合物，實(shí)現(xiàn)水氧飽和狀態(tài)。由此有效地促進(jìn)了物質(zhì)運(yùn)輸，提高了水氣傳輸?shù)木鶆蛐裕哂欣谖?、提高水氧利用率及?jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 軟件部分設(shè)計(jì)流程圖

3.2 討論

與普通灌溉相比，增氧灌溉的處理優(yōu)化了土壤的水氣情況，促進(jìn)了根系的良好發(fā)育，提高了作物對水分、養(yǎng)分的吸收率，有效地改善了土壤的通氣性。與地下滴灌相比，增氧灌溉條件下土壤微生物呼吸顯著增大，可以有效調(diào)控土壤水氣配合比。

但是，在設(shè)計(jì)研究中也發(fā)現(xiàn)一些問題：在增氧灌溉時(shí)，需要投入一些基礎(chǔ)設(shè)施，增加鋪管道及加壓設(shè)備進(jìn)行對作物根系的通氣。由于技術(shù)不成熟，無法在監(jiān)測到根系缺氧時(shí)進(jìn)行自動(dòng)增氧，未能形成一體化自動(dòng)監(jiān)測供氧設(shè)備，因此需要增加人工管理。綜合計(jì)算，增氧灌溉可以提高作物的品質(zhì)、產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益。相比較之下，增加的投入應(yīng)該小于增產(chǎn)帶來的收入，且在一段時(shí)間內(nèi)能夠收回成本。所以，筆者認(rèn)為增氧灌溉適用于瓜果蔬菜及花卉等一些經(jīng)濟(jì)作物。