董 微，張曉文，封喜雷，周增產(chǎn)，姚 濤

(北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司，北京100096)

0 引言

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)“大水大肥”的生產(chǎn)方式，不僅浪費(fèi)水肥資源、污染環(huán)境，而且制約了我國(guó)農(nóng)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。水肥藥一體化技術(shù)是提高水肥利用率、肥藥減施的重要手段，是目前國(guó)際公認(rèn)最好的灌溉施肥技術(shù)[1-3]。水肥藥一體化技術(shù)可以按照設(shè)施蔬菜生長(zhǎng)要求，通過(guò)低壓管道系統(tǒng)與安裝在毛管上的灌水器將水和蔬菜需要的養(yǎng)分、藥液緩慢而均勻地供應(yīng)到作物根部，使作物更充分地吸收并減少肥料損失，大幅提高肥料利用率[4-6]。

膜下滴灌水肥藥一體化技術(shù)將地膜栽培與地表滴灌相結(jié)合，地膜覆蓋在很大程度上抑制了地表滴灌的水分蒸發(fā)，進(jìn)一步提高了灌溉水的利用效率，同時(shí)也利用地膜的保溫效應(yīng)為作物生長(zhǎng)創(chuàng)造了良好的土壤熱量條件，達(dá)到顯著節(jié)水和調(diào)節(jié)地溫的作用[7-10]。近年來(lái)，膜下滴灌水肥藥一體化技術(shù)得到了廣泛推廣應(yīng)用，解決了因肥料、農(nóng)藥過(guò)量施用而引起的一系列問(wèn)題。基于該技術(shù)，設(shè)計(jì)了葉根菜水肥藥一體化裝置。

1 裝置組成

葉根菜水肥藥一體化裝置由灌溉系統(tǒng)、配肥配藥系統(tǒng)、自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)和變頻控制系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 工作原理

葉根菜水肥藥一體化裝置采用膜下滴灌水肥藥一體化技術(shù)，該技術(shù)以水為載體，根據(jù)葉根菜生長(zhǎng)需要及土地墑情變化，按照一定的比例將可溶肥(藥)母液融入水中，通過(guò)灌溉裝置均勻而緩慢地滴入葉根菜根區(qū)土壤中，精準(zhǔn)施肥(藥)，防止過(guò)度浪費(fèi)，減少病蟲(chóng)害發(fā)生，改善土壤結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的良性循環(huán)。葉根菜水肥藥一體化裝置工作原理如圖2所示。

1.EC/pH傳感器 2.攪拌器 3.液位傳感器 4.過(guò)濾器 5.攪拌電機(jī) 6.肥料混水電磁閥 7.單向閥 8.肥液文丘里混合器 9.肥液氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥 10.肥液箱 11.酸堿液文丘里混合器 12.酸堿液氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥 13.酸堿液箱 14.農(nóng)藥箱 15.農(nóng)藥箱電磁閥 16.加藥計(jì)量泵 17.混合罐 18.灌溉用水泵圖1 葉根菜水肥藥一體化裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of water，fertilizer and pesticide integration device for leafy root vegetables

3 灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

灌溉系統(tǒng)由電磁閥、壓力表、流量計(jì)、疊片式過(guò)濾器和灌溉用水泵等部分組成。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輪灌，每個(gè)分灌區(qū)的閥門(mén)使用電磁閥，控制閥門(mén)安裝于每個(gè)輪灌區(qū)的分干管上。電磁閥可連接到水肥一體化裝置的主機(jī)上，由預(yù)先設(shè)定的灌溉計(jì)劃進(jìn)行輪灌或根據(jù)智能傳感器采集的數(shù)據(jù)控制電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)閉，通過(guò)田間管網(wǎng)和滴頭，均勻、定時(shí)、定量地供給作物根系發(fā)育生長(zhǎng)區(qū)域，使主要根系土壤始終保持疏松和適宜的含水量。

葉根菜水肥藥一體化裝置可使用的水源多為地下水，水中存在雜質(zhì)，會(huì)影響滴頭正常工作，因此配置了疊片式過(guò)濾器，防止配肥配藥和施肥施藥過(guò)程中滴頭被雜質(zhì)堵塞而不能正常工作。

4 配肥配藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 肥料配給系統(tǒng)

肥料配給系統(tǒng)主要包括肥液箱、肥液氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、肥液文丘里混合器，以及酸堿液箱、酸堿液氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、酸堿液文丘里混合器兩路系統(tǒng)。系統(tǒng)中預(yù)設(shè)了EC/pH指標(biāo)值，控制器根據(jù)EC/pH傳感器提供的反饋值，及時(shí)調(diào)節(jié)相應(yīng)氣動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，在文丘里混合器的作用下將肥液注入到混合罐中，從而使注入到混合罐內(nèi)的肥液量始終保持在指標(biāo)范圍內(nèi)，同時(shí)完成水肥的混合。

4.2 農(nóng)藥配給系統(tǒng)

農(nóng)藥配給系統(tǒng)主要由農(nóng)藥箱、農(nóng)藥箱電磁閥及計(jì)量泵組成。在需要噴灑農(nóng)藥時(shí)，根據(jù)液位計(jì)提供的水位值，控制系統(tǒng)結(jié)合所使用農(nóng)藥配比，計(jì)算出所需的農(nóng)藥量，由計(jì)量泵將農(nóng)藥注入到混合罐內(nèi)。

5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)PLC，通過(guò)無(wú)線串口實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC之間的通訊，擺脫線纜束縛，使其之間的搭配更靈活。上位機(jī)與下位機(jī)之間采用主從通訊方式，即PLC嚴(yán)格按照計(jì)算機(jī)的指令進(jìn)行工作。

控制系統(tǒng)主要控制灌溉水泵，為整個(gè)管網(wǎng)提供均勻的壓力輸送，保證滴頭出水的均勻性。灌溉系統(tǒng)出水口裝有壓力表，可將出水口的壓力信號(hào)傳輸?shù)阶冾l器的輸入端，變頻器檢測(cè)實(shí)際輸出的壓力信號(hào)是否達(dá)到設(shè)定值，如果沒(méi)有達(dá)到設(shè)定值，則提高輸出頻率，提高灌溉泵的轉(zhuǎn)速，以增加管道壓力達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)達(dá)到設(shè)定值后，輸出頻率穩(wěn)定，電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定以保證水壓恒定。

圖2 葉根菜水肥藥一體化裝置工作原理Fig.2 Working principle diagram of water，fertilizer and pesticide integration device for leafy root vegetables

圖3 水肥藥一體化裝置控制系統(tǒng)界面Fig.3 Control system interface of water，fertilizer and pesticide integration device

通過(guò)裝置上配備的PLC可編程控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉施肥施藥過(guò)程的全程控制，保證作物及時(shí)、精確地水分和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)EC、pH值的實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)也減少灌溉施肥施藥過(guò)程中人為主觀因素給作物生長(zhǎng)帶來(lái)的影響。水肥藥一體化裝置控制系統(tǒng)界面如圖3所示。

6 自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水肥藥一體化裝置配置了灌溉施肥施藥自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)施監(jiān)控灌溉施肥施藥全過(guò)程，當(dāng)裝置運(yùn)行發(fā)生故障或出現(xiàn)灌溉施肥施藥錯(cuò)誤時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)并立即停止灌溉作業(yè)，避免造成更大的損失。當(dāng)裝置錯(cuò)誤或故障解除后，裝置可自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。

(1)系統(tǒng)采集的主要參數(shù)包括EC值、pH值、壓力和回液箱水位。由于系統(tǒng)EC值和pH值波動(dòng)范圍較大，變化速度快，如果傳感器發(fā)生故障導(dǎo)致系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)液濃度和酸堿度超出設(shè)定范圍，會(huì)影響作物生長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致作物絕收。故而系統(tǒng)的EC值和pH值傳感器各設(shè)兩路檢測(cè)回路，一路信號(hào)數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)控制參數(shù)，另外一路信號(hào)數(shù)據(jù)作為監(jiān)測(cè)信號(hào)，若兩個(gè)傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)相差過(guò)大且超過(guò)一定范圍，則判定其中一個(gè)傳感器出現(xiàn)故障，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，降低系統(tǒng)因傳感器故障而導(dǎo)致誤操作的概率。

(2)當(dāng)EC值超過(guò)上限或者pH值超過(guò)下限時(shí)，采用向回液箱中補(bǔ)水的方式促使系統(tǒng)EC值和pH值回歸正常數(shù)值區(qū)間，若此時(shí)回液箱水位處于高限，則系統(tǒng)報(bào)警，提醒管理人員進(jìn)行應(yīng)急處理，同時(shí)系統(tǒng)將未添加高濃度營(yíng)養(yǎng)液和酸液的灌溉水供給種植區(qū)。

(3)當(dāng)系統(tǒng)處于多灌區(qū)同時(shí)工作狀態(tài)時(shí)，采用輪灌模式工作。若灌溉過(guò)程中系統(tǒng)發(fā)生壓力過(guò)高或者過(guò)低的異常情況時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出管路堵塞或者漏水的警告。

7 生產(chǎn)試驗(yàn)

7.1 試驗(yàn)條件

選取大白菜作為試驗(yàn)對(duì)象，在北京市通州區(qū)試驗(yàn)示范基地進(jìn)行水肥藥一體化裝置的配肥試驗(yàn)測(cè)試(圖4)。

圖4 水肥藥一體化裝置測(cè)試Fig.4 Test of water，fertilizer and pesticide integration device

7.2 營(yíng)養(yǎng)液原液配置

將肥料箱內(nèi)A肥、B肥和酸按照比例進(jìn)行稀釋，依次注入混合罐，攪拌均勻。原始料液參數(shù)如表1所示。

表1 原始料液參數(shù)

7.3 營(yíng)養(yǎng)液參數(shù)設(shè)定

根據(jù)大白菜水肥一體化灌溉生產(chǎn)要求，在控制系統(tǒng)中預(yù)設(shè)營(yíng)養(yǎng)液的EC值和pH值，通過(guò)在線傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)營(yíng)養(yǎng)液的EC值和pH值，當(dāng)EC值和pH值在設(shè)定的范圍內(nèi)，系統(tǒng)根據(jù)控制要求定時(shí)定量自動(dòng)灌溉，實(shí)現(xiàn)水、肥的精確灌溉。當(dāng)EC值或pH值超出設(shè)定值，則根據(jù)程序自動(dòng)進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液濃度調(diào)控。系統(tǒng)具有自動(dòng)和手動(dòng)控制功能，用戶可以選擇自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式進(jìn)行灌溉施肥控制，增加系統(tǒng)控制的靈活性和安全性。營(yíng)養(yǎng)液EC值和pH值設(shè)定值如表2所示。

表2 營(yíng)養(yǎng)液EC和pH設(shè)定值

7.4 自動(dòng)配肥試驗(yàn)

液位計(jì)檢測(cè)到低液位設(shè)定值時(shí)輸出信號(hào)，自動(dòng)打開(kāi)供水電磁閥，給營(yíng)養(yǎng)液箱供水，當(dāng)液位達(dá)到最大加水液位設(shè)定值時(shí)液位計(jì)輸出信號(hào)，關(guān)閉供水電磁閥。自動(dòng)打開(kāi)攪拌電磁閥，啟動(dòng)營(yíng)養(yǎng)液輸送泵，自動(dòng)打開(kāi)肥料輸送電動(dòng)球閥，當(dāng)EC傳感器和pH傳感器檢測(cè)到營(yíng)養(yǎng)液的EC值和pH值達(dá)到設(shè)定值范圍內(nèi)，關(guān)閉肥料輸送電動(dòng)球閥，打開(kāi)營(yíng)養(yǎng)液輸送電磁閥，關(guān)閉攪拌電磁閥，開(kāi)始通過(guò)灌溉系統(tǒng)輸送營(yíng)養(yǎng)液，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液液面達(dá)到設(shè)定值時(shí)關(guān)閉營(yíng)養(yǎng)液輸送泵，采用電導(dǎo)率測(cè)定儀和pH計(jì)測(cè)定滴灌管內(nèi)營(yíng)養(yǎng)液的EC值和pH值。在4次施肥作業(yè)中，選取3條滴灌帶上的同一位置(A、B、C)作為測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，水肥藥一體化裝置在自動(dòng)配肥試驗(yàn)中誤差均<±0.1，符合設(shè)計(jì)要求。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

8 結(jié)束語(yǔ)

葉根菜水肥藥一體化裝置可根據(jù)作物的需肥量精準(zhǔn)配肥，肥料通過(guò)灌水均勻直達(dá)作物根部，減少肥料和藥物的揮發(fā)和流失及養(yǎng)分過(guò)?；虮煌寥拦潭ǖ仍斐傻膿p失，可實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)肥、改善微生物環(huán)境和預(yù)防病蟲(chóng)害的功能，具有施肥簡(jiǎn)單、供肥精準(zhǔn)、用藥集中、作物容易吸收和肥料藥物利用率高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于設(shè)施內(nèi)葉根菜高效安全生產(chǎn)具有重要意義。