尹義蕾,李 愷,侯 永,齊青卓,王 柳,魏文亮,丁小明
(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,北京100125;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100125;3.普渡大學(xué),美國印第安納州西拉法葉47907;4.河北省永清縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,河北永清065600)
京津冀區(qū)域是我國北方規(guī)模最大的經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū),京津3 700 萬常駐人口消費(fèi)水平的提升為河北省設(shè)施蔬菜發(fā)展帶來了廣闊的發(fā)展前景。當(dāng)前,河北省永清縣蔬菜種植面積達(dá)到2.4 萬hm2,是環(huán)京津冀都市圈重要的“菜籃子”供應(yīng)基地[1,2]。然而該地區(qū)部分種植區(qū)域土壤堿性大,滴灌種植模式易造成土壤次生鹽漬化,同時(shí),農(nóng)戶應(yīng)用的灌溉系統(tǒng)中,往往存在過濾設(shè)備配置不健全的問題,一般采用把營養(yǎng)液母液罐高置借助重力或隨水沖施進(jìn)行水肥一體化灌溉施肥作業(yè),由此導(dǎo)致施用營養(yǎng)液濃度嚴(yán)重不均勻,滴頭易堵塞,致使滴灌技術(shù)在農(nóng)戶實(shí)際種植中難以推廣應(yīng)用[3]。在該微堿性環(huán)境設(shè)施土壤栽培中,膜下微噴是較好的水肥一體化灌溉方式,但相比傳統(tǒng)的滴灌技術(shù),灌溉流量較大,一般需要達(dá)到20 m3/h 以上,因此對(duì)水肥一體化灌溉施肥裝置吸肥能力要求較高。除此之外,當(dāng)前具有EC 和pH 精準(zhǔn)反饋調(diào)節(jié)的水肥一體化裝置雖然水肥供給更精準(zhǔn)[4,5],但造價(jià)過高,單價(jià)一般超過3.5 萬元,且操作復(fù)雜,一般的種植農(nóng)戶難以承受。綜上所述,開發(fā)一種低成本、操作便捷、吸肥能力大的輕簡(jiǎn)化水肥一體化設(shè)備就顯得尤為重要。
為此,本文基于河北省永清縣日光溫室黃瓜種植的具體案例設(shè)計(jì)了一種適用于膜下微噴且低成本的水肥一體機(jī),并在日光溫室中進(jìn)行了栽培效果對(duì)比試驗(yàn)。本研究旨在研發(fā)一種適合當(dāng)前農(nóng)民生產(chǎn)條件的水肥一體機(jī),以期能降低農(nóng)戶生產(chǎn)成本投入和操作難度,減少過量施肥對(duì)環(huán)境的污染,切實(shí)提高農(nóng)民收益。
(1)設(shè)計(jì)原理。輕簡(jiǎn)水肥一體機(jī)借助吸肥動(dòng)力泵的輸出壓力[6,7],通過吸肥通道把存儲(chǔ)在營養(yǎng)液母液罐里的母液壓入到灌溉管路中。從取樣口測(cè)試灌溉營養(yǎng)液EC,如果不滿足種植要求,可通過吸肥通道的隔膜閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。與當(dāng)前精準(zhǔn)水肥一體化設(shè)備相比,該設(shè)備未帶有EC、pH 自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)功能,依靠主管路的調(diào)節(jié)球閥、壓力表和定時(shí)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化均勻供肥。
(2)裝置構(gòu)成。該裝置主要包括肥料供給系統(tǒng)、輸水管路系統(tǒng)、灌溉控制系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)。肥料供給系統(tǒng)作為該機(jī)器的核心,主要包括吸肥管路、母液罐和吸肥動(dòng)力泵,其中吸肥管路主要由文丘里吸肥器、過濾器以及隔膜閥組成;母液罐一般選用容積50 L 左右塑料桶,不工作時(shí),可轉(zhuǎn)移到溫室一邊,減少對(duì)溫室種植作業(yè)的影響。輸水管路包括球閥、壓力表、取樣閥門等,其中取樣閥門主要用于測(cè)試灌溉營養(yǎng)液的EC 是否符合種植要求。灌溉控制系統(tǒng)主要由繼電器、定時(shí)器等組成,通過控制吸肥動(dòng)力泵的啟停來實(shí)現(xiàn)肥料的注入。支撐系統(tǒng)由裝配式鋁型材裝配而成,用于輸水管路和肥料供給系統(tǒng)的固定。
由于膜下微噴所需灌溉流量較大,水肥一體機(jī)吸肥能力大小是裝置成本的主要制約因素[8],其中吸肥泵放在進(jìn)水管路的前端或者后端,即借助于吸肥泵的負(fù)壓或者正壓吸取肥料是影響該裝置吸肥能力大小的主要因素。借助筆者自行設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)對(duì)兩種吸肥泵放置位置下的吸肥能力進(jìn)行測(cè)試。裝置性能測(cè)試見圖1,其中前置吸肥泵采用虛線繪制。進(jìn)水管路和出水管路都采用公稱直徑50 mm 的硬聚氯乙烯管件,管路安裝壓力表、流量計(jì)及閥門,用以監(jiān)控進(jìn)水管路的壓力、流量。通過調(diào)節(jié)變頻水泵的壓力,在出口壓力為0.05、0.09、0.11、0.13 MPa的狀態(tài)下,每次測(cè)試時(shí)間取3 min,測(cè)試3次取平均值,裝置吸肥數(shù)據(jù)見表1。通過表1數(shù)據(jù)可以看出,兩種情況下吸肥量均隨出口壓力的增大而減小,吸肥泵后端放置在出口壓力為0.09、0.11 和0.13 MPa 時(shí)吸肥量顯著大于前置,效果較好,因此本設(shè)備選擇后端放置。
圖1 輕簡(jiǎn)水肥一體機(jī)測(cè)試圖Fig.1 Schematic diagram of simplified water fertilizer integrated machine
表1 吸肥泵兩種狀態(tài)下的不同吸肥量Tab.1 Different suction amount of suction power pump under two conditions
為測(cè)試輕簡(jiǎn)化水肥一體化設(shè)備的應(yīng)用效果,選用位于河北省永清縣龍虎莊鄉(xiāng)大青垡村兩棟類型相同的日光溫室進(jìn)行種植試驗(yàn)。兩棟日光溫室長(zhǎng)度70 m,跨度10.76 m,脊高3.7 m,后墻高度2.8 m。溫室前屋面覆蓋40 mm 厚的保溫被,卷放時(shí)間為7:30~8:00 和16:30~17:30。兩座日光溫室內(nèi)均采用壟上膜下微噴種植黃瓜,試驗(yàn)溫室內(nèi)采用輕簡(jiǎn)水肥一體機(jī)追肥,對(duì)照溫室內(nèi)則采用傳統(tǒng)重力自流注肥。一壟雙行,壟中間距90 cm,壟寬60 cm,壟高40 cm,株距20 cm,行距40 cm,10月底定植。
每個(gè)溫室布置3個(gè)溫濕度測(cè)試點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)布局在溫室軸向三等分的跨中位置。本次試驗(yàn)采用由日本生產(chǎn)的TR?72U 溫濕度記錄儀分別測(cè)定兩間溫室的室內(nèi)空氣溫度和濕度。
輕簡(jiǎn)化水肥一體機(jī)為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院自主設(shè)計(jì),2 通道吸肥,吸肥量可達(dá)10 L/min;傳統(tǒng)重力自流注入式施采用容量20 L 水桶,懸掛高度為1.5 m,水桶底部安裝有外徑為20 mm 的軟管將閥門和灌溉主管路連接。灌溉施肥模式均采用先灌溉10 min 清水,然后進(jìn)行水肥一體化灌溉施肥,最后再灌溉10 min 清水。營養(yǎng)液母液均采用肥料與清水按照質(zhì)量1∶10進(jìn)行配置,灌溉主管道流量為25 m3/h。
2.2.1 灌溉營養(yǎng)液濃度均勻性檢測(cè)
為檢測(cè)兩種施肥方式下的灌溉營養(yǎng)液濃度差異[9],分別將輕簡(jiǎn)化水肥一體機(jī)和重力施肥桶接入日光溫室的灌溉主管路,每棟溫室設(shè)置6 個(gè)取樣點(diǎn)。取樣點(diǎn)均為微噴灌帶的中間位置,第1 個(gè)取樣點(diǎn)設(shè)置在距離注肥口1.5 m,其他相互之間間隔14 m,在水肥一體化灌溉施肥5、10、15、20、25 min 后,每個(gè)位置取樣1 次,測(cè)試灌溉營養(yǎng)液EC,按以下公式分別計(jì)算灌溉營養(yǎng)液濃度空間均勻性和時(shí)間均勻性。
式中:Us和Ut分別表示灌溉營養(yǎng)液濃度的空間均勻性和時(shí)間均勻性;Cij為某一取樣點(diǎn)某一時(shí)刻的灌溉營養(yǎng)液EC;i和j分別表示取樣點(diǎn)和時(shí)刻的編號(hào);n和m分別表示取樣點(diǎn)和時(shí)刻總數(shù);Cj和Ci分別表示不同取樣點(diǎn)j時(shí)刻EC平均值,和不同時(shí)刻i取樣點(diǎn)EC平均值。
2.2.2 不同灌溉施肥方式下黃瓜栽培對(duì)比試驗(yàn)
兩棟溫室施用底肥豬糞180 m3/hm2,試驗(yàn)期間,試驗(yàn)溫室、對(duì)照溫室用肥品類、灌溉時(shí)間相同,按照套餐化施肥策略[10,11],試驗(yàn)溫室按照對(duì)比追肥減少30%的方案施用,具體用肥數(shù)據(jù)見表2。
表2 兩個(gè)溫室的用肥量Tab.2 Fertilization amount of the two greenhouses
選取2019年2月18日至2019年2月15日兩棟溫室空氣溫濕度進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比圖見圖2。結(jié)果顯示,兩棟溫室的溫濕度極為接近,可視同在同樣的環(huán)境下進(jìn)行黃瓜生產(chǎn)。從圖2可見,試驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室相對(duì)比,濕度相對(duì)較低,溫度基本相同,這可能是因?yàn)樽贩氏嗤瑮l件下,重力自流灌溉施肥相對(duì)時(shí)間較長(zhǎng),提高了棚內(nèi)濕度。
圖2 溫室內(nèi)溫濕度Fig.2 Temperature and humidity of greenhouse inside
灌溉營養(yǎng)液濃度均勻性見圖3,傳統(tǒng)重力自流灌溉施肥和水肥一體機(jī)灌溉施肥其灌溉營養(yǎng)液濃度空間均勻性分別為0.964 6±0.007 2 和0.968 2±0.005 1,沒有顯著差異(P>0.05),而水肥一體機(jī)灌溉施肥的時(shí)間均勻性為0.992 5±0.005 5極顯著(P<0.05)高于傳統(tǒng)重力自流灌溉的0.917 6±0.015 6。由圖4可見水肥一體機(jī)灌溉施肥灌溉營養(yǎng)液EC不同時(shí)間幾乎保持不變,而傳統(tǒng)自流灌溉施肥灌溉營養(yǎng)液EC隨時(shí)間延長(zhǎng)不斷下降。
圖3 灌溉營養(yǎng)液濃度均勻性Fig.3 Uniformity of irrigation nutrient solution concentration
圖4 灌溉營養(yǎng)液EC隨時(shí)間變化Fig.4 Change of irrigation nutrient solution concentration with time
分別對(duì)兩棟溫室的化肥施用量和黃瓜產(chǎn)量進(jìn)行記錄并對(duì)比,測(cè)試時(shí)間 為2018年12月20日至2019年3月19日,兩個(gè)溫室黃瓜產(chǎn)量見圖5。通過圖5可以看出,試驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室,采收時(shí)間不完全重合,試驗(yàn)溫室采收量總體高于對(duì)照溫室,試驗(yàn)溫室采收量為8.24 t,對(duì)照溫室采收量為7.76 t,增產(chǎn)約6.18%。結(jié)果表明,運(yùn)用輕簡(jiǎn)水肥一體機(jī)結(jié)合膜下微噴的灌溉技術(shù),可以達(dá)到化肥減施且增產(chǎn)的目的。
圖5 溫室黃瓜產(chǎn)量Fig.5 Greenhouse cucumber yields
以本次試驗(yàn)的運(yùn)營實(shí)際為例進(jìn)行成本分析,機(jī)器壽命以5 a 為折舊期,設(shè)備運(yùn)行1 a 的總投入為757 元/a,其中電費(fèi)7元、安裝費(fèi)300 元、折舊費(fèi)450 元,運(yùn)行時(shí)間從當(dāng)年10月中旬到第二年5月中旬,共計(jì)約7個(gè)月來計(jì)算。
輕簡(jiǎn)水肥一體機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的總效益分析如下:
(1)節(jié)省勞動(dòng)力和肥料效益:與傳統(tǒng)灌溉施肥操作相比,每棟溫室每月可節(jié)省工人2 h 勞動(dòng)量,以小時(shí)工資25 元計(jì)付,年節(jié)省0.03 萬元;每個(gè)生長(zhǎng)季可節(jié)省肥料27 kg,以20 元/kg計(jì)算,年節(jié)省0.05 萬元。
(2)產(chǎn)品效益:采用輕簡(jiǎn)水肥一體機(jī)后,與傳統(tǒng)模式對(duì)比,產(chǎn)量提高6.18%左右。單棟溫室運(yùn)營期內(nèi)(占地753 m2),種植面積約為670 m2,按照試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算,增產(chǎn)約7 164 kg/hm2,黃瓜單價(jià)按照3 元/kg,提高收益2.15 萬元/hm2。
輕簡(jiǎn)水肥一體機(jī)灌溉施肥條件下每棟增加投入約0.08 萬元,節(jié)省勞動(dòng)力和肥料費(fèi)用0.08 萬元,二者抵消,則總提高收益為2.15 萬元/hm2。
本文只研究了輕簡(jiǎn)水肥一體機(jī)灌溉施肥對(duì)黃瓜產(chǎn)量的影響,下一步將擴(kuò)展到對(duì)黃瓜生理參數(shù)、品質(zhì)等研究,以期能得出更全面細(xì)致的結(jié)論。
(1)隨著灌溉管網(wǎng)出口壓力的增大,輕簡(jiǎn)水肥一體機(jī)的吸肥量呈遞減趨勢(shì),吸肥泵后置模式吸肥量大于前置,效果較好。
(2)在河北永清縣日光溫室膜下微噴灌條件下應(yīng)用測(cè)試表明,輕簡(jiǎn)水肥一體機(jī)與傳統(tǒng)重力自流灌溉施肥相比較,灌溉營養(yǎng)液濃度空間均勻無顯著差異,但前者灌溉營養(yǎng)液濃度時(shí)間均勻性顯著好于后者,后者灌溉營養(yǎng)液EC隨時(shí)間遞減。
(3)在化肥減施30%情況下,可增產(chǎn)6.18%。
(4)輕簡(jiǎn)化水肥一體機(jī)憑借其自動(dòng)化的定時(shí)、定比例施肥,可提高收益2.15 萬元/hm2,且能降低勞動(dòng)作業(yè)者作業(yè)時(shí)間。