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）

0 引 言

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 輕簡(jiǎn)水肥一體機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理及裝置構(gòu)成

（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。

1.2 吸肥泵位置優(yōu)化選擇

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

2 應(yīng)用效果試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

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 試驗(yàn)方案

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

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)環(huán)境

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

3.2 灌溉營養(yǎng)液濃度均勻性分析

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

3.3 黃瓜產(chǎn)量對(duì)比

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

3.4 輕簡(jiǎn)水肥一體機(jī)成本分析及應(yīng)用前景

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。

4 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。