設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自壓水肥溫氣調(diào)控系統(tǒng)集成技術(shù)

馮廣平，蒲勝海，李 磐，馬彩雯

（1．新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2．新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院機(jī)械化研究所）

設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自壓水肥溫氣調(diào)控系統(tǒng)集成技術(shù)

馮廣平1，蒲勝海1，李 磐1，馬彩雯2

（1．新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2．新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院機(jī)械化研究所）

設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中科學(xué)實(shí)用的水肥溫氣調(diào)控對(duì)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效栽培、促進(jìn)農(nóng)民增收具有重要意義。文中介紹了集成日光溫室自壓水肥溫氣調(diào)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理、功能及應(yīng)用后對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)所產(chǎn)生的影響，提出了科學(xué)應(yīng)用該系統(tǒng)的技術(shù)要求。

設(shè)施農(nóng)業(yè)；節(jié)水灌溉；水肥一體化；溫水灌溉；二氧化碳施肥；集成技術(shù)

設(shè)施農(nóng)業(yè)是集生物技術(shù)，工程技術(shù)，環(huán)境技術(shù)為一體的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，具有技術(shù)密集，集約化和商品化程度高的特點(diǎn)，可有效提高土地產(chǎn)出率，資源利用率和勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高農(nóng)業(yè)效益和競(jìng)爭(zhēng)力[1]。設(shè)施農(nóng)業(yè)利用人工技術(shù)手段，控制自然光溫條件和農(nóng)作物生長(zhǎng)的各項(xiàng)環(huán)境因子，實(shí)現(xiàn)全天候農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分。

新疆是一個(gè)農(nóng)業(yè)大區(qū)，農(nóng)民收入的主要來(lái)源依靠農(nóng)業(yè)生產(chǎn)獲取，尤其是南疆三地州農(nóng)民，人均土地0．087 hm2左右，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)收入比例占全部收入的90%以上，發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收的重要手段之一。

“十一五”以來(lái)，新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，到2012年底，全疆設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積達(dá)到7.6萬(wàn)hm2，雖然設(shè)施農(nóng)業(yè)只占新疆種植面積的1.3%，但是所創(chuàng)造出來(lái)的價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他的農(nóng)作物，達(dá)到了總產(chǎn)值的5%，并且農(nóng)民收入的7.4%來(lái)自設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[2]。

農(nóng)作物生長(zhǎng)的基本要素包括：光照、溫度、空氣、水分、養(yǎng)分，在自然生長(zhǎng)條件下，前三個(gè)因素是人為難以調(diào)控的，但在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下，利用科學(xué)技術(shù)手段可以實(shí)現(xiàn)人工調(diào)控環(huán)境因子，進(jìn)行農(nóng)業(yè)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效生產(chǎn)。

“十一五”以來(lái)，新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，在設(shè)施生產(chǎn)中，如何解決溫濕度控制、科學(xué)灌溉施肥、耕層增溫、加強(qiáng)作物光和作用等問(wèn)題，相關(guān)調(diào)控裝備技術(shù)的研發(fā)相對(duì)滯后，嚴(yán)重制約了設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。“十二五”期間，一些科研院校開(kāi)始加大在該領(lǐng)域的技術(shù)研究和設(shè)備研發(fā)力度，形成了一些單項(xiàng)技術(shù)和設(shè)備，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境因子調(diào)控的簡(jiǎn)約化，開(kāi)展了設(shè)施生產(chǎn)自壓水肥溫氣調(diào)控系統(tǒng)集成研究工作，形成集約化系統(tǒng)，降低環(huán)境調(diào)控工作強(qiáng)度和成本，對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有積極的推動(dòng)作用。

1 日光溫室自壓滴灌灌溉系統(tǒng)

新疆日光溫室目前的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)規(guī)格為：83.4 m×8 m（長(zhǎng)×寬），面積667m2，室長(zhǎng)呈東西方向，室寬南北方向；設(shè)施蔬菜栽培種植基本行向南北，室內(nèi)走道寬約0.8 m，起壟覆膜定植，壟長(zhǎng)約7.2 m；壟距1.2 m，每壟定植果菜（番茄、辣椒、黃瓜等）兩行，膜下鋪設(shè)兩條滴灌毛管。

日光溫室自壓滴灌系統(tǒng)是通過(guò)一定的水源落差提供灌水器運(yùn)行壓力，進(jìn)行滴灌灌溉（安置一定高位的儲(chǔ)水罐）。日光溫室建設(shè)脊高3.8 m～4.5 m，為了便于操作，儲(chǔ)水罐的安置整體高度不宜超過(guò)2.4 m，標(biāo)準(zhǔn)日光溫室儲(chǔ)水罐的選擇以800 L左右為宜，該類型儲(chǔ)水罐體積為1 m×1.2 m（臥式或立式），灌水器的正常工作壓力1 m，因此，自壓滴灌系統(tǒng)的關(guān)鍵是灌水器的選擇。國(guó)產(chǎn)成熟的自壓滴灌灌水器是? 10-333-1.0分體式滴灌管（管徑10 mm，滴頭間距333 mm，滴頭流量1.0 L/h，滴頭工作壓力1 m）。

1.1 毛管流量及水力分析

日光溫室蔬菜栽培壟長(zhǎng)7.2 m，毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度7.2 m，毛管流量Qm=21 L/h；

式中 f=94 800，m=1.77，b=4.77。自壓滴灌系統(tǒng)毛管沿程水頭損失hf=0.02 m。

1.2 支管流量及水力分析

針對(duì)83.4 m長(zhǎng)度的日光溫室，自壓滴灌系統(tǒng)的首部（儲(chǔ)水罐）設(shè)置在溫室中部，系統(tǒng)由中間向兩側(cè)分水，控制4條支管，因此，支管長(zhǎng)度約21 m，每條支管控制17～18壟作物，34～36條毛管，支管流量為714 L/h～756 L/h；選擇?40PE管作為支管，支管的水頭損失約為0.02 m（考慮多孔系數(shù)的影響）。

1.3 干管流量及水力分析

設(shè)置在日光溫室中部的自壓滴灌系統(tǒng)首部（儲(chǔ)水罐），通過(guò)干管向兩側(cè)分水，干管長(zhǎng)度約21 m，每條干管控制兩條支管，支管由干管分水控制，口也呈兩側(cè)布置，對(duì)于自壓滴灌系統(tǒng)運(yùn)行，必須采用輪灌方式，每次每條干管只能允許1條支管進(jìn)行工作；系統(tǒng)最大流量為兩條支管之和，干管流量等于支管流量（干管流量為756 L/h),系統(tǒng)最大運(yùn)行流量為1 512 L/h。干管設(shè)計(jì)選擇?40PVC管，干管沿程水頭損失約為0.06 m，自壓滴灌系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，總管網(wǎng)沿程水頭損失為各級(jí)管道沿程水頭損失之和，約為0.09 m，局部水頭損失忽略不計(jì)，自壓滴灌管正常工作水頭大于1.1 m即可。

1.4 自壓滴灌系統(tǒng)首部設(shè)置

根據(jù)自壓滴灌系統(tǒng)的運(yùn)行需求及從操作便利和經(jīng)濟(jì)方面考慮，儲(chǔ)水罐采用800 L的塑料罐（臥式、立式均可，以臥式為佳），儲(chǔ)水罐支撐臺(tái)高度以日光溫室種植壟面為基準(zhǔn)，1.1 m即可，1.1 m的落差形成的勢(shì)能作為該自壓滴灌系統(tǒng)的運(yùn)行動(dòng)力即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正常滴灌灌溉，在儲(chǔ)水罐出水口部需要安裝100目的?40過(guò)濾器（網(wǎng)式或疊片式）進(jìn)行水質(zhì)再處理，儲(chǔ)水罐通過(guò)獨(dú)立水源水泵或集中供水管網(wǎng)系統(tǒng)方式提供灌溉水源。構(gòu)成日光溫室自壓滴灌系統(tǒng)。

2 日光溫室自壓滴灌系統(tǒng)施肥

自壓滴灌系統(tǒng)的建立，為隨水施肥奠定了基礎(chǔ)，在滴灌灌溉系統(tǒng)中鑲嵌施肥設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)同步施肥功能。設(shè)施蔬菜生產(chǎn)過(guò)程中所需要的養(yǎng)分（各類肥料）要實(shí)現(xiàn)隨水施入，必需選擇能夠完全溶解的肥料，對(duì)于自壓滴灌系統(tǒng)，儲(chǔ)水罐替代了施肥裝置，兩相結(jié)合構(gòu)成了自壓滴灌水肥一體化系統(tǒng)，養(yǎng)分補(bǔ)充按照各類栽培作物的需肥規(guī)律和需肥特性，依據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量制定的測(cè)土配方施肥方案，通過(guò)自壓滴灌水肥一體化系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)科學(xué)施肥。

3 溫水灌溉對(duì)設(shè)施農(nóng)作物生產(chǎn)的影響

日光溫室的蔬菜生產(chǎn)栽培，需要在反季節(jié)中進(jìn)行，尤其是秋冬和早春季節(jié)，雖然室溫在晴天較高，但是地溫卻較低，使設(shè)施蔬菜的生長(zhǎng)受到一定的影響，導(dǎo)致作物產(chǎn)量和品質(zhì)受損；為此人們想到提高地溫，首先對(duì)種植壟進(jìn)行地膜覆蓋，其次嘗試用加熱水進(jìn)行灌溉來(lái)提高地溫；白燕英（2012）采用不同溫度的水對(duì)番茄幼苗進(jìn)行灌溉試驗(yàn)表明：溫水灌溉有助于促進(jìn)番茄幼苗的生長(zhǎng)，35℃效果最佳[3]；李明（2012）用溫水灌溉黃瓜進(jìn)行試驗(yàn)，長(zhǎng)勢(shì)良好，處理效果40℃水溫為佳[4]；為此，人們?cè)谌展鉁厥疑a(chǎn)中通過(guò)修建蓄水池對(duì)灌溉水加溫，修建裝配式溫室水墻提高水溫進(jìn)行灌溉。本系統(tǒng)采用微型循環(huán)泵，通過(guò)在日光溫室塑料棚膜下的拱架上加裝?16PE管，連接800 L的儲(chǔ)水罐，對(duì)儲(chǔ)水罐中的水進(jìn)行循環(huán)，用日光進(jìn)行加溫，中午1點(diǎn)半至下午5點(diǎn)，儲(chǔ)水罐水溫由14℃升高到22．5℃，說(shuō)明該系統(tǒng)可以對(duì)灌溉水起到增溫的效果。

圖1 時(shí)間水溫變化圖

4 二氧化碳施肥技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

二氧化碳是作物光合作用所必需的物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育起著與水肥同等的作用，通常每形成1 g干物質(zhì)需吸收1．6 g左右二氧化碳；日光溫室基本是一個(gè)密閉的空間狀態(tài)，蔬菜種植密度較高，室內(nèi)二氧化碳的濃度通常無(wú)法滿足作物光合作用的需求；日光溫室內(nèi)二氧化碳的濃度直接影響蔬菜作物的產(chǎn)量、質(zhì)量及抗病能力，因此，增加二氧化碳濃度是蔬菜設(shè)施栽培獲得高產(chǎn)高效的必要措施[5]。

目前，日光溫室蔬菜種植提高設(shè)施內(nèi)二氧化碳濃度的措施主要有：通風(fēng)換氣法（強(qiáng)制或自然通風(fēng)補(bǔ)充二氧化碳）、土壤施肥法（施用可產(chǎn)生二氧化碳的各種肥料）、生態(tài)法（蔬菜與食用菌間作，利用菌料發(fā)酵產(chǎn)生二氧化碳）、化學(xué)反應(yīng)法（利用酸與碳酸鹽反應(yīng)生產(chǎn)二氧化碳）、二氧化碳發(fā)生器法、燃燒法等；生產(chǎn)中常用二氧化碳發(fā)生器法來(lái)調(diào)控二氧化碳的濃度，該法簡(jiǎn)便、易于掌握、操作方便。自壓滴灌水肥溫氣調(diào)控集成系統(tǒng)選用了賀超興發(fā)明的“設(shè)施蔬菜肥水氣一體化使用裝置”專利產(chǎn)品來(lái)生成二氧化碳，該裝置由一個(gè)發(fā)生器和兩個(gè)濾水罐及導(dǎo)氣管組成，通過(guò)對(duì)碳銨加熱反應(yīng)生成二氧化碳，同時(shí)分解的氨氣經(jīng)濾水罐后形成酸性含氮液體肥料，在調(diào)控日光溫室內(nèi)二氧化碳濃度時(shí)，生成的酸性含氮溶液可以加注到自壓滴灌系統(tǒng)的儲(chǔ)水罐中，給作物提供養(yǎng)分。

5 自壓水肥溫氣調(diào)控系統(tǒng)集成

在日光溫室內(nèi)，基于自壓滴灌水肥一體化系統(tǒng)，通過(guò)微型循環(huán)泵對(duì)儲(chǔ)水罐水體循環(huán)自然日光（太陽(yáng)能）加熱，輔助"設(shè)施蔬菜肥水氣一體化使用裝置"專利產(chǎn)品，集成出設(shè)施生產(chǎn)自壓水肥溫氣調(diào)控系統(tǒng)，在操作過(guò)程中，附加水溫溫度表、二氧化碳濃度測(cè)試計(jì)，根據(jù)作物目標(biāo)產(chǎn)量設(shè)定，進(jìn)行測(cè)土配方施肥，針對(duì)不同作物設(shè)定施肥方案、灌溉制度和二氧化碳補(bǔ)充強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)日光溫室蔬菜生產(chǎn)過(guò)程中的水肥溫氣一體化綜合調(diào)控。

通過(guò)對(duì)不同單項(xiàng)技術(shù)及裝置的篩選、測(cè)試，科學(xué)整合設(shè)計(jì)集成出設(shè)施生產(chǎn)自壓水肥溫氣調(diào)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)水、肥、二氧化碳和地溫調(diào)控功能，針對(duì)不同作物日光溫室的生產(chǎn)，優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效地開(kāi)展水、肥、溫、氣耦合調(diào)控管理規(guī)律的研究，結(jié)合環(huán)境因子監(jiān)測(cè)裝置，形成科學(xué)合理的系統(tǒng)操作運(yùn)行決策制度，最終實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的普及應(yīng)用。

[1]劉憲．總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)拓創(chuàng)新，努力促進(jìn)我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)發(fā)展[J]．新疆農(nóng)機(jī)化，2010，（1）．

[2]木合塔爾·沙地克，阿克蘇地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展與對(duì)策研究．碩士學(xué)位論文[D]，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013．

[3]白燕英，王懷棟，李明等，不同灌溉水溫對(duì)日光溫室番茄幼苗生長(zhǎng)的影響[J]，節(jié)水灌溉，2012，（11）；16～17．

[4]李明，崔世茂，王懷棟等，不同灌溉水溫對(duì)溫室黃瓜幼苗動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)的影響[J]，灌溉排水學(xué)報(bào)，2012，31（2）；131～133．

[5]何文華，保護(hù)地二氧化碳施肥技術(shù)[J]，上海蔬菜，2014，（2）；69～70．

Researches on Integrated Regulation and Control of Water,fertilizer,gases,Temperature under Self-pressure Irrigation in Facility Agriculture

Feng Guangping1，Pu Shenghai1，Li Pan1，Ma Chaiwen2
（1．The Institute of Soil Fertilizer and Agricultural Water Saving in Xinjiang Academy of Agricultural Sciences，Urumqi 830000，China；2．The Institute of Agricultural Mechanization in Xinjiang Academy of Agricultural Sciences;）

The scientific and practical control of Water,fertilizer,gases and temperature has important significance to high quality and high efficiency cultivation of crops,and promoting the increase of farmers'income.This paper introduces the structure,working principle,function and influence on facility agricultural by using this technology of the control system of Water,fertilizer,gases and temperature,and proposes technical requirements for scientific application of the system and its further development.

Facility agriculture；Water-saving irrigation；Integration of water and fertilizer；Warm water irrigation；CO2Enrichment；Integrated Technology

10．13620/j．cnki．issn1007-7782．2015．05．010

S225．99

A

1007-7782（2015）05-0029-03

2015-08-29

新疆維吾爾自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目“高效設(shè)施農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)裝備應(yīng)用研究與示范”（201130104-1）