增氧灌溉系統(tǒng)的優(yōu)化設計

于珍珍， 汪 春,2，李嘉熙， 劉少東， 王宏軒

(1.黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163000；2.中國熱帶農業(yè)科學院 南亞熱帶作物研究所，廣東 湛江 524000)

0 引言

植物莖部有發(fā)達的通氣組織[1]，能將空氣中的氧運輸?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。所以，根系的良好發(fā)育對植株起著至關重要的作用，植物根部的呼吸作用強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引起植物呼吸作用減弱，氧氣含量降低，即使是在排水設施良好的環(huán)境下也會出現(xiàn)植物根部的暫時性缺氧，導致土壤氧氣含量下降，不能有效地進行根部營養(yǎng)物質的轉換，影響植物后期的生長發(fā)育及營養(yǎng)物質積累[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，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。所以，植物的正常發(fā)育是離不開土壤空氣的[9]。

對于許多經濟作物來說，在土壤呼吸過程中，當氧氣的濃度百分比含量<10時，對植物的生長發(fā)育及根部的呼吸作用產生明顯的影響[10]；當氧氣濃度的百分比含量<3時，植物根部將會停止呼吸作用，植物將會停止生長[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量高低的重要因素。一般認為，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)芽會受到很大的影響；而低于0.5%時則種子不萌發(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。

調節(jié)土壤空氣的方法主要是改善土壤結構，以改變土壤孔隙大小分配的比例，采用某些措施調節(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)灌溉技術措施，在給作物輸水的同時，擠出了土壤中的空氣，導致根際臨時缺氧或長期缺氧，因此，“水氧矛盾”成為了目前灌溉農業(yè)中的主要瓶頸問題。在配套較好的排水系統(tǒng)的同時，通水過程中植物根部也會出現(xiàn)暫時性或周期性的缺氧，導致作物根部呼吸作用減弱，直接影響作物的營養(yǎng)物質合成。

研究指出，地下滴灌培育的作物產量并不能夠彌補滴灌設備的基礎設施投入；也有研究指明，當灌溉水量大于作物需水量的70%后，地下滴灌下的作物產量并不能隨著灌溉水量的增加而增加。傳統(tǒng)灌溉農業(yè)普遍存在灌水的同時擠走了土壤中氧氣(即水氧矛盾)的問題，使得作物根系經常受到低氧脅迫，影響根系正常的生長功能、土壤微生物的活性及相應的生物質轉化，降低滴灌利用效率，還會影響正常作物根系的呼吸代謝，導致有毒物質不斷積累及根系作物細胞代謝失衡，嚴重的會影響作物的生長，甚至會導致爛根死苗，最終影響作物的經濟效益。對于植物根系，單一的灌溉水會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。

在設施園藝、旱地滴灌及花卉養(yǎng)殖中，已經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。通過調查研究，在經濟行作物中投入增氧灌溉系統(tǒng)，提高了作物品質與產量，收益大于設備投入成本，現(xiàn)在已經廣泛應用于設施農業(yè)的建設中。由此可見，作物氧氣需求已經成為農業(yè)生產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行了試驗設計，以期實現(xiàn)優(yōu)化和改善作物的土壤環(huán)境、增強作物根系生長及達到提高作物生產質量和品質的目的。為此，將信息技術與自動控制技術相結合，軟件與硬件相結合，研制出一套可以檢測、反饋、自動控制的一套完備系統(tǒng)。本研究中，信息技術與農業(yè)節(jié)水增氧相結合，運用信息遙感技術、數(shù)據(jù)傳輸與人工智能決策技術相結合，形成一種新的農業(yè)增氧灌溉技術方式，在管理方式上由靜態(tài)單因素的管理方法變?yōu)閯討B(tài)多目標層次管理轉變；采用土壤墑情自動檢測技術，水肥氣自動灌溉控制技術、數(shù)字化管理技術，充分將互聯(lián)網(wǎng)技術應用，穩(wěn)固基礎性工作。同時，采用TDR土壤水分儀，對土壤水分進行實時性監(jiān)測，采用氧化還原電位計、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行快速測定，利用PLC進行實時反饋。由于地塊面積大，為了使氧氣在管道內能夠進行長時間、遠距離的運輸，采用羅茨風機進行通氧。

1 總體設計及其工作原理

1.1 總體結構

機械通氣是利用空氣壓縮機對灌溉土壤進行通氣的灌溉方法，本研究擬在水肥一體化灌溉裝置中加入1個氣泵進行氧氣供應。氣泵與灌溉水用同一個管道,設計一種水氣耦合高效灌溉系統(tǒng)，可以產生巨量微氣泡，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，總體結構如圖1所示。研究表明：氧氣在水中和空氣中的擴散系數(shù)差異較大，氧氣在空氣中的擴散速率近似于水中的10 000倍。工作時，為了將氣泵中的氧氣與水更好地溶解，采用一個高速旋切泵，將水氧進行進一步旋切，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 自動控制系統(tǒng)結構

增氧灌溉自動控制系統(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，由遠程中央控制系統(tǒng)實現(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、開關及水泵進行控制。

圖2 增氧灌溉自動控制結構圖

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，水氣進入管道混合后利用高速旋切泵進行碎泡處理。工作時，通過過濾裝置的水源進入管道，利用氣泵將氧氣注入文丘里空氣射流計，當水流經過文丘里空氣射流器時，流向截面變小導致水體流速上升，產生文丘里效應；水流流速增大，使得水體附近產生低壓，產生吸附作用，進而使得大量氧氣與水流進行初步混合，形成均勻的水氣耦合物；再經過高速旋切泵，由機械旋切對氣泡進行二次碎化，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行混合，將水、肥、氣進行高效耦合。

1.4 文丘里空氣射流器的設計

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

高速水流經文丘里管的縮小截面時，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構進行改進，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，從而產生文丘里效應。首先需要確定噴嘴參數(shù)，還需要計算文丘里空氣射流器在不同噴嘴下吸風量和耗水量。

1)耗水量的計算。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)，參考結構選型；

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。

2)水流流速計算。在理想狀態(tài)下，流體連續(xù)性方程推導公式為

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)設計

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

2.1 總體框架設計

智能檢測系統(tǒng)總體設計框架圖如圖4所示。工作時，氧氣檢測模塊將檢測到的數(shù)據(jù)進行轉置、信號縮放，輸出一個可以檢測到的數(shù)據(jù)；隨后將該信號在處理模塊處理后傳到AT89C51單片機中，經識別之后將數(shù)據(jù)于液晶顯示屏上呈現(xiàn)出來。當數(shù)據(jù)小于10%時，會觸發(fā)報警電路，提示工作人員進行加氧處理；傳感器把測得的氧分壓轉化為電壓E0，把土壤溫度轉化為溫度電壓，傳入單片機中然后進行計算，即

式中Px—氧分壓；

R—氣體常數(shù)；

F—常數(shù)；

Pa—參考氣體中的氧分壓。

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。

圖4 總體設計框架圖

2.2 軟件設計

對于軟件，主要進行以下幾個模塊設計，即主程序流程部分設計、子程序輸入/輸出部分設計、模塊功能編輯及軟/硬件調試，主要包括程序驅動、信號檢測、數(shù)據(jù)顯示、定向、轉換及模數(shù)等功能模塊。軟件部分設計流程圖如圖5所示。

3 結論與討論

3.1 結論

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)。當土壤根系呼吸良好時，作物根系還會給地上部分提供植物生長所需的能量和物質，從而促進植物葉和莖的生長。

2)將灌溉水與氧氣通過文丘里管產生巨量氣泡，利用流體力學原理，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，實現(xiàn)水氧飽和狀態(tài)。由此有效地促進了物質運輸，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。

圖5 軟件部分設計流程圖

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，可以有效調控土壤水氣配合比。

但是，在設計研究中也發(fā)現(xiàn)一些問題：在增氧灌溉時，需要投入一些基礎設施，增加鋪管道及加壓設備進行對作物根系的通氣。由于技術不成熟，無法在監(jiān)測到根系缺氧時進行自動增氧，未能形成一體化自動監(jiān)測供氧設備，因此需要增加人工管理。綜合計算，增氧灌溉可以提高作物的品質、產量及經濟效益。相比較之下，增加的投入應該小于增產帶來的收入，且在一段時間內能夠收回成本。所以，筆者認為增氧灌溉適用于瓜果蔬菜及花卉等一些經濟作物。