水肥一體化循環(huán)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

黃語燕，王 濤，劉 現(xiàn)，鄭鴻藝，吳寶意，陳永快

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)研究所，福州 350003)

0 引 言

近年來，中國(guó)設(shè)施園藝發(fā)展迅速，截至2017年，設(shè)施園藝面積達(dá)到370 萬hm2，位居世界首位，為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)民增收作出了巨大的貢獻(xiàn)[1]。但是，我國(guó)灌溉施肥方式仍然比較落后，擺脫不了“大水大肥”的做法，灌溉水有效利用率僅為40%～50%，遠(yuǎn)低于荷蘭、以色列等國(guó)家70%～90%的水平[2-4]。生產(chǎn)管理憑經(jīng)驗(yàn)，水肥用量過多，嚴(yán)重制約著我國(guó)設(shè)施園藝的快速發(fā)展。

當(dāng)前，我國(guó)已經(jīng)開展了一些水肥一體化技術(shù)的研究。如：阮俊瑾等[4]研制了球混式精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)，提高了智能自動(dòng)灌溉施肥控制的可操作性；江新蘭等[5]設(shè)計(jì)了基于兩線解碼技術(shù)的水肥一體化云灌溉系統(tǒng)，與傳統(tǒng)灌溉方式相比，水分利用率提高25%～40%；袁洪波等[6]設(shè)計(jì)了溫室水肥一體化營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控系統(tǒng)，使用該裝備能夠快速、精確的實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)液的調(diào)控；蔡長(zhǎng)青[7]等應(yīng)用STM32嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計(jì)溫室智能灌溉水肥一體化監(jiān)控系統(tǒng)，可遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)作業(yè)的啟停；李堅(jiān)等[8]設(shè)計(jì)了日光溫室小型水肥一體灌溉機(jī)，實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)液的精準(zhǔn)化控制。隨著水肥一體化技術(shù)的引進(jìn)與研究，我國(guó)水肥一體化技術(shù)逐漸得到應(yīng)用。目前，國(guó)外設(shè)施園藝發(fā)達(dá)國(guó)家都已經(jīng)普及水肥一體化技術(shù)，并且廣泛采用封閉式循環(huán)灌溉系統(tǒng)，有效提高了水肥利用率、避免環(huán)境污染[9]。然而，我國(guó)在封閉式循環(huán)灌溉系統(tǒng)方面的研究較少，國(guó)外溫室以大型連棟溫室為主，造價(jià)高，其配套設(shè)施及生產(chǎn)管理模式不適于中國(guó)的發(fā)展實(shí)際[9]。本研究根據(jù)中國(guó)溫室的發(fā)展實(shí)際，設(shè)計(jì)了一種水肥一體循環(huán)灌溉系統(tǒng)，與溫室常規(guī)土壤栽培模式相比，節(jié)省了灌溉用水量、人工，提高了作物的產(chǎn)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

溫室常規(guī)土壤栽培模式，大多采用大水大肥的管理模式，水肥不可回收，一部分水肥排入到土壤中，一部分水分蒸發(fā)到空氣中，只有部分水肥能夠被植物吸收，大大降低了水肥利用率、造成環(huán)境污染。另外，傳統(tǒng)的灌溉施肥方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，缺乏精準(zhǔn)調(diào)控。水肥一體化循環(huán)灌溉系統(tǒng)，能夠根據(jù)作物的需求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配肥和灌溉，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控。利用基質(zhì)栽培實(shí)現(xiàn)了一個(gè)封閉式的栽培環(huán)境，水肥可循環(huán)使用，達(dá)到提高水肥利用率、節(jié)省人工，增加產(chǎn)量的目的。

1.2 基質(zhì)栽培回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于栽培系統(tǒng)采用基質(zhì)栽培，選擇條狀的椰糠基質(zhì)袋作為栽培基質(zhì)，一條基質(zhì)袋尺寸為1 m×20 cm×12 cm(泡發(fā)開以后)，基質(zhì)袋上部開有4個(gè)栽培孔、底部具有排水小孔，其余部分均封閉。基質(zhì)栽培實(shí)現(xiàn)了一個(gè)封閉式的栽培環(huán)境，為水或營(yíng)養(yǎng)液的收集提供了必要的條件，營(yíng)養(yǎng)液回收子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)過剩的水或營(yíng)養(yǎng)液的回收利用?；|(zhì)袋放置在PVC材質(zhì)的栽培槽上，栽培槽底部為凹凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，凸槽起到支持基質(zhì)袋的作用，凹槽作為營(yíng)養(yǎng)液收集管道，經(jīng)過集水斗后，由集水管道流至回收池?；|(zhì)栽培回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

1-配肥桶；2-灌溉管道；3-電磁閥；4-滴管；5-滴頭；6-基質(zhì)袋；7-基質(zhì)槽；8-集水斗；9-集水管道；10-回收池；11-回液管道圖1 基質(zhì)栽培回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure chart of substrate culture recovery system

1.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

水肥一體化施肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由配肥系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)等三個(gè)部分組成。配肥系統(tǒng)的主要功能為把母液桶里的各種母液按一定的比例與水混合后，把配肥桶里的營(yíng)養(yǎng)液配制成設(shè)定的EC、pH值。配肥系統(tǒng)主要包括進(jìn)水電磁閥、配肥桶、配肥桶液位傳感器、出水水泵、EC傳感器、pH傳感器、母液桶、母液桶手動(dòng)球閥、浮子流量計(jì)、吸肥電磁閥、文丘里管等組成。灌溉系統(tǒng)的主要功能為把配肥桶里的營(yíng)養(yǎng)液按設(shè)定的灌溉時(shí)間和灌溉周期打到相應(yīng)的灌溉區(qū)域。灌溉系統(tǒng)主要由出水總電磁閥、灌溉管道、分區(qū)電磁閥等組成。營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)主要由回收管道、回收池、浮球開關(guān)、回收池水泵、過濾器、紫外線消毒裝置等組成。

1-蓄水池；2-進(jìn)水水泵；3-進(jìn)水電磁閥；4-配肥桶；5-配肥桶液位傳感器；6-出水水泵；7-EC傳感器；8-pH傳感器；9-母液桶；10-母液桶手動(dòng)球閥；11-浮子流量計(jì)；12-吸肥電磁閥；13-文丘里管；14-出水總電磁閥；15-壓力表；16-流量表；17-灌溉管道；18-分區(qū)電磁閥；19-栽培區(qū)；20-回液管道；21-回收池；22-浮球開關(guān)；23-回收池水泵；24-過濾器；25-紫外線消毒裝置；26-栽培區(qū)清水灌溉管道；27-清水灌溉電磁閥圖2 水肥一體化施肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure chart of Water and fertilizer integrated fertilization system

1.4 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)以PLC作為控制器，人機(jī)交互界面觸摸屏作為監(jiān)控設(shè)備。所述水肥一體化栽培系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控方式采用基于EC值和pH值的營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控方式，制備的過程是多種肥料母液和水充分混合并達(dá)到預(yù)設(shè)EC值和pH值的動(dòng)態(tài)過程。系統(tǒng)開始工作之前，先在母液桶中配置好肥料母液，打開母液桶底部的手動(dòng)球閥。系統(tǒng)開始工作時(shí)，打開進(jìn)水電磁閥，使水流到配肥桶中，同時(shí)出水水泵從配肥桶底部抽取配肥桶里的營(yíng)養(yǎng)液并通過EC、pH傳感器再經(jīng)過文丘里管再次注入配肥桶中；與此同時(shí)，打開吸肥電磁閥，在文丘里效應(yīng)的作用下各種肥料母液被吸到文丘里管中。這樣肥料母液和水在文丘里管里進(jìn)行初次混合，在配肥桶內(nèi)進(jìn)行二次混合，兩次混合可以提高營(yíng)養(yǎng)液的制備效率，增加水肥混合的均勻程度。當(dāng)檢測(cè)到的營(yíng)養(yǎng)液的EC和pH值在設(shè)定范圍內(nèi)營(yíng)養(yǎng)液就制備完成了。

灌溉系統(tǒng)采用分區(qū)灌溉，當(dāng)肥液配制完成時(shí)，按照系統(tǒng)設(shè)置的灌溉方式，控制各個(gè)分區(qū)電磁閥的開閉以及開閉的時(shí)間。一個(gè)灌溉周期由灌溉時(shí)間與間歇時(shí)間組成。在灌溉時(shí)間內(nèi)，控制系統(tǒng)啟動(dòng)出水水泵、出水總電磁閥與相應(yīng)分區(qū)電磁閥，營(yíng)養(yǎng)液流經(jīng)作物根系供給水分和養(yǎng)分。在間歇時(shí)間內(nèi)，控制系統(tǒng)關(guān)閉該相應(yīng)分區(qū)電磁閥，打開其他分區(qū)電磁閥，此時(shí)作物根系可充分吸收氧氣。種植人員可以根據(jù)作物的品種、生長(zhǎng)期對(duì)灌溉時(shí)間、間歇時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，系統(tǒng)還具有清水灌溉功能，打開清水灌溉電磁閥和相應(yīng)的分區(qū)電磁閥即可完成清水灌溉。

營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)中當(dāng)回收池中的液位到達(dá)一定高度時(shí)，浮球開關(guān)將打開，水泵開始抽水，經(jīng)過濾器及紫外線消毒后注入到配肥桶中，實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)液的回收利用。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 PLC軟件編程

PLC實(shí)現(xiàn)的控制內(nèi)容主要有：根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行需要可手動(dòng)控制電磁閥、出水水泵的開啟和關(guān)閉；需要灌溉時(shí)，進(jìn)入灌溉模式，控制電磁閥、水泵的開啟和關(guān)閉，以便按照用戶要求的灌溉方式和灌溉量給作物灌溉；需要施肥時(shí)，進(jìn)入配肥模塊，打開吸肥電磁閥，使肥料母液吸入文丘里管中，同時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)配肥桶內(nèi)水肥的EC、pH值，并與用戶設(shè)定的EC、pH值比較，以精確調(diào)整營(yíng)養(yǎng)液的EC、pH值。系統(tǒng)控制流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制流程圖Fig.3 System control flow chart

2.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

通過人機(jī)交互界面觸摸屏可從PLC中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，發(fā)出控制命令并監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)各種系統(tǒng)控制功能。主要實(shí)現(xiàn)如下6大功能：①灌溉程序設(shè)置：設(shè)置灌溉時(shí)間、灌溉量、灌溉區(qū)域；②施肥設(shè)置：EC、pH值設(shè)置、各肥料母液比例；③運(yùn)行狀態(tài)：顯示各測(cè)量值以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)圖；④灌溉記錄：記錄系統(tǒng)灌溉區(qū)域、灌溉時(shí)間、灌溉用水量、灌溉水肥參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；⑤手動(dòng)控制：手動(dòng)對(duì)電磁閥、水泵等輸出設(shè)備進(jìn)行控制操作；⑥系統(tǒng)設(shè)置：設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。系統(tǒng)顯示界面如圖4、圖5。

圖4 控制系統(tǒng)功能顯示界面Fig.4 Function display interface of control system

圖5 控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)界面Fig.5 Operation state interface of control system

3 系統(tǒng)試驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)試驗(yàn)

在福建省海峽農(nóng)業(yè)示范園內(nèi)選取兩個(gè)同類型的薄膜溫室，在兩個(gè)溫室內(nèi)種植夏之光水果黃瓜。于8月12日播種，8月30日同時(shí)定植于兩個(gè)溫室內(nèi)。溫室1采用基質(zhì)栽培和本水肥一體化循環(huán)灌溉系統(tǒng)，水肥一體化控制系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。溫室2采用傳統(tǒng)的土壤栽培，在施用底肥后，采用水泵和定時(shí)器根據(jù)管理人員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行滴灌。兩個(gè)溫室種植面積都為620 m2(長(zhǎng)=31 m，寬=20 m)，每個(gè)溫室種植12排，每排種植124株，總共種植14 88株。在種植期間(8月30日-11月21日)，對(duì)兩個(gè)溫室內(nèi)的灌溉用水量、產(chǎn)量、用工等情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖6 水肥一體化控制系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.6 Integrated water and fertilizer control system

3.2 結(jié)果分析

經(jīng)實(shí)際運(yùn)用證明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便、耐用性強(qiáng)。經(jīng)測(cè)試，EC值控制精度為±0.2 mS/cm、pH值控制精度為±0.2。

兩個(gè)溫室用水量統(tǒng)計(jì)表如表1所示。由表1可知溫室1灌溉用水量為162.5 m3，溫室2灌溉用水量為243.8 m3。水肥一體化循環(huán)灌溉系統(tǒng)采用了基質(zhì)栽培，實(shí)現(xiàn)了營(yíng)養(yǎng)液的循環(huán)利用，基質(zhì)袋也大大減少了水分的蒸發(fā)，水肥一體化循環(huán)灌溉系統(tǒng)用水量是傳統(tǒng)土壤栽培的66.7%。

兩個(gè)溫室水果黃瓜產(chǎn)量如表2所示。由表可知溫室1內(nèi)小黃瓜總產(chǎn)量為2 894.9 kg，平均產(chǎn)量46 691.9 kg/hm2。溫室2內(nèi)黃瓜總產(chǎn)量為2 501 kg，平均產(chǎn)量40 338.7 kg/hm2。水肥一體化循環(huán)灌溉系統(tǒng)黃瓜產(chǎn)量是傳統(tǒng)土壤栽培的1.16倍。

兩個(gè)溫室用工量如表3所示。由表可知溫室1水果黃瓜一個(gè)生長(zhǎng)周期總用工量為174.5 h，平均每天需用工2.1 h。溫室2水果黃瓜一個(gè)生長(zhǎng)周期總用工量為276 h，平均每天需用工3.3 h。水肥一體化循環(huán)灌溉系統(tǒng)黃瓜用工量是傳統(tǒng)土壤栽培的63.2%。

表1 兩個(gè)溫室用水量統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Two greenhouse water consumption statistics table

表2 兩個(gè)溫室水果黃瓜產(chǎn)量Tab.2 Two greenhouse fruit cucumber yields

表3 兩個(gè)溫室用工量Tab.3 The amount of work used in two greenhouse

4 結(jié) 論

結(jié)合我國(guó)水肥一體化灌溉發(fā)展的需求，設(shè)計(jì)了一套水肥一體化循環(huán)灌溉系統(tǒng)。水肥一體化循環(huán)灌溉系統(tǒng)采用椰糠基質(zhì)栽培，系統(tǒng)由配肥系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)等三大部分組成。系統(tǒng)采用PLC作為控制器，監(jiān)控設(shè)備選用人機(jī)交互界面觸摸屏。通過控制肥水的EC、pH值和進(jìn)入灌溉管道的肥水量來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)施肥灌溉，它能夠執(zhí)行較精確的施肥過程，預(yù)防肥液施用不足或過量現(xiàn)象產(chǎn)生。經(jīng)實(shí)際運(yùn)用證明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便，EC值控制精度為±0.2 mS/cm、pH值控制精度為±0.2。水肥一體化循環(huán)灌溉系統(tǒng)用水量是傳統(tǒng)土壤栽培的66.7%，黃瓜產(chǎn)量是傳統(tǒng)土壤栽培的1.16倍，用工量是傳統(tǒng)土壤栽培的63.2%。