茶園水肥一體化灌溉施肥裝置研究與設(shè)計(jì)*

阮紅麗 李光輝 周小波曾文明 盧珍 李玉玲

1.四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，四川成都

2.南方丘區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都

3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部丘陵山地農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都

0 引言

水肥一體化技術(shù)是一種高效的灌溉施肥技術(shù)，具有節(jié)水節(jié)肥、省時省工等優(yōu)點(diǎn)，但該技術(shù)在茶產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用較少。在水肥一體化灌溉施肥裝置（以下簡稱“裝置”）中，其核心是吸肥部件，可根據(jù)作物生長需求確定最佳的肥液混合比例，實(shí)現(xiàn)多通道水肥混合。目前，裝置大多存在吸肥精度不易控制的問題。針對這個問題，本文研究設(shè)計(jì)了一種精度較高的裝置。

1 總體設(shè)計(jì)

在茶園灌溉、施肥制度分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，對裝置進(jìn)行了試制及試驗(yàn)。該裝置通過確定最佳的肥液混合比例，調(diào)節(jié)吸肥腔與進(jìn)水腔的體積比，將適宜于提高茶葉品質(zhì)適量的肥料，均勻添加到水中，實(shí)現(xiàn)水和肥的精確配比。裝置組成框圖如圖1所示。

2 茶園灌溉制度

2.1 設(shè)計(jì)基本參數(shù)

以四川茶葉典型主產(chǎn)區(qū)成齡茶樹確定設(shè)計(jì)基本參數(shù)，詳見表1。

2.2 灌溉制度

根據(jù)滴灌灌水器參數(shù)，進(jìn)行土壤濕潤比的分析計(jì)算，確定滴灌灌溉制度。茶樹按照生長時期可分為春季、夏季、秋季和冬季4個時期，根據(jù)土壤容重、成齡茶樹土壤計(jì)劃濕潤土層深度、設(shè)計(jì)土壤濕潤比、適宜茶樹生長的土壤含水率上限和下限分別計(jì)算茶樹各時期的灌水定額，進(jìn)而計(jì)算灌水周期、一次灌水延續(xù)時間、灌溉次數(shù)等[1～2]參數(shù)。灌溉制度詳見表2。

圖 1 裝置組成框圖

表1 基本參數(shù)表

表 2 茶園灌溉制度表

3 茶園施肥制度

3.1 茶園施肥制度

茶園施肥主要分為基肥、追肥和根外追肥。本文只考慮在追肥階段使用本裝置進(jìn)行施肥，主要施用氮肥。

追肥量根據(jù)茶園目標(biāo)產(chǎn)量所需純氮量、氮肥中純氮含量及氮肥利用率等計(jì)算，茶園目標(biāo)產(chǎn)量為每公頃產(chǎn)鮮葉6000kg，每公頃施用純氮150kg，結(jié)合當(dāng)?shù)刈贩式?jīng)驗(yàn)，本裝置考慮追肥施用尿素（N46%），肥料利用率為54%，根據(jù)尿素每公頃年施量計(jì)算得出尿素每公頃年施約600kg，追肥全年3次，施肥量比例為50%、30%、20%。春季追肥在越冬芽萌動時施用，每公頃施用300kg尿素；夏季追肥在春茶采摘結(jié)束，茶樹輕修剪后立即進(jìn)行，每公頃施用180kg尿素；秋季追肥在夏茶結(jié)束后進(jìn)行，秋肥要避開“伏旱”進(jìn)行，每公頃施用120kg尿素。

3.2 裝置施肥制度

通過對茶樹肥料需求量分析，計(jì)算每次施肥作業(yè)中的施肥量，按照茶園灌溉對滴灌施肥時間的分配要求[3]，確定施肥時間以及吸肥部件施肥比例，實(shí)現(xiàn)從灌溉、灌溉施肥和沖刷管網(wǎng)的灌溉施肥作業(yè)。

3.2.1 施肥時間

施肥過程是伴隨灌溉同時進(jìn)行的，根據(jù)四川省內(nèi)水肥一體化滴灌施用經(jīng)驗(yàn)，施肥操作在灌溉進(jìn)行30min后開始，并確保在灌溉結(jié)束前30min以上的時間內(nèi)結(jié)束[4]。因此施肥時間比灌

3.2.2 吸肥部件吸肥比例

根據(jù)單位時間內(nèi)吸肥部件從肥料桶吸入的肥液質(zhì)量與進(jìn)口清水質(zhì)量之比計(jì)算得出。施肥罐中肥料與水體積比為1∶4。裝置施肥制度詳見表3。

表 3 裝置施肥制度

4 裝置樣機(jī)及精度試驗(yàn)

4.1 裝置樣機(jī)

在分析四川省茶園水肥的需求和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過多方案分析、比較及結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，搭建了一套由水泵、吸肥部件以及控制系統(tǒng)等組成的茶園水肥一體化灌溉施肥裝置。裝置結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖 2 裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4.1.1 水泵

1）流量。在前述確定的灌溉制度基礎(chǔ)上，根據(jù)灌溉區(qū)域布置、毛管長度、布置間距、主管允許同時工作的滴頭數(shù)量、滴頭流量，計(jì)算得出水泵流量。

2）揚(yáng)程。根據(jù)管道長度、管徑、流速依次計(jì)算管道沿程水頭損失、局部水頭損失，根據(jù)凈揚(yáng)程、滴頭工作壓力等得出水泵揚(yáng)程。

3）水泵選型。根據(jù)流量、揚(yáng)程進(jìn)行水泵選型。詳見表4。

4.1.2 吸肥部件

吸肥部件通過外部比例套筒調(diào)節(jié)吸肥腔的有效工作長度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)吸肥腔的體積比的目的，將適宜于提高茶葉品質(zhì)適量的肥料，均勻地添加到水中，實(shí)現(xiàn)水和肥的精確配比，從而提高了吸肥部件的精度。

吸肥部件靠水力驅(qū)動，進(jìn)行了最佳的肥液混合比設(shè)定后，進(jìn)水管路的水流進(jìn)入吸肥部件的進(jìn)水腔，驅(qū)動吸肥部件吸取肥液，然后在壓差的作用下，驅(qū)動活塞向上移動，碰到聯(lián)動換向裝置，進(jìn)水腔的水就全部進(jìn)入出口腔；下面的吸肥腔設(shè)置有限位裝置，當(dāng)?shù)竭_(dá)限位裝置時，通過小孔將肥料全部擠入出口腔，實(shí)現(xiàn)吸肥的功能[5-7]。參數(shù)詳見表5，結(jié)構(gòu)示意圖詳見圖3。

表 4 水泵參數(shù)表

表5 吸肥部件參數(shù)表

圖 3 吸肥部件結(jié)構(gòu)示意圖

4.1.3 配套設(shè)備

配套設(shè)備（系統(tǒng)）表詳見表6。

4.2 精度試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

在水肥一體化的前提下，明確吸肥部件施肥精度，對實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉施肥、保證最佳肥水比進(jìn)行有益的探索。

4.2.2 試驗(yàn)器材

本裝置、1#電子臺秤（30kg）、2#電子臺秤（75kg）、肥料桶（塑料；16L）、肥液桶（塑料；60L）、秒表。

4.2.3 試驗(yàn)主要步驟

本試驗(yàn)以4%吸肥比例為設(shè)定值開展試驗(yàn)，時間30s。

1）將裝置與進(jìn)、出水管相連。

2）將吸肥部件的吸肥管道放入肥料桶，肥料桶放置在1#電子臺秤上、肥液桶放置在2#電子臺秤上。

3）啟動水泵，待流量穩(wěn)定后，開始計(jì)時，將管道出口中的肥液接入肥液桶中，同時記錄下肥料桶、肥液桶的初始質(zhì)。

4）30s時間結(jié)束時，關(guān)閉水泵，記錄肥料桶、肥液桶的最終質(zhì)量，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

5）管道沖洗干凈后重復(fù)試驗(yàn)。

4.2.4 試驗(yàn)分析

肥液桶肥液質(zhì)量為30 s內(nèi)肥液桶最終質(zhì)量與初始質(zhì)量之差，肥料桶吸入肥液質(zhì)量為30 s內(nèi)肥料桶初始質(zhì)量與最終質(zhì)量之差，進(jìn)口清水質(zhì)量為肥液桶肥液質(zhì)量與肥料桶吸入肥液質(zhì)量之差，混合比為肥料桶吸入肥液質(zhì)量與進(jìn)口清水質(zhì)量之比。依次計(jì)算結(jié)果如表7所示。

4.2.5 試驗(yàn)結(jié)論

本試驗(yàn)以4%吸肥比例為設(shè)定值開展試驗(yàn)，按照1.80m3/h、1.60m3/h、1.00m3/h三個流量運(yùn)行，施肥精度分別為1.00%、1.75%、0.75%，符合要求。

5 結(jié)語

本文通過分析計(jì)算茶樹水肥需求量，為裝置水肥施用制度的確定奠定了基礎(chǔ)。吸肥部件能實(shí)現(xiàn)水和肥的精確配比，從而提高了整個裝置的精度。該裝置具有良好的人機(jī)交互界面，便于參數(shù)設(shè)定和讀?。煌瑫r構(gòu)建了手機(jī)控制與現(xiàn)場控制的控制方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、監(jiān)測和管理。該裝置移動方便、操作簡便、能顯著降低勞動強(qiáng)度。

表 6 配套設(shè)備（系統(tǒng)）表

表 7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表