一種旁路施肥機(jī)在噴灌水肥一體化的應(yīng)用試驗(yàn)

湯鵬程，張紫森，李熙婷，徐 冰，任 杰，李 想

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 內(nèi)蒙古陰山北麓草原生態(tài)水文國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，北京 100038； 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020； 3.鄂爾多斯市農(nóng)牧業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200；4.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

0 引 言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展與大量農(nóng)村勞動(dòng)力向城市轉(zhuǎn)移，機(jī)械化、精準(zhǔn)化、智能化已成為農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展趨勢(shì)［1，2］。水肥一體化技術(shù)是通過(guò)施肥機(jī)將肥液帶入灌溉水中，并以灌溉水為載體通過(guò)噴灌等節(jié)水灌溉設(shè)備施入田間［3］。該技術(shù)可降低勞動(dòng)強(qiáng)度，有效控制灌溉水量和施肥量，避免常規(guī)施肥機(jī)械作業(yè)對(duì)作物中后期生長(zhǎng)造成傷害，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)［4］。

在水肥一體化技術(shù)中，其核心裝置是施肥機(jī)［5］?，F(xiàn)有的噴、滴灌系統(tǒng)施肥裝置多采用壓差式施肥罐進(jìn)行［6］，因?yàn)楣腆w化肥溶解性較差以及系統(tǒng)壓力和罐內(nèi)液位的變化，所以造成施肥量不穩(wěn)定、肥料濃度均勻性較差和施肥罐內(nèi)肥料殘等問(wèn)題［7］。同時(shí)由于施肥作業(yè)不便，多地區(qū)將大量化肥作為底肥一次性在翻耕前施入耕作層，導(dǎo)致部分化肥隨灌溉水、降水滲入根系層以下污染地下水體［8］，長(zhǎng)此以往地下水體富營(yíng)養(yǎng)化將對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)造成不可逆的破壞。目前國(guó)內(nèi)水肥一體化技術(shù)還處于發(fā)展階段［9］，大田施肥主要以固體肥為主，施肥機(jī)研究大多局限于關(guān)鍵部件［10］，針對(duì)施肥機(jī)整體研究較少，且缺少相關(guān)針對(duì)設(shè)備的田間試驗(yàn)驗(yàn)證［11］。隨著水肥一體化技術(shù)在全國(guó)范圍內(nèi)大面積應(yīng)用和推廣，其核心施肥機(jī)技術(shù)亟待解決。

因此，本研究擬設(shè)計(jì)一種旁路施肥機(jī)，利用原有的大田灌溉管路，通過(guò)電子流量計(jì)及水表等計(jì)量設(shè)備對(duì)施肥狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥，提高肥料利用率，同時(shí)結(jié)合大田試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證該旁路施肥機(jī)實(shí)際性能。

1 精確施肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

精確施肥系統(tǒng)是保證水肥一體化中施肥均勻、肥料利用率高的前提［8］。該系統(tǒng)由化肥溶解，旁路施肥機(jī)，過(guò)濾和供水4部分組成。其中化肥溶解部分由攪拌機(jī)、化肥溶解罐、液位計(jì)、壓力表等組成。旁路施肥機(jī)主要包括控制器、增壓泵和動(dòng)態(tài)顯示界面。過(guò)濾系統(tǒng)包含外置離心式過(guò)濾器與網(wǎng)式過(guò)濾器。供用水系則統(tǒng)采用原有噴灌管路。精確施肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)詳見圖1。

圖1 精確施肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Structural design drawing of precise fertilization system

2 旁路施肥機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成

“精確施肥系統(tǒng)”中，最主要部分為“旁路施肥機(jī)”的設(shè)計(jì)。旁路施肥機(jī)工作時(shí)，通過(guò)在動(dòng)態(tài)展示界面進(jìn)行可視化流量、肥量配比，實(shí)現(xiàn)水肥一體化精細(xì)控制?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，技術(shù)人員可定期對(duì)管道壓力、水質(zhì)pH值和EC值進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，并通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)和隔膜閥，查看各供肥桶流量，對(duì)各供肥桶流量進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)校準(zhǔn)。遠(yuǎn)程作業(yè)時(shí)，可通過(guò)控制裝置（PLC）采集的數(shù)據(jù)信息，觀察動(dòng)態(tài)施肥過(guò)程，自動(dòng)獲取作物灌溉施肥推薦量，并利用內(nèi)置通訊模塊與服務(wù)器進(jìn)行通訊，幫助現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)灌溉施肥。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 旁路施肥機(jī)樣圖Fig.2 The instance of bypass fertilization machine

2.2 工作原理

旁路施肥機(jī)與田間原有管路連通，具體布置如圖3所示。水由進(jìn)水總管通過(guò)增壓泵進(jìn)入各支管，可通過(guò)電磁閥、遠(yuǎn)傳水表和隔膜閥對(duì)水流進(jìn)行調(diào)控；各吸肥管路均與不同的肥桶連接，肥料通過(guò)吸肥管路與進(jìn)水支管中的水在文丘里管處混合。吸肥過(guò)程中通過(guò)電柜調(diào)控增壓泵的功率幫助文丘里管中肥液進(jìn)入出水總管，同時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)對(duì)肥量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并且采用吸肥電磁閥和吸肥隔膜閥對(duì)肥量進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工況所需肥料進(jìn)行不同配比。

圖3 旁路施肥機(jī)工作原理簡(jiǎn)圖Fig.3 The operating principle of bypass fertilization machine

2.3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)

2.3.1 控制器

如圖4所示，控制裝置包括變頻器、PLC、恒壓供水控制器以及模擬量采集模塊等。控制裝置接收流量計(jì)、EC和pH值傳感器以液位傳感器的檢測(cè)信號(hào)，輸出控制指令至增壓泵、水源泵。本實(shí)例中，控制裝置包括變頻器、PLC、交流接觸器、中間繼電器等電氣元件。PLC接收多路流量計(jì)的脈沖信號(hào)上傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示，PH傳感器、壓力傳感器等采集的數(shù)據(jù)通過(guò)模擬量采集模塊進(jìn)入上位機(jī)進(jìn)行顯示、判斷。

圖4 電氣控制原理圖Fig.4 Electric control principle

2.3.2 動(dòng)態(tài)顯示界面

圖5所示為旁路施肥機(jī)的動(dòng)態(tài)顯示界面，該界面源程序由Microsoft C++6.0語(yǔ)言編程完成。該軟件針對(duì)性用于設(shè)施農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)，方便種植者對(duì)作物進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉和施肥，還可以幫助管理者遠(yuǎn)程掌握田間管理情況。

圖5 動(dòng)態(tài)顯示界面Fig.5 Operation interface

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

旁路施肥機(jī)在噴灌水肥一體化實(shí)際應(yīng)用的相關(guān)試驗(yàn)于內(nèi)蒙古通遼市?？垫?zhèn)開展。試驗(yàn)區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季回暖快，多風(fēng)沙；夏季雨熱同步，雨量集中；秋季短促，降溫快；冬季干冷漫長(zhǎng)。多年平均氣溫8.1 ℃，多年平均降雨295 mm，最高氣溫36.1 ℃，最低氣溫-24.9 ℃，無(wú)霜期203 d，全年日照2 799.7 h。對(duì)核心試驗(yàn)田土壤物理性狀進(jìn)行了測(cè)定，該試驗(yàn)區(qū)土層厚度0～100 cm田間持水量在25.7%～29.4%之間，各層平均土壤干容重為1.554 g/cm3，土壤類型為砂質(zhì)壤土，具體土壤參數(shù)詳見表2。

表2 土壤物理性狀相關(guān)參數(shù)Tab.2 The physical characteristics of soil

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)開展時(shí)間為2015年和2016年的5-9月。采用不同時(shí)段實(shí)時(shí)測(cè)得不同土層含水率，根據(jù)含水率計(jì)算滲漏量，同時(shí)將日平均降雨深度小于2 mm的情況視為無(wú)效降雨［12］，2015年、2016年玉米生育階段劃分與降雨量詳見表3。試驗(yàn)材料采用氮肥（尿素，含氮量46%），磷肥（過(guò)磷酸鈣，含磷量14%）和鉀肥（氯化鉀，含鉀量為60%），試驗(yàn)中各處理氮、磷、鉀肥有效元素均為20、9和15 kg/畝。

表3 生育階段劃分與降雨量Tab.3 Reproductive stage division and rainfall

本試驗(yàn)共設(shè)置3個(gè)水肥處理，分別以施肥方式和灌水量為變量控制試驗(yàn)，全生育期灌水方案詳見表4。①SF-1，以氮肥總量的40%作為底肥施入；苗期末期伴隨中耕松土由機(jī)耕追施氮肥總量的30%；剩余30%氮肥在玉米拔節(jié)期、抽雄期、灌漿成熟期分3次利用旁路式施肥機(jī)施入田間。磷肥作為底肥一次性施入田間。鉀肥分別作為底肥、苗期追肥由機(jī)耕分兩次（每次各50%）施入田間。②SF-2，以氮肥總量的40%作為底肥施入；苗期末期伴隨中耕松土由機(jī)耕追施N肥總量的30%；剩余30%氮肥在玉米拔節(jié)期、抽雄期、灌漿成熟期分3次采用壓差式施肥罐施入田間。磷肥作為底肥一次性施入田間。鉀肥分別作為底肥、苗期追肥由機(jī)耕分兩次（每次各50%）施入田間。③SF-3，與SF-2施肥方式完全相同，但全生育期內(nèi)不灌水。

表4 玉米各生育期灌溉水量Tab.4 The irrigation amount at different growth period of corn

本研究采用水量平衡法［13，14］計(jì)算不同處理玉米的需水狀況，具體公式如下：

式中：ET為需水量；P為生長(zhǎng)季的某一時(shí)段有效降雨量；I為某一時(shí)段有效灌溉量；ΔSWS為土壤儲(chǔ)水量變化；Q為地下水的補(bǔ)給量和滲漏量。上述指標(biāo)均以mm為單位計(jì)算。

3.3 結(jié)果與分析

2015年、2016年試驗(yàn)區(qū)玉米產(chǎn)量（玉米籽粒干重）、耗水量以及水分生產(chǎn)率，如表5所示。①對(duì)比不同年份試驗(yàn)區(qū)玉米產(chǎn)量：2016年玉米拔節(jié)期遭受集中強(qiáng)降雨，玉米受澇災(zāi)影響，總體產(chǎn)量低于2015年產(chǎn)量。②對(duì)比同一年份：2015年水肥同施的SF-1處理對(duì)比SF-2處理增產(chǎn)12%，對(duì)比SF-3處理增產(chǎn)69%；2016年水肥同施的SF-1處理對(duì)比SF-2處理增產(chǎn)9%，對(duì)比SF-3處理增產(chǎn)47%；且2015年、2016年SF-1處理玉米水分生產(chǎn)率均最高，分別為1.87、1.81 kg/m3。

表5 玉米各處理效益分析Tab.5 The benefit analysis of different treatment

4 結(jié) 論

（1）本研究通過(guò)解析旁路式施肥機(jī)工作原理，對(duì)水肥配比管路、電氣控制元件布置結(jié)構(gòu)以及動(dòng)態(tài)顯示界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到該旁路施肥機(jī)。該旁路施肥機(jī)的應(yīng)用解決了肥料利用效率低下，施肥機(jī)安裝復(fù)雜等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)定量施肥與可視化操作，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉領(lǐng)域具有一定的推廣應(yīng)用意義。（2）結(jié)合2015年、2016年田間試驗(yàn)驗(yàn)證，該旁路施肥機(jī)運(yùn)行表現(xiàn)良好。在玉米種植中應(yīng)用該旁路施肥機(jī)施肥比壓差式施肥罐和雨養(yǎng)施肥，2015年分別增產(chǎn)12%與69%；2016年分別增產(chǎn)9%與47%，且兩年內(nèi)應(yīng)用該旁路施肥機(jī)施肥玉米水分生產(chǎn)率均最高，分別為1.87和1.81 kg/m3，經(jīng)濟(jì)效益顯著，有利于促進(jìn)農(nóng)民增產(chǎn)增收。