基于蘋果樹種植的水肥一體化項目優化研究

摘 要：水肥一體化是一項將施肥和灌溉結合起來的技術，目前主要是與微灌技術相結合。論文中采用綜合比較的方法，以典型的蘋果樹地塊水肥一體化項目作為載體，擬定滴灌集中管理、小管出流集中管理、微噴集中管理、滴灌分散管理四種方案，從與當地種植管理模式的適應性、施肥管理方式、節水節肥、工程總投資、運行管理費用等方面進行了對比分析，得出了符合項目實際的水肥一體化方案，提出了建議。研究成果可供相關技術人員參考。

關鍵詞：水肥一體化；系統優化；滴灌；

中圖分類號：S28 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-08-00-02

水肥一體化是借助壓力灌溉系統，將可溶性肥料，均勻、準確地輸送到作物根部土壤，實現以水帶肥，多借助滴灌、微噴、噴灌等灌溉系統的管網及灌水器實現肥料的輸送。其優點是施肥的肥效快，水分和養分利用率高，施肥均勻，管理方便，節水節肥。

以典型蘋果樹水肥一體化項目為例進行研究，地塊東西454m，南北306m，年平均降水442mm，地形平整，作物為蘋果樹，樹齡8年，南北種植，行距4m，株距3m，土壤為褐土類型，深井出水量40m3/h，按一家一戶模式進行種植管理。近年降雨減少，地下水位下降，傳統粗放式漫灌無法滿足正常灌溉要求，實施水肥一體化項目具有迫切性。

一、不同施肥技術適應性分析

水肥一體化技術中的肥料注入主要靠施肥裝置來實現，常見有重力式、壓差施肥罐、文丘里施肥器、水動注肥泵等。

重力式施肥一般須借助重力滴灌或微噴灌系統，在高位蓄水池旁邊，高于蓄水池液面處建造肥料池用于混合肥料[1]，利用地形落差進行施肥。壓差式施肥罐是將儲液罐與微灌管道并聯聯接，使進水管口和出水管口之間產生壓差[2]，并利用該壓力差使部分灌溉水由進水管進入儲液罐，再從出水管將經過稀釋的營養液注入灌溉水中，因施肥罐在施肥時是密閉狀態，每次灌溉前都得重新將肥料裝入施肥罐內。文丘里施肥器是利用文丘里管原理，使肥料吸入管道與水流混合[3]，文丘里施肥器一般并聯于管路上，使用時先將肥料溶解于開敞式肥料罐中，然后接上輸液管就可開始施肥。文丘里施肥器結構簡單，造價低廉，使用方便，主要適用于小型微灌系統中。水動注肥泵，以柱塞泵原理的比例式施肥器為代表，其能夠嚴格按設定比例進行水肥管理，即吸入肥料體積與管道水流量嚴格成一定比例，能夠做到精確比例施肥，價格相對較高。

該地塊平整，基本無落差可利用，重力式施肥系統無利用條件，故不采用。比例式施肥器施肥精度高，目前多為進口產品，考慮到價格因素，亦暫不考慮。壓差施肥罐和文丘里施肥器均應用廣泛，各有優缺點，其工作特點能滿足正常施肥需要，在后續水肥一體化系統設計中將對壓差施肥罐及文丘里施肥器進行分析。

二、不同灌溉技術適應性分析

一般情況，水肥一體化技術中，常用作輸送肥料的灌溉方式有噴灌、微灌，微灌技術分滴灌、小管出流、微噴等類型。

噴灌是將有壓水通過噴頭噴射到空中，與空氣摻混形成細小的水滴，均勻噴灑在農田及作物上的一種先進灌水技術，噴灌要求的壓力一般為250～350kPa[2]。噴灌系統一般由水源、水泵及動力設備、輸水管道系統和噴頭等部分組成。噴頭一般安裝在豎管上，或者安裝在支管上。噴灌有一些缺點，如受風的影響大 [1]，設備投資高，耗能高。噴灌的水滴直徑一般較大，如噴頭的霧化指標選擇不當，可能對作物形成較大的打擊力。

滴灌是通過流道或孔口將壓力水流變成滴狀或細流狀的裝置。滴頭要求的工作壓力為50～100kPa，流量不大于12L/h[2]。滴灌管是將滴頭與毛管熱熔成一體，兼具配水和滴水功能。滴箭由形似箭頭的桿件、聚乙烯毛管、分流器等連接而成，使用時將滴箭插于作物根部，主要用于盆栽植物中。

小管出流是由低密度聚乙烯塑料小管和專用接頭連接后插入毛管而成，其接頭處常連接穩流器，由于流量相對較大，可在果樹下開挖環狀溝，水流可沿著環狀溝分散入滲。

微噴灌是利用微噴頭將壓力水流噴出并粉碎散開，實現噴灑灌溉。微噴頭的工作壓力小于300kPa，單個微噴頭流量不超過250 L/h，射程一般小于7m[3]，噴灑柔和。

噴灌因其噴灑水滴較大，對花朵有一定打擊作用，影響蘋果樹掛果，而且噴頭需要立管支撐，要架設高于樹冠，否則噴灑水容易被樹體遮擋，有漏噴缺點。微噴灌可以布置在樹下，可以作為水肥一體化施肥的載體。滴灌技術有許多形式，如管上式滴頭、滴灌管（帶）及滴箭等。滴箭主要用于盆栽植物中，管上式滴頭的安裝形式類似于小管出流，但其滴頭流量一般偏小，如配置多個滴頭則會帶來材料及安裝成本顯著增加，滴灌管的滴頭為內鑲式，與毛管熔為一體，省去了滴頭安裝的費用，根據滴灌管的特點來看，可以將滴灌管作為水肥一體化施肥的載體。從小管出流的使用特點來看，主要用于果樹灌溉，能夠滿足果樹灌溉施肥。

論文后續將采納滴灌管、插桿式微噴頭及小管出流作為灌溉方法，進行技術方案設計、比較。

三、水肥一體化系統設計

以蘋果樹地塊水肥一體化項目作為載體，擬定四種灌溉配置方案進行優化分析。①灌水器選用內鑲式滴灌管，每行樹布置2條滴灌管，首部樞紐配置過濾器、壓差施肥器、水表、水泵等組件，平均2-5家為一組，進行灌溉施肥；②采用小管出流進行灌溉，每行樹一條毛管，每個樹對應2個穩流器，首部樞紐配置過濾器、壓差施肥器、水表、水泵等組件，平均2-5家為一組，進行灌溉施肥；③采用插桿式微噴頭進行微噴灌，每棵樹對應一個微噴頭，首部樞紐配置過濾器、壓差施肥器、水表、水泵等組件，平均2-5家為一組，進行灌溉施肥；④灌水器選用內鑲式滴灌管，每行樹擬布置2條滴管，首部樞紐配置過濾器、變頻器、水泵等組件，每家地塊各布置一個地頭小首部。

分別對每種方案進行設計，設計主要結果如表1所示。

四、水肥一體化系統方案對比分析與優化

將四種方案的特點按其主要指標制作成對比分析表如下。

表2 四種典型水肥一體化方案對比分析表

（一）成本及其他綜合分析：采用滴灌管的水肥系統，滴灌管將灌水器和毛管融為一體，這樣就使材料成本和安裝成本優勢突顯，工程整體造價較低。在田間操作時，滴灌管移動起來較插桿式微噴頭和穩流器比較方便，而且滴灌運行壓力較低，電費較省。插桿式微噴頭和小管出流因灌水器和毛管不是一體式，材料成本較滴灌要高，安裝時還需要在毛管上打孔安裝微噴頭或穩流器等，安裝費用比滴灌管要高，而且運行壓力較滴灌高。一家一戶分散種植管理模式中，由于每戶地塊設置了閥門、文丘里施肥器、過濾器等設備，而且水泵增加了變頻設備，使工程總造價相應提高。

（二）種植管理模式對水肥一體化系統影響分析：農業種植管理模式一般有集中式和分散式兩種。對于種植結構相對單一的集中管理模式，灌溉水和肥料注入以集中輸配方式為主，施肥器可以在微灌系統大首部集中設置，因利益主體單一，微灌系統水費電費計量收取容易，量水設備可在輸水主管路上設置。對于一家一戶分散種植管理模式，因水源一般為集中式，灌溉水以集中輸配為宜。地塊一家一戶種植經營模式，輪灌分組邊界易受各農戶利益影響，一般輪灌面積在實際中不一定相同，在實踐中，一般應按設計輪灌組面積就近設置閥門，考慮到水費、電費及施肥的管理，每戶地塊根據大小宜最少配置一套小型首部。考慮到灌溉施肥的不定時性，水泵運行不穩定，宜在系統中配置變頻供水裝置。

（三）肥料應用分析：水肥一體化條件下，肥料應符合：高度可溶性，且在田間溫度下溶于水；溶液的酸堿度為中性至微酸性；沒有鈣、鎂、碳酸氫鹽或其他可能形成不可溶鹽的離子；肥料中養分濃度較高；對灌溉設備腐蝕性小。國內可采用的水溶性復混肥有水溶性氮磷鉀肥料、水溶性微量元素肥料、含氨基酸類水溶性肥料、含腐殖酸類水溶性肥料[1]四類。

不同樹齡的蘋果樹需肥規律不同，幼樹以擴大樹冠、搭好骨架為主，以后逐步過渡到以結果為主。蘋果樹幼樹需要的主要養分是氮和磷，特別是磷素，其對植物根系的生長發育具有良好的作用。成年果樹對營養的需求主要是氮和鉀，施用肥料應與植物需肥規律相適應。

五、結論與建議

經比較，方案四能夠滿足一家一戶管理需要，設置變頻裝置，可解決一家一戶隨機啟閉操作對水泵效率的不利影響，投資額適中，運行費用較低，節水節肥效果明顯。即每行蘋果樹布置2條滴灌管，每戶配置一套文丘里施肥器，分散式施肥灌溉，水泵變頻供水。在土壤中施加有機肥的基礎上，通過滴灌系統施加液態肥料。

應重視滴灌系統堵塞的防治問題，加強過濾裝置的清洗養護工作，對于硬度比較高的灌溉水源，可設置軟水處理裝置，或選用流量較大的灌水器以延長滴灌設備使用周期，有條件的話可以將低硬度水和高硬度水混合作為灌溉水源等。

參考文獻：

[1]張承林，鄧蘭生.水肥一體化技術[M].北京：中國農業出版社，2012

[2]傅林，董文楚，鄭耀泉.微灌工程技術指南[M].北京：水利電力出版社，1987

[3]鄭耀泉，李光永，黨平，等.噴灌與微灌設備[M].北京：中國水利水電出版社，1998

作者簡介：張海文，1976年7月，男，山西省孝義市，工程師，講師，碩士研究生，現主要從事水利工程施工。