“高效水肥藥一體化噴滴灌設計”在作物中的應用分析
——以“沈陽工學院大學生創新項目”為例

李驍斌，魯 雙，岳秀璐，方新宇

（沈陽工學院 能源與水利學院，遼寧 沈陽 110000）

中國是人口大國，對糧食的需求量巨大，為了提高糧食產量，在作物生長過程中農藥與化肥的使用量日益增加。過量的農藥與化肥的使用對人們的身體健康和耕地環境造成了巨大的影響。首先，化肥的大面積以及不合理使用使農民患上“化肥依賴癥”，現代農業就是用化肥撬開了糧食增產的大門。近年來，全國發生了幾次大面積的干旱，但糧食生產卻連年增收，這得益于化肥在現代農業中的重要作用，可以說，正是化肥讓農業擺脫了過去靠天吃飯的窘境。因此農業患上了“化肥依賴癥”，可以想象，農業生產離開化肥，會對糧食產量產生巨大影響。但是化肥與農藥使用量越大，土地就越貧瘠，對耕地的破壞就更嚴重，對于生態長遠發展，不是可行之計。其次，傳統的灌溉方式是通過溝渠和農田渠道進行灌溉，將水灌溉到農作物上；因為水泵壓力大的緣故，前面的農作物會被水壓沖倒，不僅破壞了農作物的根部結構，且費時費力，農作物所吸收的水分也不均勻。而一種新的灌溉方式：水肥藥一體化噴滴灌設計的出現將大大改變這個現狀，水肥藥一體化噴滴灌技術是將灌溉與施肥、灌溉與噴藥融為一體的農業新技術。其借助壓力系統，將液體肥或農藥，按土壤養分和作物生長的需求規律和特點配兌成肥液或藥液，與灌溉水一起，通過一體機稀釋，使肥水或藥水相融后，經連接管道和噴滴頭均勻、定時、定量的灌溉到作物上，浸潤作物根系發育生長區域，使主要根系土壤始終保持疏松和適宜的含水量。同時根據不同溫室作物生長周期需肥需藥特點、土壤環境和養分含量狀況進行需求設計，把水分、養分和農藥定時定量直接提供給作物。這樣不僅減少了化肥與農藥的使用，也節約了水資源，是將來農業生產中一項重要的灌溉方式。

1 傳統農作物的灌溉方式與特點

1.1 傳統農作物的灌溉方式

傳統的灌溉可謂是缺點多優點少，需要大量的水資源，與其說是澆農作物不如說是澆地，灌溉效果低效，灌溉不及時、不均勻會嚴重影響農作物的生長和產量；灌溉勞動量大，對地勢的要求高。由于我國水資源短缺，傳統的灌溉方式對水資源的需求量較大，因此淘汰傳統的灌溉方式是現代農業發展的必經之路。

傳統的灌水方法，水是從地表面進入田間并借助重力和毛細管作用浸潤土壤，所以也稱為重力灌水法。這是最古老的也是目前應用最廣泛、最主要的一種灌水方法。按其濕潤土壤方式的不同，可分為畦灌、溝灌、淹灌和漫灌。

（1）畦灌是用田埂將灌溉土地分割成一系列長方形小畦。灌水時，將水引入畦田后，在畦田上形成很薄的水層，沿畦長方向移動，在流動過程中主要借重力作用逐漸濕潤土壤。

（2）溝灌是在作物行間開挖灌水溝，水從輸水溝進入灌水溝后，在流動的過程中，借助毛細管作用濕潤土壤。和畦灌比較，其明顯的優點是不會破壞作物根部附近的土壤結構，不會導致田面板結，能有效減少土壤蒸發損失，適用于寬行距的中耕作物。

（3）淹灌（又稱隔田灌溉）是用田埂將灌溉土地劃分成許多格田，灌水時格田內保持一定深度的水層，借重力作用濕潤土壤，主要適用于水稻灌溉；漫灌是在田間不做任何溝埂，灌水時任其在地面漫流，借重力滲入土壤，是一種比較粗放的灌水方法。其灌水均勻性差，水量浪費較大。

1.2 傳統農作物化肥與農藥的配比與使用

在傳統的灌溉模式中，化肥或者農藥都是提前通過容器按照一定的比例濃度用水稀釋，通過澆地或者噴灑的方式澆在農作物上，不同的作物在不同生長周期內需要的化肥和農藥量不同，因此配比也不同，一旦配比錯誤就需要重新來過，這就需要大量的人力、物力來完成這項工作。

1.3 傳統農作物灌溉方式的劣勢

傳統的灌溉方式，沒有先進的設備，只能人工澆地與施肥，不僅費時還費力，化肥與農藥的配比與稀釋也無法精確控制其濃度，更不能正確的將農藥運送到農作物所需位置上，例如：有的作物葉子需要噴灑農藥，有的作物根部需要施肥，而人力作業往往使農作物施肥不均，導致了土地荒漠化越來越嚴重，同時需要大量的灌溉水，水資源的浪費現象嚴重。

傳統的灌溉方式不僅破壞了農作物的根部結構，也容易造成土壤和肥料的流失，而且作物長期處于水量過多的狀態，易引起植物根部的病害或澇死。另外，傳統的灌溉方式易造成土壤板結，不利于根系的呼吸和土壤中養分的運輸，還可能造成次生鹽堿化，最后導致有效種植面積減少。且水通過干渠、支渠、斗渠、毛渠等五級渠道輸送到田間，需要在田間挖大量的埂、畦、溝渠，工程量大，對土地浪費嚴重。

綜上所述，傳統的灌溉方式浪費了大量的水資源，無益于生態的長期發展，因此，亟需尋找一種新型高效的灌溉方式。

2 水肥藥一體化噴滴灌技術

2.1 水肥藥一體化噴滴灌技術初步介紹

水肥藥一體化噴滴灌技術是將灌溉與施肥、灌溉與噴藥融為一體的農業新技術。其借助壓力系統，將液體肥或農藥，按土壤養分含量和作物種類的需求規律及特點，配兌成肥液或藥液，與灌溉水一起，通過一體機控制系統控制，經連接管道和噴滴頭形成噴滴灌，能夠均勻、定時、定量的浸潤作物根系發育生長區域，使主要根系土壤始終保持疏松和適宜的含水量。一套完整的噴滴灌系統主要由水源工程、首部樞紐、輸配水管網、噴水器和滴水器等4部分組成：①水源工程：江河、湖泊、水庫、井泉水、坑塘、溝渠等均可作為噴滴灌水源，但其水質需要符合噴滴灌要求；②首部樞紐：包括水泵、動力機、壓力需水容器、過濾器、肥液注入裝置、測量控制儀表和遠程控制系統等。首部樞紐是整個系統操作控制中心；③輸配水管網系統：輸配水管道是將首部樞紐處理過的水按照要求輸送、分配到每個灌水單元和灌溉水器的；④噴滴水器：它是噴滴灌系統的核心部件，水由毛管流入噴頭和滴頭，噴頭和滴頭再將灌溉水流在一定的工作壓力下注入土壤。水通過噴滴水器，以一個恒定的流量滴出或滲出以后，在土壤中向四周擴散。

2.2 水肥藥一體化灌溉方式的優勢

（1）省工：突破傳統灌溉模式，利用水泵及閥門系統控制開關，通過調節閥門，就可以管理上千畝，可節省70%以上的人工，大幅度降低勞動力需求。

（2）省肥：結合水溶肥，在灌溉過程中將肥料精準施加到作物根部，可節省50%以上肥料，且肥料的有效利用率得到較大提高。

（3）省水：改變傳統漫灌澆地的弊端，根據作物需水特性，實現適時、適量、可控的精準灌溉，避免產生地表徑流和深層滲透，可節水40%以上。

（4）增產增收：基于高效灌溉的綜合效果，可以有效提高作物單位面積的產量，畝產量可增加15%～30%。

（5）節能：使用噴滴灌水肥藥一體機，可根據作物需要定時定量精準施肥，科學合理，能夠減少肥料和農藥用量，節約水資源，保護環境。

（6）保護土壤：在傳統灌溉方式中，土壤受到灌溉水的沖刷、壓實和侵蝕作用，若不及時中耕松土，會導致土壤嚴重板結，通氣性下降。而通過噴滴灌系統，水分緩慢均勻地滲入土壤，對土壤結構能起到保護作用。

在我國，水資源短缺現象嚴重，水肥藥一體化突出的節水措施就顯得尤為重要。而農業作為國家的經濟命脈和用水大戶，長期以來沿用傳統落后的大水漫灌，造成水資源的大量浪費，隨著水資源短缺與需水量間矛盾的日益加劇，大水漫灌正逐漸被注重精確灌水的現代節水灌溉模式所取代。現代科學灌溉技術，不僅可以利用有限的水資源，緩解地下水開采過量、地殼下沉的嚴峻局面，且能夠通過與精確施肥的有機結合，改善溫室作物等生長條件，提高產量和品質，具有良好的社會效益和經濟效益。

噴灌中微噴是利用折射、旋轉或輻射式微型噴頭將水噴灑到作物枝葉等區域的灌水形式。微噴的工作壓力低，流量小，即可增加土壤水分，又能提高空氣濕度，調節局部小氣候，在農業灌溉中的應用十分廣泛，是水肥藥一體化的理想載體。

滴灌是通過安裝在毛管上的滴箭、滴頭、滴灌帶或其他孔口式灌水器將水均勻、緩慢地滴入作物根區附近土壤中的灌水形式。灌溉水主要借助毛管張力作用擴散，是最為節水和有效的灌溉方式之一。局部精確灌水，能夠最大限度地提高水的利用率，減少雜草滋生，改善土壤結構，降低對水源壓力的要求。同時可通過首部施肥裝置，進行精確施肥，真正做到低投入、高收益。

3 水肥藥一體化模型的介紹

（1）模型結構初步介紹。本模型將實際的農業大棚按照一定的比例縮小后，模擬通過壓力系統將水與農藥、化肥融合，以滴灌和噴灌的方式作用于不同的農作物上。其基本思路是通過灌溉系統將可溶性固體肥料或液體肥料，農作物的藥和需要的水均勻一起送到農作物的根部土壤，然后把作物需要的水、藥、肥進行周期性的管理供給，定時定量輸送，從而實現省水、省藥、省肥、省工的目的。

（2）模型的操作及工作原理。該模型中的農業大棚中提前安裝好了滴灌、噴灌等施肥方式，大棚外設有一個工作系統的控制室，需要給農作物施肥時，工作人員進入工作室啟動工作系統，按照不同濃度要求對控制系統進行設置，系統自動將水肥藥混合好后，通過管道灌溉到作物中，最后將多余的水肥回收，防止污染。該系統可以獨立完成灌溉、打藥、施肥。使用者可以選擇需要的模式進行閥門調節，如獨立灌溉只需將注藥和注肥系統關閉即可，多種工作模式并存。使用時只需將作物所需的藥物和肥加入藥液罐和肥液罐進行稀釋攪拌，并通過集中控制裝置選擇所需要的水肥藥混合比例，集中控制系統通過對水泵輸送功率的控制完成比例的控制。

4 水肥藥一體化的發展前景

現階段，我國農業種植業逐漸由個體經營轉為承包制大面積經營，更加追求高效、節能、環保的種植模式，但在大面積灌區重要農作物的培育環節（灌溉、噴藥、施肥）仍采用單一的人工作業模式，耗時耗力，對施藥工人也存在一定的人身安全風險；且由于農民對肥料及藥物的配比認識較為模糊，一味追求單季高產的效益性，使不少土地產生土壤板結、肥力下降、病蟲抗藥性增強的現象，對耕地環境的可持續發展影響嚴重。而水肥藥一體化技術的灌溉模式以及配套的裝置，優化了現階段施肥施藥模式，能夠高效利用肥藥，降低土壤和農作物不良現象的發生率，節省人力物力。在未來的發展中，水肥藥相結合的灌溉模式將不斷應用于農作物的作業中，該項技術的優化設計仍具有較大的研究空間。

5 結語

多年來，我國始終保持較為原始的農作物灌溉方式，耗時耗力，且存在化肥施用不合理、養分不均衡等問題。傳統的灌溉方式不僅造成化肥和農藥利用率低、資源浪費，使農業投入成本增加，也會產生土壤性質惡化、生態環境污染等問題。現階段我國關于農業灌溉研究主要集中于區域大面積灌溉，而“高效性水肥藥一體化”的灌溉模式的研究與設計，尤其是針對灌溉裝置的優化設計仍具有較大的研究空間。在未來農業的發展中，水肥藥相結合的灌溉模式具有廣闊的發展空間。

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