自動檢測定量操作土壤調節(jié)裝置設計

鄭 強，金 麗，李佳寧

（山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014）

近年來，隨著工農業(yè)生產的高速發(fā)展，大量農藥化肥的不當施用、灌溉農業(yè)的不合理開發(fā)和工業(yè)污染的無序排放，導致我國部分地區(qū)土壤酸化與鹽漬化程度呈不斷加速趨勢。我國的酸性土面積約 2.04×108hm2，鹽堿土面積約 3.6×108hm2，分別約占全國耕地面積的21%和36%，且分布廣泛，類型多樣。土壤的酸化與堿化一方面對耕作層土壤的物理性狀與肥力產生不良影響，甚至導致土壤退化，危害作物生長，致使作物減產甚至絕產，限制了農業(yè)生產的發(fā)展，甚至威脅糧食安全；另一方面，隨著土壤酸化與堿化程度的不斷加重，會造成植被減少，土地荒漠化加劇，同時影響地下水環(huán)境，加速生態(tài)環(huán)境的惡化。因此，無論從改善農業(yè)生產環(huán)境，保障糧食安全，還是從保護生態(tài)環(huán)境，促進社會經濟快速發(fā)展等出發(fā)，開展土壤修復技術與裝備研發(fā)都是十分必要的。

目前的土壤酸堿度改良措施，可分為化學改良、生物改良和綜合改良等。其中，化學改良主要通過投加化學改良劑來調節(jié)土壤酸堿度。這首先要對土壤酸堿度進行人工檢測，然后根據檢測數據人工調配化學改良劑，通過人工或機械投加。但實際操作中往往通過經驗或固定方案確定化學改良劑的配比和施用量，控制較為粗放，對土壤條件的適應性差、改良效果不理想。而現有的土壤酸堿度調節(jié)設備，無法對土壤的酸堿度進行測定，缺乏土壤檢測、改良劑配制和投加等環(huán)節(jié)的高效聯動，且實際應用中不便于控制改良劑配比，易造成配比誤差較大，且設備自動化程度不高，工作效率低，無法達到對土壤酸堿度進行調和的目的。因此，研發(fā)一種能夠自動進行土壤酸堿度檢測，精準控制改良劑配比，自動進行改良劑配制和投加的土壤酸堿度改良裝置，對于提升土壤改良裝置自動化水平，提高工作效率，改善工作條件，保證工作效果具有積極意義。

1 總體設計構想

1.1 裝置架構與功能

該裝置采用模塊化架構，由檢測模塊、改良劑配制模塊、投加模塊和控制模塊組成。

1）檢測模塊。該模塊由探針式土壤酸堿度快速檢測儀、電動機、皮帶輪、絲桿、螺紋塊、移動桿和防護罩組成。電動機、皮帶輪、絲桿、螺紋塊和移動桿組成動作機構，通過其配合動作帶動探針式土壤酸堿度快速檢測儀上下運動，使探針插入土壤開始自動檢測，并自動記錄和傳送檢測數據至控制模塊。

2）改良劑配制模塊。該模塊由酸液存放箱、堿液存放箱、水箱、浮球、浮桿、穩(wěn)定塊、固定桿、刻度線、酸液管、堿液管、電磁閥、進液管、電機、攪拌桿和葉片組成，用于精確控制將標準濃度的酸液和堿液按照既定比例配制成滿足土壤改良要求的改良劑溶液。酸液和堿液存放箱用于存放標準濃度的液態(tài)酸堿改良劑；浮球、浮桿、穩(wěn)定塊、固定桿、刻度線等組成液位控制機構，用于觀測、監(jiān)測和控制各箱體內液位，并將監(jiān)測數據傳送至控制模塊；酸液管、堿液管、電磁閥、進液管、電機、攪拌桿和葉片組成改良劑配制機構，用于精準控制改良劑配比，制備符合要求的改良劑溶液。

3）投加模塊。該模塊由、水泵、電磁閥、管道和噴盤組成，用于按照要求精準控制改良劑投加量。

4）控制模塊。主要為小型PLC，與前述三個模塊連接，用于寫入數據處理和控制程序，接收和處理土壤酸堿度檢測數據和各箱體液位信息，精確控制各模塊電磁閥的啟閉和電動機的啟停等動作。

1.2 裝置結構設計

裝置結構設計見圖1。

圖1 裝置結構設計圖

2 設備運行原理

裝置運行時，第一電機5帶動第一皮帶輪6轉動，第一皮帶輪6通過皮帶帶動第二皮帶輪7轉動，第二皮帶輪7帶動絲桿8轉動，絲桿8帶動螺紋塊9移動，螺紋塊9通過移動桿10帶動酸堿度測試儀11移動，將酸堿度測試儀11插入至土壤內，對土壤的酸堿度進行檢測，取兩個酸堿度測試儀11所測試數據的平均值作為調和值，并將檢測數據傳送至控制模塊的小型PLC，對檢測數據進行計算，并按照提前寫入程序中規(guī)定的相應酸堿度條件下酸液和堿液與水的配比進行改良劑配制。若土壤堿性較高時，PLC控制打開第二電磁閥22，酸性溶液通過酸液管21流入至水箱4內，酸液存放箱2中酸性溶液體積減小，此時酸液存放箱2內的浮球12下移，帶動浮桿14向下移動，此時刻度線16下移，通過監(jiān)測液位的變化，從而得到酸性溶液流出的容量，并將監(jiān)測數據傳送至PLC，直至酸性溶液排放量達到所需容量時，PLC控制關閉第二電磁閥22。若土壤酸性較高時，打開第三電磁閥24，堿性溶液通過堿液管23流入至水箱4內，與上述原理相同，直至堿性溶液排放量達到所需容量時，關閉第三電磁閥24。隨后，進水管31往水箱4內注水，水箱4內的浮球12移動，帶動水箱4內的浮桿14向下移動，通過監(jiān)測液位變化，注水至所需要的容量，PLC控制停止注水，并啟動第二電機26工作帶動攪拌桿27轉動，攪拌桿27帶動葉片28轉動，使酸性溶液與水溶液快速混合，完成改良劑配制。此后，PLC控制水泵17工作，帶動第一電磁閥20，配制好的改良劑通過管道19和噴盤18向土壤進行噴灑投加，對土壤酸堿度進行調和。

3 裝置的應用

該裝置將土壤酸堿度自動檢測、改良劑的精準配制與自動投機有機整合，自動化程度較高，可有效提高土壤酸堿度調節(jié)工作效率，提升改良效果。該裝置既可以獨立設備模式用于土壤酸堿度調節(jié)作業(yè)，作為一種精細農業(yè)的生產裝備，較為適用于果樹、蔬菜、花卉、苗木等經濟作物小范圍種植區(qū)域內的土壤酸堿度調節(jié)，也可經適當改裝后與其他行走設備、動力設備、噴灌機及水肥一體化設備等聯合構成性能更為強大的、適用于大范圍生產種植和土壤改良的系統，其適用性能更廣泛，作業(yè)效率更高，技術優(yōu)勢更明顯。

目前，該裝置在自動行走機構設計、動力與供電系統設計、整體小型化設計、智能化設計等方面仍有較大的升級空間。今后需積極探索將GPS定位與導航、行走機構自動控制、風光電互補、遠程智能控制等先進技術應用于該裝置的技術方法，真正實現該裝置的全自動智能作業(yè)。