基于增氧加壓功能的鹽堿地滴灌裝置設計

左永梅，劉雅輝，孫建平，張虹偉，李欣明

(1.河北省農林科學院濱海農業研究所，河北 唐山 063299；2.河北省鹽堿地綠化工程技術中心，河北 唐山 063299； 3.唐山市耐鹽植物重點實驗室， 河北 唐山 063299)

鹽堿土又稱鹽漬土，是鹽土、堿土和各種鹽化、堿化土的統稱，是一種含過多易溶性鹽類或交換性鈉離子，以至理化性質變差的土壤[1]。鹽堿土含鹽量較高，使植物的生長受到一定程度的限制，通常需要及時澆水，使其能夠生長。但鹽堿土土壤團粒結構差，容易板結，透水性、通氣性不好，且缺乏有機營養物質，土壤內部的氧氣不足，好氧性微生物活動性差[2]，抑制了植物根系的呼吸作用，進而削弱根系吸收水肥的功能。因此，適時適量供水，精確、科學控水，才能保證植物新陳代謝和茁壯成長。滴灌技術作為控制土壤鹽堿化的重要手段之一，在鹽堿地改良中起到了非常重要的作用，能節水、省藥、增產，減少勞力等的成本投入，經濟效益和社會效益顯著，在農業生產上得到了廣泛應用[3-5]?，F有技術中的滴灌裝置在使用時通常不具有增加液體含氧量的功能，植物吸收水肥的能力不強，且通常利用水泵抽水使液體持續流動，當液體長距離流動時，到達植物根莖部位時液體具有的壓力很小，滴灌效率很低。針對上述問題，茲設計了一種新型實用的增氧加壓鹽堿地區植物滴灌裝置，其原理是采用機械增氧的方法，使水體中產生微小氣泡，與水融合后產生氣態氧和已溶氧，為作物根系提供充足的氧氣。以解決現存在的滴灌裝置滴灌效率低的技術問題，為提高水資源利用提供參考。

1 裝置架構

1.1 裝置總體結構

基于增氧加壓功能的鹽堿地滴灌裝置的結構如圖1所示。裝置基本結構為水箱、氧氣輸送機構、水壓增壓機構以及液體輸送機構、抽水機構和過濾機構。水箱用于容納液體，氧氣輸送機構的輸出端與水箱的內腔聯通；水箱設置有出水口，出水口能夠與液體輸送機構相連；水壓增壓機構設置于液體輸送機構上。液體輸送機構包括輸水管和滴灌管帶，輸水管的一端與出水口相連，輸水管的另一端與滴灌管帶相連，水壓增壓機構設置于輸水管上。抽水機構設置于水壓增壓機構和水箱之間的輸水管上，過濾機構設置于抽水機構與水壓增壓機構之間的輸水管上。滴灌裝置還包括液位傳感器和控制柜，控制柜包括控制器、開關和報警器；液位傳感器、氧氣輸送機構、水壓增壓機構、抽水機構以及攪拌機構均與開關電連接，液位傳感器和報警器分別與控制器電連接。

1-水箱；11-控制柜；111-報警器；112-開關；12-攪拌機構；13-氧氣輸送機構；14-過載保護元件；15-藥液進口；16-進水口；17-輸水管；171-抽水機構；172-過濾機構；173-水壓增壓機構；2-滴灌管帶；21-曲管；22-滴灌器 圖1 結構示意圖

1.2 水箱結構

水箱結構示意圖如圖2所示，主要包括外殼、保溫層、反射層、液位傳感器和攪拌機構，其中水箱的外表面上是保溫層，保溫件的外表面上是反射層。水箱還包括藥液進口和進水口，藥液進口和進水口處設置有過濾網。水箱內設有攪拌機構，攪拌機構由攪拌槳、驅動電機和蓄電池組成，攪拌槳的輸入端與驅動電機的輸出端相連，電機與蓄電池相連。水箱上還設置有過載保護元件，過載保護元件為彈簧式安全閥。

12-攪拌機構；121-驅動電機；122-攪拌槳；13-氧氣輸送機構；131-泵體；132-氣管；133-氣石；18-保溫層；181-反射層；182-外殼；19-液位傳感器 圖2 水箱的內部結構示意圖

2 各部件的功能與技術原理

2.1 水 箱

(1)外部特點。水箱外表面的保溫層可以是壓緊的海綿、棉花、礦物棉等，與水箱外表面可通過黏接的連接方式，用于防止外界熱量進入水箱內，或者防止外界溫度過低，凍壞水箱。保溫層的外表面上的反射層是均勻涂覆的反射隔熱保溫涂料，用于反射陽光，避免太陽的熱量在水箱的表面進行累積升溫。

(2)內部特點。一是由于氧氣輸送機構持續的向水箱中輸送氣體，使得水箱內部的壓力增加，為了使水箱的使用更加安全可靠，在水箱上還設置過載保護元件，即彈簧式安全閥。一旦當水箱內的壓力異常后產生的高壓將克服安全閥的彈簧壓力，閉鎖裝置被頂開，形成一個泄壓通道，將高壓泄放掉。而當水箱內盛有液體，氧氣輸送機構持續不斷地向水箱內輸送氣體時，水箱內的壓力逐漸增大且小于過載保護元件設定的最大壓力值時，位于水箱內的液體在上層空氣的擠壓下，會以更快的速度從水箱的出水口流出。二是液位傳感器的智能化設計。液位傳感器位于水箱內部，當液位傳感器檢測到水箱內液體的高度小于設定的范圍值時，液位傳感器將信號傳輸給控制器，控制器將數據進行分析后發送相應的頻率信號給報警器，使其啟動。當報警器為揚聲器時，控制器發出對應的頻率信號給揚聲器，揚聲器發出聲音，提醒人員及時加水和藥液，實現滴灌過程的持續進行，節約了時間，提高了工作效率。

2.2 氧氣輸送機構

在此氧氣輸送機構指氧氣泵，氧氣泵包括泵體、氣管和氣石，泵體通過氣管與氣石相連。泵體通電后能夠產生壓縮空氣，氣石能將泵體產生的壓縮空氣噴出。氣石通過氣管從水箱上表面預留的孔位進入水箱的內腔，最終與水箱內腔的底面接觸。為了防止漏水，氣管與水箱的箱體壁之間密封，密封的方式可以是在箱體壁與氣管之間設置密封圈，也就是在水箱上表面的預留孔位內黏接一個內徑小于氣管直徑的密封圈，使得密封圈與氣管之間過盈配合，達到密封的效果。為了避免氣管隨液體流動時晃動對水箱內其余部件的運轉產生影響，氣管通過防水膠與水箱內腔的側壁和底面固定連接。

2.3 滴灌管帶

液體輸送機構中的滴灌管帶包括曲管和滴灌器，曲管的一端與輸水管相連，曲管的另一端與滴灌器相連。曲管能夠布設于植物根莖處的地面上，也能夠延伸進土壤里，無論是哪種設置形式，設置于其末端的滴灌器都能夠將液體輸送給植物。還可以將輸水管的一端與水箱的出水口相連，輸水管的另一端通過轉接頭與若干支管相連，任意一根支管的末端設置有堵頭，在支管的側壁上設置若干滴灌噴頭或者霧化噴頭，用于將液體均勻噴出。

2.4 工作過程

水箱進水口和藥液進口灌入液體后，經過濾網將蓄水池和藥液箱中的大顆粒雜質過濾掉，通過攪拌機構將水箱內的液體(水和藥液)攪拌均勻。使用者按下開關，滴灌裝置開始工作，先利用氧氣輸送機構將氧氣輸送進水箱中，使水箱中液體的含氧量增加，經出水口，通過液體輸送機構上設置的水壓增壓機構，提高液體流動時的壓力和速度，使液體能夠進行遠距離傳輸，進一步確保液體到達植物根莖時仍然具有一定的水壓。當含氧量高的水流至植物根莖處時，植物根莖處氧氣充足，有效提升植物根莖對水肥的吸收能力和滴灌效率。

3 測試試驗與分析

3.1 材料和方法

采用盆栽試驗土壤均均采自河北省唐山市曹妃甸區天旭生態農業有限公司院內，全鹽含量為0.35%，將同等數量、長勢相同的番茄幼苗隨機分成兩組，標記為A1和A2，其中A1安裝了本滴灌裝置，作為試驗組；A2采用普通灌溉方式，作為對照組，A1與A2的總灌水量相同，其他生長條件(光照、環境溫濕度等)均相同。經過30 d的培育后，對2組植物的植株高度、葉片寬度、土壤中水分布、植物整體長勢進行記錄，結果表1所示。

表1 測試結果

3.2 結果與分析

根據番茄秧苗整體長勢和表1可知，A1中植株根系較發達，根干重在1.58～1.75 g左右，側根數量多；莖粗一般在4.03～5.6 mm;葉色深綠，葉片肥厚，寬度在8.9～11.71 cm范圍內，分布較為均勻；高度在20.66～23.81 cm范圍內，長勢較好。A2中植株根干重在1.43～1.56 g之間，側根數量較少；莖粗一般在3.78～5.26 mm；葉片生長不勻、單薄，寬度在9.01～11.42 cm范圍內，存在較窄小葉片；高度在12.5～16.33 cm范圍內，分布不均，且存在較矮植株，長勢較差。

A1與A2的植物相比，A1的植物根干更重、莖更粗、葉片寬、株型高、土壤水分布集中，植物整體長勢更好且均勻。

2個試驗組在生長要素和用水量均相同的條件下，A1長勢明顯優于A2,說明用于A2灌溉的水沒有得到充分利用，可能在于單次澆水量過大導致深層滲漏以及灌溉后土壤濕度過大導致的蒸發加劇，很多水被浪費掉，而沒有留存于土壤中從而被作物吸收[6]。水分缺失是導致A2生長不良的重要原因。A1使用滴灌裝置，土壤濕度控制合理，深層滲漏少；其地上部分長勢良好，根系集中在被灌溉土體的外圍，表明在被灌溉土體中央，土壤內氧氣的擴散率很低，驗證了對作物根系進行增氧灌溉的處理能顯著改善被灌溉土體中央的氧氣含量，使作物能夠更好地生長發育[7]。也契合了Bhattarai等人的研究結果：向作物根區加入氧氣可以提高作物根系活力及根區微生物活力，有利于根系對土壤養分的吸收。同時增氧處理可以提高作物地上部分的生長，提高作物的水分利用率[8,9]。由此可見，在鹽漬土的土壤環境下種植番茄，對番茄根區進行增氧滴灌與常規灌溉水比較，對處理土壤內缺氧癥狀有明顯效果，提高了水資源利用，對土壤改良具有一定的積極影響。

4 結 語

這種基于增氧加壓功能的鹽堿地滴灌裝置，結構設計簡單，旨在提高滴灌的水資源利用率和增氧灌溉效果。而且使用方便，能擴大土壤內濕潤范圍，有利于水肥均勻分布，減少鹽害，為根系創造更大的生長空間。在持續灌溉的條件下，土壤濕潤體的大小、水肥分布梯度相對穩定，土壤通透性好，能充分發揮了植物根系自身的生理優化調節功能，使植物在最適宜的土壤水肥處生長，避免了土壤反鹽的情況發生，有效降低土壤耕層鹽分含量。同時減少了深層滲漏、蒸發導致的水資源的浪費，提高植物對水的利用率，節約了水資源。相對于普通滴灌，有效地提升了液體的含氧量和液體遠距離輸送的能力，提高了灌溉管理水平和灌溉水利用率[6]，尤其在含鹽量高、通透性差，土質黏重的鹽堿地具有較高的實用價值。