輕簡水肥一體機的設計及其在日光溫室黃瓜種植中的應用效果試驗

尹義蕾，李 愷，侯 永，齊青卓，王 柳，魏文亮，丁小明

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設計研究院，北京100125；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設施結(jié)構工程重點實驗室，北京100125；3.普渡大學，美國印第安納州西拉法葉47907；4.河北省永清縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北永清065600）

0 引 言

京津冀區(qū)域是我國北方規(guī)模最大的經(jīng)濟發(fā)展區(qū)，京津3 700 萬常駐人口消費水平的提升為河北省設施蔬菜發(fā)展帶來了廣闊的發(fā)展前景。當前，河北省永清縣蔬菜種植面積達到2.4 萬hm2，是環(huán)京津冀都市圈重要的“菜籃子”供應基地[1,2]。然而該地區(qū)部分種植區(qū)域土壤堿性大，滴灌種植模式易造成土壤次生鹽漬化，同時，農(nóng)戶應用的灌溉系統(tǒng)中，往往存在過濾設備配置不健全的問題，一般采用把營養(yǎng)液母液罐高置借助重力或隨水沖施進行水肥一體化灌溉施肥作業(yè)，由此導致施用營養(yǎng)液濃度嚴重不均勻，滴頭易堵塞，致使滴灌技術在農(nóng)戶實際種植中難以推廣應用[3]。在該微堿性環(huán)境設施土壤栽培中，膜下微噴是較好的水肥一體化灌溉方式，但相比傳統(tǒng)的滴灌技術，灌溉流量較大，一般需要達到20 m3/h 以上，因此對水肥一體化灌溉施肥裝置吸肥能力要求較高。除此之外，當前具有EC 和pH 精準反饋調(diào)節(jié)的水肥一體化裝置雖然水肥供給更精準[4,5]，但造價過高，單價一般超過3.5 萬元，且操作復雜，一般的種植農(nóng)戶難以承受。綜上所述，開發(fā)一種低成本、操作便捷、吸肥能力大的輕簡化水肥一體化設備就顯得尤為重要。

為此，本文基于河北省永清縣日光溫室黃瓜種植的具體案例設計了一種適用于膜下微噴且低成本的水肥一體機，并在日光溫室中進行了栽培效果對比試驗。本研究旨在研發(fā)一種適合當前農(nóng)民生產(chǎn)條件的水肥一體機，以期能降低農(nóng)戶生產(chǎn)成本投入和操作難度，減少過量施肥對環(huán)境的污染，切實提高農(nóng)民收益。

1 輕簡水肥一體機設計

1.1 設計原理及裝置構成

（1）設計原理。輕簡水肥一體機借助吸肥動力泵的輸出壓力[6,7]，通過吸肥通道把存儲在營養(yǎng)液母液罐里的母液壓入到灌溉管路中。從取樣口測試灌溉營養(yǎng)液EC，如果不滿足種植要求，可通過吸肥通道的隔膜閥進行調(diào)節(jié)。與當前精準水肥一體化設備相比，該設備未帶有EC、pH 自動反饋調(diào)節(jié)功能，依靠主管路的調(diào)節(jié)球閥、壓力表和定時系統(tǒng)，實現(xiàn)設備的自動化均勻供肥。

（2）裝置構成。該裝置主要包括肥料供給系統(tǒng)、輸水管路系統(tǒng)、灌溉控制系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)。肥料供給系統(tǒng)作為該機器的核心，主要包括吸肥管路、母液罐和吸肥動力泵，其中吸肥管路主要由文丘里吸肥器、過濾器以及隔膜閥組成；母液罐一般選用容積50 L 左右塑料桶，不工作時，可轉(zhuǎn)移到溫室一邊，減少對溫室種植作業(yè)的影響。輸水管路包括球閥、壓力表、取樣閥門等，其中取樣閥門主要用于測試灌溉營養(yǎng)液的EC 是否符合種植要求。灌溉控制系統(tǒng)主要由繼電器、定時器等組成，通過控制吸肥動力泵的啟停來實現(xiàn)肥料的注入。支撐系統(tǒng)由裝配式鋁型材裝配而成，用于輸水管路和肥料供給系統(tǒng)的固定。

1.2 吸肥泵位置優(yōu)化選擇

由于膜下微噴所需灌溉流量較大，水肥一體機吸肥能力大小是裝置成本的主要制約因素[8]，其中吸肥泵放在進水管路的前端或者后端，即借助于吸肥泵的負壓或者正壓吸取肥料是影響該裝置吸肥能力大小的主要因素。借助筆者自行設計的測試平臺對兩種吸肥泵放置位置下的吸肥能力進行測試。裝置性能測試見圖1，其中前置吸肥泵采用虛線繪制。進水管路和出水管路都采用公稱直徑50 mm 的硬聚氯乙烯管件，管路安裝壓力表、流量計及閥門，用以監(jiān)控進水管路的壓力、流量。通過調(diào)節(jié)變頻水泵的壓力，在出口壓力為0.05、0.09、0.11、0.13 MPa的狀態(tài)下，每次測試時間取3 min，測試3次取平均值，裝置吸肥數(shù)據(jù)見表1。通過表1數(shù)據(jù)可以看出，兩種情況下吸肥量均隨出口壓力的增大而減小，吸肥泵后端放置在出口壓力為0.09、0.11 和0.13 MPa 時吸肥量顯著大于前置，效果較好，因此本設備選擇后端放置。

圖1 輕簡水肥一體機測試圖Fig.1 Schematic diagram of simplified water fertilizer integrated machine

表1 吸肥泵兩種狀態(tài)下的不同吸肥量Tab.1 Different suction amount of suction power pump under two conditions

2 應用效果試驗

2.1 試驗條件

為測試輕簡化水肥一體化設備的應用效果，選用位于河北省永清縣龍虎莊鄉(xiāng)大青垡村兩棟類型相同的日光溫室進行種植試驗。兩棟日光溫室長度70 m，跨度10.76 m，脊高3.7 m，后墻高度2.8 m。溫室前屋面覆蓋40 mm 厚的保溫被，卷放時間為7：30～8：00 和16：30～17：30。兩座日光溫室內(nèi)均采用壟上膜下微噴種植黃瓜，試驗溫室內(nèi)采用輕簡水肥一體機追肥，對照溫室內(nèi)則采用傳統(tǒng)重力自流注肥。一壟雙行，壟中間距90 cm，壟寬60 cm，壟高40 cm，株距20 cm，行距40 cm，10月底定植。

每個溫室布置3個溫濕度測試點，每個點布局在溫室軸向三等分的跨中位置。本次試驗采用由日本生產(chǎn)的TR?72U 溫濕度記錄儀分別測定兩間溫室的室內(nèi)空氣溫度和濕度。

輕簡化水肥一體機為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設計研究院自主設計，2 通道吸肥，吸肥量可達10 L/min；傳統(tǒng)重力自流注入式施采用容量20 L 水桶，懸掛高度為1.5 m，水桶底部安裝有外徑為20 mm 的軟管將閥門和灌溉主管路連接。灌溉施肥模式均采用先灌溉10 min 清水，然后進行水肥一體化灌溉施肥，最后再灌溉10 min 清水。營養(yǎng)液母液均采用肥料與清水按照質(zhì)量1∶10進行配置，灌溉主管道流量為25 m3/h。

2.2 試驗方案

2.2.1 灌溉營養(yǎng)液濃度均勻性檢測

為檢測兩種施肥方式下的灌溉營養(yǎng)液濃度差異[9]，分別將輕簡化水肥一體機和重力施肥桶接入日光溫室的灌溉主管路，每棟溫室設置6 個取樣點。取樣點均為微噴灌帶的中間位置，第1 個取樣點設置在距離注肥口1.5 m，其他相互之間間隔14 m，在水肥一體化灌溉施肥5、10、15、20、25 min 后，每個位置取樣1 次，測試灌溉營養(yǎng)液EC，按以下公式分別計算灌溉營養(yǎng)液濃度空間均勻性和時間均勻性。

式中：Us和Ut分別表示灌溉營養(yǎng)液濃度的空間均勻性和時間均勻性；Cij為某一取樣點某一時刻的灌溉營養(yǎng)液EC；i和j分別表示取樣點和時刻的編號；n和m分別表示取樣點和時刻總數(shù)；Cj和Ci分別表示不同取樣點j時刻EC平均值，和不同時刻i取樣點EC平均值。

2.2.2 不同灌溉施肥方式下黃瓜栽培對比試驗

兩棟溫室施用底肥豬糞180 m3/hm2，試驗期間，試驗溫室、對照溫室用肥品類、灌溉時間相同，按照套餐化施肥策略[10,11]，試驗溫室按照對比追肥減少30%的方案施用，具體用肥數(shù)據(jù)見表2。

表2 兩個溫室的用肥量Tab.2 Fertilization amount of the two greenhouses

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗環(huán)境

選取2019年2月18日至2019年2月15日兩棟溫室空氣溫濕度進行對比，對比圖見圖2。結(jié)果顯示，兩棟溫室的溫濕度極為接近，可視同在同樣的環(huán)境下進行黃瓜生產(chǎn)。從圖2可見，試驗溫室與對照溫室相對比，濕度相對較低，溫度基本相同，這可能是因為追肥相同條件下，重力自流灌溉施肥相對時間較長，提高了棚內(nèi)濕度。

圖2 溫室內(nèi)溫濕度Fig.2 Temperature and humidity of greenhouse inside

3.2 灌溉營養(yǎng)液濃度均勻性分析

灌溉營養(yǎng)液濃度均勻性見圖3，傳統(tǒng)重力自流灌溉施肥和水肥一體機灌溉施肥其灌溉營養(yǎng)液濃度空間均勻性分別為0.964 6±0.007 2 和0.968 2±0.005 1，沒有顯著差異（P＞0.05），而水肥一體機灌溉施肥的時間均勻性為0.992 5±0.005 5極顯著（P＜0.05）高于傳統(tǒng)重力自流灌溉的0.917 6±0.015 6。由圖4可見水肥一體機灌溉施肥灌溉營養(yǎng)液EC不同時間幾乎保持不變，而傳統(tǒng)自流灌溉施肥灌溉營養(yǎng)液EC隨時間延長不斷下降。

圖3 灌溉營養(yǎng)液濃度均勻性Fig.3 Uniformity of irrigation nutrient solution concentration

圖4 灌溉營養(yǎng)液EC隨時間變化Fig.4 Change of irrigation nutrient solution concentration with time

3.3 黃瓜產(chǎn)量對比

分別對兩棟溫室的化肥施用量和黃瓜產(chǎn)量進行記錄并對比，測試時間 為2018年12月20日至2019年3月19日，兩個溫室黃瓜產(chǎn)量見圖5。通過圖5可以看出，試驗溫室與對照溫室，采收時間不完全重合，試驗溫室采收量總體高于對照溫室，試驗溫室采收量為8.24 t，對照溫室采收量為7.76 t，增產(chǎn)約6.18%。結(jié)果表明，運用輕簡水肥一體機結(jié)合膜下微噴的灌溉技術，可以達到化肥減施且增產(chǎn)的目的。

圖5 溫室黃瓜產(chǎn)量Fig.5 Greenhouse cucumber yields

3.4 輕簡水肥一體機成本分析及應用前景

以本次試驗的運營實際為例進行成本分析，機器壽命以5 a 為折舊期，設備運行1 a 的總投入為757 元/a，其中電費7元、安裝費300 元、折舊費450 元，運行時間從當年10月中旬到第二年5月中旬，共計約7個月來計算。

輕簡水肥一體機運行產(chǎn)生的總效益分析如下：

（1）節(jié)省勞動力和肥料效益：與傳統(tǒng)灌溉施肥操作相比，每棟溫室每月可節(jié)省工人2 h 勞動量，以小時工資25 元計付，年節(jié)省0.03 萬元；每個生長季可節(jié)省肥料27 kg，以20 元/kg計算，年節(jié)省0.05 萬元。

（2）產(chǎn)品效益：采用輕簡水肥一體機后，與傳統(tǒng)模式對比，產(chǎn)量提高6.18%左右。單棟溫室運營期內(nèi)（占地753 m2），種植面積約為670 m2，按照試驗結(jié)果計算，增產(chǎn)約7 164 kg/hm2，黃瓜單價按照3 元/kg，提高收益2.15 萬元/hm2。

輕簡水肥一體機灌溉施肥條件下每棟增加投入約0.08 萬元，節(jié)省勞動力和肥料費用0.08 萬元，二者抵消，則總提高收益為2.15 萬元/hm2。

本文只研究了輕簡水肥一體機灌溉施肥對黃瓜產(chǎn)量的影響，下一步將擴展到對黃瓜生理參數(shù)、品質(zhì)等研究，以期能得出更全面細致的結(jié)論。

4 結(jié) 論

（1）隨著灌溉管網(wǎng)出口壓力的增大，輕簡水肥一體機的吸肥量呈遞減趨勢，吸肥泵后置模式吸肥量大于前置，效果較好。

（2）在河北永清縣日光溫室膜下微噴灌條件下應用測試表明，輕簡水肥一體機與傳統(tǒng)重力自流灌溉施肥相比較，灌溉營養(yǎng)液濃度空間均勻無顯著差異，但前者灌溉營養(yǎng)液濃度時間均勻性顯著好于后者，后者灌溉營養(yǎng)液EC隨時間遞減。

（3）在化肥減施30%情況下，可增產(chǎn)6.18%。

（4）輕簡化水肥一體機憑借其自動化的定時、定比例施肥，可提高收益2.15 萬元/hm2，且能降低勞動作業(yè)者作業(yè)時間。