一種旁路施肥機在噴灌水肥一體化的應用試驗

湯鵬程，張紫森，李熙婷，徐 冰，任 杰，李 想

（1.中國水利水電科學研究院 內蒙古陰山北麓草原生態水文國家野外科學觀測研究站，北京 100038； 2.中國水利水電科學研究院牧區水利科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010020； 3.鄂爾多斯市農牧業生態與資源保護中心，內蒙古 鄂爾多斯 017200；4.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018）

0 引 言

隨著現代農業發展與大量農村勞動力向城市轉移，機械化、精準化、智能化已成為農業機械發展趨勢［1，2］。水肥一體化技術是通過施肥機將肥液帶入灌溉水中，并以灌溉水為載體通過噴灌等節水灌溉設備施入田間［3］。該技術可降低勞動強度，有效控制灌溉水量和施肥量，避免常規施肥機械作業對作物中后期生長造成傷害，提高作物產量和品質［4］。

在水肥一體化技術中，其核心裝置是施肥機［5］。現有的噴、滴灌系統施肥裝置多采用壓差式施肥罐進行［6］，因為固體化肥溶解性較差以及系統壓力和罐內液位的變化，所以造成施肥量不穩定、肥料濃度均勻性較差和施肥罐內肥料殘等問題［7］。同時由于施肥作業不便，多地區將大量化肥作為底肥一次性在翻耕前施入耕作層，導致部分化肥隨灌溉水、降水滲入根系層以下污染地下水體［8］，長此以往地下水體富營養化將對區域生態系統造成不可逆的破壞。目前國內水肥一體化技術還處于發展階段［9］，大田施肥主要以固體肥為主，施肥機研究大多局限于關鍵部件［10］，針對施肥機整體研究較少，且缺少相關針對設備的田間試驗驗證［11］。隨著水肥一體化技術在全國范圍內大面積應用和推廣，其核心施肥機技術亟待解決。

因此，本研究擬設計一種旁路施肥機，利用原有的大田灌溉管路，通過電子流量計及水表等計量設備對施肥狀態進行實時監測，實現精準施肥，提高肥料利用率，同時結合大田試驗數據，驗證該旁路施肥機實際性能。

1 精確施肥系統結構設計

精確施肥系統是保證水肥一體化中施肥均勻、肥料利用率高的前提［8］。該系統由化肥溶解，旁路施肥機，過濾和供水4部分組成。其中化肥溶解部分由攪拌機、化肥溶解罐、液位計、壓力表等組成。旁路施肥機主要包括控制器、增壓泵和動態顯示界面。過濾系統包含外置離心式過濾器與網式過濾器。供用水系則統采用原有噴灌管路。精確施肥系統設計詳見圖1。

圖1 精確施肥系統結構設計圖Fig.1 Structural design drawing of precise fertilization system

2 旁路施肥機結構與工作原理

2.1 結構組成

“精確施肥系統”中，最主要部分為“旁路施肥機”的設計。旁路施肥機工作時，通過在動態展示界面進行可視化流量、肥量配比，實現水肥一體化精細控制。現場作業時，技術人員可定期對管道壓力、水質pH值和EC值進行安全監測，并通過轉子流量計和隔膜閥，查看各供肥桶流量，對各供肥桶流量進行手動調節校準。遠程作業時，可通過控制裝置（PLC）采集的數據信息，觀察動態施肥過程，自動獲取作物灌溉施肥推薦量，并利用內置通訊模塊與服務器進行通訊，幫助現場指導灌溉施肥。具體結構如圖2所示。

圖2 旁路施肥機樣圖Fig.2 The instance of bypass fertilization machine

2.2 工作原理

旁路施肥機與田間原有管路連通，具體布置如圖3所示。水由進水總管通過增壓泵進入各支管，可通過電磁閥、遠傳水表和隔膜閥對水流進行調控；各吸肥管路均與不同的肥桶連接，肥料通過吸肥管路與進水支管中的水在文丘里管處混合。吸肥過程中通過電柜調控增壓泵的功率幫助文丘里管中肥液進入出水總管，同時通過轉子流量計對肥量進行統計，并且采用吸肥電磁閥和吸肥隔膜閥對肥量進行調控，從而實現對不同工況所需肥料進行不同配比。

圖3 旁路施肥機工作原理簡圖Fig.3 The operating principle of bypass fertilization machine

2.3 關鍵部件設計與參數

2.3.1 控制器

如圖4所示，控制裝置包括變頻器、PLC、恒壓供水控制器以及模擬量采集模塊等。控制裝置接收流量計、EC和pH值傳感器以液位傳感器的檢測信號，輸出控制指令至增壓泵、水源泵。本實例中，控制裝置包括變頻器、PLC、交流接觸器、中間繼電器等電氣元件。PLC接收多路流量計的脈沖信號上傳至上位機進行顯示，PH傳感器、壓力傳感器等采集的數據通過模擬量采集模塊進入上位機進行顯示、判斷。

圖4 電氣控制原理圖Fig.4 Electric control principle

2.3.2 動態顯示界面

圖5所示為旁路施肥機的動態顯示界面，該界面源程序由Microsoft C++6.0語言編程完成。該軟件針對性用于設施農業精準灌溉施肥系統，方便種植者對作物進行精準灌溉和施肥，還可以幫助管理者遠程掌握田間管理情況。

圖5 動態顯示界面Fig.5 Operation interface

3 試驗與分析

3.1 試驗區概況

旁路施肥機在噴灌水肥一體化實際應用的相關試驗于內蒙古通遼市保康鎮開展。試驗區屬溫帶大陸性季風氣候，春季回暖快，多風沙；夏季雨熱同步，雨量集中；秋季短促，降溫快；冬季干冷漫長。多年平均氣溫8.1 ℃，多年平均降雨295 mm，最高氣溫36.1 ℃，最低氣溫-24.9 ℃，無霜期203 d，全年日照2 799.7 h。對核心試驗田土壤物理性狀進行了測定，該試驗區土層厚度0～100 cm田間持水量在25.7%～29.4%之間，各層平均土壤干容重為1.554 g/cm3，土壤類型為砂質壤土，具體土壤參數詳見表2。

表2 土壤物理性狀相關參數Tab.2 The physical characteristics of soil

3.2 試驗設計

本試驗開展時間為2015年和2016年的5-9月。采用不同時段實時測得不同土層含水率，根據含水率計算滲漏量，同時將日平均降雨深度小于2 mm的情況視為無效降雨［12］，2015年、2016年玉米生育階段劃分與降雨量詳見表3。試驗材料采用氮肥（尿素，含氮量46%），磷肥（過磷酸鈣，含磷量14%）和鉀肥（氯化鉀，含鉀量為60%），試驗中各處理氮、磷、鉀肥有效元素均為20、9和15 kg/畝。

表3 生育階段劃分與降雨量Tab.3 Reproductive stage division and rainfall

本試驗共設置3個水肥處理，分別以施肥方式和灌水量為變量控制試驗，全生育期灌水方案詳見表4。①SF-1，以氮肥總量的40%作為底肥施入；苗期末期伴隨中耕松土由機耕追施氮肥總量的30%；剩余30%氮肥在玉米拔節期、抽雄期、灌漿成熟期分3次利用旁路式施肥機施入田間。磷肥作為底肥一次性施入田間。鉀肥分別作為底肥、苗期追肥由機耕分兩次（每次各50%）施入田間。②SF-2，以氮肥總量的40%作為底肥施入；苗期末期伴隨中耕松土由機耕追施N肥總量的30%；剩余30%氮肥在玉米拔節期、抽雄期、灌漿成熟期分3次采用壓差式施肥罐施入田間。磷肥作為底肥一次性施入田間。鉀肥分別作為底肥、苗期追肥由機耕分兩次（每次各50%）施入田間。③SF-3，與SF-2施肥方式完全相同，但全生育期內不灌水。

表4 玉米各生育期灌溉水量Tab.4 The irrigation amount at different growth period of corn

本研究采用水量平衡法［13，14］計算不同處理玉米的需水狀況，具體公式如下：

式中：ET為需水量；P為生長季的某一時段有效降雨量；I為某一時段有效灌溉量；ΔSWS為土壤儲水量變化；Q為地下水的補給量和滲漏量。上述指標均以mm為單位計算。

3.3 結果與分析

2015年、2016年試驗區玉米產量（玉米籽粒干重）、耗水量以及水分生產率，如表5所示。①對比不同年份試驗區玉米產量：2016年玉米拔節期遭受集中強降雨，玉米受澇災影響，總體產量低于2015年產量。②對比同一年份：2015年水肥同施的SF-1處理對比SF-2處理增產12%，對比SF-3處理增產69%；2016年水肥同施的SF-1處理對比SF-2處理增產9%，對比SF-3處理增產47%；且2015年、2016年SF-1處理玉米水分生產率均最高，分別為1.87、1.81 kg/m3。

表5 玉米各處理效益分析Tab.5 The benefit analysis of different treatment

4 結 論

（1）本研究通過解析旁路式施肥機工作原理，對水肥配比管路、電氣控制元件布置結構以及動態顯示界面進行設計，得到該旁路施肥機。該旁路施肥機的應用解決了肥料利用效率低下，施肥機安裝復雜等問題，實現了自動定量施肥與可視化操作，在現代農業高效節水灌溉領域具有一定的推廣應用意義。（2）結合2015年、2016年田間試驗驗證，該旁路施肥機運行表現良好。在玉米種植中應用該旁路施肥機施肥比壓差式施肥罐和雨養施肥，2015年分別增產12%與69%；2016年分別增產9%與47%，且兩年內應用該旁路施肥機施肥玉米水分生產率均最高，分別為1.87和1.81 kg/m3，經濟效益顯著，有利于促進農民增產增收。