大棚食用菌種植與自控微噴技術(shù)研究

徐紅梅

（滕州市水務(wù)局，山東 滕州 277500）

隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的不斷深入，發(fā)展大棚菜、大棚食用菌己成為滕州農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的主要支柱產(chǎn)業(yè)。香菇作為綠色食品，以其豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和珍貴的藥用價(jià)值，贏得了各消費(fèi)階層的喜愛，市場(chǎng)行情日益走俏。目前，滕州市香菇種植基地已發(fā)展到10余處，溫室大棚200多個(gè)，總占地面積16.4 hm2，從業(yè)人員1200余人，經(jīng)濟(jì)效益顯著，開發(fā)前景良好。但是，由于人工灑水，勞動(dòng)強(qiáng)度大，灌溉用水浪費(fèi)較多，而缺水或?yàn)⑺痪默F(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，香菇生長(zhǎng)所需的濕度、溫度得不到充分滿足，影響了香菇的產(chǎn)量、品質(zhì)和外觀形象，嚴(yán)重制約了香菇種植業(yè)進(jìn)程和規(guī)模化發(fā)展。

2005年，棗莊市水務(wù)局承擔(dān)了棗莊市科委下達(dá)的《大棚食用菌自控微噴技術(shù)研究》項(xiàng)目。系統(tǒng)運(yùn)行幾年來，通過跟蹤觀測(cè)、對(duì)比分析，表明：電子傳感自控微噴灌系統(tǒng)，在香菇種植溫室大棚中實(shí)用性強(qiáng)，投資少，見效快，經(jīng)濟(jì)效益顯著，適合大面積推廣?，F(xiàn)將該系統(tǒng)從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面介紹如下：

1 自控方案的確定

1.1 試區(qū)概況

試區(qū)位于滕州市南沙河鎮(zhèn)東北部，濟(jì)棗公路西側(cè)，屬南沙河鎮(zhèn)南池村，參與研究實(shí)驗(yàn)的食用菌大棚共4個(gè)，總占地面積0.43hm2。單溫室棚長(zhǎng)59 m，寬8 m，容納菌棒11000個(gè)，實(shí)驗(yàn)前香菇年產(chǎn)量8600余公斤，總產(chǎn)值38700元，純利潤(rùn)約9380元。

1.2 自控方案選擇原則

針對(duì)香茹的規(guī)模種植，區(qū)域化經(jīng)營(yíng)，擬定了單井四溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)，充分利用時(shí)空分布輪回微噴灌，以提高水源工程的利用率，降低造價(jià)，便于管理。

1.3 單棚自控方案

根據(jù)香菇的生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)，按棚內(nèi)氣溫劃分為：小于 4℃、4℃～8℃、8℃～25℃、 大于 25℃ 4個(gè)溫度控制區(qū)間，在這4個(gè)溫度控制區(qū)間內(nèi)香菇生長(zhǎng)需水量不同。這就要求微噴灌系統(tǒng)，嚴(yán)格按照香菇生長(zhǎng)發(fā)育的要求確定啟噴和停噴。通過進(jìn)一步總結(jié)香菇種植戶經(jīng)驗(yàn)，制訂單棚控制方式方案如下：

（1）氣溫低于4℃時(shí),香菇基本處于休眠狀態(tài)，不需要經(jīng)常噴水，該溫控區(qū)自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為休眠狀態(tài)。管理人員視情況不同靈活掌握。

（2）棚內(nèi)氣溫 4℃～8℃時(shí),香菇生長(zhǎng)較慢，菌棒水分散失較少，要求環(huán)境濕度較低，一般24h噴水1～2次。該溫控區(qū)自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為：雙歷時(shí)電路控制。即：間隔歷時(shí) 12～24h，一次噴水歷時(shí)2～3min。

（3）棚內(nèi)氣溫 8℃～25℃時(shí),香菇生長(zhǎng)很快，菌棒水分散失量較大，這時(shí)環(huán)境空氣濕度必須保持在80%以上，才能保證香菇正常生長(zhǎng)。該溫控區(qū)自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為：環(huán)境空氣濕度傳感器提供起噴信號(hào)，一次噴水歷時(shí)2～3min。

（4）棚內(nèi)氣溫大于25℃時(shí),需要大量通風(fēng)以降低氣溫，這時(shí)香菇生長(zhǎng)不是很快，但由于氣溫高,菌棒水分散失量很大，棚內(nèi)環(huán)境空氣濕度無法保證相對(duì)穩(wěn)定，必須頻繁噴水，其作用一是補(bǔ)充水分，二是配合通風(fēng)降低棚內(nèi)氣溫。該溫控區(qū)自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為：雙歷時(shí)電路控制，即：間隔歷時(shí) 15min至 1h，一次噴水 10～30s。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

本自控微噴灌系統(tǒng)由電子傳感綜合控制系統(tǒng)、繼電設(shè)備和安全保護(hù)裝置、水源和提水設(shè)備、管網(wǎng)和微噴設(shè)備等4部分組成。

2.1 電子傳感綜合控制系統(tǒng)

2.1.1 測(cè)控流程

電子傳感綜合控制部分是溫室自控系統(tǒng)的測(cè)控核心，測(cè)控流程是：通過溫度傳感器中的三組溫感電路，使集成電路判別出大棚溫室內(nèi)環(huán)境溫度，所屬的溫度控制區(qū)間（小于 4℃ 、4℃～ 8℃、8℃～25℃、大于 25℃），并與相應(yīng)的溫度控制區(qū)間的微噴灌控制方式電路聯(lián)通，從而輸出相應(yīng)于該溫控區(qū)的需灌信號(hào)。大棚溫室間掃描以每秒一次的頻率依次搜索。輪灌系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)單棚溫室，有時(shí)會(huì)以不同或相同的微噴灌控制方式，近于同時(shí)輸出需灌信號(hào)，當(dāng)掃描信號(hào)與某一溫室的需灌信號(hào)相遇時(shí)，掃描信號(hào)被鎖定，供水機(jī)泵和該溫室的電磁閥會(huì)同時(shí)啟動(dòng)噴灌，噴灌歷時(shí)過后，掃描信號(hào)繼續(xù)搜索，就這樣，在輪灌系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)單棚溫室之間以不同或相同的控制方式輪回噴灌。

2.1.2 傳感器研制

根據(jù)實(shí)際控制的需要，研制了空氣濕度、溫度兩種傳感器和具有 1s、30s、15min、2h 4種信號(hào)輸出的電子時(shí)鐘電路。

（1）濕度傳感器，是本控制系統(tǒng)中利用率最高、最活躍的部件，濕度感應(yīng)核心部件，采用了北京寶力馬傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的S302H5濕度變送模塊。利用分析集成電路的模擬開關(guān)功能，組成變送電路，根據(jù)環(huán)境濕度在80%RH時(shí)，S302H5濕度變送模塊輸出的電位信號(hào)，做出定量臨界判斷，輸出相應(yīng)的高（低）電位。

S302H5濕度變送模塊有關(guān)技術(shù)指標(biāo)為：

①測(cè)量范圍：0～100%RH;②測(cè)量精度：≤ 5%RH;③消耗電流：<1.5mA；④信號(hào)輸出：0.38～3.68V與0～100%RH線性對(duì)應(yīng);⑤時(shí)間常數(shù):5s;⑥供電電源:5V DC5%;⑦使用環(huán)境:0～+50℃;⑧儲(chǔ)存環(huán)境：-20～+50℃（非凝結(jié)）;⑨連接端口：4針插座（2.0mm間距）;⑩敏感元件：S108高分子濕敏電容器。

（2）溫度傳感器，實(shí)質(zhì)上是溫度傳感組合電路。該電路使用DC+5V5%電源，分析集成電路是4051-3-8模擬芯片，溫度傳感是由三組精密電位器（3296/100K）和溫感電阻（-20K/0℃～60℃）組成。通過調(diào)試三組溫度傳感器，使分析集成電路分別在 4℃ 、8℃、25℃時(shí)產(chǎn)生臨界電位，當(dāng)溫室內(nèi)環(huán)境溫度分別處于小于4℃ 、4℃～8℃、8℃～25℃、大于 25℃這 4個(gè)溫度控制區(qū)間時(shí)，三組溫度傳感電路將組成4種不同組合，分析電路會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生出4種不同的輸出，根據(jù)輸出的不同信號(hào)，確定不同的噴灌方式。

溫度傳感器有關(guān)技術(shù)指標(biāo)為：①測(cè)量范圍：-50～+120℃;②測(cè)量精度：≤ 0.5℃;③自身功耗： 0.75mW/℃;④基本電阻：-10K/22℃;⑤時(shí)間常數(shù):12s;⑥線性系數(shù):0.15%。

2.1.3 電子時(shí)鐘電路

由兩部分構(gòu)成：一是時(shí)鐘產(chǎn)生電路，該電路使用DC+5V5%電源，由石英晶振器和5369/60Hz時(shí)鐘發(fā)生電路以及外圍元件組成，輸出標(biāo)準(zhǔn)1/60s信號(hào)。二是信號(hào)分級(jí)處理，該電路以1/60s為輸入信號(hào)，使用10進(jìn)制電流單路分配器組合群體，逐級(jí)降頻，從而產(chǎn)生出1s、30s、15min、2h 4種時(shí)鐘信號(hào)，為各歷時(shí)電路提供了單位指標(biāo)，為輪灌系統(tǒng)內(nèi)各溫室之間需灌信號(hào)的搜索提供了動(dòng)態(tài)依據(jù)。

2.2 繼電設(shè)備和安全保護(hù)裝置

繼電設(shè)備是用來執(zhí)行電子傳感綜合控制系統(tǒng)的指令、驅(qū)動(dòng)提水設(shè)備和各溫室內(nèi)電磁閥實(shí)施噴灌的裝置。水泵磁力開關(guān)采用的是CJX2-0910/220V/50Hz交流接觸器，二次電源來自綜合控制儀。安全保護(hù)有兩部分：一是繼電保護(hù)，由熱繼電器和漏電保護(hù)斷路器組成，當(dāng)供電電路發(fā)生單相運(yùn)行、三相不均超標(biāo)、漏電和電流過熱等現(xiàn)象時(shí)，它將通過二次繼電電路執(zhí)行停機(jī)，不至于造成水泵和其它設(shè)備的損壞。二是管網(wǎng)保護(hù)，管網(wǎng)設(shè)計(jì)正常工作壓力為4kg/cm2，當(dāng)管網(wǎng)壓力高于4.5 kg/cm2或低于3.5 kg/cm2時(shí)，則表明：管網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)故障，不能繼續(xù)運(yùn)行。本系統(tǒng)采用電接點(diǎn)壓力表控制繼電電路，實(shí)行高、低限壓運(yùn)行，超出上述壓力范圍二次繼電電路將執(zhí)行停機(jī)。

2.3 水源和提水設(shè)備

本自控微噴灌系統(tǒng)，所用水源為地下水，提水設(shè)備為潛水電泵，流量8.4m3/h、揚(yáng)程38m、配套動(dòng)力 2.2kW。站首設(shè)有逆止閥、閘閥、水表、過濾器、電接點(diǎn)壓力表等，確保在水質(zhì)、水量、計(jì)量和管道安全等方面均能滿足單溫室和灌區(qū)管網(wǎng)輪回噴灌的要求。

2.4 管網(wǎng)布設(shè)和微噴設(shè)備

按著經(jīng)濟(jì)實(shí)用原則，管材采用PE管，屬懸掛式微噴灌系統(tǒng)。干管和分干，直徑40mm，均沿溫室寬度方向布設(shè)，懸掛固定于棚頂，正常工作壓力為4kg/cm2。支管，直徑20mm，沿溫室長(zhǎng)方向布設(shè)，每溫室4道，間距2m。噴頭為全圓折射式，射程1.3m，流量60L/h。毛管直徑4mm、管長(zhǎng) 20cm，以套管固定安裝在支管上，間距2m。每溫室分干管首安裝一個(gè)電磁閥和一個(gè)小型過濾器。電磁閥用來配合自控儀執(zhí)行分干自動(dòng)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)多溫室自動(dòng)輪灌。小型過濾器用于進(jìn)一步提高水質(zhì)，以減少噴頭毛管的堵塞。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 投資費(fèi)用

本項(xiàng)目投資21502.9元，主要包括：新打機(jī)井1眼，購(gòu)置機(jī)泵1套，鋪設(shè)和安裝干支管道1100m，安裝微噴頭480只，單井四溫室輪灌溫濕度傳感綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)1套。

3.2 年運(yùn)行費(fèi)

該項(xiàng)費(fèi)用包括：動(dòng)力費(fèi)、工程維修費(fèi)、管理費(fèi)等。據(jù)一年來的運(yùn)行分析計(jì)算，年用電費(fèi)26.88元；工程維修費(fèi)，按20年折舊課題總投資（21502.9元）的 80%計(jì)算為860.12元；管理費(fèi)主要是維修工時(shí)，用工22個(gè)，日工資按15元計(jì)算，為330元。綜上所述，年運(yùn)行費(fèi)共計(jì)1217元。

3.3 效益計(jì)算

通過對(duì)香菇養(yǎng)種植戶的跟蹤調(diào)查，在不影響原棚生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，從增產(chǎn)、節(jié)水、節(jié)能和省工等方面對(duì)比，據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析計(jì)算列入表1。

3.4 經(jīng)濟(jì)分析

本項(xiàng)目研究于2005年當(dāng)年投入使用并發(fā)揮效益，確定2005年為經(jīng)濟(jì)分析的基準(zhǔn)年，經(jīng)濟(jì)計(jì)算期取n=15年，根據(jù)上文有關(guān)數(shù)據(jù)，采用動(dòng)態(tài)法，進(jìn)行了分析計(jì)算。有關(guān)經(jīng)濟(jì)分析指標(biāo)見表2和表3。

表1 自控微噴工程增產(chǎn)節(jié)耗效益計(jì)算表

表2 自控微噴工程投資、年運(yùn)行費(fèi)和年效益表

表3 自控微噴工程經(jīng)濟(jì)效益分析表

4 結(jié) 語

該研究項(xiàng)目投入運(yùn)行幾年來，通過跟蹤觀察和收集有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，通過經(jīng)濟(jì)分析計(jì)算，效益非常顯著。該研究只對(duì)所涉及的單井四溫室系統(tǒng)，進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益分析計(jì)算。由于規(guī)模較小，系統(tǒng)中水源工程、主控設(shè)備等共用設(shè)施投資，占總投資的比重較大，因此這套系統(tǒng)還有相當(dāng)可觀的效益沒能得到充分發(fā)揮。參考本文第二部分內(nèi)容，從不影響香菇的正常生長(zhǎng)的角度，根據(jù)種植戶的經(jīng)驗(yàn)，合理調(diào)配時(shí)空，單井多溫室自控輪灌微噴系統(tǒng)最佳配比為1∶20，這表明：在溫室低于25℃時(shí)，自控輪噴系統(tǒng)排隊(duì)時(shí)間有可能最長(zhǎng)為：40～60min；高于 25℃時(shí)，排隊(duì)時(shí)間最長(zhǎng)為：200～600s；這個(gè)時(shí)間不會(huì)影響香菇的正常生長(zhǎng)。

菌棒注水工序，用工量較大，歷時(shí)較長(zhǎng)，水量浪費(fèi)較多，增加了消耗影響了產(chǎn)量。自動(dòng)化測(cè)控補(bǔ)水系統(tǒng)，有待進(jìn)一步繼續(xù)研究探討。