設施蔬菜滴灌注肥控制系統(tǒng)水肥均勻性試驗

王 秀 馬 偉 張 睿 鄒 偉 周 舟

（北京農業(yè)智能裝備技術研究中心，北京 100097）

溫室設施滴灌施肥是將肥料投入與滴灌系統(tǒng)集成在一起的一項農業(yè)技術，可以方便調節(jié)肥料施入的濃度，按照溫室作物實際環(huán)境對水、肥的要求，通過低壓滴灌系統(tǒng)，將含養(yǎng)分的肥料水溶液以較小流量，均勻準確地直接輸送到作物根部，以水珠形式滴入土層中，滿足作物緩慢吸收，避免滲入深層土壤（隋方功 等，2001）。

灌水和施肥均勻性是評價滴灌施肥系統(tǒng)性能的重要指標。目前國內外學者通過田間試驗，研究滴灌施肥的適用性或滴灌土壤中肥料的分布規(guī)律（Christiansen，1942；羅文揚和習金根，2006），但都是基于植物生理變化結合周期性定量施肥后的結果進行分析，對滴灌施肥過程中灌水流量和肥料濃度的時空變化及管網(wǎng)系統(tǒng)水力要素的研究較少，而灌水流量、肥料濃度和管網(wǎng)系統(tǒng)水力要素是影響灌水和施肥均勻性的重要因素，因此開展滴灌注肥機灌溉均勻性的相關研究具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，大部分研究都是應用無機肥料進行滴灌施肥試驗，通過電導率計等設備測量溶液中的離子量來確定溶液中肥料的濃度，這種方法易受試驗環(huán)境和滴灌收集容器中溶液離子濃度均勻性的影響（許恩軍 等，2004；李久生 等，2008）。在國外，為了測量噴藥均勻性，大多應用熒光示蹤劑代替農藥進行試驗，熒光儀通過分析相應熒光劑的光波得出熒光值，從而計算出溶液中熒光劑的濃度，這種方法不但精確度極高，測量速度快，受試驗環(huán)境影響?。∕achado &Oliveira，2005），而且可以了解溶液中濃度變化情況，避免試驗過程中農藥的浪費和環(huán)境污染。

本試驗以自主開發(fā)的溫室施肥控制系統(tǒng)進行滴灌注肥，采用若丹明 WT溶液代替肥料，研究灌水流量和肥料濃度的變化以及水力特性對滴灌注肥控制系統(tǒng)水肥均勻性的影響，分析滴灌注肥過程中肥料在滴灌系統(tǒng)的分布規(guī)律，為滴灌注肥控制系統(tǒng)的設計和運行提供參考和評價方法。

1 材料與方法

施肥試驗選用溫室常用的國標滴灌管，將若丹明溶液按照0.1 g·L-1濃度稀釋后，加入溶液桶中，通過施肥控制系統(tǒng)設定滴灌注肥起始和關閉時間，測定滴灌帶中溶液濃度的變化。本試驗在主滴灌管路的多組滴灌帶中選取1根進行測定。

1.1 控制系統(tǒng)

施肥控制系統(tǒng)采用自主開發(fā)的基于ATmegal128單片機的嵌入式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用液晶觸摸屏，CPU里面有豐富的片內資源，同時進行片外擴展，存貯了大量的施肥經驗數(shù)據(jù)，設置豐富的外置接口，可控制多路電磁閥，實現(xiàn)分區(qū)、分時間段、施肥數(shù)量及施肥種類的多重控制模式（圖1）。

1.2 熒光劑選擇

為了測定溶液的均勻性，首先選擇一種易于儀器檢測的國際標準化物質來代替注入肥料，作為觀察、研究和測量某物質在指定過程中的行為或性質。由于熒光劑性質或行為在應用過程中與被示劑物完全相同或差別極小，其加入量在一定范圍內對體系不產生顯著影響且容易被探測。另外，示蹤劑會對試驗場地地面染色，試驗場地需要提前準備。本試驗使用熒光劑若丹明WT溶液（0.1 g·L-1）作為示蹤劑，來替代濃縮肥料溶液，方便肥料溶液濃度檢測，示蹤劑若丹明WT最大吸收波長558nm，最大發(fā)射波長583nm，化學式為C29H29N2Na2O5Cl，檢測極限為0.006 μg·L-1，分子量為567 Da（李久生 等，2008；陳曉軍 等，2011）。在每次試驗前精確定量計算示蹤劑溶液濃度所需的示蹤劑數(shù)量，用移液槍準確量取定量示蹤劑溶液并進行初步混合，倒入溶液箱后進行充分混合，以減少試驗誤差。在每次試驗前，從混合后的溶液桶中取少量溶液樣本以確定溶液桶中實際的濃度值，便于試驗結果比較與修正。為了減小試驗誤差，防止示蹤劑發(fā)生光解，在測定前將示蹤劑與試驗溶液混合。

圖1 施肥控制系統(tǒng)

1.3 熒光測量儀選擇

本試驗主要在室外和溫室內進行，由于環(huán)境的限制，采用體積緊湊的美國Turner公司生產的Trilogy試驗專用熒光儀進行熒光分析，通過設定合適的snap-in光學模塊來進行熒光值、吸光度和濁度的測量。

由于試驗中以若丹明WT溶液模擬肥料溶液，所以使用若丹明WT熒光光學模塊來測量混合液的濃度。為了保證測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠，試驗樣品在試驗前應制定標準液進行校準。

1.4 滴灌水壓泵選擇

北京市郊區(qū)實際的注肥作業(yè)多是使用市政灌溉管路的自來水進行，由于管網(wǎng)的自來水壓力存在波動，影響試驗精度。因此選擇單獨的加壓水泵作為系統(tǒng)動力源，以保證系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定。滴灌水壓力泵（型號：QDLF2）參數(shù)：電機功率0.75 KW，流量16～50 L·min-1，額定流量33 L·min-1，最大壓力2.3 MPa，效率46%。

1.5 試驗平臺搭建

首先將試驗平臺水箱加滿水（自來水即可），通過壓力泵將水箱中的水加壓到穩(wěn)定壓力，如圖2所示。經過穩(wěn)壓的供水管路通過塑料增強高壓管路連接到進水口。出水口連接滴灌水管，在滴灌水管上連接1根滴灌帶。圖3為試驗平臺實物。

圖2 試驗平臺結構原理圖

圖3 試驗平臺實物

1.6 試驗方法

2010年9月中旬在北京市小湯山國家精準農業(yè)研究示范基地進行試驗。試驗用的滴灌帶和滴灌主管放在水平地面上，當天無風、晴朗，室外溫度為25 ℃，選用25 mL帶刻度的集液瓶收集各滴點的液滴。每次試驗使用2 L若丹明WT溶液，控制系統(tǒng)設定采集時間為20 min，集液瓶在同一時間開始收集滴灌帶的液滴，30 s后同時移開。每個集液瓶約可收集混合后滴出的溶液17 mL。滴灌帶為標準的PE恒流式滴灌管（型號：ZGB/T 17188 16-2-1.2-A），滴頭間距為20 cm。施肥機與滴灌主管之間的連接管為6分增強PVC軟管，長2.5 m。

采用渦輪流量泵首先將測試用的溶液（經過測試可選擇自來水作為替代溶液）加壓到恒定的壓力（0.4 MPa以上），通過管路將加壓后的溶液送到入水口，預先設定好施肥功能及施肥濃度，恒壓的溶液從進水口進入管路，驅動施肥泵將肥料母液（用自來水加入示蹤劑溶液代替母液）從肥料桶吸出，注入到水溶液中，混合后的溶液通過設備出水口進入滴灌管路中，由于滴灌主管路中只連接了1根滴灌帶，因此施肥主管路的壓力可始終保持恒定。

2 結果與分析

由表2可見，在不同的滴灌壓力條件下，在滴灌帶上間隔選取6個取樣點，2 min內每個滴口處滴出的液體流量值不同，但各個滴口在相同的采樣時間內，以及在相同壓力條件下，收集到的總溶液體積沒有差異。

從圖4可以看出，不同滴點濃度的變化有一定的滯后性，滴灌帶上距離滴灌管入口遠的滴點濃度穩(wěn)定的時間最長，距離滴灌管入口近的滴點濃度穩(wěn)定的時間最短。

滴灌帶上的各滴點不論距離滴灌管遠近，從開始檢測到熒光值到熒光值穩(wěn)定的時間偏差不大。不論距離滴灌管遠近，開始吸肥時濃度穩(wěn)定總是有一定的滯后性，且滴灌帶上的各滴點穩(wěn)定后濃度差異很小，具有良好的一致性。

表2 不同壓力條件下采集的滴灌液體

圖4 不同采樣滴點濃度變化曲線

3 小結

本試驗結果表明，滴灌注肥控制系統(tǒng)通過控制供水量、混合后溶液注入量，可以實現(xiàn)施肥量的精確控制。在實際的生產過程中，系統(tǒng)對施肥量的精確控制，是通過穩(wěn)定延遲控制來實現(xiàn)，即在系統(tǒng)設定的作物所需混合溶液總量到達設定值后，再自動停止系統(tǒng)運行，確保管路中的肥料全部滴入作物根部。

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