利用太陽能和風(fēng)能的山地作物灌溉系統(tǒng)及其應(yīng)用分析

何華興，田 甜，林授楷，3，艾玉芳，林 軍，柯玉琴，何華勤

(1.莆田市技工學(xué)校，福建 莆田350004;2.福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建福州350002;3.莆田學(xué)院環(huán)境與生物工程學(xué)院，福建莆田351100)

再生能源的開發(fā)和利用已逐漸受到人們的重視，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中充分利用再生能源是農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)的必然趨勢，也是我國節(jié)能減排戰(zhàn)略部署的重要組成部分[1].福建是山地經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)的大省，盛產(chǎn)茶葉、水果等特色農(nóng)產(chǎn)品.優(yōu)質(zhì)的果茶產(chǎn)品往往產(chǎn)自遠(yuǎn)離人群聚居地的生態(tài)果茶園.但山地灌溉水資源匱乏，且部分果茶園由于供電線路的限制無法使用電力抽水泵，使得山地作物灌溉成為一大難題，也嚴(yán)重影響了福建特色山地經(jīng)濟(jì)作物的產(chǎn)量和品質(zhì).而推廣并應(yīng)用節(jié)能節(jié)水的灌溉及控制模式是山地作物安全生產(chǎn)的重要途徑.

當(dāng)前山地作物的灌溉技術(shù)主要存在2個突出的問題:一是缺乏灌溉水源[2];二是灌溉難以控制.我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的風(fēng)能應(yīng)用技術(shù)與發(fā)達(dá)國家相比尚有較大差距，如美國研制的風(fēng)力抽水機(jī)具有性能穩(wěn)定、能量利用率高的特點[3].而我國研制的風(fēng)力提水設(shè)備存在噪聲大、效率低、動平衡差等問題，導(dǎo)致“弱風(fēng)不啟動、強(qiáng)風(fēng)被撕裂”的故障頻出[3].在遠(yuǎn)離村落且電力線路難以覆蓋的山地生態(tài)果茶園，無法應(yīng)用以交流電供電的灌溉自動化控制系統(tǒng).為此，作者研制了利用風(fēng)能和太陽能的山地經(jīng)濟(jì)作物灌溉系統(tǒng).一方面，這一灌溉系統(tǒng)適用于沿海山地的風(fēng)能提水系統(tǒng).它克服了動平衡問題，利用風(fēng)能將山腳小水塘的水揚提到山頂蓄水池，解決了山地生態(tài)果茶園缺乏灌溉水源的問題.另一方面，它是利用太陽能蓄電池供電的灌溉自動化控制系統(tǒng)，由太陽能驅(qū)動灌溉的自動控制，實現(xiàn)生態(tài)果茶園灌溉控制的節(jié)能化和網(wǎng)格化.本文分析了這一灌溉系統(tǒng)的構(gòu)造原理，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于山地生態(tài)茶園.

1 利用風(fēng)能和太陽能的山地作物灌溉系統(tǒng)

利用風(fēng)能和太陽能的山地作物灌溉系統(tǒng)主要包括風(fēng)能提水裝置、太陽能蓄能裝置、灌溉自動化控制裝置及分區(qū)噴灌管路等4個部分.其中風(fēng)能提水設(shè)備由風(fēng)力提水機(jī)和蓄水池組成，太陽能蓄能裝置由太陽能板和蓄電池組成，灌溉自動化控制裝置由蒸騰蒸發(fā)量測控單元、中央控制器和控制噴灌管路通斷的電磁閥組成.提水裝置利用風(fēng)能陸續(xù)將下游水抽提到山頂?shù)男钏?，利用山地的高度落差將灌溉水通過分區(qū)噴灌管路輸送到山地作物的灌溉分區(qū);各分區(qū)的灌溉自動化控制裝置根據(jù)設(shè)定的灌溉控制參數(shù)，由中央控制器控制電磁閥的開啟;灌溉自動化控制器由太陽能蓄能裝置提供能源;當(dāng)蒸發(fā)盆中的水降低到設(shè)置值的低限時，中央控制器自動開啟電磁閥進(jìn)行灌溉;當(dāng)蒸發(fā)盆中水分增加到設(shè)置值的高限時，中央控制器自動關(guān)閉電磁閥，停止灌溉.

1.1 系統(tǒng)組成

由圖1可見，風(fēng)能提水機(jī)提水并積蓄于山頂蓄水池中，依據(jù)地形布設(shè)噴灌管網(wǎng)，利用管徑大小和減壓閥調(diào)整各梯面管道水壓，使各梯面水壓基本一致.在每個灌溉分區(qū)設(shè)置1個灌溉自動化控制裝置.將蒸騰蒸發(fā)量測控單元置于作物冠層附近，跟蹤測定作物田間的水分丟失.該蒸騰蒸發(fā)量測控單元是由蒸發(fā)盆和重量傳感器構(gòu)成，通過重量傳感器采集蒸發(fā)盆內(nèi)蓄水的質(zhì)量，產(chǎn)生電磁閥開、關(guān)指令.當(dāng)蒸發(fā)盆中的水量減少到設(shè)置的下限時，灌溉控制器輸出控制信號并開啟電磁閥(圖1)，噴灌管路7通過滴漏孔開始灌溉.當(dāng)灌溉水量達(dá)到作物需水量時，即由于噴溉而使蒸發(fā)盆中的水位上升到設(shè)置的上限值時，灌溉控制器輸出控制信號關(guān)閉電磁閥，停止灌溉，使得山地作物灌溉做到“適時適量”.從圖2可以看出，中央控制芯片、電磁閥和蒸騰蒸發(fā)量測控單元的供電電源來自太陽能蓄能裝置.由于每種山地作物的灌溉參數(shù)有所不同，中央控制器可對蒸發(fā)量進(jìn)行必要的修正，使其能應(yīng)用于不同山地作物的灌溉及控制.

圖1 利用風(fēng)能和太陽能的山地作物灌溉系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of upland crop irrigation system powered by solar and wind energy

1.2 系統(tǒng)運行效果

經(jīng)過逐級揚提，利用風(fēng)能將下游小山塘的水揚提并積蓄于山頂?shù)男钏刂?當(dāng)平均風(fēng)速≥4 m·s－1時，1級風(fēng)力提水機(jī)每天可將82.1 m3的水量揚提30 m高程.而鐵觀音茶樹調(diào)虧灌溉的研究結(jié)果表明4年生鐵觀音秋茶生長季節(jié)，茶樹的調(diào)虧灌溉制度為每10天灌溉1次，每次每公頃需189 m3[4－7].由此可測算，1級風(fēng)力提水機(jī)10天的蓄水量可供4.3 hm2鐵觀音茶樹的調(diào)虧灌溉需水量.由太陽能驅(qū)動的灌溉自動化控制子系統(tǒng)可控制鐵觀音茶樹的調(diào)虧灌溉.

圖2 太陽能灌溉控制器Fig.2 Irrigation controlling system with solar energy

2 應(yīng)用實例

2.1 試驗設(shè)計

試驗地點在福建莆田市松東生態(tài)茶園，種植4年生鐵觀音茶樹(Camellia sinensis(L.)O.Kuntze).應(yīng)用上述風(fēng)能和太陽能山地作物灌溉系統(tǒng)對鐵觀音茶樹進(jìn)行灌溉管理.利用風(fēng)能提水機(jī)揚提山腳小山塘的水并積蓄于山頂蓄水池，1級蓄水池容積為500 m3，2級和3級蓄水池容積均為300 m3.茶樹灌溉采用微噴頭，分別設(shè)置應(yīng)用灌溉系統(tǒng)的區(qū)域和無灌溉系統(tǒng)的區(qū)域，每個區(qū)域分成3個小區(qū)，共6個小區(qū).試驗在2009年8月15日－10月3日進(jìn)行，試驗期間自然降雨量為12.0 mm.各小區(qū)按常規(guī)生產(chǎn)技術(shù)措施進(jìn)行統(tǒng)一管理.

在秋茶采收的當(dāng)天上午8:30－11:00(天氣晴朗)進(jìn)行葉片光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度的測試，每小區(qū)重復(fù)測定6片功能葉.采用北京益康農(nóng)科技術(shù)發(fā)展有限公司生產(chǎn)的ECA-PB0402便攜式光合作用測定儀.采用單葉閉路模式、內(nèi)置紅光光源，葉室面積3 cm2，葉溫(18±1)℃.

2.2 結(jié)果與分析

應(yīng)用太陽能和風(fēng)能的山地作物灌溉系統(tǒng)對4年生鐵觀音茶樹進(jìn)行“適時適量”的灌溉，以無灌溉系統(tǒng)的區(qū)域為對照.在秋茶的采收期(10月3日)，檢測鐵觀音茶樹葉片的凈光合速率、蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度，并計算水分利用效率，結(jié)果見圖3、4.

圖3 鐵觀音茶樹葉片的凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(E)Fig.3 Pn and E of Tieguanyin tea leaves

2.2.1 鐵觀音茶樹葉片的凈光合速率和蒸騰速率 凈光合速率是指在飽和光強(qiáng)下葉片的光合速率，而蒸騰速率與植物體內(nèi)礦質(zhì)營養(yǎng)和水分的吸收和運輸以及降低葉溫等過程關(guān)系密切.在應(yīng)用上述灌溉系統(tǒng)和無應(yīng)用灌溉系統(tǒng)的小區(qū)中，鐵觀音茶樹葉片的凈光合速率和蒸騰速率見圖3.從圖3可以看出，應(yīng)用灌溉系統(tǒng)處理的鐵觀音茶樹葉片的凈光合速率達(dá)到 15.55 μmol·m－2·s－1，其蒸騰速率為 6.75 μmol·m－2·s－1.兩者均顯著高于無應(yīng)用灌溉系統(tǒng)處理鐵觀音茶樹.說明應(yīng)用灌溉系統(tǒng)后，鐵觀音茶樹葉片的光合效率提高.

圖4 鐵觀音茶樹葉片的葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)和水分利用率(Pn/E)Fig.4 Gs and Pn/E of Tieguanyin tea leaves

2.2.2 鐵觀音茶樹葉片的氣孔導(dǎo)度和水分利用率 氣孔是植物葉片與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換的通道，氣孔導(dǎo)度的大小影響植物植株水分蒸騰狀況和CO2的供應(yīng).從圖4可見，應(yīng)用灌溉系統(tǒng)處理的鐵觀音茶樹葉片的氣孔導(dǎo)度為0.24 mmol·m－2·s－1，比無應(yīng)用灌溉系統(tǒng)的提高71.4%;且在鐵觀音茶樹生長的后期，無應(yīng)用灌溉系統(tǒng)的鐵觀音茶樹葉片的氣孔基本處于關(guān)閉狀態(tài).

植物葉片的水分利用率表示植物葉片消耗單位水所吸收的CO2的摩爾數(shù)[8].不同處理下鐵觀音茶樹葉片的水分利用率圖4.從圖4可見，應(yīng)用灌溉系統(tǒng)的鐵觀音茶樹葉片的水分利用率為2.30，顯著低于無灌溉系統(tǒng)區(qū)域鐵觀音茶樹.表明應(yīng)用灌溉系統(tǒng)后鐵觀音茶樹的水分利用率降低.

3 討論

影響茶葉品質(zhì)的水分狀況主要表現(xiàn)為降水量、空氣濕度和土壤濕度三方面[2].在無灌溉設(shè)施的條件下，茶園的水分狀態(tài)主要還是受處于經(jīng)常變化狀態(tài)之中的自然降水量的支配.如果空氣濕度低于60%或土壤濕度低于50%，茶樹生長受阻，鮮葉品質(zhì)下降.茶樹根深葉茂，在生育過程中要消耗大量的水分.而通過控制鐵觀音茶樹的調(diào)虧灌溉，使土壤濕度維持在60% －70%，可有效提高茶葉的品質(zhì)[4].

本研究中太陽能和風(fēng)能的山地作物灌溉系統(tǒng)，是以風(fēng)能為驅(qū)動力，揚提山腳小山塘的水到山頂蓄水池;然后，以太陽能為驅(qū)動電源，管理鐵觀音茶樹的調(diào)虧灌溉，使鐵觀音茶樹的灌溉“適時適量”進(jìn)行.1級風(fēng)能揚水結(jié)合太陽能灌溉管理系統(tǒng)，可自動化管理4.3 hm2鐵觀音茶園.在同等條件下選用8SH-13A型水泵(配套電機(jī)37 kW，出水量270 m3·h－1)，可節(jié)省電能近100 kWh，平均每天可節(jié)省電能10 kWh.而且，減免了生產(chǎn)性的輸電線路投入，提高了田間作業(yè)的安全性.因此，利用太陽能和風(fēng)能的山地作物灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)山地作物灌溉的節(jié)能和節(jié)水.

利用太陽能和風(fēng)能的山地作物灌溉系統(tǒng)，有效改善鐵觀音茶樹的光合生理特性，表現(xiàn)為凈光合速率和蒸騰速率提高，氣孔導(dǎo)度增大，使茶樹保持優(yōu)良的生長狀態(tài).因為凈光合速率是描述植物光合作用強(qiáng)弱的直接指標(biāo)，反映了葉片合成有機(jī)物質(zhì)能力的強(qiáng)弱.而蒸騰作用可以促進(jìn)植物生長發(fā)育，但蒸騰作用增大會引起植物體內(nèi)的水分散失，在水分供應(yīng)不足時，便會給植株造成傷害[9].因此，植株要根據(jù)供水的狀況調(diào)節(jié)氣孔導(dǎo)度的大小，以維持其自身各項正常的生理活動.

本研究結(jié)果表明，與無灌溉系統(tǒng)區(qū)域相比，應(yīng)用太陽能和風(fēng)能的山地作物灌溉系統(tǒng)，可使鐵觀音茶樹葉片的水分利用率降低，即氣孔導(dǎo)度與葉片水分利用率呈負(fù)相關(guān).無灌溉系統(tǒng)區(qū)域中，鐵觀音茶樹的生長發(fā)育主要是利用土壤中儲存的水分.而土壤中水分有限，因此造成干旱脅迫，使葉片氣孔導(dǎo)度減小，蒸騰作用減弱，同樣吸收的CO2也少，光合作用降低，但光合作用并非受到完全抑制.因此，表現(xiàn)為無灌溉系統(tǒng)區(qū)域的鐵觀音茶樹葉片水分利用率高于應(yīng)用灌溉系統(tǒng)管理的鐵觀音茶樹.研究[10]也發(fā)現(xiàn)，隨著灌水次數(shù)的增加或灌水量的增多，冬小麥灌溉水的利用效率逐漸下降.

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