基于蘋果樹種植的水肥一體化項(xiàng)目優(yōu)化研究

摘 要：水肥一體化是一項(xiàng)將施肥和灌溉結(jié)合起來的技術(shù)，目前主要是與微灌技術(shù)相結(jié)合。論文中采用綜合比較的方法，以典型的蘋果樹地塊水肥一體化項(xiàng)目作為載體，擬定滴灌集中管理、小管出流集中管理、微噴集中管理、滴灌分散管理四種方案，從與當(dāng)?shù)胤N植管理模式的適應(yīng)性、施肥管理方式、節(jié)水節(jié)肥、工程總投資、運(yùn)行管理費(fèi)用等方面進(jìn)行了對(duì)比分析，得出了符合項(xiàng)目實(shí)際的水肥一體化方案，提出了建議。研究成果可供相關(guān)技術(shù)人員參考。

關(guān)鍵詞：水肥一體化；系統(tǒng)優(yōu)化；滴灌；

中圖分類號(hào)：S28 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3520（2014）-08-00-02

水肥一體化是借助壓力灌溉系統(tǒng)，將可溶性肥料，均勻、準(zhǔn)確地輸送到作物根部土壤，實(shí)現(xiàn)以水帶肥，多借助滴灌、微噴、噴灌等灌溉系統(tǒng)的管網(wǎng)及灌水器實(shí)現(xiàn)肥料的輸送。其優(yōu)點(diǎn)是施肥的肥效快，水分和養(yǎng)分利用率高，施肥均勻，管理方便，節(jié)水節(jié)肥。

以典型蘋果樹水肥一體化項(xiàng)目為例進(jìn)行研究，地塊東西454m，南北306m，年平均降水442mm，地形平整，作物為蘋果樹，樹齡8年，南北種植，行距4m，株距3m，土壤為褐土類型，深井出水量40m3/h，按一家一戶模式進(jìn)行種植管理。近年降雨減少，地下水位下降，傳統(tǒng)粗放式漫灌無法滿足正常灌溉要求，實(shí)施水肥一體化項(xiàng)目具有迫切性。

一、不同施肥技術(shù)適應(yīng)性分析

水肥一體化技術(shù)中的肥料注入主要靠施肥裝置來實(shí)現(xiàn)，常見有重力式、壓差施肥罐、文丘里施肥器、水動(dòng)注肥泵等。

重力式施肥一般須借助重力滴灌或微噴灌系統(tǒng)，在高位蓄水池旁邊，高于蓄水池液面處建造肥料池用于混合肥料[1]，利用地形落差進(jìn)行施肥。壓差式施肥罐是將儲(chǔ)液罐與微灌管道并聯(lián)聯(lián)接，使進(jìn)水管口和出水管口之間產(chǎn)生壓差[2]，并利用該壓力差使部分灌溉水由進(jìn)水管進(jìn)入儲(chǔ)液罐，再從出水管將經(jīng)過稀釋的營養(yǎng)液注入灌溉水中，因施肥罐在施肥時(shí)是密閉狀態(tài)，每次灌溉前都得重新將肥料裝入施肥罐內(nèi)。文丘里施肥器是利用文丘里管原理，使肥料吸入管道與水流混合[3]，文丘里施肥器一般并聯(lián)于管路上，使用時(shí)先將肥料溶解于開敞式肥料罐中，然后接上輸液管就可開始施肥。文丘里施肥器結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，使用方便，主要適用于小型微灌系統(tǒng)中。水動(dòng)注肥泵，以柱塞泵原理的比例式施肥器為代表，其能夠嚴(yán)格按設(shè)定比例進(jìn)行水肥管理，即吸入肥料體積與管道水流量嚴(yán)格成一定比例，能夠做到精確比例施肥，價(jià)格相對(duì)較高。

該地塊平整，基本無落差可利用，重力式施肥系統(tǒng)無利用條件，故不采用。比例式施肥器施肥精度高，目前多為進(jìn)口產(chǎn)品，考慮到價(jià)格因素，亦暫不考慮。壓差施肥罐和文丘里施肥器均應(yīng)用廣泛，各有優(yōu)缺點(diǎn)，其工作特點(diǎn)能滿足正常施肥需要，在后續(xù)水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將對(duì)壓差施肥罐及文丘里施肥器進(jìn)行分析。

二、不同灌溉技術(shù)適應(yīng)性分析

一般情況，水肥一體化技術(shù)中，常用作輸送肥料的灌溉方式有噴灌、微灌，微灌技術(shù)分滴灌、小管出流、微噴等類型。

噴灌是將有壓水通過噴頭噴射到空中，與空氣摻混形成細(xì)小的水滴，均勻噴灑在農(nóng)田及作物上的一種先進(jìn)灌水技術(shù)，噴灌要求的壓力一般為250～350kPa[2]。噴灌系統(tǒng)一般由水源、水泵及動(dòng)力設(shè)備、輸水管道系統(tǒng)和噴頭等部分組成。噴頭一般安裝在豎管上，或者安裝在支管上。噴灌有一些缺點(diǎn)，如受風(fēng)的影響大 [1]，設(shè)備投資高，耗能高。噴灌的水滴直徑一般較大，如噴頭的霧化指標(biāo)選擇不當(dāng)，可能對(duì)作物形成較大的打擊力。

滴灌是通過流道或孔口將壓力水流變成滴狀或細(xì)流狀的裝置。滴頭要求的工作壓力為50～100kPa，流量不大于12L/h[2]。滴灌管是將滴頭與毛管熱熔成一體，兼具配水和滴水功能。滴箭由形似箭頭的桿件、聚乙烯毛管、分流器等連接而成，使用時(shí)將滴箭插于作物根部，主要用于盆栽植物中。

小管出流是由低密度聚乙烯塑料小管和專用接頭連接后插入毛管而成，其接頭處常連接穩(wěn)流器，由于流量相對(duì)較大，可在果樹下開挖環(huán)狀溝，水流可沿著環(huán)狀溝分散入滲。

微噴灌是利用微噴頭將壓力水流噴出并粉碎散開，實(shí)現(xiàn)噴灑灌溉。微噴頭的工作壓力小于300kPa，單個(gè)微噴頭流量不超過250 L/h，射程一般小于7m[3]，噴灑柔和。

噴灌因其噴灑水滴較大，對(duì)花朵有一定打擊作用，影響蘋果樹掛果，而且噴頭需要立管支撐，要架設(shè)高于樹冠，否則噴灑水容易被樹體遮擋，有漏噴缺點(diǎn)。微噴灌可以布置在樹下，可以作為水肥一體化施肥的載體。滴灌技術(shù)有許多形式，如管上式滴頭、滴灌管（帶）及滴箭等。滴箭主要用于盆栽植物中，管上式滴頭的安裝形式類似于小管出流，但其滴頭流量一般偏小，如配置多個(gè)滴頭則會(huì)帶來材料及安裝成本顯著增加，滴灌管的滴頭為內(nèi)鑲式，與毛管熔為一體，省去了滴頭安裝的費(fèi)用，根據(jù)滴灌管的特點(diǎn)來看，可以將滴灌管作為水肥一體化施肥的載體。從小管出流的使用特點(diǎn)來看，主要用于果樹灌溉，能夠滿足果樹灌溉施肥。

論文后續(xù)將采納滴灌管、插桿式微噴頭及小管出流作為灌溉方法，進(jìn)行技術(shù)方案設(shè)計(jì)、比較。

三、水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以蘋果樹地塊水肥一體化項(xiàng)目作為載體，擬定四種灌溉配置方案進(jìn)行優(yōu)化分析。①灌水器選用內(nèi)鑲式滴灌管，每行樹布置2條滴灌管，首部樞紐配置過濾器、壓差施肥器、水表、水泵等組件，平均2-5家為一組，進(jìn)行灌溉施肥；②采用小管出流進(jìn)行灌溉，每行樹一條毛管，每個(gè)樹對(duì)應(yīng)2個(gè)穩(wěn)流器，首部樞紐配置過濾器、壓差施肥器、水表、水泵等組件，平均2-5家為一組，進(jìn)行灌溉施肥；③采用插桿式微噴頭進(jìn)行微噴灌，每棵樹對(duì)應(yīng)一個(gè)微噴頭，首部樞紐配置過濾器、壓差施肥器、水表、水泵等組件，平均2-5家為一組，進(jìn)行灌溉施肥；④灌水器選用內(nèi)鑲式滴灌管，每行樹擬布置2條滴管，首部樞紐配置過濾器、變頻器、水泵等組件，每家地塊各布置一個(gè)地頭小首部。

分別對(duì)每種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)主要結(jié)果如表1所示。

四、水肥一體化系統(tǒng)方案對(duì)比分析與優(yōu)化

將四種方案的特點(diǎn)按其主要指標(biāo)制作成對(duì)比分析表如下。

表2 四種典型水肥一體化方案對(duì)比分析表

（一）成本及其他綜合分析：采用滴灌管的水肥系統(tǒng)，滴灌管將灌水器和毛管融為一體，這樣就使材料成本和安裝成本優(yōu)勢突顯，工程整體造價(jià)較低。在田間操作時(shí)，滴灌管移動(dòng)起來較插桿式微噴頭和穩(wěn)流器比較方便，而且滴灌運(yùn)行壓力較低，電費(fèi)較省。插桿式微噴頭和小管出流因灌水器和毛管不是一體式，材料成本較滴灌要高，安裝時(shí)還需要在毛管上打孔安裝微噴頭或穩(wěn)流器等，安裝費(fèi)用比滴灌管要高，而且運(yùn)行壓力較滴灌高。一家一戶分散種植管理模式中，由于每戶地塊設(shè)置了閥門、文丘里施肥器、過濾器等設(shè)備，而且水泵增加了變頻設(shè)備，使工程總造價(jià)相應(yīng)提高。

（二）種植管理模式對(duì)水肥一體化系統(tǒng)影響分析：農(nóng)業(yè)種植管理模式一般有集中式和分散式兩種。對(duì)于種植結(jié)構(gòu)相對(duì)單一的集中管理模式，灌溉水和肥料注入以集中輸配方式為主，施肥器可以在微灌系統(tǒng)大首部集中設(shè)置，因利益主體單一，微灌系統(tǒng)水費(fèi)電費(fèi)計(jì)量收取容易，量水設(shè)備可在輸水主管路上設(shè)置。對(duì)于一家一戶分散種植管理模式，因水源一般為集中式，灌溉水以集中輸配為宜。地塊一家一戶種植經(jīng)營模式，輪灌分組邊界易受各農(nóng)戶利益影響，一般輪灌面積在實(shí)際中不一定相同，在實(shí)踐中，一般應(yīng)按設(shè)計(jì)輪灌組面積就近設(shè)置閥門，考慮到水費(fèi)、電費(fèi)及施肥的管理，每戶地塊根據(jù)大小宜最少配置一套小型首部?？紤]到灌溉施肥的不定時(shí)性，水泵運(yùn)行不穩(wěn)定，宜在系統(tǒng)中配置變頻供水裝置。

（三）肥料應(yīng)用分析：水肥一體化條件下，肥料應(yīng)符合：高度可溶性，且在田間溫度下溶于水；溶液的酸堿度為中性至微酸性；沒有鈣、鎂、碳酸氫鹽或其他可能形成不可溶鹽的離子；肥料中養(yǎng)分濃度較高；對(duì)灌溉設(shè)備腐蝕性小。國內(nèi)可采用的水溶性復(fù)混肥有水溶性氮磷鉀肥料、水溶性微量元素肥料、含氨基酸類水溶性肥料、含腐殖酸類水溶性肥料[1]四類。

不同樹齡的蘋果樹需肥規(guī)律不同，幼樹以擴(kuò)大樹冠、搭好骨架為主，以后逐步過渡到以結(jié)果為主。蘋果樹幼樹需要的主要養(yǎng)分是氮和磷，特別是磷素，其對(duì)植物根系的生長發(fā)育具有良好的作用。成年果樹對(duì)營養(yǎng)的需求主要是氮和鉀，施用肥料應(yīng)與植物需肥規(guī)律相適應(yīng)。

五、結(jié)論與建議

經(jīng)比較，方案四能夠滿足一家一戶管理需要，設(shè)置變頻裝置，可解決一家一戶隨機(jī)啟閉操作對(duì)水泵效率的不利影響，投資額適中，運(yùn)行費(fèi)用較低，節(jié)水節(jié)肥效果明顯。即每行蘋果樹布置2條滴灌管，每戶配置一套文丘里施肥器，分散式施肥灌溉，水泵變頻供水。在土壤中施加有機(jī)肥的基礎(chǔ)上，通過滴灌系統(tǒng)施加液態(tài)肥料。

應(yīng)重視滴灌系統(tǒng)堵塞的防治問題，加強(qiáng)過濾裝置的清洗養(yǎng)護(hù)工作，對(duì)于硬度比較高的灌溉水源，可設(shè)置軟水處理裝置，或選用流量較大的灌水器以延長滴灌設(shè)備使用周期，有條件的話可以將低硬度水和高硬度水混合作為灌溉水源等。

參考文獻(xiàn)：

[1]張承林，鄧蘭生.水肥一體化技術(shù)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2012

[2]傅林，董文楚，鄭耀泉.微灌工程技術(shù)指南[M].北京：水利電力出版社，1987

[3]鄭耀泉，李光永，黨平，等.噴灌與微灌設(shè)備[M].北京：中國水利水電出版社，1998

作者簡介：張海文，1976年7月，男，山西省孝義市，工程師，講師，碩士研究生，現(xiàn)主要從事水利工程施工。