設施果菜水肥一體化材料裝備選型分析

董 環(huán)，婁春榮，王秀娟，何志剛

（遼寧省農(nóng)業(yè)科學院，遼寧 沈陽 110161）

設施果菜水肥一體化材料裝備選型分析

董 環(huán)，婁春榮，王秀娟，何志剛

（遼寧省農(nóng)業(yè)科學院，遼寧 沈陽 110161）

為了增進設施果菜生產(chǎn)者和科研工作者對水肥一體化技術了解和應用，根據(jù)研究與實踐，對水肥一體化技術所包括的水泵、過濾設備、施肥設備、輸水管網(wǎng)、控制器等相關內(nèi)容進行較為細致的分析，并介紹了常用氮、磷、鉀肥料種類特性和應用可行性。

水肥一體化；裝備；材料；選型

早有“收與不收在于水，收多收少在于肥”的說法，說明了水和肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中扮演者重要的角色［1］。而設施蔬菜種植是一種施用水肥頻率大、需水肥數(shù)量大、管理精細的種植形式。經(jīng)歷不斷的革新和技術應用，水肥一體化技術已廣泛應用于設施蔬菜的生產(chǎn)［2］。水肥一體化技術，是借助壓力系統(tǒng)，采用可溶性固體或液體肥料，根據(jù)不同植物生育期養(yǎng)分需求、土壤水分信息和養(yǎng)分狀況，通過農(nóng)業(yè)灌溉管線，將水肥定時定量、均勻、緩慢地輸送到作物根系附近，與傳統(tǒng)澆水施肥方式相比，水肥一體化技術可減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本、降低環(huán)境風險，大量研究表明，水肥一體化技術可提高作物水分利用率40% ～60%、提高肥料利用率30% ～50%［2～3］。水肥一體化技術綜合性強，要求略顯復雜，其裝備選配應用受到地形、水源狀況、種植作物、種植茬口、栽培管理等多種因素的影響。為了幫助生產(chǎn)者了解并能夠自主選擇適合果菜生產(chǎn)的水肥一體化灌水施肥裝備和材料，本文根據(jù)長期積累的實踐經(jīng)驗，并參閱相關文獻，對水肥一體化設備及材料選型進行詳細闡述，供各地區(qū)設施果菜種植者參考。

1 灌溉施肥裝備分析

一套完整水肥一體化設備應包括以下技術裝備：水泵、過濾設備、施肥設備、儀表、輸水管網(wǎng)、控制器［3］。

1.1 水泵

首先應根據(jù)水源情況選擇水泵的類型，其次是根據(jù)灌溉規(guī)?？紤]水泵的揚程和流量，明確以上條件后，灌溉就可以選擇到合適的水泵。

1.1.1 水泵類型

農(nóng)業(yè)灌溉水泵不同的地區(qū)有不同的選擇，可供選擇的農(nóng)用水泵主要有三大類：混流泵、離心泵、和軸流泵?；炝鞅玫捏w形小、重量輕、效率高、結構簡單、使用方便、維修容易。輸送介質為清水，適用于地表水源豐富的地區(qū)農(nóng)田排灌使用。離心泵是利用葉輪旋轉帶動水發(fā)生離心運動來工作的，可選的型號較多，流量和揚程可選范圍也大，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應用范圍最廣的水泵，用戶可根據(jù)本地的地形、水源和提水高度進行選購。軸流泵適用于深井抽水，主要用于地表水缺乏的平原地區(qū)農(nóng)田灌溉及高原山區(qū)灌溉使用［4～5］。

1.1.2 水泵的揚程

首先需要明確一點，揚程指的是所需壓力，而非提水高度。水泵揚程一般為提水高度的1.20倍左右。比如水源到出水口的垂直高度是20 m，那么所需揚程為24 m左右。選泵時應使水泵銘牌上的揚程與所需揚程接近，在這種情況下，水泵的效率才最高，使用才更經(jīng)濟。一般情況下偏差只要不超過20%，水泵都能高效工作。對于小家庭規(guī)模設施果菜栽培（2～5）×667m2），采用“一泵一管”的模式，可選功率在1.1～2.2 KW，口徑在20～40 mm，揚程15 m左右的電機水泵。

1.1.3 水泵流量

水泵流量指的是出水量，每種灌溉形式皆有額定流量范圍，系統(tǒng)所需總流量，可以通過每個微噴頭或者滴頭的流量乘以預計安裝的個數(shù)計算。一般不要選得過大，容易造成灌溉系統(tǒng)爆管和增加購買水泵費用。

1.2 過濾設備

農(nóng)業(yè)灌溉應用的過濾器有：網(wǎng)式過濾器、疊片式過濾器、砂石過濾器和離心過濾器。其中網(wǎng)式和疊片式過濾器常常用于小型農(nóng)業(yè)灌溉，砂石和離心過濾器常常用于大面積農(nóng)業(yè)灌溉。具體應用需考慮水源水質情況。

1.2.1 網(wǎng)式過濾器

網(wǎng)式過濾器是水肥一體化技術最常用的過濾設備，它利用濾網(wǎng)攔截水中雜質，包括粉粒、砂粒和水垢等污物，也可過濾無機肥料雜質和未溶解的顆粒，減少整個系統(tǒng)污垢、菌藻、銹蝕等。小型滴灌系統(tǒng)較多應用 120～200目的濾網(wǎng)［6］。

1.2.2 疊片式過濾器

疊片式過濾器主要部件是多層薄薄的、兩邊刻有大量微米級溝槽的塑料疊片，工作時，灌溉水經(jīng)過疊片，不溶物被截留在片壁和凹槽中，它是一種高效的三維過濾。與網(wǎng)式過濾器相比，其去除雜質能力強，沖洗次數(shù)少，沖洗耗水量也小。疊片式過濾器對有機雜質，尤其是纖維狀有機雜質過濾效果好，常與網(wǎng)式過濾器組合使用（圖1）。

1.2.3 砂石過濾器

砂石過濾器是采用砂石作為濾料過濾介質的罐體過濾器，其優(yōu)點是：過流量大，可不間斷供水，截污能力很強，砂石過濾器處理有機雜質和無機雜質最有效；當水中有機物含量超過10 mg/L時，選用砂石過濾器效果較好，如果組合過濾器，置于網(wǎng)式和疊片式過濾器之前。

1.2.4 離心式過濾器

離心式過濾器是借助重力及離心力，去除重于水的固體顆粒。離心過濾器一般安裝在井及泵站旁，主要分離水中含有的沙子及石塊，在滿足過濾要求的條件下，分離60～150目砂石的能力可達到90%以上。它主要用于過濾系統(tǒng)的最前端過濾［6］。

聯(lián)產(chǎn)承包責任制下的小規(guī)模（1～2）×667m2）設施果菜種植，灌溉水的級別較小，水源水質相對純凈，只需在潛水泵體罩上濾網(wǎng)，并安裝網(wǎng)式過濾器或疊片式過濾器，注意時常清洗濾網(wǎng)或濾片即可。

圖1 過濾設備

1.3 施肥裝備或方式

目前應用較多的施肥裝備有：壓差式施肥罐、文丘里吸肥器、比例施肥泵、泵吸肥法、注入式施肥設備、重力自壓式施肥等［7］。

1.3.1 壓差式施肥罐

壓差式施肥罐一般由混肥罐（化肥罐）、進水管、供肥液管、調(diào)壓閥等組成。它是利用輸水管上的兩點形成的壓力差，將肥料溶液注入系統(tǒng)?；旆使逓槌袎喝萜鳎鋲毫εc管道相同。壓差式施肥罐即適用于設施農(nóng)業(yè)，又適應于大田種植。其優(yōu)點是：加工制造簡單，無需外加動力設備，投資成本低。缺點是：溶液濃度變化大，肥液濃度隨施肥時間逐漸減小；罐體容積有限，如施肥面積大，添加肥料次數(shù)較頻繁；安裝調(diào)壓閥容易造成輸水管道頭損失。

1.3.2 文丘里吸肥器

文丘里吸肥器主要利用水流通過由大漸小然后由小漸大的管道形成的壓力差，將肥液從一個敞口肥料罐吸取上來。文丘里施肥器出流量小，主要適用于小面積種植，如設施大棚、小規(guī)模農(nóng)田。其優(yōu)點是：構造簡單，造價低廉，易于移動；缺點是：應用時系統(tǒng)水頭壓力損失大，吸肥量易受壓力影響。

1.3.3 比例施肥泵

比例施肥器是靠水壓帶動活塞運動將高濃度的溶液，按設定的比例吸入管道中的設備。其優(yōu)點是：不受系統(tǒng)壓力和流量的影響，能夠精確的控制施水的濃度；比例施肥器有多種規(guī)格可以選擇，能夠滿足各種農(nóng)業(yè)領域的要求。缺點是造價較高。

1.3.4 泵吸肥法

該方法是通過離心泵產(chǎn)生負壓將肥液吸入灌溉系統(tǒng)。其優(yōu)點是：操作簡單，易于安裝，適于任何面積的施肥；與灌溉系統(tǒng)共用離心泵，無需外加動力，適宜定量施肥；水壓恒定時可實現(xiàn)按比例施肥。缺點是：肥液濃度不穩(wěn)，難以進行配方施肥和自動化控制，部件連接要求高，施肥容量有限。

1.3.5 注入式施肥

利用注肥泵將肥料母液注入灌溉系統(tǒng)，注肥泵一般由電力驅動，注入口可設置在輸水管道任何位置，注入肥液壓力需大于管道內(nèi)水流壓力。注入式施肥法的優(yōu)點：注肥速度可調(diào)，適用于各種不同肥料配方，既可實現(xiàn)比例施肥又可定量施肥。缺點：運行需滿足最小壓力，需要正確設計和輔助配件，必須進行日常維護，前期投入成本高。

1.3.6 重力自壓式施肥

重力自壓式施肥是把混肥池（箱）置于自壓水源的上部，將混肥池（箱）及閥門）與水源出水口相連接。同時打開混肥池和水源閥門，肥液就自動地隨水輸送到輸水管網(wǎng)中。重力自壓式施肥裝置適用于南方丘陵山地果園或茶園等。其設備成本低，操作簡單，維護方便；施肥時候不需要外加動力，設備體積小，占地少；其施肥過程中的肥液濃度不均一，容易受水壓變化的影響，移動性差。

對于小型設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，比較常用的是施肥方法為：壓差式施肥罐、文丘里吸肥器、泵吸肥法，主要因為以上三種施肥方法結構簡單、成本低、便于移動和操作維護。對于經(jīng)濟價值高、可提高投入成本種植業(yè)，或要求精確控制水肥施用時期用量的種植業(yè)，可以選用比例施肥泵或注入式施肥方式。

1.4 輸水管網(wǎng)

輸水管網(wǎng)的作用是將處理過的水流按照要求輸送分配到每個灌水單元，包括干管、支管、毛管及所需的連接管件。由于灌溉系統(tǒng)的大小及管網(wǎng)布置不同，管網(wǎng)的等級劃分也有所不同。設施果菜種植主管道有硬質PE、PVC、軟帶等幾種形式，支管有內(nèi)鑲圓柱滴灌管、內(nèi)鑲貼片滴灌帶、側翼迷宮滴灌帶、微噴帶等，而主管道采用軟帶形式，支管采用滴灌帶的形式比較經(jīng)濟實用，一般情況下只需350～500元/667m2。對于單個（1～2）×667m2的設施大棚，主管道無論軟帶或硬管管徑都需大于或等于6.67 cm，以利于水壓的均勻分布；對于番茄、辣椒需水肥相對少的作物，滴灌帶采用外徑16 mm、壁厚0.2～0.3 mm、滴頭間距20～40 mm、滴速2～3 L/h最適宜，對于黃瓜、茄子需水肥大的作物，建議采用外徑16 mm、壁厚0.2～0.3 mm、滴頭間距 10～20 mm、滴速 2～3 L/h的滴灌帶［8］（圖 2，圖 3）。

1.5 控制器

水肥一體化技術設備的控制，一般包括兩部分，一部分是供水首部的控制，主要是控制供水系統(tǒng)的總流量和壓力，另一部分是對肥料配比數(shù)量和灌水水量的控制。

1.5.1 首部水泵流量和壓力的控制

目前比較常用的調(diào)節(jié)方法為：出口閥開度調(diào)節(jié)、旁路閥調(diào)節(jié)、葉輪調(diào)整、調(diào)速控制。出口閥開度調(diào)節(jié)是在出口管路上安裝調(diào)節(jié)閥，靠閥的開啟度調(diào)節(jié)流量，該方法簡單，但功率損失大，不經(jīng)濟；旁路閥調(diào)節(jié)是利用旁路分流調(diào)節(jié)流量，可解決泵在小流量連續(xù)運轉的問題，但功率損失和管線增加；葉輪調(diào)整分切割葉輪和更換葉輪，切割葉輪通過切割葉輪外徑調(diào)節(jié)泵的流量，其功率損失小，但葉輪切割后不能恢復且葉輪的切割量有限，適用于需長期在較小流量下工作且流量改變不大的場合，更換葉輪通過更換不同直徑的葉輪來調(diào)節(jié)泵的流量，其功率損失小，但需備各種直徑的葉輪，調(diào)節(jié)流量的范圍有限；調(diào)速調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)泵軸的轉速調(diào)節(jié)流量，其功率損失很小，用變頻調(diào)節(jié)來改變電動機轉速，優(yōu)點是：能夠實現(xiàn)水量變化較大情況下的恒定水壓，適應于更加靈活的管理和精準控制，缺點是需要額外成本。

1.5.2 肥料與灌水控制

一種水肥控制是靠人們在長期種植管理過程中積累的經(jīng)驗，按照土壤的肥力水平和根據(jù)不同作物的水肥需求規(guī)律，自行配制全溶肥料，控制肥料和灌溉水的施用時期及數(shù)量。另一種水肥控制是安裝水肥信息采集與智能控制系統(tǒng)，通過傳感器及時感應土壤水分，并實現(xiàn)對肥液pH值及EC等參數(shù)的監(jiān)測，結合智能化控制軟件，實現(xiàn)灌溉施肥控制［9～10］。

2 肥料的選擇與注意事項

肥料選擇與配制：適合水肥一體化應用的氮肥有：尿素、氯化銨，硫酸銨，其中氯化銨和硫酸銨氮含量較低，呈酸性，有吸濕性，因此一般選擇尿素為宜。磷肥有：高溶晶體磷酸二銨和工業(yè)級磷酸一銨，磷酸二銨一般酸堿度在8.0左右，密度略小，氮含量較多，適合用于中性土壤中；磷酸一銨酸堿度在4.4左右，密度較大，氮含量較低，適合用于石灰性土壤或氮養(yǎng)分較豐富的土壤。鉀肥有：磷酸二氫鉀、氯化鉀 （白色為佳）、硝酸鉀、水溶性硫酸鉀，磷酸二氫鉀屬于高端肥料，一般用于葉面噴施，可改善農(nóng)產(chǎn)品品質和風味，氯化鉀不宜用于煙葉、茶葉、柑橘等農(nóng)產(chǎn)品，氯離子對土壤環(huán)境有害，建議盡量少在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應用，硝酸鉀既是氮肥，又是鉀肥，是一種全速溶的肥料，非常適于水肥一體化應用，高水溶性硫酸鉀在市面上較難購買，具體應用還要考慮資源狀況［11～12］。

水肥一體化應用過程中，其肥料需要配制成高濃度的溶液，因此，需要考慮各種肥料在不同溫度下的溶解度，為了較為精準的設計肥料施入量，充分考慮設施農(nóng)業(yè)會遇到低溫狀況及兩種溶質含有相同離子的干擾現(xiàn)象，我們建議把10～15℃作為計算配肥的參考溫度，且按照低于溶解度30%～40%配制混合肥液（表1）。

圖2 PE主管道及PE軟管

圖3 側翼迷宮式滴灌帶及內(nèi)鑲貼片式滴灌帶

表1 不同原料溶解度 （g）

4 小結

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，水肥一體化技術逐漸進入了設施農(nóng)業(yè)實際生產(chǎn)過程，該項技術能夠提高水分利用率40%～60%和肥料利用率30%～50%，在冬春季能夠提高地溫，由于控制灌水量而降低了空氣濕度，減少了病害發(fā)生概率，可通過機電控制水肥，從多方面降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本；其改變了傳統(tǒng)“大水大肥”管理模式，既節(jié)約了資源，又降低了環(huán)境風險。其涉及到的組件較多，形式多樣，各自具有不同的優(yōu)點及缺點。在生產(chǎn)實踐中應根據(jù)實際情況、因地制宜，主要應考慮操作管理、勞動效率、投入產(chǎn)出比等因素，以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效可持續(xù)發(fā)展。

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S620.6

B

1002-1728（2017）05-0054-05

10.3969/j.issn.1002-1728.2017.05.012

2017-08-23

國家農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護總站（2110402-14）；遼寧省科技攻關項目（2015028）；沈陽市科學技術計劃項目資助（17-148-3-00）。

董環(huán)（1979-），男，遼寧本溪人，副研究員，碩士，從事植物營養(yǎng)和環(huán)境資源方向研究。E-mail：xianyu1979@126.com

婁春榮（1966-），男，遼寧沈陽人，研究員，碩士，從事植物營養(yǎng)和環(huán)境資源方向研究。

E-mail：lcrlys@126.com