自動檢測定量操作土壤調(diào)節(jié)裝置設(shè)計

鄭 強，金 麗，李佳寧

（山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014）

近年來，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高速發(fā)展，大量農(nóng)藥化肥的不當施用、灌溉農(nóng)業(yè)的不合理開發(fā)和工業(yè)污染的無序排放，導致我國部分地區(qū)土壤酸化與鹽漬化程度呈不斷加速趨勢。我國的酸性土面積約 2.04×108hm2，鹽堿土面積約 3.6×108hm2，分別約占全國耕地面積的21%和36%，且分布廣泛，類型多樣。土壤的酸化與堿化一方面對耕作層土壤的物理性狀與肥力產(chǎn)生不良影響，甚至導致土壤退化，危害作物生長，致使作物減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)，限制了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，甚至威脅糧食安全；另一方面，隨著土壤酸化與堿化程度的不斷加重，會造成植被減少，土地荒漠化加劇，同時影響地下水環(huán)境，加速生態(tài)環(huán)境的惡化。因此，無論從改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，保障糧食安全，還是從保護生態(tài)環(huán)境，促進社會經(jīng)濟快速發(fā)展等出發(fā)，開展土壤修復技術(shù)與裝備研發(fā)都是十分必要的。

目前的土壤酸堿度改良措施，可分為化學改良、生物改良和綜合改良等。其中，化學改良主要通過投加化學改良劑來調(diào)節(jié)土壤酸堿度。這首先要對土壤酸堿度進行人工檢測，然后根據(jù)檢測數(shù)據(jù)人工調(diào)配化學改良劑，通過人工或機械投加。但實際操作中往往通過經(jīng)驗或固定方案確定化學改良劑的配比和施用量，控制較為粗放，對土壤條件的適應(yīng)性差、改良效果不理想。而現(xiàn)有的土壤酸堿度調(diào)節(jié)設(shè)備，無法對土壤的酸堿度進行測定，缺乏土壤檢測、改良劑配制和投加等環(huán)節(jié)的高效聯(lián)動，且實際應(yīng)用中不便于控制改良劑配比，易造成配比誤差較大，且設(shè)備自動化程度不高，工作效率低，無法達到對土壤酸堿度進行調(diào)和的目的。因此，研發(fā)一種能夠自動進行土壤酸堿度檢測，精準控制改良劑配比，自動進行改良劑配制和投加的土壤酸堿度改良裝置，對于提升土壤改良裝置自動化水平，提高工作效率，改善工作條件，保證工作效果具有積極意義。

1 總體設(shè)計構(gòu)想

1.1 裝置架構(gòu)與功能

該裝置采用模塊化架構(gòu)，由檢測模塊、改良劑配制模塊、投加模塊和控制模塊組成。

1）檢測模塊。該模塊由探針式土壤酸堿度快速檢測儀、電動機、皮帶輪、絲桿、螺紋塊、移動桿和防護罩組成。電動機、皮帶輪、絲桿、螺紋塊和移動桿組成動作機構(gòu)，通過其配合動作帶動探針式土壤酸堿度快速檢測儀上下運動，使探針插入土壤開始自動檢測，并自動記錄和傳送檢測數(shù)據(jù)至控制模塊。

2）改良劑配制模塊。該模塊由酸液存放箱、堿液存放箱、水箱、浮球、浮桿、穩(wěn)定塊、固定桿、刻度線、酸液管、堿液管、電磁閥、進液管、電機、攪拌桿和葉片組成，用于精確控制將標準濃度的酸液和堿液按照既定比例配制成滿足土壤改良要求的改良劑溶液。酸液和堿液存放箱用于存放標準濃度的液態(tài)酸堿改良劑；浮球、浮桿、穩(wěn)定塊、固定桿、刻度線等組成液位控制機構(gòu)，用于觀測、監(jiān)測和控制各箱體內(nèi)液位，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至控制模塊；酸液管、堿液管、電磁閥、進液管、電機、攪拌桿和葉片組成改良劑配制機構(gòu)，用于精準控制改良劑配比，制備符合要求的改良劑溶液。

3）投加模塊。該模塊由、水泵、電磁閥、管道和噴盤組成，用于按照要求精準控制改良劑投加量。

4）控制模塊。主要為小型PLC，與前述三個模塊連接，用于寫入數(shù)據(jù)處理和控制程序，接收和處理土壤酸堿度檢測數(shù)據(jù)和各箱體液位信息，精確控制各模塊電磁閥的啟閉和電動機的啟停等動作。

1.2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2 設(shè)備運行原理

裝置運行時，第一電機5帶動第一皮帶輪6轉(zhuǎn)動，第一皮帶輪6通過皮帶帶動第二皮帶輪7轉(zhuǎn)動，第二皮帶輪7帶動絲桿8轉(zhuǎn)動，絲桿8帶動螺紋塊9移動，螺紋塊9通過移動桿10帶動酸堿度測試儀11移動，將酸堿度測試儀11插入至土壤內(nèi)，對土壤的酸堿度進行檢測，取兩個酸堿度測試儀11所測試數(shù)據(jù)的平均值作為調(diào)和值，并將檢測數(shù)據(jù)傳送至控制模塊的小型PLC，對檢測數(shù)據(jù)進行計算，并按照提前寫入程序中規(guī)定的相應(yīng)酸堿度條件下酸液和堿液與水的配比進行改良劑配制。若土壤堿性較高時，PLC控制打開第二電磁閥22，酸性溶液通過酸液管21流入至水箱4內(nèi)，酸液存放箱2中酸性溶液體積減小，此時酸液存放箱2內(nèi)的浮球12下移，帶動浮桿14向下移動，此時刻度線16下移，通過監(jiān)測液位的變化，從而得到酸性溶液流出的容量，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至PLC，直至酸性溶液排放量達到所需容量時，PLC控制關(guān)閉第二電磁閥22。若土壤酸性較高時，打開第三電磁閥24，堿性溶液通過堿液管23流入至水箱4內(nèi)，與上述原理相同，直至堿性溶液排放量達到所需容量時，關(guān)閉第三電磁閥24。隨后，進水管31往水箱4內(nèi)注水，水箱4內(nèi)的浮球12移動，帶動水箱4內(nèi)的浮桿14向下移動，通過監(jiān)測液位變化，注水至所需要的容量，PLC控制停止注水，并啟動第二電機26工作帶動攪拌桿27轉(zhuǎn)動，攪拌桿27帶動葉片28轉(zhuǎn)動，使酸性溶液與水溶液快速混合，完成改良劑配制。此后，PLC控制水泵17工作，帶動第一電磁閥20，配制好的改良劑通過管道19和噴盤18向土壤進行噴灑投加，對土壤酸堿度進行調(diào)和。

3 裝置的應(yīng)用

該裝置將土壤酸堿度自動檢測、改良劑的精準配制與自動投機有機整合，自動化程度較高，可有效提高土壤酸堿度調(diào)節(jié)工作效率，提升改良效果。該裝置既可以獨立設(shè)備模式用于土壤酸堿度調(diào)節(jié)作業(yè)，作為一種精細農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)裝備，較為適用于果樹、蔬菜、花卉、苗木等經(jīng)濟作物小范圍種植區(qū)域內(nèi)的土壤酸堿度調(diào)節(jié)，也可經(jīng)適當改裝后與其他行走設(shè)備、動力設(shè)備、噴灌機及水肥一體化設(shè)備等聯(lián)合構(gòu)成性能更為強大的、適用于大范圍生產(chǎn)種植和土壤改良的系統(tǒng)，其適用性能更廣泛，作業(yè)效率更高，技術(shù)優(yōu)勢更明顯。

目前，該裝置在自動行走機構(gòu)設(shè)計、動力與供電系統(tǒng)設(shè)計、整體小型化設(shè)計、智能化設(shè)計等方面仍有較大的升級空間。今后需積極探索將GPS定位與導航、行走機構(gòu)自動控制、風光電互補、遠程智能控制等先進技術(shù)應(yīng)用于該裝置的技術(shù)方法，真正實現(xiàn)該裝置的全自動智能作業(yè)。