基于增氧加壓功能的鹽堿地滴灌裝置設(shè)計(jì)

左永梅，劉雅輝，孫建平，張虹偉，李欣明

(1.河北省農(nóng)林科學(xué)院濱海農(nóng)業(yè)研究所，河北 唐山 063299；2.河北省鹽堿地綠化工程技術(shù)中心，河北 唐山 063299； 3.唐山市耐鹽植物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 唐山 063299)

鹽堿土又稱(chēng)鹽漬土，是鹽土、堿土和各種鹽化、堿化土的統(tǒng)稱(chēng)，是一種含過(guò)多易溶性鹽類(lèi)或交換性鈉離子，以至理化性質(zhì)變差的土壤[1]。鹽堿土含鹽量較高，使植物的生長(zhǎng)受到一定程度的限制，通常需要及時(shí)澆水，使其能夠生長(zhǎng)。但鹽堿土土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)差，容易板結(jié)，透水性、通氣性不好，且缺乏有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，土壤內(nèi)部的氧氣不足，好氧性微生物活動(dòng)性差[2]，抑制了植物根系的呼吸作用，進(jìn)而削弱根系吸收水肥的功能。因此，適時(shí)適量供水，精確、科學(xué)控水，才能保證植物新陳代謝和茁壯成長(zhǎng)。滴灌技術(shù)作為控制土壤鹽堿化的重要手段之一，在鹽堿地改良中起到了非常重要的作用，能節(jié)水、省藥、增產(chǎn)，減少勞力等的成本投入，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上得到了廣泛應(yīng)用[3-5]。現(xiàn)有技術(shù)中的滴灌裝置在使用時(shí)通常不具有增加液體含氧量的功能，植物吸收水肥的能力不強(qiáng)，且通常利用水泵抽水使液體持續(xù)流動(dòng)，當(dāng)液體長(zhǎng)距離流動(dòng)時(shí)，到達(dá)植物根莖部位時(shí)液體具有的壓力很小，滴灌效率很低。針對(duì)上述問(wèn)題，茲設(shè)計(jì)了一種新型實(shí)用的增氧加壓鹽堿地區(qū)植物滴灌裝置，其原理是采用機(jī)械增氧的方法，使水體中產(chǎn)生微小氣泡，與水融合后產(chǎn)生氣態(tài)氧和已溶氧，為作物根系提供充足的氧氣。以解決現(xiàn)存在的滴灌裝置滴灌效率低的技術(shù)問(wèn)題，為提高水資源利用提供參考。

1 裝置架構(gòu)

1.1 裝置總體結(jié)構(gòu)

基于增氧加壓功能的鹽堿地滴灌裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置基本結(jié)構(gòu)為水箱、氧氣輸送機(jī)構(gòu)、水壓增壓機(jī)構(gòu)以及液體輸送機(jī)構(gòu)、抽水機(jī)構(gòu)和過(guò)濾機(jī)構(gòu)。水箱用于容納液體，氧氣輸送機(jī)構(gòu)的輸出端與水箱的內(nèi)腔聯(lián)通；水箱設(shè)置有出水口，出水口能夠與液體輸送機(jī)構(gòu)相連；水壓增壓機(jī)構(gòu)設(shè)置于液體輸送機(jī)構(gòu)上。液體輸送機(jī)構(gòu)包括輸水管和滴灌管帶，輸水管的一端與出水口相連，輸水管的另一端與滴灌管帶相連，水壓增壓機(jī)構(gòu)設(shè)置于輸水管上。抽水機(jī)構(gòu)設(shè)置于水壓增壓機(jī)構(gòu)和水箱之間的輸水管上，過(guò)濾機(jī)構(gòu)設(shè)置于抽水機(jī)構(gòu)與水壓增壓機(jī)構(gòu)之間的輸水管上。滴灌裝置還包括液位傳感器和控制柜，控制柜包括控制器、開(kāi)關(guān)和報(bào)警器；液位傳感器、氧氣輸送機(jī)構(gòu)、水壓增壓機(jī)構(gòu)、抽水機(jī)構(gòu)以及攪拌機(jī)構(gòu)均與開(kāi)關(guān)電連接，液位傳感器和報(bào)警器分別與控制器電連接。

1-水箱；11-控制柜；111-報(bào)警器；112-開(kāi)關(guān)；12-攪拌機(jī)構(gòu)；13-氧氣輸送機(jī)構(gòu)；14-過(guò)載保護(hù)元件；15-藥液進(jìn)口；16-進(jìn)水口；17-輸水管；171-抽水機(jī)構(gòu)；172-過(guò)濾機(jī)構(gòu)；173-水壓增壓機(jī)構(gòu)；2-滴灌管帶；21-曲管；22-滴灌器 圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 水箱結(jié)構(gòu)

水箱結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要包括外殼、保溫層、反射層、液位傳感器和攪拌機(jī)構(gòu)，其中水箱的外表面上是保溫層，保溫件的外表面上是反射層。水箱還包括藥液進(jìn)口和進(jìn)水口，藥液進(jìn)口和進(jìn)水口處設(shè)置有過(guò)濾網(wǎng)。水箱內(nèi)設(shè)有攪拌機(jī)構(gòu)，攪拌機(jī)構(gòu)由攪拌槳、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和蓄電池組成，攪拌槳的輸入端與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出端相連，電機(jī)與蓄電池相連。水箱上還設(shè)置有過(guò)載保護(hù)元件，過(guò)載保護(hù)元件為彈簧式安全閥。

12-攪拌機(jī)構(gòu)；121-驅(qū)動(dòng)電機(jī)；122-攪拌槳；13-氧氣輸送機(jī)構(gòu)；131-泵體；132-氣管；133-氣石；18-保溫層；181-反射層；182-外殼；19-液位傳感器 圖2 水箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2 各部件的功能與技術(shù)原理

2.1 水 箱

(1)外部特點(diǎn)。水箱外表面的保溫層可以是壓緊的海綿、棉花、礦物棉等，與水箱外表面可通過(guò)黏接的連接方式，用于防止外界熱量進(jìn)入水箱內(nèi)，或者防止外界溫度過(guò)低，凍壞水箱。保溫層的外表面上的反射層是均勻涂覆的反射隔熱保溫涂料，用于反射陽(yáng)光，避免太陽(yáng)的熱量在水箱的表面進(jìn)行累積升溫。

(2)內(nèi)部特點(diǎn)。一是由于氧氣輸送機(jī)構(gòu)持續(xù)的向水箱中輸送氣體，使得水箱內(nèi)部的壓力增加，為了使水箱的使用更加安全可靠，在水箱上還設(shè)置過(guò)載保護(hù)元件，即彈簧式安全閥。一旦當(dāng)水箱內(nèi)的壓力異常后產(chǎn)生的高壓將克服安全閥的彈簧壓力，閉鎖裝置被頂開(kāi)，形成一個(gè)泄壓通道，將高壓泄放掉。而當(dāng)水箱內(nèi)盛有液體，氧氣輸送機(jī)構(gòu)持續(xù)不斷地向水箱內(nèi)輸送氣體時(shí)，水箱內(nèi)的壓力逐漸增大且小于過(guò)載保護(hù)元件設(shè)定的最大壓力值時(shí)，位于水箱內(nèi)的液體在上層空氣的擠壓下，會(huì)以更快的速度從水箱的出水口流出。二是液位傳感器的智能化設(shè)計(jì)。液位傳感器位于水箱內(nèi)部，當(dāng)液位傳感器檢測(cè)到水箱內(nèi)液體的高度小于設(shè)定的范圍值時(shí)，液位傳感器將信號(hào)傳輸給控制器，控制器將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)送相應(yīng)的頻率信號(hào)給報(bào)警器，使其啟動(dòng)。當(dāng)報(bào)警器為揚(yáng)聲器時(shí)，控制器發(fā)出對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)給揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，提醒人員及時(shí)加水和藥液，實(shí)現(xiàn)滴灌過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，節(jié)約了時(shí)間，提高了工作效率。

2.2 氧氣輸送機(jī)構(gòu)

在此氧氣輸送機(jī)構(gòu)指氧氣泵，氧氣泵包括泵體、氣管和氣石，泵體通過(guò)氣管與氣石相連。泵體通電后能夠產(chǎn)生壓縮空氣，氣石能將泵體產(chǎn)生的壓縮空氣噴出。氣石通過(guò)氣管從水箱上表面預(yù)留的孔位進(jìn)入水箱的內(nèi)腔，最終與水箱內(nèi)腔的底面接觸。為了防止漏水，氣管與水箱的箱體壁之間密封，密封的方式可以是在箱體壁與氣管之間設(shè)置密封圈，也就是在水箱上表面的預(yù)留孔位內(nèi)黏接一個(gè)內(nèi)徑小于氣管直徑的密封圈，使得密封圈與氣管之間過(guò)盈配合，達(dá)到密封的效果。為了避免氣管隨液體流動(dòng)時(shí)晃動(dòng)對(duì)水箱內(nèi)其余部件的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響，氣管通過(guò)防水膠與水箱內(nèi)腔的側(cè)壁和底面固定連接。

2.3 滴灌管帶

液體輸送機(jī)構(gòu)中的滴灌管帶包括曲管和滴灌器，曲管的一端與輸水管相連，曲管的另一端與滴灌器相連。曲管能夠布設(shè)于植物根莖處的地面上，也能夠延伸進(jìn)土壤里，無(wú)論是哪種設(shè)置形式，設(shè)置于其末端的滴灌器都能夠?qū)⒁后w輸送給植物。還可以將輸水管的一端與水箱的出水口相連，輸水管的另一端通過(guò)轉(zhuǎn)接頭與若干支管相連，任意一根支管的末端設(shè)置有堵頭，在支管的側(cè)壁上設(shè)置若干滴灌噴頭或者霧化噴頭，用于將液體均勻噴出。

2.4 工作過(guò)程

水箱進(jìn)水口和藥液進(jìn)口灌入液體后，經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)將蓄水池和藥液箱中的大顆粒雜質(zhì)過(guò)濾掉，通過(guò)攪拌機(jī)構(gòu)將水箱內(nèi)的液體(水和藥液)攪拌均勻。使用者按下開(kāi)關(guān)，滴灌裝置開(kāi)始工作，先利用氧氣輸送機(jī)構(gòu)將氧氣輸送進(jìn)水箱中，使水箱中液體的含氧量增加，經(jīng)出水口，通過(guò)液體輸送機(jī)構(gòu)上設(shè)置的水壓增壓機(jī)構(gòu)，提高液體流動(dòng)時(shí)的壓力和速度，使液體能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，進(jìn)一步確保液體到達(dá)植物根莖時(shí)仍然具有一定的水壓。當(dāng)含氧量高的水流至植物根莖處時(shí)，植物根莖處氧氣充足，有效提升植物根莖對(duì)水肥的吸收能力和滴灌效率。

3 測(cè)試試驗(yàn)與分析

3.1 材料和方法

采用盆栽試驗(yàn)土壤均均采自河北省唐山市曹妃甸區(qū)天旭生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司院內(nèi)，全鹽含量為0.35%，將同等數(shù)量、長(zhǎng)勢(shì)相同的番茄幼苗隨機(jī)分成兩組，標(biāo)記為A1和A2，其中A1安裝了本滴灌裝置，作為試驗(yàn)組；A2采用普通灌溉方式，作為對(duì)照組，A1與A2的總灌水量相同，其他生長(zhǎng)條件(光照、環(huán)境溫濕度等)均相同。經(jīng)過(guò)30 d的培育后，對(duì)2組植物的植株高度、葉片寬度、土壤中水分布、植物整體長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行記錄，結(jié)果表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

3.2 結(jié)果與分析

根據(jù)番茄秧苗整體長(zhǎng)勢(shì)和表1可知，A1中植株根系較發(fā)達(dá)，根干重在1.58～1.75 g左右，側(cè)根數(shù)量多；莖粗一般在4.03～5.6 mm;葉色深綠，葉片肥厚，寬度在8.9～11.71 cm范圍內(nèi)，分布較為均勻；高度在20.66～23.81 cm范圍內(nèi)，長(zhǎng)勢(shì)較好。A2中植株根干重在1.43～1.56 g之間，側(cè)根數(shù)量較少；莖粗一般在3.78～5.26 mm；葉片生長(zhǎng)不勻、單薄，寬度在9.01～11.42 cm范圍內(nèi)，存在較窄小葉片；高度在12.5～16.33 cm范圍內(nèi)，分布不均，且存在較矮植株，長(zhǎng)勢(shì)較差。

A1與A2的植物相比，A1的植物根干更重、莖更粗、葉片寬、株型高、土壤水分布集中，植物整體長(zhǎng)勢(shì)更好且均勻。

2個(gè)試驗(yàn)組在生長(zhǎng)要素和用水量均相同的條件下，A1長(zhǎng)勢(shì)明顯優(yōu)于A2,說(shuō)明用于A2灌溉的水沒(méi)有得到充分利用，可能在于單次澆水量過(guò)大導(dǎo)致深層滲漏以及灌溉后土壤濕度過(guò)大導(dǎo)致的蒸發(fā)加劇，很多水被浪費(fèi)掉，而沒(méi)有留存于土壤中從而被作物吸收[6]。水分缺失是導(dǎo)致A2生長(zhǎng)不良的重要原因。A1使用滴灌裝置，土壤濕度控制合理，深層滲漏少；其地上部分長(zhǎng)勢(shì)良好，根系集中在被灌溉土體的外圍，表明在被灌溉土體中央，土壤內(nèi)氧氣的擴(kuò)散率很低，驗(yàn)證了對(duì)作物根系進(jìn)行增氧灌溉的處理能顯著改善被灌溉土體中央的氧氣含量，使作物能夠更好地生長(zhǎng)發(fā)育[7]。也契合了Bhattarai等人的研究結(jié)果：向作物根區(qū)加入氧氣可以提高作物根系活力及根區(qū)微生物活力，有利于根系對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收。同時(shí)增氧處理可以提高作物地上部分的生長(zhǎng)，提高作物的水分利用率[8,9]。由此可見(jiàn)，在鹽漬土的土壤環(huán)境下種植番茄，對(duì)番茄根區(qū)進(jìn)行增氧滴灌與常規(guī)灌溉水比較，對(duì)處理土壤內(nèi)缺氧癥狀有明顯效果，提高了水資源利用，對(duì)土壤改良具有一定的積極影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

這種基于增氧加壓功能的鹽堿地滴灌裝置，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，旨在提高滴灌的水資源利用率和增氧灌溉效果。而且使用方便，能擴(kuò)大土壤內(nèi)濕潤(rùn)范圍，有利于水肥均勻分布，減少鹽害，為根系創(chuàng)造更大的生長(zhǎng)空間。在持續(xù)灌溉的條件下，土壤濕潤(rùn)體的大小、水肥分布梯度相對(duì)穩(wěn)定，土壤通透性好，能充分發(fā)揮了植物根系自身的生理優(yōu)化調(diào)節(jié)功能，使植物在最適宜的土壤水肥處生長(zhǎng)，避免了土壤反鹽的情況發(fā)生，有效降低土壤耕層鹽分含量。同時(shí)減少了深層滲漏、蒸發(fā)導(dǎo)致的水資源的浪費(fèi)，提高植物對(duì)水的利用率，節(jié)約了水資源。相對(duì)于普通滴灌，有效地提升了液體的含氧量和液體遠(yuǎn)距離輸送的能力，提高了灌溉管理水平和灌溉水利用率[6]，尤其在含鹽量高、通透性差，土質(zhì)黏重的鹽堿地具有較高的實(shí)用價(jià)值。