玉米大豆套種水肥一體化滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于珍珍,孫海天,王宏軒,李海亮,汪 春,

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163000;2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 南亞熱帶作物研究所循環(huán)農(nóng)業(yè)研究中心,廣東 湛江 524000)

0 引言

玉米大豆套種是一種常見的種植模式,符合共生互利原則。玉米與大豆植株高度差異大,兩種作物葉片對光的采集不受影響,在生長旺盛的時(shí)期,甜玉米葉的采光集中在植株60cm以上的高度,而大豆的采光又是集中在植株50cm以下的高度,二者占據(jù)不同的空間,配置形成兩個(gè)不同的采光層次。玉米采青收獲后,可讓大豆繼續(xù)利用光能,兩種作物均能獲得各自的養(yǎng)分需求。玉米大豆種植在同一地面上,高矮相間,通風(fēng)透氣,一方面可以增加CO2的供應(yīng),另一方面光線能直射在高棵作物的下部。同時(shí),由于矮作物的反向,田間漫射光也大大增強(qiáng)了。此外,作物進(jìn)行光合作用所需要的光多是長波光,早晚的光比中午的光長波光多,而主體栽培增強(qiáng)的光照比早晚的光照多,不僅光照強(qiáng)且光照質(zhì)量好。玉米大豆套種可以發(fā)揮邊行優(yōu)勢。通過立體栽培定向種植,大豆在地頭邊壟種植,通風(fēng)透光,增加CO2的供給,挖掘了玉米的增產(chǎn)優(yōu)勢。玉米植株比大豆植株高,形成了大豆田間的防風(fēng)帶,降低了水分蒸發(fā),且空氣濕度大、光照輻射力強(qiáng)、光合作用好,營造了非常適應(yīng)大豆生長的田間小氣候;玉米葉片一致,方向一致,不影響大豆光合作用。

玉米是適宜水肥一體化的糧食作物,可用滴灌、膜下滴灌、微噴帶、膜下微噴帶和移動(dòng)噴灌等多種灌溉模式。大豆的水肥一體化管理是根據(jù)大豆的需水、需肥規(guī)律和土壤水分、養(yǎng)分情況,將灌溉水和肥料一起適時(shí)、適量、精確地輸送到大豆根部土壤,供給大豆,要求必須采用滴灌系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。玉米和大豆都是需水較多的作物,不同階段耗水差異很大,土壤水分過低或過高都會(huì)影響作物的生長發(fā)育。滴灌是利用埋入土中的低壓管道和鋪設(shè)于行間的滴灌帶將水或溶有液肥的溶液,經(jīng)過滴頭以點(diǎn)滴的方式緩慢而均勻地滴在作物根際的土壤中,使根際土壤保持濕潤。滴灌不同于溝灌、漫灌等粗放灌溉方式,可以根據(jù)作物的需求調(diào)控土壤濕度,既有利于作物生長、獲得高產(chǎn),又能提高水肥的利用效率。

本研究采用滴灌模式,根據(jù)作物需求,制定了一套適宜于玉米大豆套種模式下的水肥一體化技術(shù),為進(jìn)一步完善玉米大豆套種的種植模式提供理論基礎(chǔ),為玉米大豆套種技術(shù)優(yōu)化提供實(shí)踐依據(jù)。

1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原理

滴灌下水肥一體化由水源、首部樞紐、施肥系統(tǒng)及輸配水管網(wǎng)四大部分組成,是通過安裝在毛管上的滴頭或滴灌帶等灌水器使水肥混合液體成水滴狀滴入作物根區(qū)土壤內(nèi)的灌水形式。滴灌時(shí),滴頭周圍的土壤水分處于飽和狀態(tài),并借助毛細(xì)管作用向四周擴(kuò)散。

1.2 總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 首部樞紐的設(shè)計(jì)及選型

首部樞紐系統(tǒng)主要包括自動(dòng)變頻恒壓控制系統(tǒng)及自動(dòng)反沖洗過濾系統(tǒng)。

2.1.1 自動(dòng)變頻恒壓控制系統(tǒng)

因基地種植為坡地種植,存在高差,加之劃分輪灌區(qū)大小不一等問題,導(dǎo)致灌區(qū)所需壓力及流量有差異。因此,需要確保無論開啟關(guān)閉任何一個(gè)灌區(qū)均可使系統(tǒng)工作壓力始終保持在系統(tǒng)正常工作壓力及穩(wěn)定的流量狀態(tài),以滿足不同高差及不同流量灌區(qū)的工作水壓。系統(tǒng)加壓控制系統(tǒng)選用自動(dòng)恒壓變頻控制系統(tǒng),確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。自動(dòng)變頻供水設(shè)備主要由立式管道水泵、變頻恒壓控制器等組成,在設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)可根據(jù)灌區(qū)所需壓力及流量自動(dòng)調(diào)節(jié)所需管道壓力及流量,具有體積小、占地少、安裝方便、高效節(jié)能、高壽命及運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)。采用該系統(tǒng)可以根據(jù)工作需求自動(dòng)調(diào)節(jié)整體系統(tǒng)的壓力及流量,并采用超強(qiáng)保護(hù),遇到故障可以自動(dòng)顯示、報(bào)警。

2.1.2 過濾系統(tǒng)的選型

水質(zhì)的凈化處理對微灌系統(tǒng)十分重要,其凈化設(shè)備與設(shè)施主要包括攔污柵(篩、網(wǎng))、沉淀池和過濾器等,選用何種設(shè)備要根據(jù)水質(zhì)的具體情況決定。為確保系統(tǒng)正常運(yùn)行,防止滴灌系統(tǒng)堵塞,延長滴灌系統(tǒng)使用壽命,過濾系統(tǒng)根據(jù)水源實(shí)際情況選擇。過濾系統(tǒng)采用介質(zhì)自動(dòng)反沖洗過濾器作為一級(jí)過濾,碟片自動(dòng)反沖洗過濾器作為二級(jí)過濾的過濾系統(tǒng)。介質(zhì)過濾器是一種利用石英沙直接攔截和吸附水中的懸浮雜質(zhì)和其他雜質(zhì),凈化水質(zhì)及保護(hù)系統(tǒng)其他設(shè)備正常工作的精密設(shè)備。二級(jí)過濾器采用疊片式過濾系統(tǒng),具有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、過濾精度高、易損件少,無耗材,運(yùn)行費(fèi)用低及操作管理簡單等優(yōu)點(diǎn),可以適用于不同水質(zhì)和用水要求。系統(tǒng)簡圖如圖2所示。

2.2 施肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

水肥一體化施肥系統(tǒng)是指肥料隨同灌溉水進(jìn)入田間的過程,是施肥與灌溉配套使用的一項(xiàng)新技術(shù),是精確施肥與精確灌溉相結(jié)合的產(chǎn)物。其主要是將灌溉水從水源提取,經(jīng)適當(dāng)加壓、凈化、過濾等處理后,由輸水管道送入田間的灌溉設(shè)備。水肥一體化施肥系統(tǒng)的原則是根據(jù)作物的吸收規(guī)律提供養(yǎng)分,減少養(yǎng)分向根系分布區(qū)以下土層的淋失,避免了化肥淋洗造成土壤和地下水的污染,以及過量施肥和灌溉帶來的土壤板結(jié)等問題。

按照控制方式不同,施肥系統(tǒng)可分為兩大類:一是按比例供肥,特點(diǎn)是以恒定的養(yǎng)分比例向灌溉水中供肥,有文丘里注入法和供肥泵法;二是定量供肥,又稱總量控制,特點(diǎn)是整個(gè)施肥過程中養(yǎng)分濃度是變化的,如旁通的儲(chǔ)肥罐法。按比例供肥系統(tǒng)雖然價(jià)格昂貴,但可實(shí)現(xiàn)精確施肥,主要用于輕質(zhì)和沙質(zhì)等保肥能力差的土壤。定量供肥系統(tǒng)投入較小,操作簡單,但不能實(shí)現(xiàn)精確施肥,適用于保肥能力較強(qiáng)的土壤。

這些標(biāo)準(zhǔn)需要特殊的硬件來支持，因此需要使用特殊的ASIC。由于PROFINET RT和EtherNet/IP?也是基于嵌入式雙端口直通式交換機(jī)的，因此它們在這一點(diǎn)上也不例外。

本系統(tǒng)采用泵吸肥法進(jìn)行施肥,主要用于有泵加壓的灌溉系統(tǒng)及有統(tǒng)一管理的種植區(qū)。工作時(shí),水泵一邊吸水,一邊吸肥,可采用潛水泵和離心泵。兩者相比較,離心泵施肥適用于大面積施肥,一次可施肥0.2～1.3hm2;潛水泵施肥則適用于較小面積0.2～0.3hm2。工作時(shí),主要利用離心泵吸水管內(nèi)形成的負(fù)壓將肥料溶液吸入管網(wǎng)系統(tǒng),通過滴灌管輸送到作物根區(qū);通過調(diào)節(jié)肥液管上的閥門,可以控制施肥速度,使水肥在管網(wǎng)輸送過程中自行均勻混合,不需人工配制濃度。泵吸法具有施肥濃度、施肥速度可控的突出優(yōu)點(diǎn),尤其適宜于大面積施肥,具有施肥效率高及設(shè)備投資低、維護(hù)費(fèi)用低的特點(diǎn)。施肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

1.水源 2.逆止閥 3.肥料罐 4.水泵圖3 施肥系統(tǒng)示意圖Fig.3 Fertilization system schematic

2.3 田間輸水網(wǎng)的設(shè)計(jì)

毛管和滴頭的布置形式取決于作物種類、種植方式、土壤類型、風(fēng)速條件、降雨及所選用的滴頭類型。對于玉米、大豆這種條播密植作物,需要采用較高的濕潤比,毛管和滴頭的用量相應(yīng)較多。設(shè)計(jì)時(shí),毛管順作物行向布置,滴頭均勻的布置在毛管上,滴頭間距為0.3～1.0m,每行作物布置一條毛管;干、支管布置取決于地形、水源、作物分布和毛管布置,應(yīng)達(dá)到管理方便、工程費(fèi)用小的要求。在平地,干、支管應(yīng)盡量雙向控制,兩側(cè)布置下級(jí)管道,可節(jié)省管材。

因基地存在高差,為保證整個(gè)基地灌溉施肥的均勻性,在滿足玉米和大豆生長需水量的同時(shí)不浪費(fèi)水肥及最大程度降低成本,在每行玉米鋪設(shè)一條壓力補(bǔ)償?shù)牡喂鄮?滴灌帶為0.4mm壁厚的美國托羅的壓力補(bǔ)償?shù)喂鄮?具有耐曬耐壓抗老化性能好等優(yōu)點(diǎn)。因作物種植行距較密,土壤為較粘重的紅壤土,所以選擇1.1L/h流量、30cm一個(gè)滴頭的壓力補(bǔ)償?shù)喂鄮ё鳛橛衩状蠖固追N的的灌水器,設(shè)計(jì)在每行玉米鋪設(shè)一條壓力補(bǔ)償?shù)螏?以滿足玉米大豆生長需要的水肥。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)灌溉制度采用分組輪灌,可以減少工程投資,提高設(shè)備利用率。將支管分成若干組,由干管輪流向各組支管供水,支管內(nèi)部則同時(shí)向毛管供水。根據(jù)作物需水要求,全系統(tǒng)劃分的輪灌組數(shù)數(shù)目為

N≤CT/t

式中N—允許的輪灌組最大數(shù)目,取整數(shù);

C—1天運(yùn)行的時(shí)間,一般為12～20h;

T—灌水時(shí)間間隔(周期)(d);

t—1次灌水持續(xù)時(shí)間(h)。

輪灌組劃分方法:通常在支管的進(jìn)口安裝閘閥和流量閥,使支管所管轄的面積成為1個(gè)灌水單元,稱為灌水小區(qū)。一個(gè)輪灌組可包括1條或若干條支管,即包括1個(gè)或若干個(gè)灌水小區(qū)。

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)基本條件

試驗(yàn)地位于廣東省湛江市南亞熱帶作物研究所循環(huán)農(nóng)業(yè)研究中心,地理位置為東經(jīng)109°31'～110°55'、北緯20°～21°35'之間,年平均氣溫23.4℃,無霜期為350d,年平均降雨量為1 700～1 800mm,土壤類型為紅壤土;供試玉米品種為“廣糯2008”,大豆品種為“秦豆5號(hào)”。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

分別對單作玉米、單作大豆、玉米大豆套種進(jìn)行試驗(yàn),并在收獲期對作物進(jìn)行測產(chǎn)驗(yàn)收,結(jié)果如表1所示。

表1 玉米大豆套種產(chǎn)量差異Table 1 Yield difference between maize and soybean intercropping

4 結(jié)論

1)玉米、大豆套種具有顯著的產(chǎn)量優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)效益,與單作相比,玉米產(chǎn)量略有降低,但大豆產(chǎn)量顯著提高,套種總產(chǎn)量提高。

2)設(shè)計(jì)的滴灌條件下的水肥一體化系統(tǒng)可以滿足玉米大豆套種對水、肥的需求,使玉米和大豆競爭比率協(xié)調(diào)發(fā)展,提高了玉米和大豆對水分、養(yǎng)分的吸收。本研究可為玉米大豆套種條件下水肥一體化提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。