基于水肥耦合的溫室大棚滴灌設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張 妞，王金魁，崔師勝，塔依爾江·阿西木

(1.新疆白楊河流域管理局,新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆維吾爾自治區(qū)水文局,新疆 烏魯木齊 830000;3.新疆白楊河流域管理局水利管理中心,新疆 烏魯木齊 830039)

0 引言

托克遜縣處于全國典型的極端干旱區(qū)，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，面對日益快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和日益豐富的農(nóng)產(chǎn)品需要，如何最大程度地借助外在手段將有限的水資源轉(zhuǎn)化為最大效率的產(chǎn)出是關(guān)鍵，然而，雖然當(dāng)?shù)匾步溯^多溫室大棚，但是建后使用的都較少，更難做到真正發(fā)揮作用，也出現(xiàn)了有些種植戶種植不科學(xué)、灌溉方式粗放導(dǎo)致資源浪費(fèi)等現(xiàn)象，水肥一體化技術(shù)因?qū)崿F(xiàn)了向生長中的作物同步供給水分和養(yǎng)分的技術(shù)而被逐漸發(fā)展、應(yīng)用[1]。水肥一體化技術(shù)要點(diǎn)及應(yīng)用前景分析，也為我們在托克遜當(dāng)?shù)剡x擇溫室大棚通過開展水肥耦合的滴灌設(shè)計(jì)以及應(yīng)用提供了途徑。

1 滴灌設(shè)計(jì)

大棚滴灌系統(tǒng)具有節(jié)水、增產(chǎn)、省工、提高灌溉質(zhì)量及減少深層滲漏等許多優(yōu)點(diǎn)[2]，結(jié)合當(dāng)?shù)卮笈镎{(diào)查分析情況，針對大棚分散的單元屬性，而又集中在壓力源管網(wǎng)線內(nèi)的特點(diǎn)，也在借鑒現(xiàn)在應(yīng)用較為廣泛的水肥一體化技術(shù)，探索實(shí)踐中重力滴灌系統(tǒng)用于“一家一戶”單棚灌溉。

1.1 總體布局

設(shè)計(jì)的灌溉系統(tǒng)服務(wù)的日光溫室有兩種：一是總體面積為186 m×8.5 m(2.37畝)，室內(nèi)生產(chǎn)長度180 m，寬度(種植壟長)6.5 m，種植面積1170 m2(1.75畝)；二是總體建筑面積為96 m×8 m，室內(nèi)生產(chǎn)長度90 m，寬度(種植壟長)6.5 m?？傮w布局為溫室內(nèi)建設(shè)蓄水池，通過水泵加壓對分列在大棚中的儲水罐供水，在重力作用下，水及養(yǎng)分由干管進(jìn)入到支管，毛管與支管相連，每一壟用一條滴灌帶，通過管網(wǎng)及灌頭將水源及養(yǎng)分輸送到作物根系附近。

1.2 滴管系統(tǒng)的水力設(shè)計(jì)

1.2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

由于水在流動中產(chǎn)生了摩擦損失，水頭壓力及滴頭流量也沿程降低，根據(jù)規(guī)范要求，在符合作物需水要求的基礎(chǔ)上，在毛管滴頭流量允許變化值為20%，支管上毛管流量允許變化值為10%即可視為滿足了滴頭流量的均勻性[3]。具體滴頭、流量和壓力的關(guān)系變化公示為：

qvar=1-(1-Hyar)x

(1)

式中：qvar為流量變化值；Hyar為壓力變化值；x為滴頭參數(shù)(0.5)。

根據(jù)式1，當(dāng)流量差為20%時(shí)，壓力差為36%；當(dāng)流量差為10%時(shí)壓力差為11.6%。

根據(jù)需要設(shè)定毛管首端水頭壓力A定為0.55 kg f/cm2，則可得毛管末端水頭壓力為0.35 kg f/cm2，支管首端水頭壓力為0.63 kg f/cm2。

1.2.2 毛管設(shè)計(jì)

在滿足滴頭流量變化范圍的前提下，選擇最大長度的毛管，采用勃拉斯公式：

(2)

式中：D為毛管內(nèi)徑；L為毛管長度；ΔH為毛管水頭損失；Q為毛管進(jìn)口流量。

其中：

L=n1·S

(3)

Q=n1·q1

(4)

根據(jù)式(3)和式(4)可得：

(5)

式中：q1為內(nèi)孔流量，L/h；n1為毛管上內(nèi)孔數(shù)目；S為內(nèi)孔間距。

其中：

ΔH=0.36H

(6)

式中：H為正常水頭壓力；ΔH為毛管水頭損失。

整理可得：

HD4.75·S1.75=0.469q11.75L2.75

(7)

H=0.55 kg f/cm2，D1=10 mm，S1=333 mm，單位灌水量q1=3 L/(m·h)，代入得L1=6.5 m為毛管最大允許長度。

1.2.3 支管設(shè)計(jì)

每個(gè)獨(dú)立“自壓滴灌水肥一體化系統(tǒng)”控制3條支管，每根支管長度30 m，控制25壟50條毛管，由于是多孔出流，適用于勃拉斯公式。

ΔH2D24.75S21.75=0.469q21.75L22.75

(8)

Q=q2L2=q1L1n2

(9)

L2=S2·n2

(10)

式中：D2為支管內(nèi)徑；ΔH為支管水頭損失；L2為支管上首末端毛管間距；Q2為支管流量；S2為毛管間距；n2為毛管數(shù)量。

其中，H=0.55 kg f/cm2，ΔH=16.6%H，n2=50，L2=30 m，可求得q2=32.5 L/(m·h)；S2=0.6 m。

代入得：D2=22 mm。出于長期使用角度考慮，支管選用Φ40PE管。

1.2.4 總管設(shè)計(jì)

水經(jīng)水泵加壓后再經(jīng)過過濾器，水頭壓力是1 kg f/cm2,總管末端要求的水頭壓力是0.55 kg f/cm2，水頭損失=0.45 kg f/cm2，總管長度120 m，總管流量為5.85 t/h。適用直徑選擇32 mmPVC。

2 水肥耦合

2.1 實(shí)施背景

水分和養(yǎng)分對植株?duì)I養(yǎng)生長、產(chǎn)量和品質(zhì)形成具有重要影響，適宜的水肥用量有助于提高蔬菜產(chǎn)量，而水肥關(guān)系失調(diào)則會導(dǎo)致蔬菜生長緩慢，影響產(chǎn)量[4]。大水大肥不僅不能使蔬菜增產(chǎn)提質(zhì)，反而會造成浪費(fèi)的同時(shí)影響品質(zhì)，總之，科學(xué)施肥對作物的高產(chǎn)至關(guān)重要。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，種植作物生長期間的需肥規(guī)律和需肥特性、耕地肥力水平、肥料性能和肥料效應(yīng)、施肥方式和施肥時(shí)間都是重要參數(shù)，對其了解和掌握的情況直接影響到科學(xué)決策。因?yàn)槭芟抻诠芾砑夹g(shù)、生產(chǎn)力水平及人工因素，生產(chǎn)上存在分散、雜亂、守舊，幾乎沒有大棚農(nóng)作物高效節(jié)水灌溉、施肥配套調(diào)控設(shè)施，種植戶深受大棚作物人工灌溉施肥困難困擾，更難以實(shí)現(xiàn)科學(xué)種植，致使種植戶積極性不高，部分大棚存在無人管的現(xiàn)象，造成工程建設(shè)資源浪費(fèi),因此探索實(shí)踐水肥耦合模式。

2.2 工作原理

通過配備灌水器、施肥罐及過濾器，實(shí)現(xiàn)灌溉與施肥在壓力作用下將可溶性固體肥料或液體肥料配兌而成的肥液通過灌溉系統(tǒng)注入灌溉輸水管道，與灌溉水一起，均勻、準(zhǔn)確地輸送到作物根部土壤，作物在吸收水分的同時(shí)吸收養(yǎng)分[5]，這也是一般施肥方法所不具備的，同時(shí)，結(jié)合作物生長需求，進(jìn)行全生育期需求設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃供給水分和養(yǎng)分。通過定時(shí)、定量、定時(shí)、按比例供給，滿足植物對水分、養(yǎng)分的需求，切實(shí)提高水和肥料利用率，保證作物高產(chǎn)高效，降低人工成本，增強(qiáng)可操作性。

3 實(shí)踐應(yīng)用及取得成效

3.1 系統(tǒng)建設(shè)

根據(jù)日光溫室建設(shè)規(guī)格，采用自壓滴灌系統(tǒng)需要建設(shè)兩套獨(dú)立“自壓滴灌水肥一體化系統(tǒng)”，每套系統(tǒng)控制90 m×6.5 m(0.88畝)種植區(qū)域，二次供水，每個(gè)溫室內(nèi)建設(shè)1座15 m3蓄水池(5 m×2 m×1.5 m)，1臺兩相潛水泵對兩個(gè)滴灌系統(tǒng)儲水罐提供二次供水；毛管選購用Φ10×330×1.0自壓滴管管，長度6.5 m，“一壟兩管兩行”，毛管流量Qm=19.5 L/h；支管選用Φ40PE管，支管長度30 m，控制25壟50條毛管，支管流量Qz=975 L/h；每個(gè)獨(dú)立“自壓滴灌水肥一體化系統(tǒng)”控制3條支管，干管選用Φ40PVC管，長度30 m；系統(tǒng)壓力1.2 m～1.5 m，儲水罐800 L～1000 L，支架高度大于1.2 m，輸水潛水泵揚(yáng)程10 m，流量2 m3/h～3 m3/h。根據(jù)作物需水規(guī)律,定時(shí)定量將溶有肥料的灌溉水，通過灌水器將肥液滴入根區(qū)。通過微灌灌溉系統(tǒng)進(jìn)行灌溉施肥，作物在吸收水分的同時(shí)吸收養(yǎng)分，是在壓力作用下，將肥料溶液注入灌溉輸水系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)的。

3.2 績效情況

通過項(xiàng)目的實(shí)施，特別是現(xiàn)場點(diǎn)對點(diǎn)、手把手培訓(xùn)指導(dǎo)種植戶進(jìn)行微灌水肥一體化設(shè)備安裝，幫助種植戶掌握微灌水肥一體化技術(shù)，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)種植觀念，改善種植條件，提高種植作物水平，促進(jìn)增產(chǎn)增收，切實(shí)達(dá)到推廣輻射帶動托克遜縣大棚作物種植的效果。

3.2.1 社會效益

通過將微灌水肥一體化在托克遜縣夏鄉(xiāng)鐵提爾村日光標(biāo)準(zhǔn)棚連片區(qū)進(jìn)行推廣，組織觀摩和培訓(xùn)農(nóng)戶，真正送種植新技術(shù)和高科技設(shè)備下鄉(xiāng)，真正將農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化，提高農(nóng)戶科技素質(zhì)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科技含量，提高勞動效率5倍以上，大大減輕農(nóng)民勞作強(qiáng)度，切實(shí)“扶智”，調(diào)動種植戶種植積極性，引導(dǎo)、支持、帶動當(dāng)?shù)胤N植戶勞動增收致富。

3.2.2 生態(tài)效益

與常規(guī)灌溉、施肥技術(shù)相比，微灌水肥一體化使土壤水分、養(yǎng)分含量相對穩(wěn)定，提高水肥利用率，提高肥料利用率90%。

3.2.3 節(jié)水效益

受干旱氣候多風(fēng)區(qū)、蒸發(fā)量大等自然條件及傳統(tǒng)灌溉方式限制，當(dāng)?shù)毓喔人笆┓世孟禂?shù)低，種植產(chǎn)量低。通過水肥一體化技術(shù)實(shí)施應(yīng)用，與常規(guī)灌溉技術(shù)相比，特別是提高田間節(jié)水效率，減少輸水過程損失，提高水資源利用率，節(jié)水30%以上。

3.2.4 經(jīng)濟(jì)效益

與常規(guī)灌溉、施肥技術(shù)相比，可以使土壤水分、養(yǎng)分含量相對穩(wěn)定，提高水肥利用率，可以較大地提高農(nóng)林作物產(chǎn)品質(zhì)量，增產(chǎn)15%以上，增收20%以上，降低病蟲害發(fā)生，改善產(chǎn)品品質(zhì)。

3.2.5 可持續(xù)影響

通過引進(jìn)微灌水肥一體化技術(shù)，重點(diǎn)對節(jié)水技術(shù)、平衡施肥、水肥一體化技術(shù)和病蟲害防控進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，發(fā)放基于溫室大棚設(shè)計(jì)、微灌水肥一體化技術(shù)的大棚種植模式的灌溉技術(shù)手冊種植戶全程參與并積極發(fā)揮作用，能熟練掌握技術(shù)，作物產(chǎn)量翻倍、肥料用量減低，成本大大降低，再加上組織觀摩形成了帶動輻射。

4 結(jié)語

基于新疆農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉以及水肥一體化技術(shù)的大規(guī)模普及及推廣，項(xiàng)目基于水肥耦合進(jìn)行了滴灌設(shè)計(jì)并以托克遜縣夏鄉(xiāng)鐵提爾村日光標(biāo)準(zhǔn)棚連片區(qū)基地作為示范點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用，一方面送種植新技術(shù)和高科技設(shè)備下鄉(xiāng)，提高農(nóng)戶科技素質(zhì)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科技含量，真正影響輻射帶動種植模式向智能化、科技化轉(zhuǎn)變，為促進(jìn)當(dāng)?shù)卦O(shè)施農(nóng)業(yè)健康發(fā)展提供參考，另一方面也為我們探索在地處極端干旱區(qū)且擁有白楊河流域?灌區(qū)分布的托克遜進(jìn)行節(jié)水實(shí)踐提供了路徑。