水肥一體化精準(zhǔn)灌溉施肥技術(shù)是將施肥與灌溉結(jié)合在一起的一項精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)新技術(shù)，它借助灌溉系統(tǒng)，將由固體肥料或液體肥料配兌而成的肥液一起均勻、準(zhǔn)確輸入到作物根部土壤，有效控制灌溉水量和施肥量，提高水肥利用效率。本文論述了水肥一體化精準(zhǔn)灌溉施肥基本構(gòu)成以及應(yīng)用成效，自動精準(zhǔn)滴灌施肥機的工作原理、技術(shù)性能。對施肥裝置、混合裝置、過濾裝置、EC/PH檢測監(jiān)控反饋裝置、精準(zhǔn)灌溉施肥模糊控制技術(shù)進(jìn)行探索研究，提出了實現(xiàn)水肥一體化自動精準(zhǔn)灌溉施肥主要技術(shù)途徑。

前言

    水肥一體化精準(zhǔn)灌溉施肥技術(shù)是將灌溉與施肥融為一體進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉施肥的農(nóng)業(yè)新技術(shù)。該技術(shù)借助壓力灌溉系統(tǒng)，將可溶性固體肥料或液體肥料配兌而成的肥液與灌溉水一起，均勻、準(zhǔn)確地輸送到作物根部土壤，并可按照作物生長需求，進(jìn)行全生育期水分和養(yǎng)分定量、定時，按比例供應(yīng)。

    實現(xiàn)水肥一體化精準(zhǔn)灌溉施肥技術(shù)需要相應(yīng)的供水、供肥、自動精準(zhǔn)灌溉施肥、灌溉管網(wǎng)等設(shè)施，其關(guān)鍵核心裝置是自動精準(zhǔn)灌溉施肥設(shè)備。該設(shè)備可在現(xiàn)場編程或外接氣象站的控制器控制，并通過實時監(jiān)測EC(電導(dǎo)率)/PH(酸堿度)值，由注肥器準(zhǔn)確地把肥料養(yǎng)分注入灌溉主管網(wǎng)中，執(zhí)行精確的灌溉施肥。

    1、灌溉施肥裝置

    自動精準(zhǔn)灌溉施肥機組成及主要性能自動精準(zhǔn)灌溉施肥機由電機水泵、施肥裝置、混合裝置、過濾裝置、EC/PH檢測監(jiān)控反饋裝置、壓差恒定裝置、自動控制系統(tǒng)組成。依據(jù)輸入條件或土壤濕度、蒸發(fā)量、降雨量和光照強度等傳感器，全自動智能調(diào)節(jié)和控制灌溉施肥。在施肥過程中，可對灌溉施肥程序進(jìn)行選擇設(shè)定，并根據(jù)設(shè)定好的程序?qū)鄥^(qū)作物進(jìn)行自動定時定量的灌溉和施肥;

    根據(jù)土壤濕度、降雨、光照等因素，實現(xiàn)水肥的自動調(diào)節(jié);通過EC/PH監(jiān)測系統(tǒng)對灌區(qū)情況實時監(jiān)測，并進(jìn)行精確和比例均衡的施肥，實現(xiàn)真正的精確施肥。

    1.1施肥裝置

    由文丘里注肥器組成，包含電控閥、單向閥、調(diào)節(jié)器、吸液軟管和管道管件。文丘里施肥器的核心部位是“文丘里管”，文丘里管為節(jié)流裝置，其工作原理是液體流經(jīng)縮小過流斷面的喉部時流速加大，動態(tài)壓力增加，靜態(tài)壓力減小，喉部產(chǎn)生負(fù)壓，利用喉部處的負(fù)壓吸取開敞式容器中的肥液。

    文丘里注肥器結(jié)構(gòu)見圖

    1.2過濾裝置

    肥料溶解性不好，因而肥液含有一些固體顆粒的雜質(zhì)，需過濾出來。系統(tǒng)采用兩級過濾裝置，為碟片式或網(wǎng)式結(jié)構(gòu)。肥液罐中未溶解的顆粒會沉積。

    在罐體底部，在肥液入口處選用粗過濾器，進(jìn)行次過濾;在灌溉主水管道中，固體顆粒會影響整個灌溉系統(tǒng)的工作，在肥液進(jìn)入主水管道前，再進(jìn)行一次過濾。

    1.3混肥裝置

    肥液在灌溉主管道中與水混合不均勻會降低檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，需設(shè)置混肥裝置?；旆恃b置利用液體流動中遇到管道截面的突變時產(chǎn)生漩渦，且漩渦對液體有一定的混合作用的原理設(shè)計，安裝在檢測裝置前，使肥液通過漩渦能夠得到充分的混合，使EC值和PH值將會更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定。

    2.自動精準(zhǔn)灌溉施肥機控制系統(tǒng)

    2.1控制系統(tǒng)組成

    控制系統(tǒng)由灌溉水與肥液供給控制系統(tǒng)組成。其中，肥液供給控制系統(tǒng)由抽吸肥液用的文丘里施肥器、控制電磁閥、傳感器(主要測定PH值、EC值等)和混合罐、肥料罐組成，如圖2所示。

    2.2控制系統(tǒng)原理

    肥液罐里的高濃度肥液經(jīng)過濾器后由文丘里施肥器注入到混合罐，肥料泵從混合罐抽出肥液輸送進(jìn)入灌溉主管道中，同時設(shè)置支管連接注肥器，作為注肥器的進(jìn)水管。設(shè)置EC測量儀檢測主水管道

    中的肥液濃度，將檢測得到的濃度值反饋到單片機與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)信號差值通過控制電磁閥開關(guān)脈沖寬度調(diào)節(jié)施肥量，使主管道中的肥液濃度值與設(shè)定值保持一致，酸堿度的調(diào)節(jié)與肥液濃度調(diào)節(jié)類似。

    2.3控制系統(tǒng)運行

    當(dāng)設(shè)定條件或土壤水分探測儀探測到需灌水時，打開肥料泵使其工作，借用穩(wěn)壓閥使主管道中的灌溉水恒壓流動，灌溉水經(jīng)過管道1流向灌水器進(jìn)行灌水作業(yè);當(dāng)需要施肥時，打開文丘里吸肥管和通往混合罐管路的電磁閥，啟動肥料泵，一部分灌溉水經(jīng)過管道1和2流向管道3和4，給混合灌補水，同時灌溉水流經(jīng)文丘里管產(chǎn)生負(fù)壓，把液肥從肥料桶吸出流向混合罐，已經(jīng)混合充分的肥液在肥料泵的加壓作用下進(jìn)入管道1流向灌水器進(jìn)行施肥水作業(yè)。流入混合罐的水流是沿切向流入的，故液肥與混合罐中的水能夠很好地混合?；旌瞎薨惭b了液位控制閥，會在混合罐中的水位達(dá)到設(shè)定值時自動關(guān)閉混合罐與補水管道之間的通道，當(dāng)混合罐中的液位下降時自動打開。

    為了能實時高精度地檢測混合罐中肥液的EC值和PH值，在肥料泵的出水口處引出一路水流2,同時在此檢測PH值和EC值。單片機控制程序得到PH值和EC值傳感器的檢測值后，根據(jù)先前設(shè)定的肥料配比，計算發(fā)出吸肥管路電磁閥開關(guān)脈沖寬度指令，通過控制電磁閥的開關(guān)時間，使混合液中的肥料配比保持在限定的范圍之內(nèi)。

    2.4灌水總量、施肥量和肥液配比以及肥液混合控制

    2.4.1灌水總量的控制

    系統(tǒng)對灌水總量采用獨立控制，由于主管道內(nèi)灌溉水恒壓流動，灌水總量與灌溉時間成正比，單片機通過控制閥門開關(guān)時長控制灌水總量。

    2.4.2施肥量和肥液配比的控制

    施肥控制必須完成兩種控制，即肥液配比控制和施肥量控制。采用時序控制的方式，即可較準(zhǔn)確地控制施肥量和肥液配比。同樣，由于主管道內(nèi)灌溉水恒壓流動，施肥量與灌溉時間成正比，通過控制時間來控制施肥量，即也用控制閥門開關(guān)時長控制施肥量。

    2.4.3肥液混合系統(tǒng)控制原理

    由于控制系統(tǒng)的電磁閥僅有開關(guān)兩種工作狀態(tài)，又因為混合罐中的肥液混合具有在線性，因此肥液混合系統(tǒng)也具有實時、延遲和不確定等特性，系統(tǒng)的滯后和慣性極大，采用傳遞函數(shù)的原理很難確定，所以肥液混合系統(tǒng)采用模糊控制法。

    系統(tǒng)采用負(fù)反饋閉環(huán)控制原理來實現(xiàn)模糊控制。首先，將輸入量、控制規(guī)則、決策以及等模塊均模糊化，輸入量模糊化后即對應(yīng)于一定等級的隸屬度，然后，制定輸入變量、輸出控制變量及其論域?qū)?yīng)不同等級模糊集中的各個語言變量的隸屬度。根據(jù)實際經(jīng)驗總結(jié)得出，模糊控制規(guī)則是用語言變量形式表示的模糊條件語句，而起控制作用的模糊集則是以模糊規(guī)則為基礎(chǔ)的模糊決策。最后，用模糊方法得到輸出控制變量論域中的等級數(shù)，再經(jīng)過輸出精確化，輸出控制指令。

    3、水肥一體化自動精準(zhǔn)灌溉施肥設(shè)施技術(shù)應(yīng)用成效

    水肥一體化自動精準(zhǔn)灌溉施肥設(shè)施技術(shù)應(yīng)用廣泛是在滴灌施肥方面，通過采用膜下滴灌等形式，取得以下成效。

    1>水利用系數(shù)達(dá)到o.9s，高于我國櫛水灌溉技術(shù)規(guī)褂中水利用系數(shù)0.9的規(guī)定，節(jié)水成效明顯。

    2>肥液與灌溉水一起，均勻、準(zhǔn)確地輸送到作物根部土壤，減少肥料的揮發(fā)和流失，或營養(yǎng)過剩。經(jīng)試驗測算，精準(zhǔn)滴灌施肥與傳統(tǒng)技術(shù)施肥相比節(jié)肥40%一50% o

    3>依托于*的灌溉技術(shù)和設(shè)施，實現(xiàn)自動化精準(zhǔn)灌溉施肥，二三個工人短時間就可操作完成幾百畝作物的灌溉施肥，節(jié)約勞動力成本。

    4>肥料養(yǎng)分呈溶液狀態(tài)，可以較快地滲入土壤，被作物根系吸收，促進(jìn)作物產(chǎn)量提高和產(chǎn)品質(zhì)量的改善。

    5>能夠有效控制灌溉施肥量，可以避免化肥澆到深層土壤，造成土地和地下水的污染，避免了土壤板結(jié)退化。

    4、小結(jié)

    我國是農(nóng)作物生產(chǎn)大國，同時也是水肥消耗大國，然而對于水肥來說，有效利用率并不十分令人滿意。傳統(tǒng)的自然灌溉，水分利用率只有40%左右。大量的未被利用的水把施用的肥料帶走，嚴(yán)重浪費資源和能源，引發(fā)了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的污染。精準(zhǔn)的灌溉和施肥集成的水肥一體化，肥料隨適量的灌水進(jìn)入作物根系附近，不會在深層流失，既提高了肥效，又使地下水免受肥料及化學(xué)藥劑的污染，在灌溉和施肥的方式上真正做到對作物所需水分與養(yǎng)分進(jìn)行均勻、適量、準(zhǔn)確地控制和供應(yīng)。