利用太阳能和风能的山地作物灌溉系统及其应用分析

何华兴，田 甜，林授楷，3，艾玉芳，林 军，柯玉琴，何华勤

(1.莆田市技工学校，福建 莆田350004;2.福建农林大学生命科学学院，福建福州350002;3.莆田学院环境与生物工程学院，福建莆田351100)

再生能源的开发和利用已逐渐受到人们的重视，农业生产中充分利用再生能源是农业清洁生产的必然趋势，也是我国节能减排战略部署的重要组成部分[1].福建是山地经济作物生产的大省，盛产茶叶、水果等特色农产品.优质的果茶产品往往产自远离人群聚居地的生态果茶园.但山地灌溉水资源匮乏，且部分果茶园由于供电线路的限制无法使用电力抽水泵，使得山地作物灌溉成为一大难题，也严重影响了福建特色山地经济作物的产量和品质.而推广并应用节能节水的灌溉及控制模式是山地作物安全生产的重要途径.

当前山地作物的灌溉技术主要存在2个突出的问题:一是缺乏灌溉水源[2];二是灌溉难以控制.我国农业生产上的风能应用技术与发达国家相比尚有较大差距，如美国研制的风力抽水机具有性能稳定、能量利用率高的特点[3].而我国研制的风力提水设备存在噪声大、效率低、动平衡差等问题，导致“弱风不启动、强风被撕裂”的故障频出[3].在远离村落且电力线路难以覆盖的山地生态果茶园，无法应用以交流电供电的灌溉自动化控制系统.为此，作者研制了利用风能和太阳能的山地经济作物灌溉系统.一方面，这一灌溉系统适用于沿海山地的风能提水系统.它克服了动平衡问题，利用风能将山脚小水塘的水扬提到山顶蓄水池，解决了山地生态果茶园缺乏灌溉水源的问题.另一方面，它是利用太阳能蓄电池供电的灌溉自动化控制系统，由太阳能驱动灌溉的自动控制，实现生态果茶园灌溉控制的节能化和网格化.本文分析了这一灌溉系统的构造原理，并将该系统应用于山地生态茶园.

1 利用风能和太阳能的山地作物灌溉系统

利用风能和太阳能的山地作物灌溉系统主要包括风能提水装置、太阳能蓄能装置、灌溉自动化控制装置及分区喷灌管路等4个部分.其中风能提水设备由风力提水机和蓄水池组成，太阳能蓄能装置由太阳能板和蓄电池组成，灌溉自动化控制装置由蒸腾蒸发量测控单元、中央控制器和控制喷灌管路通断的电磁阀组成.提水装置利用风能陆续将下游水抽提到山顶的蓄水池，利用山地的高度落差将灌溉水通过分区喷灌管路输送到山地作物的灌溉分区;各分区的灌溉自动化控制装置根据设定的灌溉控制参数，由中央控制器控制电磁阀的开启;灌溉自动化控制器由太阳能蓄能装置提供能源;当蒸发盆中的水降低到设置值的低限时，中央控制器自动开启电磁阀进行灌溉;当蒸发盆中水分增加到设置值的高限时，中央控制器自动关闭电磁阀，停止灌溉.

1.1 系统组成

由图1可见，风能提水机提水并积蓄于山顶蓄水池中，依据地形布设喷灌管网，利用管径大小和减压阀调整各梯面管道水压，使各梯面水压基本一致.在每个灌溉分区设置1个灌溉自动化控制装置.将蒸腾蒸发量测控单元置于作物冠层附近，跟踪测定作物田间的水分丢失.该蒸腾蒸发量测控单元是由蒸发盆和重量传感器构成，通过重量传感器采集蒸发盆内蓄水的质量，产生电磁阀开、关指令.当蒸发盆中的水量减少到设置的下限时，灌溉控制器输出控制信号并开启电磁阀(图1)，喷灌管路7通过滴漏孔开始灌溉.当灌溉水量达到作物需水量时，即由于喷溉而使蒸发盆中的水位上升到设置的上限值时，灌溉控制器输出控制信号关闭电磁阀，停止灌溉，使得山地作物灌溉做到“适时适量”.从图2可以看出，中央控制芯片、电磁阀和蒸腾蒸发量测控单元的供电电源来自太阳能蓄能装置.由于每种山地作物的灌溉参数有所不同，中央控制器可对蒸发量进行必要的修正，使其能应用于不同山地作物的灌溉及控制.

图1 利用风能和太阳能的山地作物灌溉系统示意图Fig.1 Diagram of upland crop irrigation system powered by solar and wind energy

1.2 系统运行效果

经过逐级扬提，利用风能将下游小山塘的水扬提并积蓄于山顶的蓄水池中.当平均风速≥4 m·s－1时，1级风力提水机每天可将82.1 m3的水量扬提30 m高程.而铁观音茶树调亏灌溉的研究结果表明4年生铁观音秋茶生长季节，茶树的调亏灌溉制度为每10天灌溉1次，每次每公顷需189 m3[4－7].由此可测算，1级风力提水机10天的蓄水量可供4.3 hm2铁观音茶树的调亏灌溉需水量.由太阳能驱动的灌溉自动化控制子系统可控制铁观音茶树的调亏灌溉.

图2 太阳能灌溉控制器Fig.2 Irrigation controlling system with solar energy

2 应用实例

2.1 试验设计

试验地点在福建莆田市松东生态茶园，种植4年生铁观音茶树(Camellia sinensis(L.)O.Kuntze).应用上述风能和太阳能山地作物灌溉系统对铁观音茶树进行灌溉管理.利用风能提水机扬提山脚小山塘的水并积蓄于山顶蓄水池，1级蓄水池容积为500 m3，2级和3级蓄水池容积均为300 m3.茶树灌溉采用微喷头，分别设置应用灌溉系统的区域和无灌溉系统的区域，每个区域分成3个小区，共6个小区.试验在2009年8月15日－10月3日进行，试验期间自然降雨量为12.0 mm.各小区按常规生产技术措施进行统一管理.

在秋茶采收的当天上午8:30－11:00(天气晴朗)进行叶片光合速率、蒸腾速率和气孔导度的测试，每小区重复测定6片功能叶.采用北京益康农科技术发展有限公司生产的ECA-PB0402便携式光合作用测定仪.采用单叶闭路模式、内置红光光源，叶室面积3 cm2，叶温(18±1)℃.

2.2 结果与分析

应用太阳能和风能的山地作物灌溉系统对4年生铁观音茶树进行“适时适量”的灌溉，以无灌溉系统的区域为对照.在秋茶的采收期(10月3日)，检测铁观音茶树叶片的净光合速率、蒸腾速率及气孔导度，并计算水分利用效率，结果见图3、4.

图3 铁观音茶树叶片的净光合速率(Pn)和蒸腾速率(E)Fig.3 Pn and E of Tieguanyin tea leaves

2.2.1 铁观音茶树叶片的净光合速率和蒸腾速率 净光合速率是指在饱和光强下叶片的光合速率，而蒸腾速率与植物体内矿质营养和水分的吸收和运输以及降低叶温等过程关系密切.在应用上述灌溉系统和无应用灌溉系统的小区中，铁观音茶树叶片的净光合速率和蒸腾速率见图3.从图3可以看出，应用灌溉系统处理的铁观音茶树叶片的净光合速率达到 15.55 μmol·m－2·s－1，其蒸腾速率为 6.75 μmol·m－2·s－1.两者均显著高于无应用灌溉系统处理铁观音茶树.说明应用灌溉系统后，铁观音茶树叶片的光合效率提高.

图4 铁观音茶树叶片的叶片气孔导度(Gs)和水分利用率(Pn/E)Fig.4 Gs and Pn/E of Tieguanyin tea leaves

2.2.2 铁观音茶树叶片的气孔导度和水分利用率 气孔是植物叶片与外界环境进行气体交换的通道，气孔导度的大小影响植物植株水分蒸腾状况和CO2的供应.从图4可见，应用灌溉系统处理的铁观音茶树叶片的气孔导度为0.24 mmol·m－2·s－1，比无应用灌溉系统的提高71.4%;且在铁观音茶树生长的后期，无应用灌溉系统的铁观音茶树叶片的气孔基本处于关闭状态.

植物叶片的水分利用率表示植物叶片消耗单位水所吸收的CO2的摩尔数[8].不同处理下铁观音茶树叶片的水分利用率图4.从图4可见，应用灌溉系统的铁观音茶树叶片的水分利用率为2.30，显著低于无灌溉系统区域铁观音茶树.表明应用灌溉系统后铁观音茶树的水分利用率降低.

3 讨论

影响茶叶品质的水分状况主要表现为降水量、空气湿度和土壤湿度三方面[2].在无灌溉设施的条件下，茶园的水分状态主要还是受处于经常变化状态之中的自然降水量的支配.如果空气湿度低于60%或土壤湿度低于50%，茶树生长受阻，鲜叶品质下降.茶树根深叶茂，在生育过程中要消耗大量的水分.而通过控制铁观音茶树的调亏灌溉，使土壤湿度维持在60% －70%，可有效提高茶叶的品质[4].

本研究中太阳能和风能的山地作物灌溉系统，是以风能为驱动力，扬提山脚小山塘的水到山顶蓄水池;然后，以太阳能为驱动电源，管理铁观音茶树的调亏灌溉，使铁观音茶树的灌溉“适时适量”进行.1级风能扬水结合太阳能灌溉管理系统，可自动化管理4.3 hm2铁观音茶园.在同等条件下选用8SH-13A型水泵(配套电机37 kW，出水量270 m3·h－1)，可节省电能近100 kWh，平均每天可节省电能10 kWh.而且，减免了生产性的输电线路投入，提高了田间作业的安全性.因此，利用太阳能和风能的山地作物灌溉系统，实现山地作物灌溉的节能和节水.

利用太阳能和风能的山地作物灌溉系统，有效改善铁观音茶树的光合生理特性，表现为净光合速率和蒸腾速率提高，气孔导度增大，使茶树保持优良的生长状态.因为净光合速率是描述植物光合作用强弱的直接指标，反映了叶片合成有机物质能力的强弱.而蒸腾作用可以促进植物生长发育，但蒸腾作用增大会引起植物体内的水分散失，在水分供应不足时，便会给植株造成伤害[9].因此，植株要根据供水的状况调节气孔导度的大小，以维持其自身各项正常的生理活动.

本研究结果表明，与无灌溉系统区域相比，应用太阳能和风能的山地作物灌溉系统，可使铁观音茶树叶片的水分利用率降低，即气孔导度与叶片水分利用率呈负相关.无灌溉系统区域中，铁观音茶树的生长发育主要是利用土壤中储存的水分.而土壤中水分有限，因此造成干旱胁迫，使叶片气孔导度减小，蒸腾作用减弱，同样吸收的CO2也少，光合作用降低，但光合作用并非受到完全抑制.因此，表现为无灌溉系统区域的铁观音茶树叶片水分利用率高于应用灌溉系统管理的铁观音茶树.研究[10]也发现，随着灌水次数的增加或灌水量的增多，冬小麦灌溉水的利用效率逐渐下降.

[1]邹晓霞，万运帆，李玉娥，等.我国农村太阳能资源利用节能减排效果研究[J].可再生能源，2010，28(3):93－98.

[2]蔡良锥.机泵分离式风力气动提水机的设计与研究[D].福州:福建农林大学，2012.

[3]丁莹，何占松.我国风力提水设备应用现状及发展方向[J].农村牧区机械化，2012(2):50－52.

[4]CHEN X，ZHUANG C，HE H，et al.Photosynthesis，yield，and chemical composition of Tieguanyin tea plants(Camellia sinensis(L.)O.Kuntze)in response to irrigation treatments[J].Agriculture Water Management，2010，97:419 － 425.

[5]柯玉琴，王丽，韩国强，等.不同灌溉处理对铁观音茶树光合作用的影响[J].应用生态学报，2008，19(10):2132－2136.

[6]庄重光.不同灌溉处理下铁观音茶树的生理生化特性及其分子机理研究[D].福州:福建农林大学，2008.

[7]谢一菁，戴柯伟，陈新海，等.铁观音茶树灌溉技术研究Ⅱ:茶园节水灌溉控制系统的研制与应用[J].福建农林大学学报:自然科学版，2010，39(2):139 －142.

[8]梁宗锁，康绍忠.植物水分利用率及其提高途径[J].西北植物学报，1996，16(6):79－84.

[9]ZHUANG S R.A discussion on chlorophyll fluorescence kinetics parameters and their significance[J].Chinese Bulletin of Botan1y，1999，16(4):444 －448.

[10]张忠学，于贵瑞.不同灌水处理对冬小麦生长及水分利用效率的影响[J].灌溉排水学报，2003，22(2):1－4.