设施果菜水肥一体化材料装备选型分析

2017-11-08娄春荣王秀娟何志刚

辽宁农业科学 2017年5期

关键词：过滤器水肥叶轮

董环，娄春荣，王秀娟，何志刚

（辽宁省农业科学院，辽宁沈阳 110161）

设施果菜水肥一体化材料装备选型分析

董环，娄春荣，王秀娟，何志刚

（辽宁省农业科学院，辽宁沈阳 110161）

为了增进设施果菜生产者和科研工作者对水肥一体化技术了解和应用，根据研究与实践，对水肥一体化技术所包括的水泵、过滤设备、施肥设备、输水管网、控制器等相关内容进行较为细致的分析，并介绍了常用氮、磷、钾肥料种类特性和应用可行性。

水肥一体化；装备；材料；选型

早有“收与不收在于水，收多收少在于肥”的说法，说明了水和肥在农业生产中扮演者重要的角色［1］。而设施蔬菜种植是一种施用水肥频率大、需水肥数量大、管理精细的种植形式。经历不断的革新和技术应用，水肥一体化技术已广泛应用于设施蔬菜的生产［2］。水肥一体化技术，是借助压力系统，采用可溶性固体或液体肥料，根据不同植物生育期养分需求、土壤水分信息和养分状况，通过农业灌溉管线，将水肥定时定量、均匀、缓慢地输送到作物根系附近，与传统浇水施肥方式相比，水肥一体化技术可减少农业生产成本、降低环境风险，大量研究表明，水肥一体化技术可提高作物水分利用率40% ～60%、提高肥料利用率30% ～50%［2～3］。水肥一体化技术综合性强，要求略显复杂，其装备选配应用受到地形、水源状况、种植作物、种植茬口、栽培管理等多种因素的影响。为了帮助生产者了解并能够自主选择适合果菜生产的水肥一体化灌水施肥装备和材料，本文根据长期积累的实践经验，并参阅相关文献，对水肥一体化设备及材料选型进行详细阐述，供各地区设施果菜种植者参考。

1 灌溉施肥装备分析

一套完整水肥一体化设备应包括以下技术装备：水泵、过滤设备、施肥设备、仪表、输水管网、控制器［3］。

1.1 水泵

首先应根据水源情况选择水泵的类型，其次是根据灌溉规模考虑水泵的扬程和流量，明确以上条件后，灌溉就可以选择到合适的水泵。

1.1.1 水泵类型

农业灌溉水泵不同的地区有不同的选择，可供选择的农用水泵主要有三大类：混流泵、离心泵、和轴流泵。混流泵的体形小、重量轻、效率高、结构简单、使用方便、维修容易。输送介质为清水，适用于地表水源丰富的地区农田排灌使用。离心泵是利用叶轮旋转带动水发生离心运动来工作的，可选的型号较多，流量和扬程可选范围也大，是农业生产应用范围最广的水泵，用户可根据本地的地形、水源和提水高度进行选购。轴流泵适用于深井抽水，主要用于地表水缺乏的平原地区农田灌溉及高原山区灌溉使用［4～5］。

1.1.2 水泵的扬程

首先需要明确一点，扬程指的是所需压力，而非提水高度。水泵扬程一般为提水高度的1.20倍左右。比如水源到出水口的垂直高度是20 m，那么所需扬程为24 m左右。选泵时应使水泵铭牌上的扬程与所需扬程接近，在这种情况下，水泵的效率才最高，使用才更经济。一般情况下偏差只要不超过20%，水泵都能高效工作。对于小家庭规模设施果菜栽培（2～5）×667m2），采用“一泵一管”的模式，可选功率在1.1～2.2 KW，口径在20～40 mm，扬程15 m左右的电机水泵。

1.1.3 水泵流量

水泵流量指的是出水量，每种灌溉形式皆有额定流量范围，系统所需总流量，可以通过每个微喷头或者滴头的流量乘以预计安装的个数计算。一般不要选得过大，容易造成灌溉系统爆管和增加购买水泵费用。

1.2 过滤设备

农业灌溉应用的过滤器有：网式过滤器、叠片式过滤器、砂石过滤器和离心过滤器。其中网式和叠片式过滤器常常用于小型农业灌溉，砂石和离心过滤器常常用于大面积农业灌溉。具体应用需考虑水源水质情况。

1.2.1 网式过滤器

网式过滤器是水肥一体化技术最常用的过滤设备，它利用滤网拦截水中杂质，包括粉粒、砂粒和水垢等污物，也可过滤无机肥料杂质和未溶解的颗粒，减少整个系统污垢、菌藻、锈蚀等。小型滴灌系统较多应用 120～200目的滤网［6］。

1.2.2 叠片式过滤器

叠片式过滤器主要部件是多层薄薄的、两边刻有大量微米级沟槽的塑料叠片，工作时，灌溉水经过叠片，不溶物被截留在片壁和凹槽中，它是一种高效的三维过滤。与网式过滤器相比，其去除杂质能力强，冲洗次数少，冲洗耗水量也小。叠片式过滤器对有机杂质，尤其是纤维状有机杂质过滤效果好，常与网式过滤器组合使用（图1）。

1.2.3 砂石过滤器

砂石过滤器是采用砂石作为滤料过滤介质的罐体过滤器，其优点是：过流量大，可不间断供水，截污能力很强，砂石过滤器处理有机杂质和无机杂质最有效；当水中有机物含量超过10 mg/L时，选用砂石过滤器效果较好，如果组合过滤器，置于网式和叠片式过滤器之前。

1.2.4 离心式过滤器

离心式过滤器是借助重力及离心力，去除重于水的固体颗粒。离心过滤器一般安装在井及泵站旁，主要分离水中含有的沙子及石块，在满足过滤要求的条件下，分离60～150目砂石的能力可达到90%以上。它主要用于过滤系统的最前端过滤［6］。

联产承包责任制下的小规模（1～2）×667m2）设施果菜种植，灌溉水的级别较小，水源水质相对纯净，只需在潜水泵体罩上滤网，并安装网式过滤器或叠片式过滤器，注意时常清洗滤网或滤片即可。

图1 过滤设备

1.3 施肥装备或方式

目前应用较多的施肥装备有：压差式施肥罐、文丘里吸肥器、比例施肥泵、泵吸肥法、注入式施肥设备、重力自压式施肥等［7］。

1.3.1 压差式施肥罐

压差式施肥罐一般由混肥罐（化肥罐）、进水管、供肥液管、调压阀等组成。它是利用输水管上的两点形成的压力差，将肥料溶液注入系统。混肥罐为承压容器，其压力与管道相同。压差式施肥罐即适用于设施农业，又适应于大田种植。其优点是：加工制造简单，无需外加动力设备，投资成本低。缺点是：溶液浓度变化大，肥液浓度随施肥时间逐渐减小；罐体容积有限，如施肥面积大，添加肥料次数较频繁；安装调压阀容易造成输水管道头损失。

1.3.2 文丘里吸肥器

文丘里吸肥器主要利用水流通过由大渐小然后由小渐大的管道形成的压力差，将肥液从一个敞口肥料罐吸取上来。文丘里施肥器出流量小，主要适用于小面积种植，如设施大棚、小规模农田。其优点是：构造简单，造价低廉，易于移动；缺点是：应用时系统水头压力损失大，吸肥量易受压力影响。

1.3.3 比例施肥泵

比例施肥器是靠水压带动活塞运动将高浓度的溶液，按设定的比例吸入管道中的设备。其优点是：不受系统压力和流量的影响，能够精确的控制施水的浓度；比例施肥器有多种规格可以选择，能够满足各种农业领域的要求。缺点是造价较高。

1.3.4 泵吸肥法

该方法是通过离心泵产生负压将肥液吸入灌溉系统。其优点是：操作简单，易于安装，适于任何面积的施肥；与灌溉系统共用离心泵，无需外加动力，适宜定量施肥；水压恒定时可实现按比例施肥。缺点是：肥液浓度不稳，难以进行配方施肥和自动化控制，部件连接要求高，施肥容量有限。

1.3.5 注入式施肥

利用注肥泵将肥料母液注入灌溉系统，注肥泵一般由电力驱动，注入口可设置在输水管道任何位置，注入肥液压力需大于管道内水流压力。注入式施肥法的优点：注肥速度可调，适用于各种不同肥料配方，既可实现比例施肥又可定量施肥。缺点：运行需满足最小压力，需要正确设计和辅助配件，必须进行日常维护，前期投入成本高。

1.3.6 重力自压式施肥

重力自压式施肥是把混肥池（箱）置于自压水源的上部，将混肥池（箱）及阀门）与水源出水口相连接。同时打开混肥池和水源阀门，肥液就自动地随水输送到输水管网中。重力自压式施肥装置适用于南方丘陵山地果园或茶园等。其设备成本低，操作简单，维护方便；施肥时候不需要外加动力，设备体积小，占地少；其施肥过程中的肥液浓度不均一，容易受水压变化的影响，移动性差。

对于小型设施农业生产，比较常用的是施肥方法为：压差式施肥罐、文丘里吸肥器、泵吸肥法，主要因为以上三种施肥方法结构简单、成本低、便于移动和操作维护。对于经济价值高、可提高投入成本种植业，或要求精确控制水肥施用时期用量的种植业，可以选用比例施肥泵或注入式施肥方式。

1.4 输水管网

输水管网的作用是将处理过的水流按照要求输送分配到每个灌水单元，包括干管、支管、毛管及所需的连接管件。由于灌溉系统的大小及管网布置不同，管网的等级划分也有所不同。设施果菜种植主管道有硬质PE、PVC、软带等几种形式，支管有内镶圆柱滴灌管、内镶贴片滴灌带、侧翼迷宫滴灌带、微喷带等，而主管道采用软带形式，支管采用滴灌带的形式比较经济实用，一般情况下只需350～500元/667m2。对于单个（1～2）×667m2的设施大棚，主管道无论软带或硬管管径都需大于或等于6.67 cm，以利于水压的均匀分布；对于番茄、辣椒需水肥相对少的作物，滴灌带采用外径16 mm、壁厚0.2～0.3 mm、滴头间距20～40 mm、滴速2～3 L/h最适宜，对于黄瓜、茄子需水肥大的作物，建议采用外径16 mm、壁厚0.2～0.3 mm、滴头间距 10～20 mm、滴速 2～3 L/h的滴灌带［8］（图 2，图 3）。

1.5 控制器

水肥一体化技术设备的控制，一般包括两部分，一部分是供水首部的控制，主要是控制供水系统的总流量和压力，另一部分是对肥料配比数量和灌水水量的控制。

1.5.1 首部水泵流量和压力的控制

目前比较常用的调节方法为：出口阀开度调节、旁路阀调节、叶轮调整、调速控制。出口阀开度调节是在出口管路上安装调节阀，靠阀的开启度调节流量，该方法简单，但功率损失大，不经济；旁路阀调节是利用旁路分流调节流量，可解决泵在小流量连续运转的问题，但功率损失和管线增加；叶轮调整分切割叶轮和更换叶轮，切割叶轮通过切割叶轮外径调节泵的流量，其功率损失小，但叶轮切割后不能恢复且叶轮的切割量有限，适用于需长期在较小流量下工作且流量改变不大的场合，更换叶轮通过更换不同直径的叶轮来调节泵的流量，其功率损失小，但需备各种直径的叶轮，调节流量的范围有限；调速调节通过调节泵轴的转速调节流量，其功率损失很小，用变频调节来改变电动机转速，优点是：能够实现水量变化较大情况下的恒定水压，适应于更加灵活的管理和精准控制，缺点是需要额外成本。

1.5.2 肥料与灌水控制

一种水肥控制是靠人们在长期种植管理过程中积累的经验，按照土壤的肥力水平和根据不同作物的水肥需求规律，自行配制全溶肥料，控制肥料和灌溉水的施用时期及数量。另一种水肥控制是安装水肥信息采集与智能控制系统，通过传感器及时感应土壤水分，并实现对肥液pH值及EC等参数的监测，结合智能化控制软件，实现灌溉施肥控制［9～10］。

2 肥料的选择与注意事项

肥料选择与配制：适合水肥一体化应用的氮肥有：尿素、氯化铵，硫酸铵，其中氯化铵和硫酸铵氮含量较低，呈酸性，有吸湿性，因此一般选择尿素为宜。磷肥有：高溶晶体磷酸二铵和工业级磷酸一铵，磷酸二铵一般酸碱度在8.0左右，密度略小，氮含量较多，适合用于中性土壤中；磷酸一铵酸碱度在4.4左右，密度较大，氮含量较低，适合用于石灰性土壤或氮养分较丰富的土壤。钾肥有：磷酸二氢钾、氯化钾（白色为佳）、硝酸钾、水溶性硫酸钾，磷酸二氢钾属于高端肥料，一般用于叶面喷施，可改善农产品品质和风味，氯化钾不宜用于烟叶、茶叶、柑橘等农产品，氯离子对土壤环境有害，建议尽量少在农业生产应用，硝酸钾既是氮肥，又是钾肥，是一种全速溶的肥料，非常适于水肥一体化应用，高水溶性硫酸钾在市面上较难购买，具体应用还要考虑资源状况［11～12］。

水肥一体化应用过程中，其肥料需要配制成高浓度的溶液，因此，需要考虑各种肥料在不同温度下的溶解度，为了较为精准的设计肥料施入量，充分考虑设施农业会遇到低温状况及两种溶质含有相同离子的干扰现象，我们建议把10～15℃作为计算配肥的参考温度，且按照低于溶解度30%～40%配制混合肥液（表1）。

图2 PE主管道及PE软管

图3 侧翼迷宫式滴灌带及内镶贴片式滴灌带

表1 不同原料溶解度（g）

4 小结

随着现代农业的不断发展，水肥一体化技术逐渐进入了设施农业实际生产过程，该项技术能够提高水分利用率40%～60%和肥料利用率30%～50%，在冬春季能够提高地温，由于控制灌水量而降低了空气湿度，减少了病害发生概率，可通过机电控制水肥，从多方面降低了农业生产成本；其改变了传统“大水大肥”管理模式，既节约了资源，又降低了环境风险。其涉及到的组件较多，形式多样，各自具有不同的优点及缺点。在生产实践中应根据实际情况、因地制宜，主要应考虑操作管理、劳动效率、投入产出比等因素，以实现农业生产的高效可持续发展。

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