水肥一体化循环灌溉系统的设计与试验

黄语燕，王 涛，刘 现，郑鸿艺，吴宝意，陈永快

(福建省农业科学院数字农业研究所，福州 350003)

0 引 言

近年来，中国设施园艺发展迅速，截至2017年，设施园艺面积达到370 万hm2，位居世界首位，为农村经济发展、农民增收作出了巨大的贡献[1]。但是，我国灌溉施肥方式仍然比较落后，摆脱不了“大水大肥”的做法，灌溉水有效利用率仅为40%～50%，远低于荷兰、以色列等国家70%～90%的水平[2-4]。生产管理凭经验，水肥用量过多，严重制约着我国设施园艺的快速发展。

当前，我国已经开展了一些水肥一体化技术的研究。如：阮俊瑾等[4]研制了球混式精准灌溉施肥系统，提高了智能自动灌溉施肥控制的可操作性；江新兰等[5]设计了基于两线解码技术的水肥一体化云灌溉系统，与传统灌溉方式相比，水分利用率提高25%～40%；袁洪波等[6]设计了温室水肥一体化营养液调控系统，使用该装备能够快速、精确的实现营养液的调控；蔡长青[7]等应用STM32嵌入式系统，设计温室智能灌溉水肥一体化监控系统，可远程控制系统作业的启停；李坚等[8]设计了日光温室小型水肥一体灌溉机，实现营养液的精准化控制。随着水肥一体化技术的引进与研究，我国水肥一体化技术逐渐得到应用。目前，国外设施园艺发达国家都已经普及水肥一体化技术，并且广泛采用封闭式循环灌溉系统，有效提高了水肥利用率、避免环境污染[9]。然而，我国在封闭式循环灌溉系统方面的研究较少，国外温室以大型连栋温室为主，造价高，其配套设施及生产管理模式不适于中国的发展实际[9]。本研究根据中国温室的发展实际，设计了一种水肥一体循环灌溉系统，与温室常规土壤栽培模式相比，节省了灌溉用水量、人工，提高了作物的产量。

1 系统设计

1.1 系统功能需求分析

温室常规土壤栽培模式，大多采用大水大肥的管理模式，水肥不可回收，一部分水肥排入到土壤中，一部分水分蒸发到空气中，只有部分水肥能够被植物吸收，大大降低了水肥利用率、造成环境污染。另外，传统的灌溉施肥方式费时费力，缺乏精准调控。水肥一体化循环灌溉系统，能够根据作物的需求实现自动配肥和灌溉，实现精准调控。利用基质栽培实现了一个封闭式的栽培环境，水肥可循环使用，达到提高水肥利用率、节省人工，增加产量的目的。

1.2 基质栽培回收系统设计

由于栽培系统采用基质栽培，选择条状的椰糠基质袋作为栽培基质，一条基质袋尺寸为1 m×20 cm×12 cm(泡发开以后)，基质袋上部开有4个栽培孔、底部具有排水小孔，其余部分均封闭。基质栽培实现了一个封闭式的栽培环境，为水或营养液的收集提供了必要的条件，营养液回收子系统能够实现过剩的水或营养液的回收利用。基质袋放置在PVC材质的栽培槽上，栽培槽底部为凹凸状结构，凸槽起到支持基质袋的作用，凹槽作为营养液收集管道，经过集水斗后，由集水管道流至回收池。基质栽培回收系统结构如图 1 所示。

1-配肥桶；2-灌溉管道；3-电磁阀；4-滴管；5-滴头；6-基质袋；7-基质槽；8-集水斗；9-集水管道；10-回收池；11-回液管道图1 基质栽培回收系统结构图Fig.1 The structure chart of substrate culture recovery system

1.3 系统总体结构

水肥一体化施肥系统结构如图2所示，由配肥系统、灌溉系统、营养液循环系统等三个部分组成。配肥系统的主要功能为把母液桶里的各种母液按一定的比例与水混合后，把配肥桶里的营养液配制成设定的EC、pH值。配肥系统主要包括进水电磁阀、配肥桶、配肥桶液位传感器、出水水泵、EC传感器、pH传感器、母液桶、母液桶手动球阀、浮子流量计、吸肥电磁阀、文丘里管等组成。灌溉系统的主要功能为把配肥桶里的营养液按设定的灌溉时间和灌溉周期打到相应的灌溉区域。灌溉系统主要由出水总电磁阀、灌溉管道、分区电磁阀等组成。营养液循环系统主要由回收管道、回收池、浮球开关、回收池水泵、过滤器、紫外线消毒装置等组成。

1-蓄水池；2-进水水泵；3-进水电磁阀；4-配肥桶；5-配肥桶液位传感器；6-出水水泵；7-EC传感器；8-pH传感器；9-母液桶；10-母液桶手动球阀；11-浮子流量计；12-吸肥电磁阀；13-文丘里管；14-出水总电磁阀；15-压力表；16-流量表；17-灌溉管道；18-分区电磁阀；19-栽培区；20-回液管道；21-回收池；22-浮球开关；23-回收池水泵；24-过滤器；25-紫外线消毒装置；26-栽培区清水灌溉管道；27-清水灌溉电磁阀图2 水肥一体化施肥系统结构图Fig.2 The structure chart of Water and fertilizer integrated fertilization system

1.4 系统工作原理

系统以PLC作为控制器，人机交互界面触摸屏作为监控设备。所述水肥一体化栽培系统营养液调控方式采用基于EC值和pH值的营养液调控方式，制备的过程是多种肥料母液和水充分混合并达到预设EC值和pH值的动态过程。系统开始工作之前，先在母液桶中配置好肥料母液，打开母液桶底部的手动球阀。系统开始工作时，打开进水电磁阀，使水流到配肥桶中，同时出水水泵从配肥桶底部抽取配肥桶里的营养液并通过EC、pH传感器再经过文丘里管再次注入配肥桶中；与此同时，打开吸肥电磁阀，在文丘里效应的作用下各种肥料母液被吸到文丘里管中。这样肥料母液和水在文丘里管里进行初次混合，在配肥桶内进行二次混合，两次混合可以提高营养液的制备效率，增加水肥混合的均匀程度。当检测到的营养液的EC和pH值在设定范围内营养液就制备完成了。

灌溉系统采用分区灌溉，当肥液配制完成时，按照系统设置的灌溉方式，控制各个分区电磁阀的开闭以及开闭的时间。一个灌溉周期由灌溉时间与间歇时间组成。在灌溉时间内，控制系统启动出水水泵、出水总电磁阀与相应分区电磁阀，营养液流经作物根系供给水分和养分。在间歇时间内，控制系统关闭该相应分区电磁阀，打开其他分区电磁阀，此时作物根系可充分吸收氧气。种植人员可以根据作物的品种、生长期对灌溉时间、间歇时间进行调节。此外，系统还具有清水灌溉功能，打开清水灌溉电磁阀和相应的分区电磁阀即可完成清水灌溉。

营养液循环系统中当回收池中的液位到达一定高度时，浮球开关将打开，水泵开始抽水，经过滤器及紫外线消毒后注入到配肥桶中，实现营养液的回收利用。

2 系统软件设计

2.1 PLC软件编程

PLC实现的控制内容主要有：根据系统运行需要可手动控制电磁阀、出水水泵的开启和关闭；需要灌溉时，进入灌溉模式，控制电磁阀、水泵的开启和关闭，以便按照用户要求的灌溉方式和灌溉量给作物灌溉；需要施肥时，进入配肥模块，打开吸肥电磁阀，使肥料母液吸入文丘里管中，同时系统实时检测配肥桶内水肥的EC、pH值，并与用户设定的EC、pH值比较，以精确调整营养液的EC、pH值。系统控制流程如图3所示。

图3 系统控制流程图Fig.3 System control flow chart

2.2 人机交互界面设计

通过人机交互界面触摸屏可从PLC中实时采集数据，发出控制命令并监控设备的运行状态，实现各种系统控制功能。主要实现如下6大功能：①灌溉程序设置：设置灌溉时间、灌溉量、灌溉区域；②施肥设置：EC、pH值设置、各肥料母液比例；③运行状态：显示各测量值以及设备运行状态图；④灌溉记录：记录系统灌溉区域、灌溉时间、灌溉用水量、灌溉水肥参数等，实现现场数据存储；⑤手动控制：手动对电磁阀、水泵等输出设备进行控制操作；⑥系统设置：设置系统参数。系统显示界面如图4、图5。

图4 控制系统功能显示界面Fig.4 Function display interface of control system

图5 控制系统运行状态界面Fig.5 Operation state interface of control system

3 系统试验

3.1 系统试验

在福建省海峡农业示范园内选取两个同类型的薄膜温室，在两个温室内种植夏之光水果黄瓜。于8月12日播种，8月30日同时定植于两个温室内。温室1采用基质栽培和本水肥一体化循环灌溉系统，水肥一体化控制系统实物如图6所示。温室2采用传统的土壤栽培，在施用底肥后，采用水泵和定时器根据管理人员经验进行滴灌。两个温室种植面积都为620 m2(长=31 m，宽=20 m)，每个温室种植12排，每排种植124株，总共种植14 88株。在种植期间(8月30日-11月21日)，对两个温室内的灌溉用水量、产量、用工等情况进行统计。

图6 水肥一体化控制系统实物图Fig.6 Integrated water and fertilizer control system

3.2 结果分析

经实际运用证明系统运行稳定、操作方便、耐用性强。经测试，EC值控制精度为±0.2 mS/cm、pH值控制精度为±0.2。

两个温室用水量统计表如表1所示。由表1可知温室1灌溉用水量为162.5 m3，温室2灌溉用水量为243.8 m3。水肥一体化循环灌溉系统采用了基质栽培，实现了营养液的循环利用，基质袋也大大减少了水分的蒸发，水肥一体化循环灌溉系统用水量是传统土壤栽培的66.7%。

两个温室水果黄瓜产量如表2所示。由表可知温室1内小黄瓜总产量为2 894.9 kg，平均产量46 691.9 kg/hm2。温室2内黄瓜总产量为2 501 kg，平均产量40 338.7 kg/hm2。水肥一体化循环灌溉系统黄瓜产量是传统土壤栽培的1.16倍。

两个温室用工量如表3所示。由表可知温室1水果黄瓜一个生长周期总用工量为174.5 h，平均每天需用工2.1 h。温室2水果黄瓜一个生长周期总用工量为276 h，平均每天需用工3.3 h。水肥一体化循环灌溉系统黄瓜用工量是传统土壤栽培的63.2%。

表1 两个温室用水量统计表Tab.1 Two greenhouse water consumption statistics table

表2 两个温室水果黄瓜产量Tab.2 Two greenhouse fruit cucumber yields

表3 两个温室用工量Tab.3 The amount of work used in two greenhouse

4 结 论

结合我国水肥一体化灌溉发展的需求，设计了一套水肥一体化循环灌溉系统。水肥一体化循环灌溉系统采用椰糠基质栽培，系统由配肥系统、灌溉系统、营养液循环系统等三大部分组成。系统采用PLC作为控制器，监控设备选用人机交互界面触摸屏。通过控制肥水的EC、pH值和进入灌溉管道的肥水量来实现自动施肥灌溉，它能够执行较精确的施肥过程，预防肥液施用不足或过量现象产生。经实际运用证明系统运行稳定、操作方便，EC值控制精度为±0.2 mS/cm、pH值控制精度为±0.2。水肥一体化循环灌溉系统用水量是传统土壤栽培的66.7%，黄瓜产量是传统土壤栽培的1.16倍，用工量是传统土壤栽培的63.2%。