玉米大豆套种水肥一体化滴灌系统设计

2020-10-19于珍珍孙海天王宏轩李海亮

农机化研究 2020年4期

于珍珍,孙海天,王宏轩,李海亮,汪春,

(1.黑龙江八一农垦大学工程学院,黑龙江大庆 163000;2.中国热带农业科学院南亚热带作物研究所循环农业研究中心,广东湛江 524000)

0 引言

玉米大豆套种是一种常见的种植模式,符合共生互利原则。玉米与大豆植株高度差异大,两种作物叶片对光的采集不受影响,在生长旺盛的时期,甜玉米叶的采光集中在植株60cm以上的高度,而大豆的采光又是集中在植株50cm以下的高度,二者占据不同的空间,配置形成两个不同的采光层次。玉米采青收获后,可让大豆继续利用光能,两种作物均能获得各自的养分需求。玉米大豆种植在同一地面上,高矮相间,通风透气,一方面可以增加CO2的供应,另一方面光线能直射在高棵作物的下部。同时,由于矮作物的反向,田间漫射光也大大增强了。此外,作物进行光合作用所需要的光多是长波光,早晚的光比中午的光长波光多,而主体栽培增强的光照比早晚的光照多,不仅光照强且光照质量好。玉米大豆套种可以发挥边行优势。通过立体栽培定向种植,大豆在地头边垄种植,通风透光,增加CO2的供给,挖掘了玉米的增产优势。玉米植株比大豆植株高,形成了大豆田间的防风带,降低了水分蒸发,且空气湿度大、光照辐射力强、光合作用好,营造了非常适应大豆生长的田间小气候;玉米叶片一致,方向一致,不影响大豆光合作用。

玉米是适宜水肥一体化的粮食作物,可用滴灌、膜下滴灌、微喷带、膜下微喷带和移动喷灌等多种灌溉模式。大豆的水肥一体化管理是根据大豆的需水、需肥规律和土壤水分、养分情况,将灌溉水和肥料一起适时、适量、精确地输送到大豆根部土壤,供给大豆,要求必须采用滴灌系统来实现。玉米和大豆都是需水较多的作物,不同阶段耗水差异很大,土壤水分过低或过高都会影响作物的生长发育。滴灌是利用埋入土中的低压管道和铺设于行间的滴灌带将水或溶有液肥的溶液,经过滴头以点滴的方式缓慢而均匀地滴在作物根际的土壤中,使根际土壤保持湿润。滴灌不同于沟灌、漫灌等粗放灌溉方式,可以根据作物的需求调控土壤湿度,既有利于作物生长、获得高产,又能提高水肥的利用效率。

本研究采用滴灌模式,根据作物需求,制定了一套适宜于玉米大豆套种模式下的水肥一体化技术,为进一步完善玉米大豆套种的种植模式提供理论基础,为玉米大豆套种技术优化提供实践依据。

1 设计原理及机构

1.1 设计原理

滴灌下水肥一体化由水源、首部枢纽、施肥系统及输配水管网四大部分组成,是通过安装在毛管上的滴头或滴灌带等灌水器使水肥混合液体成水滴状滴入作物根区土壤内的灌水形式。滴灌时,滴头周围的土壤水分处于饱和状态,并借助毛细管作用向四周扩散。

1.2 总体设计

总体设计如图1所示。

2 关键部件设计

2.1 首部枢纽的设计及选型

首部枢纽系统主要包括自动变频恒压控制系统及自动反冲洗过滤系统。

2.1.1 自动变频恒压控制系统

因基地种植为坡地种植,存在高差,加之划分轮灌区大小不一等问题,导致灌区所需压力及流量有差异。因此,需要确保无论开启关闭任何一个灌区均可使系统工作压力始终保持在系统正常工作压力及稳定的流量状态,以满足不同高差及不同流量灌区的工作水压。系统加压控制系统选用自动恒压变频控制系统,确保系统正常运行。自动变频供水设备主要由立式管道水泵、变频恒压控制器等组成,在设计的范围内可根据灌区所需压力及流量自动调节所需管道压力及流量,具有体积小、占地少、安装方便、高效节能、高寿命及运行效率高等优点。采用该系统可以根据工作需求自动调节整体系统的压力及流量,并采用超强保护,遇到故障可以自动显示、报警。

2.1.2 过滤系统的选型

水质的净化处理对微灌系统十分重要,其净化设备与设施主要包括拦污栅(筛、网)、沉淀池和过滤器等,选用何种设备要根据水质的具体情况决定。为确保系统正常运行,防止滴灌系统堵塞,延长滴灌系统使用寿命,过滤系统根据水源实际情况选择。过滤系统采用介质自动反冲洗过滤器作为一级过滤,碟片自动反冲洗过滤器作为二级过滤的过滤系统。介质过滤器是一种利用石英沙直接拦截和吸附水中的悬浮杂质和其他杂质,净化水质及保护系统其他设备正常工作的精密设备。二级过滤器采用叠片式过滤系统,具有设计结构简单、过滤精度高、易损件少,无耗材,运行费用低及操作管理简单等优点,可以适用于不同水质和用水要求。系统简图如图2所示。

2.2 施肥系统的设计

水肥一体化施肥系统是指肥料随同灌溉水进入田间的过程,是施肥与灌溉配套使用的一项新技术,是精确施肥与精确灌溉相结合的产物。其主要是将灌溉水从水源提取,经适当加压、净化、过滤等处理后,由输水管道送入田间的灌溉设备。水肥一体化施肥系统的原则是根据作物的吸收规律提供养分,减少养分向根系分布区以下土层的淋失,避免了化肥淋洗造成土壤和地下水的污染,以及过量施肥和灌溉带来的土壤板结等问题。

按照控制方式不同,施肥系统可分为两大类:一是按比例供肥,特点是以恒定的养分比例向灌溉水中供肥,有文丘里注入法和供肥泵法;二是定量供肥,又称总量控制,特点是整个施肥过程中养分浓度是变化的,如旁通的储肥罐法。按比例供肥系统虽然价格昂贵,但可实现精确施肥,主要用于轻质和沙质等保肥能力差的土壤。定量供肥系统投入较小,操作简单,但不能实现精确施肥,适用于保肥能力较强的土壤。

这些标准需要特殊的硬件来支持，因此需要使用特殊的ASIC。由于PROFINET RT和EtherNet/IP®也是基于嵌入式双端口直通式交换机的，因此它们在这一点上也不例外。

本系统采用泵吸肥法进行施肥,主要用于有泵加压的灌溉系统及有统一管理的种植区。工作时,水泵一边吸水,一边吸肥,可采用潜水泵和离心泵。两者相比较,离心泵施肥适用于大面积施肥,一次可施肥0.2～1.3hm2;潜水泵施肥则适用于较小面积0.2～0.3hm2。工作时,主要利用离心泵吸水管内形成的负压将肥料溶液吸入管网系统,通过滴灌管输送到作物根区;通过调节肥液管上的阀门,可以控制施肥速度,使水肥在管网输送过程中自行均匀混合,不需人工配制浓度。泵吸法具有施肥浓度、施肥速度可控的突出优点,尤其适宜于大面积施肥,具有施肥效率高及设备投资低、维护费用低的特点。施肥系统结构图如图3所示。

1.水源 2.逆止阀 3.肥料罐 4.水泵图3 施肥系统示意图Fig.3 Fertilization system schematic

2.3 田间输水网的设计

毛管和滴头的布置形式取决于作物种类、种植方式、土壤类型、风速条件、降雨及所选用的滴头类型。对于玉米、大豆这种条播密植作物,需要采用较高的湿润比,毛管和滴头的用量相应较多。设计时,毛管顺作物行向布置,滴头均匀的布置在毛管上,滴头间距为0.3～1.0m,每行作物布置一条毛管;干、支管布置取决于地形、水源、作物分布和毛管布置,应达到管理方便、工程费用小的要求。在平地,干、支管应尽量双向控制,两侧布置下级管道,可节省管材。

因基地存在高差,为保证整个基地灌溉施肥的均匀性,在满足玉米和大豆生长需水量的同时不浪费水肥及最大程度降低成本,在每行玉米铺设一条压力补偿的滴灌带,滴灌带为0.4mm壁厚的美国托罗的压力补偿滴灌带,具有耐晒耐压抗老化性能好等优点。因作物种植行距较密,土壤为较粘重的红壤土,所以选择1.1L/h流量、30cm一个滴头的压力补偿滴灌带作为玉米大豆套种的的灌水器,设计在每行玉米铺设一条压力补偿滴带,以满足玉米大豆生长需要的水肥。

本设计系统灌溉制度采用分组轮灌,可以减少工程投资,提高设备利用率。将支管分成若干组,由干管轮流向各组支管供水,支管内部则同时向毛管供水。根据作物需水要求,全系统划分的轮灌组数数目为

N≤CT/t

式中N—允许的轮灌组最大数目,取整数;

C—1天运行的时间,一般为12～20h;

T—灌水时间间隔(周期)(d);

t—1次灌水持续时间(h)。

轮灌组划分方法:通常在支管的进口安装闸阀和流量阀,使支管所管辖的面积成为1个灌水单元,称为灌水小区。一个轮灌组可包括1条或若干条支管,即包括1个或若干个灌水小区。