CN103141206B - 一种水肥气一体化滴灌系统及滴灌方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水肥气一体化滴灌系统及滴灌方法，系统包括一供水泵，供水泵连接一具有浮球水位仪的混合罐；混合罐内设置有pH、EC和DO传感器；混合罐出水管经一两通电磁阀连接一管道泵，管道泵的出口连接一三通电磁阀；三通电磁阀的一个出口连接一筛网过滤器；三通电磁阀的另一出口连接若干文丘里注肥器的支管，各支管的出口连接混合罐；每一文丘里注肥器的进液口分别连接一罐体；混合罐的最下部通过一两通电磁阀连接一超微米气泡发生装置；pH传感器和EC传感器连接一EC/pH控制器，DO传感器连接DO控制器，EC/pH控制器和DO控制器连接一可编程控制器；各两通电磁阀，三通电磁阀、浮球水位仪、供水泵、管道泵和超微米气泡发生装置分别电连接可编程控制器。本发明可以广泛用于各种水肥气一体化滴灌过程中。

Description

一种水肥气一体化滴灌系统及滴灌方法

技术领域

本发明涉及一种滴灌系统及滴灌方法，特别是关于一种适用于温室作物根区灌溉的水肥气一体化滴灌系统及滴灌方法。

背景技术

水、肥、气、热、光作为植物生长发育的五大外部因素,各因素之间相互联系共同操控植物的生长发育。其中，土壤水分和肥作为植株生长的必备条件，对植株生长特性起到了明显的调控作用，而灌溉施肥是土壤水分和肥主要来源之一。合理灌溉能够调控作物根系生长发育，使茎、根、叶各部分维持最优生长量，从而达到最佳的产出比。土壤的通气状况对根区呼吸和有机质分解影响显著，进而影响到根系的生长。作物根系环境对作物生长有很大影响，在不同土壤通气状况下，作物根细胞和组织呼吸及养分吸收量不同，有氧呼吸可以形成较多ATP(三磷酸腺苷)，将更多能量贮存起来，为作物生长提供动力，保证作物正常成长。长期以来，人们研究的重点主要是放在水、肥调节对作物生长发育的影响,对光、热的研究相对较少,对气的研究就更少。

根系缺氧可能限制根系的发展，由于灌水造成根区土壤氧气含量严重不足，抑制根系和土壤微生物有氧呼吸，影响作物生长。因此，灌水后采用向作物根区通气的做法，可以使空气进入湿润的土壤中，土壤孔隙中的水分向周围迅速扩散，土壤透气通道被打开。由于土壤水分的再分布，更多的水分向周围扩散，湿润体土壤含水率逐渐降低，导气率不断提高，土体中的水肥气三项比例得到明显改善。因此，在实践中可以将肥料和气体一起加入灌溉水中，输送到植物根系以解决根系对水肥气的需求。

比如：中国专利公开号为：CN102487784A，名称为“一种滴灌加氧方法及装置”的专利文献中公开的是一种包括水桶、加氧桶、滴灌管网和联动装置的滴灌加氧装置，采用自重力水桶和联动装置实现了滴灌加氧，含氧原液可用双氧水，采用行间起垄培土的方法提高所加氧气和灌水的利用效率。该装置在水肥气一体化联合调控方面取得了良好的效果，其可以根据作物的生长情况，多次向作物根区进行灌水加氧处理。但是其存在一些问题：1、由于其结构简单实际应用时的结构稳定性有待验证；2、气体在水中的溶解度较低，保存时间短，使得通气时间长、频率高；3、灌溉方式比较单一等。

又比如：现有技术中还有一种采用田间空气注射器将空气中的氧气加入灌溉水流后，通过地面灌溉系统将氧气输送到作物根区，虽然空气注射器向作物根区加氧极大发掘了作物增长的潜力，但是也存在以下不足：1、空气注射器是根据文丘里原理运行的，即通过阀门控制注射器进出口的压力使两侧形成压力差，进而控制进入灌溉水的空气量；但是空气注射器安装于水泵后面，当水流流速不稳定时必然造成注射器两侧压力的改变，通过阀门来调节压力的精度也比较低，不稳定的压力很难保证进入灌溉水中空气浓度的稳定性；其次，压力管道内存在的气体也会造成系统运行的不稳定性。2、由于空气注射器将空气直接加于灌溉水中，空气在水中溶解度较小，地面灌溉时空气容易从灌水点逃逸，因此只适用于地下滴灌；同时注射器过流水力损失大，吸入空气时，进出口两侧需要保持一定工作压差，压力损失较大，进而造成能耗较大，因此大大地限制了加氧灌溉在实际生产中的应用。

另外现有技术中使用的滴灌灌水器非常容易发生堵塞，一旦发生堵塞就不能使用，而需要停止系统操作进行清理，费时费力。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种集提高作物根区的氧气含量、降低灌水器堵塞、杀菌消毒等多种功能于一身的适用于温室作物根区灌溉的水肥气一体化滴灌系统及滴灌方法

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种水肥气一体化滴灌系统，其特征在于：它包括一供水泵，所述供水泵通过一两通电磁阀连接一具有浮球水位仪的混合罐；所述混合罐内设置有pH传感器、EC传感器和DO传感器；所述混合罐下部设置有一出水管，所述出水管经一两通电磁阀连接一管道泵，所述管道泵的出口连接一三通电磁阀；所述三通电磁阀的一个出口通过管道连接一筛网过滤器，所述筛网过滤器的出口通过管道经单向止回阀连接灌溉系统；所述三通电磁阀的另一出口通过一进水干管并联连接若干具有一两通电磁阀和一文丘里注肥器的支管，各所述支管的出口通过一出水干管连接所述混合罐的上部；每一所述文丘里注肥器的进液口分别通过一连接管连接一罐体；所述混合罐的最下部通过另一连接管经一两通电磁阀连接一超微米气泡发生装置；所述pH传感器和EC传感器连接一EC/pH控制器，所述DO传感器连接DO控制器，所述EC/pH控制器和DO控制器连接一可编程控制器；各所述两通电磁阀，三通电磁阀、浮球水位仪、供水泵、管道泵和超微米气泡发生装置分别电连接所述可编程控制器。

在所述供水泵与所述混合罐之间的主管道设置有一流量传感器，所述流量传感器连接所述可编程控制器。

在所述文丘里注肥器的进肥口处连接有一吸肥速度显示仪。

在所述吸肥速度显示仪上连接一传感器，将所述传感器连接所述可编程控制器。

使用本发明系统的一种水肥气一体化滴灌方法，其包括以下步骤：1）设置一水肥气一体化滴灌系统，设置一自动控制装置，通过可编程控制器控制水、肥和气的加入量，通过相应设置的传感器实现闭环控制；2）供水泵启动，两通电磁阀导通，向混合罐中注水，当水到达流量传感器设定的数值或水位到达浮球水位仪时，供水泵和两通电磁阀关闭，停止向混合罐注水；3）控制连接文丘里注肥器的各两通电磁阀、连接管道泵的两通电磁阀和连接超微米气泡发生装置的两通电磁阀导通，并将三通电磁阀连接混合罐的出口导通，连接筛网过滤器的出口关闭，开始从个罐体中向混合罐中抽营养液，从超微米气泡发生装置向混合罐中充气，此时在混合罐的下部出口和上部进口之间的管道上形成一配置营养液循环回路；4）与步骤3同时，DO控制器收集DO传感器采集的溶解氧浓度数据信息，EC/pH控制器收集pH传感器和EC传感器采集的pH值和营养液含量数据信息，并将各项数据信息发送给可编程控制器，由可编程控制器根据预置的各项参数，自动控制各两通电磁阀的开度大小；5）当营养液达到程序设定的控制参数时，可编程控制器控制超微米气泡发生装置关闭，控制三通电磁阀连接混合罐的出口关闭，连接筛网过滤器的出口导通，控制连接管道泵的两通电磁阀继续导通，管道泵继续工作，营养液开始输出，通过筛网过滤器和单向止回阀进入灌溉系统中预先设定的水培器具或灌溉小区。

所述步骤4）控制参数的精度要求EC值为±0.15ms/cm，pH值为±0.15pH，稳定时间3分钟以内，系统超调小于15％；以分钟为单位按时灌溉施肥，控制参数为时间，控制精度为10秒。

所述步骤4）控制参数中气体溶解度为6～7mg/L，不断循环达到8～9mg/L，每次灌溉时根据土壤的性质及作物的属性制定相应的加气时间和浓度，可将水中的溶氧浓度控制在所需要的溶解度。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置了一加水、加肥和加气的一体化滴灌系统，特别是在系统中首次加入了超微米气泡发生装置，因此可以使灌溉水中溶解更多的氧气，有效地提升作物根区氧气含量，提高作物对肥料的吸收效率和利用效率，促进作物根系的生长发育，与传统灌溉施肥方法相比，节水50～65%，节肥25～35%，蔬菜增产20～40%。2、本发明由于设置了超微米气泡发生装置，因此不但在灌溉水中加入的微纳米气泡体积小，溶氧率高，上升速度慢，在水中停留时间长；而且设备体积小，成本低，效率高；结构简单，部件少，坚固耐用，拆装简便，易于维修。3、本发明使用的超微米气泡发生装置，超微米气泡带有负离子，移动速度慢，气泡爆炸时的能量可以起到杀菌作用，因此可以利用滴灌系统，在休闲期借助地表滴灌系统进行消毒杀菌，减少作物连作障碍（即同一作物或近缘作物连作以后，即使在正常管理的情况下，也会产生产量降低、品质变劣、生育状况变差的现象）和病虫害的发生。4、本发明由于设置了超微米气泡发生装置，而超微米气泡的充入会造成水气的震动，使滴灌带内部边壁生物膜和颗粒杂质脱落，进而减少堵塞的发生；同时由于微纳米气泡具有杀菌作用，可以杀死水中诱发灌水器堵塞的微生物，因此本发明装置可以有效地降低灌水器堵塞的问题。5、本发明采用的自动施肥控制系统，可以通过可编程计算机对于不同质地不同作物制定相应的灌溉制度，自动配置施加的溶液，因此较普通的灌溉方法更科学、节省水肥用量、成本低、环保且节省人力。本发明可以广泛用于温室作物的滴灌加氧过程和作物水培的营养液配置的通气加氧过程中。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括一供水泵1，连接供水泵1的主管道2上设置有一两通电磁阀3和一流量传感器4，主管道2的出口连接一具有浮球水位仪5的混合罐6。混合罐6内设置有pH（酸碱度）传感器7、EC（电导率）传感器8和DO（溶解氧）传感器9。混合罐6的下部设置有一出水管10，出水管10上经一两通电磁阀11连接一管道泵12，管道泵12的出口连接一三通电磁阀13，三通电磁阀13的一个出口13b通过管道14连接一筛网过滤器15，筛网过滤器15的出口通过管道16连接灌溉系统中预先设定的水培器具或灌溉小区，管道16上设置有一单向止回阀17。三通电磁阀13的另一出口13a通过一进水干管18并联连接若干具有一两通电磁阀19和一文丘里注肥器20的支管，各支管的出口并联通过一出水干管21连接混合罐6的上部。每一文丘里注肥器20的进肥口分别通过一连接管22连接一罐体23。本实施例设置了五个罐体23，分别装有酸液、碱液和三种不同成分的肥料，至于实际需要多少罐体23和与每一罐体23连接的电磁阀19和文丘里注肥器20，可以根据不同的需要进行设置。在混合罐6的最下部通过另一连接管24经一两通电磁阀25连接一超微米气泡发生装置26，超微米气泡发生装置26产出的气泡小，溶氧率高，上升速度慢，在水中停留时间长，在其它领域中有所应用，但是将其应用到农业灌溉中鲜有所见。

本发明还设置了一套控制装置，控制装置包括一可编程控制器27、一DO控制器28和一EC/pH控制器29。DO控制器28的输入端电连接设置在混合罐6内的DO传感器9，DO控制器28输出端电连接可编程控制器27，以反馈溶解氧的浓度信息；EC/pH控制器29的两个输入端分别电连接设置在混合罐6内的pH传感器7和EC传感器8，EC/pH控制器29的输出端电连接可编程控制器27，以反馈营养液含量和pH值信息。各两通电磁阀3、11、19、25，三通电磁阀13、流量传感器4、浮球水位仪5分别电连接可编程控制器27，供水泵1、管道泵12和超微米气泡发生装置26的控制开关分别电连接可编程控制器27，由可编程控制器27控制运行。可编程控制器27、供水泵1、管道泵12和超微米气泡发生装置26等用电装置分别连接电源，可编程控制器27内预置的程序可以手动输入，也可以通过预埋在种植土里的土壤传感器反馈的土壤养分、水分信息，由计算机自动选择合适的参数，由于传感器费用较高，用户可根据实际情况自行选用。

上述实施例中，连接在主管道2上的流量传感器4的用途主要是在混合罐6中需要配置的营养液比较少，不足以到达浮球水位仪5时使用。

上述实施例中，可以在文丘里注肥器20的进肥口处连接一已有技术的吸肥速度显示仪30，通过吸肥速度显示仪30可以直接设置流速系数，如果在吸肥速度显示仪30上连接一传感器（图中未示出），再将传感器与可编程控制器27连接，便可以通过可编程控制器27控制速度显示仪30的流速系数。

上述系统设置的实施例中，可编程控制器27还可以通过无线连接的方式控制各电磁阀装置和传感器。可编程控制器27的工作方式可在手动、周期、按日、按月和智能等选项中切换。具体参数及功能的设置，可以根据需灌溉区域的具体情况设定，使系统更加本地化。用户还可以通过连接网络上的专家系统查询，获得科学的灌溉施肥数据。

采用本发明系统进行水肥气一体化滴灌方法

本发明方法由可编程控制器27控制整个系统运行，整个过程包括以下步骤：

1）供水泵1启动，两通电磁阀3导通，向混合罐6中注水，当水到达流量传感器4设定的数值或水位到达浮球水位仪5时，供水泵1和两通电磁阀3关闭，停止向混合罐6注水；

2）控制连接文丘里注肥器20的各两通电磁阀19、连接管道泵12的两通电磁阀11和连接超微米气泡发生装置26的两通电磁阀25导通，并将三通电磁阀13的出口13a导通，出口13b关闭，开始从各罐体23中向混合罐6中抽营养液，从超微米气泡发生装置26向混合罐6中充气，此时在混合罐6的下部出口和上部进口之间的管道上形成一配置营养液循环回路。

3）与步骤2）同时，DO控制器28收集DO传感器9采集的溶解氧浓度数据信息，EC/pH控制器29收集pH传感器7和EC传感器8采集的pH值和营养液含量数据信息，并将各项数据信息发送给可编程控制器27，由可编程控制器27根据预置的各项参数，自动控制各两通电磁阀11、19、25的开度大小。

4）当营养液达到程序设定的控制参数时，可编程控制器27控制超微米气泡发生装置26关闭，控制两通电磁阀11和各两通电磁阀19关闭，控制三通电磁阀13的出口13a关闭，出口13b导通，控制连接管道泵12的两通电磁阀25继续导通，管道泵12继续工作，营养液开始输出，通过筛网过滤器15和单向止回阀17进入灌溉系统中预先设定的水培器具或灌溉小区。

从上述实施例可以看出，营养液中的各项含量参数由电导率（EC值）表征，气体用水中溶解氧含量（DO）来表征，pH控制中酸碱浓度配制可保持恒定，pH传感器需要进行定期的标定，才能保持仪器本身的测量稳定性和精确度。本发明在营养液的配制过程中主要是对EC值、pH值和DO值进行精确控制，pH传感器7、EC传感器8和DO传感器9可以实时监测混合罐6中的营养液指标，当营养液的各项指标达到预设值时，系统停止配液，开始进行灌溉。

上述步骤4中，滴灌系统的控制参数是根据需要灌溉区域的具体情况而设定的，系统中控制参数EC值和pH值，精度要求EC值为±0.15ms/cm，pH值为±0.15pH，稳定时间3分钟以内，系统超调小于15％。自动灌溉施肥能够做到自动灌溉同步，能以分钟为单位实现按时灌溉施肥，控制参数为时间，控制精度为10秒。

上述步骤4中，控制参数的气体溶解度为6～7mg/L，不断循环可达8～9mg/L，每次灌溉时根据土壤的性质及作物的属性制定相应的加气时间和浓度，可将水中的溶氧浓度控制在所需要的溶解度，或者采用灌水体积的12%为加气体积。

将实施例中所设置的施肥、灌水和加气的信息输入计算机中，在计算机中自动换算成对应的EC、pH及溶解氧的值进行配液。

在滴灌加气条件下，不同生育时期加气均对作物生长有促进作用，但加气效果不具有叠加性；苗期加气可提前首层开花时间，促进作物生长；全生育时期加气可以提高叶绿素含量10-15%；开花后加气也可提前二、三层开花时间，并增高15-20%；坐果期加气可以促进干物质累积，提高根冠比，增粗4-7%，获得最大产量。用户可根据自己所种植作物的特点通过提前设定可编程控制器中的参数实现智能加气模式。下面是一具体实施例。

实施例3：采用本发明方法对日光温室中的草莓进行滴灌加气栽培。

品种选定“春香”，种植于北京日光温室，每亩定植1000株。土壤pH为6.0，质地为轻壤土，土壤养分含量中等（如表1所示）：

表1草莓日光温室越冬促成栽培滴灌施肥方案

注：每亩施用3000kg有机肥料，生长期间配合叶面施肥；不施用含氯化肥。

与已有技术相比，在草莓定植初期进行加气，可以提高成活率，在开花期和果实膨大期进行加气，可以节省气的用量且使果实的产量和品质达到最佳。得到结果总产量增加30%、平均单果直径增加10%和单果重增加25%，小区土壤蓬松，草莓根长密度增大15%。

上述各实施例仅适用于说明本发明，由于灌溉制度与土壤、作物、土壤初始养分含量、栽培模式以及产量等因素有关，实际应用前应做好各因素的分析，制定出以最优的灌溉制度。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中系统中的各部件的结构、连接方式和运行方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种水肥气一体化滴灌系统，其特征在于：它包括一供水泵，所述供水泵通过第一两通电磁阀连接一具有浮球水位仪的混合罐；所述混合罐内设置有pH传感器、EC传感器和DO传感器；所述混合罐下部设置有一出水管，所述出水管经第二两通电磁阀连接一管道泵，所述管道泵的出口连接一三通电磁阀；所述三通电磁阀的一个出口通过管道连接一筛网过滤器，所述筛网过滤器的出口通过管道经单向止回阀连接灌溉系统；所述三通电磁阀的另一出口通过一进水干管并联连接若干具有第三两通电磁阀和一文丘里注肥器的支管，各所述支管的出口通过一出水干管连接所述混合罐的上部；每一所述文丘里注肥器的进液口分别通过一连接管连接一罐体；所述混合罐的最下部通过另一连接管经第四两通电磁阀连接一超微米气泡发生装置；所述pH传感器和EC传感器连接一EC/pH控制器，所述DO传感器连接DO控制器，所述EC/pH控制器和DO控制器连接一可编程控制器；各所述两通电磁阀，三通电磁阀、浮球水位仪、供水泵、管道泵和超微米气泡发生装置分别电连接所述可编程控制器；所述DO控制器收集所述DO传感器采集的溶解氧浓度数据信息，所述EC/pH控制器收集所述pH传感器和EC传感器采集的pH值和营养液含量数据信息，并将各项数据信息发送给所述可编程控制器，由所述可编程控制器根据预置的各项参数，自动控制第二至第四两通电磁阀的开度大小。

2.如权利要求1所述的一种水肥气一体化滴灌系统，其特征在于：在所述供水泵与所述混合罐之间的主管道设置有一流量传感器，所述流量传感器连接所述可编程控制器。

3.如权利要求2所述的一种水肥气一体化滴灌系统，其特征在于：在所述文丘里注肥器的进肥口处连接有一吸肥速度显示仪。

4.如权利要求3所述的一种水肥气一体化滴灌系统，其特征在于：在所述吸肥速度显示仪上连接一传感器，将所述传感器连接所述可编程控制器。

5.使用如权利要求4所述系统的一种水肥气一体化滴灌方法，其包括以下步骤：

1)设置一水肥气一体化滴灌系统，设置一自动控制装置，通过可编程控制器控制水、肥和气的加入量，通过相应设置的传感器实现闭环控制；

2)供水泵启动，第一两通电磁阀导通，向混合罐中注水，当水到达流量传感器设定的数值或水位到达浮球水位仪时，供水泵和第一两通电磁阀关闭，停止向混合罐注水；

3)控制连接文丘里注肥器的各第三两通电磁阀、连接管道泵的第二两通电磁阀和连接超微米气泡发生装置的第四两通电磁阀导通，并将三通电磁阀连接混合罐的出口导通，连接筛网过滤器的出口关闭，开始从个罐体中向混合罐中抽营养液，从超微米气泡发生装置向混合罐中充气，此时在混合罐的下部出口和上部进口之间的管道上形成一配置营养液循环回路；

4)与步骤3)同时，DO控制器收集DO传感器采集的溶解氧浓度数据信息，EC/pH控制器收集pH传感器和EC传感器采集的pH值和营养液含量数据信息，并将各项数据信息发送给可编程控制器，由可编程控制器根据预置的各项参数，自动控制第二至第四两通电磁阀的开度大小；

5)当营养液达到程序设定的控制参数时，可编程控制器控制超微米气泡发生装置关闭，控制第四两通电磁阀和各第三两通电磁阀关闭，控制三通电磁阀连接混合罐的出口关闭，连接筛网过滤器的出口导通，控制连接管道泵的第二两通电磁阀继续导通，管道泵继续工作，营养液开始输出，通过筛网过滤器和单向止回阀进入灌溉系统中预先设定的水培器具或灌溉小区。

6.如权利要求5所述的一种水肥气一体化滴灌方法，其特征在于：所述步骤4)控制参数的精度要求EC值为±0.15ms/cm，pH值为±0.15pH，稳定时间3分钟以内，系统超调小于15％；以分钟为单位按时灌溉施肥，控制参数为时间，控制精度为10秒。

7.如权利要求5或6所述的一种水肥气一体化滴灌方法，其特征在于：所述步骤4)控制参数中气体溶解度为6～7mg/L，不断循环达到8～9mg/L，每次灌溉时根据土壤的性质及作物的属性制定相应的加气时间和浓度，可将水中的溶氧浓度控制在所需要的溶解度，或者采用灌水体积的12％为加气体积。