CN104206098A - 小麦玉米周年生产变量肥水一体化灌溉系统 - Google Patents

小麦玉米周年生产变量肥水一体化灌溉系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种小麦玉米周年生产变量肥水一体化灌溉系统，包括主管道、分支管道、小麦-玉米两用带和局域变量肥水控制系统；是在一条主管道上呈“工”型分别连接分支管道，分支管道分布于该主管道的左右两侧；在同一侧相对的两条分支管道之间平行安装小麦-玉米两用带，相邻两条小麦-玉米两用带之间的间距为1.8-2.4m；每条小麦-玉米两用带两端通过可调式注肥器和输水比例电磁阀与分支管道连通。本发明中，分支管道、主管道和小麦-玉米两用带构成一个密闭的输水系统，实现从每条小麦-玉米两用带的两端加压进水；可以同时适应小麦、玉米的生长发育特点和种植规格，使小麦-玉米两用带在小麦和玉米两个生长季通用，无须因作物不同而更改喷水带的铺设位置，实现两季定位输水输肥兼用。

Description

小麦玉米周年生产变量肥水一体化灌溉系统
技术领域
本发明属于节水灌溉领域，特别涉及了小麦玉米周年生产变量肥水一体化灌溉系统，适用于小麦-玉米复种连作生产中进行周年节水节肥的肥水一体化管理。
技术背景
小麦玉米复种连作是我国黄淮海地区最重要的种植模式，对保障国家粮食安全具有极其重要的作用。然而水资源日益短缺的问题严重制约了该地区农业可持续发展，同时，在小麦和玉米肥料管理方面，一方面，缺乏有效的追肥机械，需要耗费大量人力，增加生产成本；另一方面，在小麦和玉米生育中后期，作物封垄后，农业机械下地作业困难。如何实现小麦-玉米周年节水灌溉和水肥一体化管理，减少生产环节，促进农业可持续发展，是亟待解决的技术难题。特别是，在小麦-玉米周年生产中，往往不同地块之间土壤肥力和墒情存在明显差异，或作物苗情长势不同，在灌水量和施肥量上也应不同，如何实现不同区域或地块的节肥节水变量施用，是亟待解决的技术问题。
利用小麦-玉米两用带灌溉能有效控制每次肥水施用量，且设施相对简单、廉价，易于收放，在小麦和玉米节水灌溉方面具有广阔的应用前景。小麦和玉米两种作物的生育特点、种植规格和方式明显不同。二者相比，小麦具有密植、窄行距、株高矮、中下部茎叶密集，上部茎叶稀疏封垄程度小的特点，而玉米则具有稀植、宽行距、株高高、中上部茎叶密集封垄程度大，下部茎叶稀疏的特点。在0°～90°喷射角(喷孔的喷射水流线在喷孔处的切线与水平面的夹角)范围内，小麦田采用小麦-玉米两用带灌溉，喷射角低于70°或80°的喷射水流多被密集的小麦茎叶阻挡，玉米田采用小麦-玉米两用带灌溉，喷射角高于70°或80°的喷射水流则多被密集的玉米叶片阻挡，严重影响灌溉水在田间喷洒的均匀度。所以，两种作物适用的小麦-玉米两用带喷射角度范围及其喷孔布局方式有明显不同。
小麦-玉米两用带为管带状结构，水流通过小麦-玉米两用带时会产生沿程压力损失。相同工作压力下，增加带长，单位时间内灌溉面积增大，但小麦-玉米两用带过长，压力损失增大，导致小麦-玉米两用带首尾两端压力差增大，喷水不均。这制约了小麦-玉米两用带有效铺设长度和灌溉效率。本发明采用“工”型管道布设方式，从每条小麦-玉米两用带的两端加压进水，有效解决了这一难题。
经对现有技术文献检索发现，中国实用新型专利“一种多用途自动滴灌施肥控制系统(申请号：CN201320395144)”和中国实用新型专利“一种设施农业生产用标准化水肥一体化灌溉系统(申请号：CN201320511284)”公开了用于水肥一体化的变量施肥技术。但该变量施肥技术只能适应于整个灌溉系统，不能实现在同一个灌溉系统内对不同区域或地块实现有针对性的变量肥水作业。另外，这种滴灌技术并不适合小麦玉米复种连作栽培模式。
综上所述，亟需发明一种适合小麦玉米复种连作栽培模式下，基于小麦-玉米两用带节水节肥技术的变量肥水一体化管理系统。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供小麦玉米周年生产变量肥水一体化灌溉系统，适用于小麦-玉米复种连作生产中进行周年节水节肥的变量肥水管理。
一种小麦玉米周年生产变量肥水一体化灌溉系统，包括主管道、分支管道、小麦-玉米两用带和局域变量肥水控制系统；
在所述的一条主管道上呈“工”型分别连接分支管道，分支管道分布于该主管道的左右两侧；在同一侧相对的两条分支管道之间平行安装小麦-玉米两用带，相邻两条小麦-玉米两用带之间的间距为1.8-2.4m；
所述的小麦-玉米两用带由三条相同的带片构成，三条带片的两侧边缘紧密粘合在一起或融为一体，中层带片分别与上层带片和下层带片形成两个大小一致、相互独立的管腔；每个独立管腔的两端分别设有一个快接头，小麦-玉米两用带两端通过快接头与肥量可调式注肥器对接；所述的上层带片按适宜小麦灌溉的喷孔布局打孔作为小麦喷带侧面，所述的下层带片按适宜玉米灌溉的喷孔布局打孔作为玉米喷带侧面，中层带片则起到小麦喷带侧面和玉米喷带侧面之间隔水的作用；灌溉时，可根据作物生长季转换，使需要灌溉的作物对应的小麦喷带侧面或玉米喷带侧面朝上，并将其独立管腔的快接头与肥量可调式注肥器对接。
所述的小麦喷带侧面喷孔布局设置为：在该带面上每隔23cm设置两组喷孔，每组喷孔由等距离均匀排列于一条直线上的4个喷孔组成；第一组位于带面中线左侧，第二组位于带面中线右侧。两组喷孔的喷射角(即喷孔的喷射水流线在喷孔处的切线与水平面的夹角)均在70°～85°范围内。
所述的玉米喷带侧面喷孔布局设置为：在该带面上每隔23cm设置两组喷孔，每组喷孔由等距离均匀排列于一条直线上的4个喷孔组成；第一组位于带面中线左侧；第二组位于带面中线右侧。两组喷孔的喷射角(即喷孔的喷射水流线在喷孔处的切线与水平面的夹角)均在35°～80°范围内。
所述的局域变量肥水控制系统，包括变量控制器、水肥变量施用处方、系统工作状态指示灯、输水比例电磁阀、肥量可调式注肥器和土壤含水率传感器。每条小麦-玉米两用带两端依次串接有肥量可调式注肥器和输水比例电磁阀，输水比例电磁阀连接在分支管道上。每条小麦-玉米两用带所对应的输水比例电磁阀和肥量可调式注肥器分别与变量控制器连接。在每条小麦-玉米两用带的右侧相邻两条小麦-玉米两用带1/2间距的宽度范围内布置有一个土壤含水率传感器用于检测该局部区域的土壤含水率，土壤含水率传感器与变量控制器连接；每个土壤含水率传感器检测的土壤含水率通过变量控制器的信号输入接口进入变量控制器。变量控制器根据土壤的含水情况依据水肥变量施用处方控制需要灌溉水的流量；水肥变量施用处方存储于变量控制器中，变量控制器依据水肥变量施用处方通过变量控制器的控制信号输出接口改变输水比例电磁阀开度大小可以调节进入到相应小麦-玉米两用带的流量，变量控制器通过控制信号输出接口改变肥量可调式注肥器的注肥泵流量，改变进入到相应小麦-玉米两用带的施肥量，从而实现对该小麦-玉米两用带所对应的区域进行变量施肥和灌溉水量调节。所述的系统工作状态指示灯与变量控制器连接，用于标示变量控制器的工作状态。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中，分支管道、主管道和小麦-玉米两用带构成一个密闭的输水系统，实现从每条小麦-玉米两用带的两端加压进水；可以同时适应小麦、玉米的生长发育特点和种植规格，使小麦-玉米两用带在小麦和玉米两个生长季通用，无须因作物不同而更改喷水带的铺设位置，实现两季定位输水输肥兼用。
2、提出的小麦-玉米两用带田间布局模式，具有较高的喷洒均匀度和灌溉效率，且成本较低、经济合理。
3、能实现小麦-玉米复种连作生产系统周年节水定量灌溉，显著节约灌溉用水，有利于粮食可持续增产，保障我国粮食及生态环境安全。
4、能依据小麦和玉米周年生产中的苗情和长势的差异，在整个种植区域中实现每条小麦-玉米两用带对应的局部区域的变量施肥和灌溉水量的调节。
附图说明
图1是本发明小麦-玉米两用带未充水情况下的横截面示意图。
图2是本发明小麦-玉米两用带其中一个管腔充水情况下的横截面示意图。
图3是本发明小麦-玉米两用带的小麦喷带侧面的喷孔布局示意图。
图4是本发明小麦-玉米两用带的玉米喷带侧面的喷孔布局示意图。
图5是本发明一种双向加压输水管道系统示意图。
图6是本发明一种局域变量肥水控制系统示意图。
图1中：1为上层带片，2为中层带片，3为下层带片。
图2中：1为上层带片，2为中层带片，3为下层带片。
图3中：4为小麦喷带侧面喷孔，5为小麦喷带侧面带片中线。
图4中：6为玉米喷带侧面喷孔，7为玉米喷带侧面带片中线。
图5中：8为水源，9为主管道，10为过滤器，11为分支管道，12为输水比例电磁阀，13为肥量可调式注肥器，14为快接头，15为小麦-玉米两用带，16为土壤含水率传感器，17为变量控制器。
具体实施方式：
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后，可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但是只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
实施例参见附图1、2、3、4，利用双管腔小麦-玉米两用带，由三条相同的带片构成，三条带片的两侧边缘紧密粘合在一起或融为一体，中层带片分别与上层带片和下层带片形成两个大小一致、相互独立的管腔；两个独立管腔的一端分别对应设有两个快接头，小麦-玉米两用带通过口快接头与肥量可调式注肥器对接；所述的上层带片按适宜小麦灌溉的喷孔布局打孔作为小麦喷带侧面，所述的下层带片按适宜玉米灌溉的喷孔布局打孔作为玉米喷带侧面，中层带片则起到小麦喷带侧面和玉米喷带侧面之间隔水的作用；灌溉时，可根据作物生长季转换，选择相应的快接头使小麦喷带侧面或玉米喷带侧面朝上。
如图3所示，所述的小麦喷带侧面喷孔布局设置为：在该带面上每隔23cm设置两组喷孔，第一组位于带面中线左侧，包含4个喷孔，均匀排列于一条直线上，各喷孔的喷射角(喷孔的喷射水流线在喷孔处的切线与水平面的夹角)依次为70°、75°、80°和85°；第二组位于带面中线右侧，亦包含4个喷孔，均匀排列于一条直线上，各喷孔的喷射角依次为85°、80°、75°和70°。两组喷孔所在的直线彼此平行,间距为5cm。
如图4所示，所述的玉米喷带侧面喷孔布局设置为：在该带面上每隔23cm设置两组喷孔，第一组位于带面中线左侧，包含4个喷孔，均匀排列于一条直线上，各喷孔的喷射角依次为35°、50°、65°和80°；第二组位于带面中线右侧，亦包含4个喷孔，均匀排列于一条直线上，各喷孔的喷射角依次为80°、65°、50°和35°。两组喷孔所在的直线彼此平行,间距为5cm。
如图5所示，所述的双向加压输水管道系统，其特征在于：在一条主管道上呈“工”型分别引出4条分支管道，分布于该主管道的左右两侧；在同一侧的两条分支管道之间安装小麦和玉米兼用的双面打孔小麦-玉米两用带，各条小麦-玉米两用带平行排列，构成一个密闭的输水系统，实现从每条小麦-玉米两用带的两端加压进水。
所述的小麦-玉米两用带形成的两个独立管腔在其端部分别对应两个快接头，分支管道与小麦-玉米两用带之间通过输水比例电磁阀和肥量可调式注肥器连通，小麦-玉米两用带上下带片外表面分别标记对应的小麦喷带和玉米喷带，可根据作物生长季转换，选择相应的快头使小麦喷带侧面或玉米喷带侧面朝上。如：灌溉小麦时，可将小麦喷带侧面朝上，将小麦喷带管腔两端的快接头对接到相应的肥量可调式注肥器上。
所述的相邻的两条小麦-玉米两用带之间的距离设定为2m，以适应小麦-玉米复种连作种植模式下小麦、玉米的生长发育特点和种植规格，使小麦-玉米两用带在小麦和玉米两个生长季通用，无须因作物不同而更改小麦-玉米两用带的铺设位置，实现两季定位输水输肥兼用。
如图5、6所示，所述的局域变量肥水控制系统，包括变量控制器、变量处方、系统工作状态指示灯、各小麦-玉米两用带对应的输水比例电磁阀、肥量可调式注肥器和土壤含水率传感器构成。灌溉时，将每个小麦-玉米两用带两端通过快接头连接在相对的两个肥量可调式注肥器上，肥量可调式注肥器再与输水比例电磁阀串接，输水比例电磁阀与分支管道连接。每条小麦-玉米两用带所对应的输水比例电磁阀和肥量可调式注肥器分别与变量控制器连接。所述的变量控制器可采用单片机系统、DSP系统或工控机，变量控制器通过控制信号线或无线透传模块与各输水比例电磁阀和肥量可调式注肥器相连。本实例中输水比例电磁阀可采用VA-7100比例积分电动二通水阀。在每条小麦-玉米两用带的右侧，相邻两条小麦-玉米两用带1/2间距的宽度范围内布置有一个土壤含水率传感器用于检测该局部区域的土壤含水率，土壤含水率传感器根据需要埋入一定深度土层中，每个土壤含水率传感器检测的土壤含水率通过变量控制器的信号输入接口进入变量控制器。本实例中土壤含水率传感器可采用FR-SMS土壤湿度传感器。水肥变量施用处方存储于变量控制器中，变量控制器依据水肥变量施用处方通过控制信号输出接口改变输水比例电磁阀开度大小可以调节进入到相应小麦-玉米两用带的流量，变量控制器通过控制信号输出接口改变肥量可调式注肥器的注肥泵流量，改变进入到相应小麦-玉米两用带的施肥量，从而实现对该小麦-玉米两用带所对应的区域进行变量施肥和灌溉水量调节。系统工作状态指示灯用于标示变量控制器的工作状态。
水肥变量施用处方的形成可根据作物不同生长阶段的需水量设定其根部土壤的含水率阈值，再结合土壤含水率传感器的检测量与阈值的比较，从而确定水肥灌溉量。水肥变量施用处方可以通过程序设定存储在变量控制器如单片机存储芯片中。

Claims (1)

1.一种小麦玉米周年生产变量肥水一体化灌溉系统，其特征在于：包括主管道、分支管道、小麦-玉米两用带和局域变量肥水控制系统；
在所述的一条主管道上呈“工”型分别连接分支管道，分支管道分布于该主管道的左右两侧；在同一侧相对的两条分支管道之间平行安装小麦-玉米两用带，相邻两条小麦-玉米两用带之间的间距为1.8-2.4m；
所述的小麦-玉米两用带由三条相同的带片构成，三条带片的两侧边缘紧密粘合在一起或融为一体，中层带片分别与上层带片和下层带片形成两个大小一致、相互独立的管腔；每个独立管腔的两端分别设有一个快接头，小麦-玉米两用带两端通过快接头与肥量可调式注肥器对接；所述的上层带片按适宜小麦灌溉的喷孔布局打孔作为小麦喷带侧面，所述的下层带片按适宜玉米灌溉的喷孔布局打孔作为玉米喷带侧面，中层带片则起到小麦喷带侧面和玉米喷带侧面之间隔水的作用；
所述的小麦喷带侧面喷孔布局设置为：在该带面上每隔23cm设置两组喷孔，每组喷孔由等距离均匀排列于一条直线上的4个喷孔组成；第一组位于带面中线左侧，第二组位于带面中线右侧；两组喷孔的喷射角均在70°～85°范围内；
所述的玉米喷带侧面喷孔布局设置为：在该带面上每隔23cm设置两组喷孔，每组喷孔由等距离均匀排列于一条直线上的4个喷孔组成；第一组位于带面中线左侧；第二组位于带面中线右侧；两组喷孔的喷射角均在35°～80°范围内；
所述的局域变量肥水控制系统，包括变量控制器、水肥变量施用处方、系统工作状态指示灯、输水比例电磁阀、肥量可调式注肥器和土壤含水率传感器；每条小麦-玉米两用带两端依次串接有肥量可调式注肥器和输水比例电磁阀，输水比例电磁阀连接在分支管道上；每条小麦-玉米两用带所对应的输水比例电磁阀和肥量可调式注肥器分别与变量控制器连接；在每条小麦-玉米两用带的右侧相邻两条小麦-玉米两用带1/2间距的宽度范围内布置有一个土壤含水率传感器，土壤含水率传感器通过变量控制器的信号输入接口进入变量控制器；水肥变量施用处方存储于变量控制器中；所述的系统工作状态指示灯与变量控制器连接。
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