CN104663102A

CN104663102A - 一种负水头灌溉施肥系统及控制方法

Info

Publication number: CN104663102A
Application number: CN201510036539.7A
Authority: CN
Inventors: 李银坤; 薛绪掌; 姜红娜; 陈菲; 郭文忠; 王利春; 孙维拓
Original assignee: Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture
Current assignee: Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2035-01-23
Also published as: CN104663102B

Abstract

本发明涉及农业灌溉技术领域，具体涉及一种负水头灌溉施肥系统及控制方法。该负水头灌溉施肥系统包括水源、肥液控制装置、负水头装置；所述肥液控制装置包括肥液箱、显示屏、传感器和冲浪泵，所述肥液箱与水源连通，所述显示屏设置于肥液箱外，所述传感器和冲浪泵分别设置于肥液箱内；所述负水头装置包括储液桶、控压管、集气瓶和多个陶瓷盘；所述储液桶与肥液箱连通；所述控压管的一端与储液桶连接，另一端与集气瓶连接；所述集气瓶与多个陶瓷盘连通。该负水头灌溉施肥系统能够同时供给水分和养分，并可根据作物生育期的变化供应不同浓度的肥液，满足作物生长发育对水分和养分的一体化需求，从而实现作物的优质高产。

Description

一种负水头灌溉施肥系统及控制方法

技术领域

本发明涉及农业灌溉技术领域，尤其涉及一种负水头灌溉施肥系统及控制方法。

背景技术

近年来，我国设施园艺产业发展迅速，2011年设施园艺面积已超过400万平方千米，居世界前列。蔬菜是设施园艺中的主要栽培作物，其面积可占设施园艺栽培面积的90％。合理的水肥管理是蔬菜健康生长和优质高产的重要保证，而我国传统的施肥方式是将肥料用量的40％作为基肥施入土壤，剩余肥料在蔬菜主要生育期内以追肥的形式施用。由于水肥不同步，肥料一次性投入量高，灌水量大且频繁，是造成水肥利用效率低、土壤盐渍化、地下水污染等问题的主要原因。可见，过量灌溉和不合理施肥加剧了资源浪费和环境风险的增加，成为制约设施蔬菜可持续发展的瓶颈。

水肥一体化是将灌溉和施肥相结合，在灌溉的同时进行施肥，实现水、肥的一体化管理，是国际上公认的一项高效节水节肥农业新技术。现有的灌溉施肥装备主要是借助压力系统将溶于水的肥液与灌溉水混合，然后通过可控管道和滴灌系统，均匀、定时、定量地输送到作物根系土壤。但该装备系统必须依据可靠的灌溉施肥控制策略和精密的传感器件才能达到水肥的精准管理，而我国的主要设施类型是日光温室，具有分布区域广、栽培作物种类复杂和茬口繁多等特点，现有灌溉施肥设备很难满足我国设施蔬菜生产发展的需求，从国外引进的灌溉施肥控制器不仅价格昂贵，而且没有考虑我国特殊的自然、气候、土地资源、农民经济状况等因素，所以难以在国内得到应用与普及。

负水头灌溉技术是基于盘式负压入渗原理，通过将供水压控制为负水头进行灌溉，利用土壤水分基质吸力向土壤供水，从而实现土壤水分的精确和持续控制。现有专利文献(ZL为200510123974.X)公开一种负水头灌溉系统，只是单纯实现了作物栽培过程中的土壤水分管理，不能进行水分和养分的有效协调；此外，专利文献(ZL为201310141504.0)公开了一种基于负水头控水供水的自动灌溉决策系统，只是利用负水头灌溉系统为滴灌系统提供灌溉量的决策，且主要在无土栽培中使用，具有一定局限性；无法同时具有精确、持续地控制土壤含水率，和根际土壤保持适宜、稳定的养分浓度的作用。以上两个专利文献均是基于负水头装置对作物水分进行管理，而要获得作物的高产优质，水分和养分的协调供应尤为重要。

因此，针对以上不足，需要一种能够同时精确供给水分和养分，并可根据作物生育期的变化供应不同浓度的肥液，以满足作物生长发育对水分和养分的一体化需求，从而实现作物优质高产的负水头灌溉施肥系统及控制方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供了一种负水头灌溉施肥系统，能够同时精确供给水分和养分，并可根据作物生育期的变化供应不同浓度的肥液，以满足作物生长发育对水分和养分的一体化需求，从而实现作物的优质高产。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供的负水头灌溉施肥系统包括：

水源；

肥液控制装置，包括肥液箱、显示屏、传感器和冲浪泵，所述肥液箱与水源连通，所述显示屏设置于肥液箱外，所述传感器和冲浪泵分别设置于肥液箱内，所述传感器用于检测肥液浓度并反馈至显示屏上；

负水头装置，包括储液桶、控压管、集气瓶和多个陶瓷盘；所述储液桶与肥液箱连通；所述控压管的一端与储液桶连接，另一端与集气瓶连接；所述集气瓶与多个陶瓷盘连通，多个陶瓷盘均埋设于待处理的苗床土层中。

其中，该负水头灌溉施肥系统还包括：

第一供液主路，所述第一供液主路的一端与肥液箱连通，另一端与多个储液桶连接；

第二供液主路，所述第二供液主路的一端与集气瓶连接，另一端连接有用于铺设在苗床的供液支路，多个所述陶瓷盘分别沿所述供液支路的长度方向间隔设置。

其中，所述第一供液主路上依次设有第二阀门、过滤器和第三阀门；所述第二阀门位于靠近肥液箱的一端；所述第二供液主路上设有第五阀门，所述第五阀门位于靠近集气瓶的一端。

其中，所述肥液箱内的最低液位高于所述储液桶的最高液位。

其中，所述肥液箱的下方设有底座，在肥液箱的底部设有第一阀门。

其中，所述控压管的一端伸入至储液桶的底部，另一端连接于集气瓶底部侧壁；所述储液桶内设有浮球阀；所述集气瓶的顶部设有第四阀门。

其中，所述控压管由透明材料制成。

其中，所述陶瓷盘的形状为圆形，在陶瓷盘上设有多孔。

本发明还提供一种根据所述的负水头灌溉施肥系统的控制方法，其包括如下步骤：

S1、根据作物对氮磷钾的吸收比例将可溶性肥料配制形成肥液，并将配制后的肥液添加至肥液箱内；

S2、利用传感器检测肥液的浓度并反馈至显示屏上，并根据反馈信息调节肥液浓度至预设浓度；

S3、将调节浓度后的肥液依次输入至储液桶、控压管和集气瓶中，在土壤吸力与大气压的作用下，使肥液经陶瓷盘进入苗床土层中，从而供作物生长需求。

其中，步骤S2包括：所述预设浓度为按照作物生育期的变化而预先设置的肥液浓度。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明负水头灌溉施肥系统在负水头灌溉技术的基础上，通过肥液控制装置可实现调节肥液浓度，实现了作物栽培的水肥一体化管理。而且本发明还提供了一种基于该负水头灌溉施肥系统的控制方法，可根据作物生育期的变化供应不同浓度的肥液，满足作物生长发育对水分和养分的一体化需求。不需要做水肥的控制决策，即能达到满足作物生长发育需求的水肥精确管理目的，又可实现当代农业节水节肥和优质高产的目标。

附图说明

图1为本发明实施例负水头灌溉施肥系统的结构示意图；

图2为不同灌溉施肥模式下番茄产量变化图；

图3为不同灌溉施肥模式下番茄果实可溶性糖含量变化图；

图4为不同灌溉施肥模式下番茄果实可溶性蛋白质含量变化图；

图5为不同灌溉施肥模式下番茄水分生产力变化图；

图6为不同灌溉施肥模式下番茄肥料生产力变化图。

其中，1：水源；2：电源；3：肥液箱；4：储液桶；5：集气瓶；6：陶瓷盘；7：底座；8：箱盖；9：传感器；10：冲浪泵；11：显示屏；12：第一阀门；13：第二阀门；14：过滤器；15：第一供液主路；16：浮球阀；17：第三阀门；18：桶盖；19：支撑座；20：第四阀门；21：控压管；22：第五阀门；23：第二供液主路；24：供液支路；25：栽培作物。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供的负水头灌溉施肥系统包括水源1、肥液控制装置和负水头装置；其中：水源1用于为肥液箱3提供清水；肥液控制装置包括肥液箱3、显示屏11、传感器9和冲浪泵10；肥液箱3与水源1连通，肥液箱3的形状并不局限于某种特定形式，例如：其横截面可为方形或圆形、体积大小也可根据实际需要灵活调整；显示屏11设置于肥液箱3外，显示屏11可为LED液晶显示屏，用于实时显示检测数值；传感器9和冲浪泵10分别设置于肥液箱3内，冲浪泵10与传感器9分别与电源2连接；传感器9可为EC传感器，用于检测肥液浓度并反馈至显示屏11上；冲浪泵10用于扰动肥液，从而实现较快地获得浓度均匀一致的肥液。

该负水头装置包括储液桶4、控压管21、集气瓶5和多个与集气瓶5连通的陶瓷盘6，储液桶4与肥液箱3连通，集气瓶5通过控压管21与储液桶4连通；通过调整控压管21的高度可实现控制供液吸力。多个陶瓷盘6均埋设于待处理的苗床土层中。该系统可根据作物生育期的变化供应不同浓度的肥液，满足作物生长发育对水分和养分的一体化需求。不需要做水肥的控制决策，即能达到满足作物生长发育需求的水肥精确管理目的，又可实现当代农业节水节肥和优质高产的目标。

为了能够实现大面积的推广，该负水头灌溉施肥系统还包括第一供液主路15、第二供液主路23和供液支路24，第一供液主路15的一端与肥液箱3连通，另一端与多个储液桶4连接。根据苗床面积可灵活布置储液桶4，例如，可连接两个储液桶4。而且，每一套控压装置的后面均对应一个第二供液主路23，其中，第二供液主路23的一端与集气瓶5连接，另一端连接有用于铺设在苗床的供液支路24。

具体的，针对日光温室茄果类栽培作物25而言，一条供液支路23可为两行栽培作物25供液。同时，多个陶瓷盘6分别沿供液支路24的长度方向间隔设置，并垂直埋入土壤中，使陶瓷盘6两侧均可应用于栽培作物25。

而且，第一供液主路15上还依次设有第二阀门13、过滤器14和第三阀门17；第二阀门13位于靠近肥液箱3的一端；第二供液主路23上设有第五阀门22，第五阀门22位于靠近集气瓶5的一端。通过设置的各个阀门可有效实现对管路的控制。

进一步的，供液支路23呈0.2％-1％倾斜度布置，与集气瓶5相连的一端高于另一端，从而方便肥液流出。

其中，陶瓷盘6的形状优选为圆形，在陶瓷盘6上设有多孔。当陶瓷盘6上的小孔被水充满后，在孔隙中可形成一层水膜，达到透水不透气的作用。优选地，陶瓷盘的直径为20cm，下埋的土壤深度为30cm，其上覆土10cm，布置间距25-40cm。

此外，为了实现肥液的自动输送，将肥液箱3内的最低液位设置为高于储液桶4的最高液位，依靠重力作用就可实现肥液箱3为储液桶4自动供液的作用。

具体的，肥液箱3的下方设有底座7，肥液箱3上设有箱盖8，在肥液箱3的底部设有用于排出废液的第一阀门12。与之对应，储液桶4置于半地下，储液桶4上方设有桶盖18，而且在储液桶4内设有浮球阀16，用于控制储液桶4内的液位变化。

而且，控压管21的一端伸入至储液桶4的底部，另一端连接于集气瓶5底部侧壁，控压管21可由透明材料制成，可为PVC透明管、有机玻璃管或透明软管。当然，集气瓶5的下方也可通过支撑座19固定，并在集气瓶5的顶部设有第四阀门20。

本发明还提供一种根据负水头灌溉施肥系统的控制方法，其包括如下步骤：

S1、根据作物对氮磷钾的吸收比例将可溶性肥料配制形成肥液，并将配制后的肥液添加至肥液箱内；可溶性肥料可为含有氮、磷、钾等营养元素且溶解性较好的肥料，例如：尿素、硫酸钾、磷酸二氢铵等工业制品，也可以为营养液大量元素配方的化学纯试剂(如硝酸钾、四水硝酸钙、磷酸二氢铵等)或市场上常用的可溶性复合肥。可将配比好的肥料先溶于水，形成高浓度肥液，然后把高浓度肥液添加至肥液箱内。

S2、利用传感器检测肥液的浓度并反馈至显示屏上，根据显示屏上的反馈信息调节肥液浓度至预设浓度；其中，预设浓度为按照作物生育期的变化而预先设置的肥液浓度。按照栽培作物生育期的变化，通过调节所述肥液箱内溶液的EC值(可溶性离子浓度)实现对肥液浓度的控制。

S3、将调节浓度后的肥液依次输入至储液桶、控压管和集气瓶中，在土壤吸力与大气压的作用下，使肥液经陶瓷盘进入苗床土层中，即，负压入渗原理，从而供作物生长需求。

具体的，以日光温室番茄为例说明肥液控制方法：日光温室番茄生长的负水头供水吸力值为5kpa，选用尿素(N，46.7％)、磷酸二氢铵(N：P＝1：2.2)、硫酸钾(K₂O，54％)等可溶性较好的肥料作为生产中常施用的N、P、K肥。N、P、K肥的施用比例及肥液浓度控制根据番茄生育期的变化进行调配，其中番茄苗期的N：P：K为1：0.44：1.44，EC值按1.0mS/cm调配；番茄开花结果期的N：P：K为1：0.26：1.65，EC值按1.8mS/cm调配；番茄盛果期的N：P：K为1：0.32：1.63，EC值按2.5mS/cm调配。

为验证上述负水头灌溉施肥系统的实际应用效果，分别设置负水头灌溉施肥处理与常规施肥处理(对照组)。两种处理所用的肥料相同，但对照处理以负水头装置供水(供水吸力相同)、以基肥和追肥的形式进行施肥，其中基肥用量占肥料总用量的40％左右，其余肥料按番茄生育期的变化进行追施。

试验结果表明，如图2所示，负水头灌溉施肥系统下的番茄产量为71595.3kg/hm²，与对照处理相比，番茄产量提高了10.4％；如图3、图4所示，负水头灌溉施肥系统下番茄果实中的可溶性糖和可溶性蛋白质含量也分别比对照处理提高了1.5％和6.6％；如图5、图6所示，从番茄的水肥生产效率的角度分析，负水头灌溉施肥系统下的番茄水分生产效率为29.6kg/m³，肥料生产效率为71.0kg/kg，分别比对照处理提高了3.3％和4.8％。可见，利用该负水头灌溉施肥系统可获得较高的番茄产量，同时在改善果实品质和提高水肥生产效率等方面均具有很好的效果。

综合分析，该负水头灌溉施肥系统不用进行灌溉施肥时间以及灌溉量和施肥量的决策，只需根据作物生育期适时调整供给的肥液浓度，即可达到良好的生产效果，是设施农业蔬菜生产中值得推广应用的一种灌溉施肥新模式。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims

1.一种负水头灌溉施肥系统，其特征在于，包括：

水源(1)；

肥液控制装置，包括肥液箱(3)、显示屏(11)、传感器(9)和冲浪泵(10)，所述肥液箱(3)与水源(1)连通，所述显示屏(11)设置于肥液箱(3)外，所述传感器(9)和冲浪泵(10)分别设置于肥液箱(3)内，所述传感器(9)用于检测肥液浓度并反馈至显示屏(11)上；

负水头装置，包括储液桶(4)、控压管(21)、集气瓶(5)和多个陶瓷盘(6)；所述储液桶(4)与肥液箱(3)连通；所述控压管(21)的一端与储液桶(4)连接，另一端与集气瓶(5)连接；所述集气瓶(5)与多个陶瓷盘(6)连通，多个陶瓷盘(6)均埋设于待处理的苗床土层中。

2.根据权利要求1所述的负水头灌溉施肥系统，其特征在于，还包括：

第一供液主路(15)，所述第一供液主路(15)的一端与肥液箱(3)连通，另一端与多个储液桶(4)连接；

第二供液主路(23)，所述第二供液主路(23)的一端与集气瓶(5)连接，另一端连接有用于铺设在苗床的供液支路(24)，多个所述陶瓷盘(6)分别沿所述供液支路(24)的长度方向间隔设置。

3.根据权利要求2所述的负水头灌溉施肥系统，其特征在于，所述第一供液主路(15)上依次设有第二阀门(13)、过滤器(14)和第三阀门(17)；所述第二阀门(13)位于靠近肥液箱(3)的一端；所述第二供液主路(23)上设有第五阀门(22)，所述第五阀门(22)位于靠近集气瓶(5)的一端。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的负水头灌溉施肥系统，其特征在于，所述肥液箱(3)内的最低液位高于所述储液桶(4)的最高液位。

5.根据权利要求4所述的负水头灌溉施肥系统，其特征在于，所述肥液箱(3)的下方设有底座(7)，在肥液箱(3)的底部设有第一阀门(12)。

6.根据权利要求4所述的负水头灌溉施肥系统，其特征在于，所述控压管(21)的一端伸入至储液桶(4)的底部，另一端连接于集气瓶(5)底部侧壁；所述储液桶(4)内设有浮球阀(16)；所述集气瓶(5)的顶部设有第四阀门(20)。

7.根据权利要求4所述的负水头灌溉施肥系统，其特征在于，所述控压管(21)由透明材料制成。

8.根据权利要求1所述的负水头灌溉施肥系统，其特征在于，所述陶瓷盘(6)的形状为圆形，在陶瓷盘(6)上设有多孔。

9.一种根据权利要求1-8中任一项所述的负水头灌溉施肥系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，步骤S2包括：所述预设浓度为按照作物生育期的变化而预先设置的肥液浓度。