CN202050759U - 水、肥、气、热四要素全控的自动微润灌溉系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种 水、肥、气、热四要素全控的自动微润灌溉系统 。 土壤的水、肥、气、热是约制作物生长 发育的四个主要环境条件要素，其中任何一个单独因素的变动，都会对作物的生长、发育造成在重大影响，当变动达到某一临界值后，可使作物生长缓慢，停止生长，甚至死亡。本产品包括：供水箱（ 1 ），所述的供水箱连接输水管（ 2 ），所述的输水管上依次安装阀门（ 3 ）、加热器（ 4 ）、加肥罐（ 5 ），所述的输水管连接一组微润管（ 6 ），计算机通过传感器与供水、肥、气、热控制系统连接。 本产品用于设施农业和精准农业生产。

Description

水、肥、气、热四要素全控的自动微润灌溉系统

技术领域：

本实用新型涉及一种农业灌溉用的水、肥、气、热四要素全控的自动微润灌溉系统。

背景技术：

土壤的水、肥、气、热是约制作物生长发育的四个主要环境条件要素，其中任何一个单独因素的变动，都会对作物的生长、发育造成在重大影响，当变动达到某一临界值后，可使作物生长缓慢，停止生长，甚至死亡，现代农业与传统农业的重要差别之一在于：它用人为的科技手段对作物的生长环境条件进行优化控制，解决了传统农业完全靠天吃饭问题。实践证明，在四要素中可控的要素越多，控制的程度越准确，对作物的生长越有利。

由于北方冬季水温和地面温度均较低，目前尚未有升高土壤温度的适当办法，往往给大棚蔬菜的长势和产量造成很大影响。土壤水分，含气量及施肥量的控制，虽然已有了种种不同的方法和装备，但往往是一种装备只能控制1~2个要素。用一套灌溉装置对水、肥、气、热四个要素进行全部控制的方法尚未见报导。

发明内容：

本实用新型的目的是提供一种水、肥、气、热四要素全控的自动微润灌溉系统，在不增加或少增加生产成本的前题下，解决了对影响作物生长的主要环境因素进行优化调控，使农业生产在水、肥、气、热全方位调控条件下进行，有利于产品的丰产丰收。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

水、肥、气、热四要素全控的自动微润灌溉系统，其组成包括：供水箱，所述的供水箱连接输水管，所述的输水管上依次安装阀门、加热器、加肥罐，所述的输水管连接一组微润管，计算机通过传感器与供水、肥、气、热控制系统连接。

所述的水、肥、气、热四要素全控的自动微润灌溉系统，所述的微润管是由内管和透水性保护套的外管组成的具有双层结构的软管，所述的内管壁上有微通孔，孔径为10~900nm，所述的加热器为普通热水器或者是利用低能效热源的加热器。

所述的水、肥、气、热四要素全控的自动微润灌溉系统，所述的加肥罐由罐体和一个用滤布制作的过滤袋组成，所述的过滤袋中装有肥料，所述的肥料依靠微润灌溉的水流特征，缓慢溶解，自动加肥。

有益效果：

1.本实用新型提出了一种用一套灌溉系统对土壤的水、肥、气、热四要素进行全面优化控制的方法和装备。四要素全控自动微润灌溉系统由三部分组成：水、气控制由给水灌溉单元执行；地温控制由加热单元执行；营养成分由加肥单元执行。三个单元以微润灌溉系统中水的流动特征为基本设计依据组成一个完整系统。改变了过去对环境条件只能用不同技术装备单一要素调控的状况，克服了单一要素调控中的短板效应，为现代农业，特别是精准农业的发展，提供了一项新的技术装备。

2.本实用新型的给水灌溉部分采用微润灌溉技术。普通微润灌溉系统由水源（水箱）、输水管和微润管网三部分组成，由于微润灌溉是微量水以24小时不停的供水方式对作物进行连续灌溉，其特点是：单位长度的微润管在单位时间内供水量很小，在数量上以毫升为计量单位，与植物单位时间的吸水量处于同一数量级。使灌溉给水与作物吸水在数量上耦合。

作物的生长过程中，无论昼夜每一刻都在不停地吸收水分，而微润灌溉系统的供水方式是24小时不停地给水，使灌溉给水与作物吸水在时间上同步。

微润管的出水量是连续变量，与管内压力成正比关系。系统内压力的任何微小变化都会引起出水量响应。因此，准确调整灌溉系统的内压（如水箱的水位高度），可以将微润管的出水量控制到以毫升为计量单位的任何所需数量。而且，内压数值一旦确定，微润管就会长期稳定的保持以某一确定的量向土壤供水。并且，微润灌溉的水分流动特征是：缓慢释放出的水分首先进入土壤毛细管，只有当毛细管全充满后，才会占据土壤中其它空隙，这是其它任何灌溉方式均不具备的特征。据此，利用田间持水量概念，通过精确控制水量，达到控制土壤含气量的目的。

微润灌溉的上述特点，使该系统在灌溉时不但可以调节土壤的水分含量，而且还可以调节土壤中的空气含量。某种作物，如葡萄，在苗期需要土壤的含水量较多，而含气量要求不高，适宜的水气条件为土壤田间持水量的80%，即土壤毛管空间80%被水充盈而另20%充满空气。根据测定，此时对应的微润管出水量为450毫升/米·天，根据图2，相应的水箱中水位高度为1.8米水位。将水箱水位定位在1.80米，微润灌溉系统以450毫升/米·天速率出水，使土壤含水量稳定地保持在田间持水量80%水平。同时，使土壤含气量也随之受到控制。

葡萄座果后，要求土壤含水量较低而含气量较高，如土壤水分为田间持水量的60%为最佳状态，依据微润管出水量与压力关系曲线（图2），微润管的出水量降至300毫升/米·天，对应的水位高度为1.40米，土壤的含水、含气量随之确定，使土壤的含水量及含气量保持在田间持水量60%水平。

总之，通过对微润灌溉系统的单一参数水位控制，可以准确调控土壤的含水量和含气量，并且使这种期望状态在较长时间内稳定地保持，使水、气比例长期处于最有利于作物生长的最佳状态。

3.本实用新型特有的土壤温度控制单元，土壤温度控制由安装于微润系统中的加热器执行。由于微润灌溉属地下灌溉，微润管全部埋于10~15cm深的土壤中，通入温水后，相当于大棚内全部安装了“地热管”。微润管放出的热量和管内释放水所携带的热量全部传导给土壤，使土壤升温。土壤的保温作用避免了热损失，使这种地热式加热方式具有较高的热效率和良好的升温效果。

用加热器加热水，用温水灌溉了控制地温，是一件看似简单的事，此前所以未能实现，主要是受技术和经济合理性两方面因素约制。

从技术角度看，滴灌技术是目前最先进最节水的灌溉技术。滴灌一般采用轮灌或间歇式灌溉制度。当对某一地块灌溉时，如面积为一亩的大棚，一般从开机到停水耗时1~2个小时，在这段时间内须将4000~5000公斤的水滴入田中。在这样短的时间内，将这样大量的水升温20℃左右，需要高功率的加热器。从装备角度看，一个大棚配一个很巨大的加热器是不合理配置，同时，加热过程须消耗很多能量，高额的运行成本，对农业生产而言又失去了经济合理性。所以，到目前为止，国内外均未见通过加热灌溉用水。

采用微润灌溉系统，用水情况发生很大的变化：一亩面积的温室或大棚，用水量为每天500公斤，而且这个水量是经24小时不断供水逐渐进入土壤的，因此，每小时供水量仅21公斤左右，将这样小的水量在1小时内升温20℃，一般的普通热水器都可以胜任。相应地，能量消耗也可降低至农业生产可接受的合理范围内。

微润灌溉系统的水量及水流特征，同时又提供了用低能量密度的热源提高灌溉水温的可能：例如：北方温室冬季都需要采暖炉或暖墙，若在系统中串联一个排管换热器，将换热器置于烟道中，利用烟道余热将灌溉水加热，即可达到提升地温的目的。

在有条件的地方也可以使用太阳能热水器。太阳能热水器利用的是低密度能量，水升温需用较长的时间，每日加热的水量也有限。这两个特点恰好与微润灌溉的水量及水流特点匹配，用于控制地温。

总之，本实用新型充分利用了微润灌溉的低流量，长时间连续供水的水流特征和耗水量很低的技术特点，在充分考虑设备配置合理性和运行消耗的经济可靠性前题下，提出了用小型加热器或低能量密度的热源加热灌溉水，用灌溉系统对土壤温度进行控制调节的方法。

4.本实用新型特有的土壤营养成分的控制单元，土壤营养成分的控制由安装在系统内的自动加肥罐执行。加肥罐由罐体和一个用滤布制作的过滤袋组成，将肥料装入过滤袋中，将过滤袋放进加肥罐内，加肥罐连接到灌溉水管路上。当灌溉水缓慢流径加肥罐时，肥料逐渐被水溶解，随水进入微润管，被直接送达作物根区内。由于微润灌溉系统的水流特点，给肥料提供了充裕的溶解时间，使肥料的溶解过程不再受时间限制，因此，不必像滴灌系统那样需要专用的快速溶解设备和喷射加入设备，也不需要专人按时操控管理。本系统将加肥工作简化到只要将需用量肥料向罐中一放，其余工作均由灌溉系统自动完成。每次加肥成为举手之劳，从而为提高投肥频度和降低每次投肥数量提供了方便，为精准控制土壤中营养物质含量提供了条件，可以按照不同作物，不同生长期吸肥量的差异，准确控制每天或某一时段的供肥量，可以一天投一次肥，或2、3天投一次肥，按需投放，而不必象常施肥那样，将一个月甚至二个月的肥料一次投入田地中，肥料长时间滞留在土壤中，让作物随机吸收。

这种精准调控施肥方式的优点是：

肥随水走，水肥耦合，直接到达作物根部，被作物快速吸收，避免了肥料在土壤中被固定而造成的固定损失和淋溶损失。应用实验表明，在作物生长状况相同的前题下，肥料用量至少可节省50%。

根据作物不同生长期不同的吸肥量和不同的营养种类需要高频度、低用量施肥，更有利于作物生长。

总之，以微润灌溉系统的技术特征为基础，利用微润灌溉特有的水分流动与释放特点，配套加热单元和施肥单元后，通过计算机的定量控制形成一个对土壤的水、肥、气、热四要素均可向对作物有益方向调控的系统。在不增加或少增加生产成本的前题下，解决了土壤升温难题，使农业生产在水、肥、气、热全方位调控条件下进行，有利于产品的丰产丰收。

本实用新型应用于：①、对环境条件控制要求较高的现代农业和精准农业。②、高寒地区农业种植，在解决春旱的同时解决春季地温过低，种子难发芽问题。③、特别适用于北方温棚冬季蔬菜生产。

附图说明：

附图1是本实用新型的结构示意图。

附图2是出水量与压力关系图。

附图3是微润管的结构示意图。

附图4是加肥罐的结构示意图。

具体实施方式：

实施例1：

水、肥、气、热四要素全控的自动微润灌溉系统，其组成包括：供水箱1，其特征是：所述的供水箱连接输水管2，所述的输水管上依次安装阀门3，加热器4，加肥罐5，所述的输水管连接一组微润管6，计算机通过传感器与供水、肥、气、热控制系统连接。

实施例2：

所述的水、肥、气、热四要素全控的自动微润灌溉系统，所述的微润管是由内管7和透水性保护套的外管8组成的具有双层结构的软管，所述的内管壁上有微通孔9，孔径为10~900nm，所述的加热器普通热水器或者是利用低能效热源的加热器。

实施例3：

所述的水、肥、气、热四要素全控的自动微润灌溉系统，所述的加肥罐由罐体10和一个用滤布11制作的过滤袋组成，所述的过滤袋中装有肥料，所述的肥料依靠微润灌溉的水流特征，缓慢溶解，自动加肥。

由于微润灌溉是微量水以24小时不停的供水方式对作物进行连续灌溉：

A、 单位长度的微润管在单位时间内供水量很小，在数量上以毫升为计量单位，与植物单位时间的吸水量处于同一数量级。使灌溉给水与作物吸水在数量上耦合。

B、  作物的生长过程中，无论昼夜每一刻都在不停地吸收水分，而微润灌溉系统的供水方式是24小时不停地给水，使灌溉给水与作物吸水在时间上同步。

C、 微润管的出水量是连续变量，与管内压力成正比关系。系统内压力的任何微小变化都会引起出水量响应。因此，准确调整灌溉系统的内压（如水箱的水位高度），可以将微润管的出水量控制到以毫升为计量单位的任何所需数量。而且，内压数值一旦确定，微润管就会长期稳定的保持以某一确定的量向土壤供水。

微润灌溉的上述特点，使该系统在灌溉时不但可以调节土壤的水分含量，而且还可以调节土壤中的空气含量。加热单元和加肥单元充分利用了微润灌溉的水流特征，组成了一个水、肥、气、热四要素全部可控的完整系统。

Claims (3)

1.一种水、肥、气、热四要素全控的自动微润灌溉系统，其组成包括：供水箱，其特征是：所述的供水箱连接输水管，所述的输水管上依次安装阀门、加热器、加肥罐，所述的输水管连接一组微润管，计算机通过传感器与供水、肥、气、热控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的水、肥、气、热四要素全控的自动微润灌溉系统，其特征是：所述的微润管是由内管和透水性保护套的外管组成的具有双层结构的软管，所述的内管壁上有微通孔，孔径为10~900nm，所述的加热器是普通热水器或者是利用低能量密度热源的加热器。

3.根据权利要求1或2所述的水、肥、气、热四要素全控的自动微润灌溉系统，其特征是：所述的加肥罐由罐体和一个用滤布制作的过滤袋组成，所述的过滤袋中装有肥料，所述的肥料依靠微润灌溉的水流特征，缓慢溶解，自动加肥。

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