“高效水肥藥一體化噴滴灌設(shè)計(jì)”在作物中的應(yīng)用分析
——以“沈陽(yáng)工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目”為例

李驍斌，魯 雙，岳秀璐，方新宇

（沈陽(yáng)工學(xué)院 能源與水利學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

中國(guó)是人口大國(guó)，對(duì)糧食的需求量巨大，為了提高糧食產(chǎn)量，在作物生長(zhǎng)過(guò)程中農(nóng)藥與化肥的使用量日益增加。過(guò)量的農(nóng)藥與化肥的使用對(duì)人們的身體健康和耕地環(huán)境造成了巨大的影響。首先，化肥的大面積以及不合理使用使農(nóng)民患上“化肥依賴癥”，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)就是用化肥撬開了糧食增產(chǎn)的大門。近年來(lái)，全國(guó)發(fā)生了幾次大面積的干旱，但糧食生產(chǎn)卻連年增收，這得益于化肥在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的重要作用，可以說(shuō)，正是化肥讓農(nóng)業(yè)擺脫了過(guò)去靠天吃飯的窘境。因此農(nóng)業(yè)患上了“化肥依賴癥”，可以想象，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離開化肥，會(huì)對(duì)糧食產(chǎn)量產(chǎn)生巨大影響。但是化肥與農(nóng)藥使用量越大，土地就越貧瘠，對(duì)耕地的破壞就更嚴(yán)重，對(duì)于生態(tài)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，不是可行之計(jì)。其次，傳統(tǒng)的灌溉方式是通過(guò)溝渠和農(nóng)田渠道進(jìn)行灌溉，將水灌溉到農(nóng)作物上；因?yàn)樗脡毫Υ蟮木壒?，前面的農(nóng)作物會(huì)被水壓沖倒，不僅破壞了農(nóng)作物的根部結(jié)構(gòu)，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，農(nóng)作物所吸收的水分也不均勻。而一種新的灌溉方式：水肥藥一體化噴滴灌設(shè)計(jì)的出現(xiàn)將大大改變這個(gè)現(xiàn)狀，水肥藥一體化噴滴灌技術(shù)是將灌溉與施肥、灌溉與噴藥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)。其借助壓力系統(tǒng)，將液體肥或農(nóng)藥，按土壤養(yǎng)分和作物生長(zhǎng)的需求規(guī)律和特點(diǎn)配兌成肥液或藥液，與灌溉水一起，通過(guò)一體機(jī)稀釋，使肥水或藥水相融后，經(jīng)連接管道和噴滴頭均勻、定時(shí)、定量的灌溉到作物上，浸潤(rùn)作物根系發(fā)育生長(zhǎng)區(qū)域，使主要根系土壤始終保持疏松和適宜的含水量。同時(shí)根據(jù)不同溫室作物生長(zhǎng)周期需肥需藥特點(diǎn)、土壤環(huán)境和養(yǎng)分含量狀況進(jìn)行需求設(shè)計(jì)，把水分、養(yǎng)分和農(nóng)藥定時(shí)定量直接提供給作物。這樣不僅減少了化肥與農(nóng)藥的使用，也節(jié)約了水資源，是將來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一項(xiàng)重要的灌溉方式。

1 傳統(tǒng)農(nóng)作物的灌溉方式與特點(diǎn)

1.1 傳統(tǒng)農(nóng)作物的灌溉方式

傳統(tǒng)的灌溉可謂是缺點(diǎn)多優(yōu)點(diǎn)少，需要大量的水資源，與其說(shuō)是澆農(nóng)作物不如說(shuō)是澆地，灌溉效果低效，灌溉不及時(shí)、不均勻會(huì)嚴(yán)重影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量；灌溉勞動(dòng)量大，對(duì)地勢(shì)的要求高。由于我國(guó)水資源短缺，傳統(tǒng)的灌溉方式對(duì)水資源的需求量較大，因此淘汰傳統(tǒng)的灌溉方式是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。

傳統(tǒng)的灌水方法，水是從地表面進(jìn)入田間并借助重力和毛細(xì)管作用浸潤(rùn)土壤，所以也稱為重力灌水法。這是最古老的也是目前應(yīng)用最廣泛、最主要的一種灌水方法。按其濕潤(rùn)土壤方式的不同，可分為畦灌、溝灌、淹灌和漫灌。

（1）畦灌是用田埂將灌溉土地分割成一系列長(zhǎng)方形小畦。灌水時(shí)，將水引入畦田后，在畦田上形成很薄的水層，沿畦長(zhǎng)方向移動(dòng)，在流動(dòng)過(guò)程中主要借重力作用逐漸濕潤(rùn)土壤。

（2）溝灌是在作物行間開挖灌水溝，水從輸水溝進(jìn)入灌水溝后，在流動(dòng)的過(guò)程中，借助毛細(xì)管作用濕潤(rùn)土壤。和畦灌比較，其明顯的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)破壞作物根部附近的土壤結(jié)構(gòu)，不會(huì)導(dǎo)致田面板結(jié)，能有效減少土壤蒸發(fā)損失，適用于寬行距的中耕作物。

（3）淹灌（又稱隔田灌溉）是用田埂將灌溉土地劃分成許多格田，灌水時(shí)格田內(nèi)保持一定深度的水層，借重力作用濕潤(rùn)土壤，主要適用于水稻灌溉；漫灌是在田間不做任何溝埂，灌水時(shí)任其在地面漫流，借重力滲入土壤，是一種比較粗放的灌水方法。其灌水均勻性差，水量浪費(fèi)較大。

1.2 傳統(tǒng)農(nóng)作物化肥與農(nóng)藥的配比與使用

在傳統(tǒng)的灌溉模式中，化肥或者農(nóng)藥都是提前通過(guò)容器按照一定的比例濃度用水稀釋，通過(guò)澆地或者噴灑的方式澆在農(nóng)作物上，不同的作物在不同生長(zhǎng)周期內(nèi)需要的化肥和農(nóng)藥量不同，因此配比也不同，一旦配比錯(cuò)誤就需要重新來(lái)過(guò)，這就需要大量的人力、物力來(lái)完成這項(xiàng)工作。

1.3 傳統(tǒng)農(nóng)作物灌溉方式的劣勢(shì)

傳統(tǒng)的灌溉方式，沒有先進(jìn)的設(shè)備，只能人工澆地與施肥，不僅費(fèi)時(shí)還費(fèi)力，化肥與農(nóng)藥的配比與稀釋也無(wú)法精確控制其濃度，更不能正確的將農(nóng)藥運(yùn)送到農(nóng)作物所需位置上，例如：有的作物葉子需要噴灑農(nóng)藥，有的作物根部需要施肥，而人力作業(yè)往往使農(nóng)作物施肥不均，導(dǎo)致了土地荒漠化越來(lái)越嚴(yán)重，同時(shí)需要大量的灌溉水，水資源的浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。

傳統(tǒng)的灌溉方式不僅破壞了農(nóng)作物的根部結(jié)構(gòu)，也容易造成土壤和肥料的流失，而且作物長(zhǎng)期處于水量過(guò)多的狀態(tài)，易引起植物根部的病害或澇死。另外，傳統(tǒng)的灌溉方式易造成土壤板結(jié)，不利于根系的呼吸和土壤中養(yǎng)分的運(yùn)輸，還可能造成次生鹽堿化，最后導(dǎo)致有效種植面積減少。且水通過(guò)干渠、支渠、斗渠、毛渠等五級(jí)渠道輸送到田間，需要在田間挖大量的埂、畦、溝渠，工程量大，對(duì)土地浪費(fèi)嚴(yán)重。

綜上所述，傳統(tǒng)的灌溉方式浪費(fèi)了大量的水資源，無(wú)益于生態(tài)的長(zhǎng)期發(fā)展，因此，亟需尋找一種新型高效的灌溉方式。

2 水肥藥一體化噴滴灌技術(shù)

2.1 水肥藥一體化噴滴灌技術(shù)初步介紹

水肥藥一體化噴滴灌技術(shù)是將灌溉與施肥、灌溉與噴藥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)。其借助壓力系統(tǒng)，將液體肥或農(nóng)藥，按土壤養(yǎng)分含量和作物種類的需求規(guī)律及特點(diǎn)，配兌成肥液或藥液，與灌溉水一起，通過(guò)一體機(jī)控制系統(tǒng)控制，經(jīng)連接管道和噴滴頭形成噴滴灌，能夠均勻、定時(shí)、定量的浸潤(rùn)作物根系發(fā)育生長(zhǎng)區(qū)域，使主要根系土壤始終保持疏松和適宜的含水量。一套完整的噴滴灌系統(tǒng)主要由水源工程、首部樞紐、輸配水管網(wǎng)、噴水器和滴水器等4部分組成：①水源工程：江河、湖泊、水庫(kù)、井泉水、坑塘、溝渠等均可作為噴滴灌水源，但其水質(zhì)需要符合噴滴灌要求；②首部樞紐：包括水泵、動(dòng)力機(jī)、壓力需水容器、過(guò)濾器、肥液注入裝置、測(cè)量控制儀表和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等。首部樞紐是整個(gè)系統(tǒng)操作控制中心；③輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)：輸配水管道是將首部樞紐處理過(guò)的水按照要求輸送、分配到每個(gè)灌水單元和灌溉水器的；④噴滴水器：它是噴滴灌系統(tǒng)的核心部件，水由毛管流入噴頭和滴頭，噴頭和滴頭再將灌溉水流在一定的工作壓力下注入土壤。水通過(guò)噴滴水器，以一個(gè)恒定的流量滴出或滲出以后，在土壤中向四周擴(kuò)散。

2.2 水肥藥一體化灌溉方式的優(yōu)勢(shì)

（1）省工：突破傳統(tǒng)灌溉模式，利用水泵及閥門系統(tǒng)控制開關(guān)，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門，就可以管理上千畝，可節(jié)省70%以上的人工，大幅度降低勞動(dòng)力需求。

（2）省肥：結(jié)合水溶肥，在灌溉過(guò)程中將肥料精準(zhǔn)施加到作物根部，可節(jié)省50%以上肥料，且肥料的有效利用率得到較大提高。

（3）省水：改變傳統(tǒng)漫灌澆地的弊端，根據(jù)作物需水特性，實(shí)現(xiàn)適時(shí)、適量、可控的精準(zhǔn)灌溉，避免產(chǎn)生地表徑流和深層滲透，可節(jié)水40%以上。

（4）增產(chǎn)增收：基于高效灌溉的綜合效果，可以有效提高作物單位面積的產(chǎn)量，畝產(chǎn)量可增加15%～30%。

（5）節(jié)能：使用噴滴灌水肥藥一體機(jī)，可根據(jù)作物需要定時(shí)定量精準(zhǔn)施肥，科學(xué)合理，能夠減少肥料和農(nóng)藥用量，節(jié)約水資源，保護(hù)環(huán)境。

（6）保護(hù)土壤：在傳統(tǒng)灌溉方式中，土壤受到灌溉水的沖刷、壓實(shí)和侵蝕作用，若不及時(shí)中耕松土，會(huì)導(dǎo)致土壤嚴(yán)重板結(jié)，通氣性下降。而通過(guò)噴滴灌系統(tǒng)，水分緩慢均勻地滲入土壤，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)能起到保護(hù)作用。

在我國(guó)，水資源短缺現(xiàn)象嚴(yán)重，水肥藥一體化突出的節(jié)水措施就顯得尤為重要。而農(nóng)業(yè)作為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈和用水大戶，長(zhǎng)期以來(lái)沿用傳統(tǒng)落后的大水漫灌，造成水資源的大量浪費(fèi)，隨著水資源短缺與需水量間矛盾的日益加劇，大水漫灌正逐漸被注重精確灌水的現(xiàn)代節(jié)水灌溉模式所取代。現(xiàn)代科學(xué)灌溉技術(shù)，不僅可以利用有限的水資源，緩解地下水開采過(guò)量、地殼下沉的嚴(yán)峻局面，且能夠通過(guò)與精確施肥的有機(jī)結(jié)合，改善溫室作物等生長(zhǎng)條件，提高產(chǎn)量和品質(zhì)，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

噴灌中微噴是利用折射、旋轉(zhuǎn)或輻射式微型噴頭將水噴灑到作物枝葉等區(qū)域的灌水形式。微噴的工作壓力低，流量小，即可增加土壤水分，又能提高空氣濕度，調(diào)節(jié)局部小氣候，在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用十分廣泛，是水肥藥一體化的理想載體。

滴灌是通過(guò)安裝在毛管上的滴箭、滴頭、滴灌帶或其他孔口式灌水器將水均勻、緩慢地滴入作物根區(qū)附近土壤中的灌水形式。灌溉水主要借助毛管張力作用擴(kuò)散，是最為節(jié)水和有效的灌溉方式之一。局部精確灌水，能夠最大限度地提高水的利用率，減少雜草滋生，改善土壤結(jié)構(gòu)，降低對(duì)水源壓力的要求。同時(shí)可通過(guò)首部施肥裝置，進(jìn)行精確施肥，真正做到低投入、高收益。

3 水肥藥一體化模型的介紹

（1）模型結(jié)構(gòu)初步介紹。本模型將實(shí)際的農(nóng)業(yè)大棚按照一定的比例縮小后，模擬通過(guò)壓力系統(tǒng)將水與農(nóng)藥、化肥融合，以滴灌和噴灌的方式作用于不同的農(nóng)作物上。其基本思路是通過(guò)灌溉系統(tǒng)將可溶性固體肥料或液體肥料，農(nóng)作物的藥和需要的水均勻一起送到農(nóng)作物的根部土壤，然后把作物需要的水、藥、肥進(jìn)行周期性的管理供給，定時(shí)定量輸送，從而實(shí)現(xiàn)省水、省藥、省肥、省工的目的。

（2）模型的操作及工作原理。該模型中的農(nóng)業(yè)大棚中提前安裝好了滴灌、噴灌等施肥方式，大棚外設(shè)有一個(gè)工作系統(tǒng)的控制室，需要給農(nóng)作物施肥時(shí)，工作人員進(jìn)入工作室啟動(dòng)工作系統(tǒng)，按照不同濃度要求對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)自動(dòng)將水肥藥混合好后，通過(guò)管道灌溉到作物中，最后將多余的水肥回收，防止污染。該系統(tǒng)可以獨(dú)立完成灌溉、打藥、施肥。使用者可以選擇需要的模式進(jìn)行閥門調(diào)節(jié)，如獨(dú)立灌溉只需將注藥和注肥系統(tǒng)關(guān)閉即可，多種工作模式并存。使用時(shí)只需將作物所需的藥物和肥加入藥液罐和肥液罐進(jìn)行稀釋攪拌，并通過(guò)集中控制裝置選擇所需要的水肥藥混合比例，集中控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)水泵輸送功率的控制完成比例的控制。

4 水肥藥一體化的發(fā)展前景

現(xiàn)階段，我國(guó)農(nóng)業(yè)種植業(yè)逐漸由個(gè)體經(jīng)營(yíng)轉(zhuǎn)為承包制大面積經(jīng)營(yíng)，更加追求高效、節(jié)能、環(huán)保的種植模式，但在大面積灌區(qū)重要農(nóng)作物的培育環(huán)節(jié)（灌溉、噴藥、施肥）仍采用單一的人工作業(yè)模式，耗時(shí)耗力，對(duì)施藥工人也存在一定的人身安全風(fēng)險(xiǎn)；且由于農(nóng)民對(duì)肥料及藥物的配比認(rèn)識(shí)較為模糊，一味追求單季高產(chǎn)的效益性，使不少土地產(chǎn)生土壤板結(jié)、肥力下降、病蟲抗藥性增強(qiáng)的現(xiàn)象，對(duì)耕地環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展影響嚴(yán)重。而水肥藥一體化技術(shù)的灌溉模式以及配套的裝置，優(yōu)化了現(xiàn)階段施肥施藥模式，能夠高效利用肥藥，降低土壤和農(nóng)作物不良現(xiàn)象的發(fā)生率，節(jié)省人力物力。在未來(lái)的發(fā)展中，水肥藥相結(jié)合的灌溉模式將不斷應(yīng)用于農(nóng)作物的作業(yè)中，該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)仍具有較大的研究空間。

5 結(jié)語(yǔ)

多年來(lái)，我國(guó)始終保持較為原始的農(nóng)作物灌溉方式，耗時(shí)耗力，且存在化肥施用不合理、養(yǎng)分不均衡等問(wèn)題。傳統(tǒng)的灌溉方式不僅造成化肥和農(nóng)藥利用率低、資源浪費(fèi)，使農(nóng)業(yè)投入成本增加，也會(huì)產(chǎn)生土壤性質(zhì)惡化、生態(tài)環(huán)境污染等問(wèn)題。現(xiàn)階段我國(guó)關(guān)于農(nóng)業(yè)灌溉研究主要集中于區(qū)域大面積灌溉，而“高效性水肥藥一體化”的灌溉模式的研究與設(shè)計(jì)，尤其是針對(duì)灌溉裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)仍具有較大的研究空間。在未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展中，水肥藥相結(jié)合的灌溉模式具有廣闊的發(fā)展空間。

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