設施農業生產自壓水肥溫氣調控系統集成技術

馮廣平，蒲勝海，李 磐，馬彩雯

（1．新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2．新疆農業科學院機械化研究所）

設施農業生產自壓水肥溫氣調控系統集成技術

馮廣平1，蒲勝海1，李 磐1，馬彩雯2

（1．新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2．新疆農業科學院機械化研究所）

設施農業生產中科學實用的水肥溫氣調控對作物優質高產高效栽培、促進農民增收具有重要意義。文中介紹了集成日光溫室自壓水肥溫氣調控系統的結構、工作原理、功能及應用后對設施農業所產生的影響，提出了科學應用該系統的技術要求。

設施農業；節水灌溉；水肥一體化；溫水灌溉；二氧化碳施肥；集成技術

設施農業是集生物技術，工程技術，環境技術為一體的現代農業生產方式，具有技術密集，集約化和商品化程度高的特點，可有效提高土地產出率，資源利用率和勞動生產率，提高農業效益和競爭力[1]。設施農業利用人工技術手段，控制自然光溫條件和農作物生長的各項環境因子，實現全天候農業生產，轉變農業發展方式，是現代農業的重要組成部分。

新疆是一個農業大區，農民收入的主要來源依靠農業生產獲取，尤其是南疆三地州農民，人均土地0．087 hm2左右，農業生產收入比例占全部收入的90%以上，發展設施農業成為當地農民增收的重要手段之一。

“十一五”以來，新疆設施農業發展迅速，到2012年底，全疆設施農業總面積達到7.6萬hm2，雖然設施農業只占新疆種植面積的1.3%，但是所創造出來的價值遠遠超出其他的農作物，達到了總產值的5%，并且農民收入的7.4%來自設施農業生產[2]。

農作物生長的基本要素包括：光照、溫度、空氣、水分、養分，在自然生長條件下，前三個因素是人為難以調控的，但在設施農業生產條件下，利用科學技術手段可以實現人工調控環境因子，進行農業優質高產高效生產。

“十一五”以來，新疆設施農業發展迅速，在設施生產中，如何解決溫濕度控制、科學灌溉施肥、耕層增溫、加強作物光和作用等問題，相關調控裝備技術的研發相對滯后，嚴重制約了設施農業的可持續發展。“十二五”期間，一些科研院校開始加大在該領域的技術研究和設備研發力度，形成了一些單項技術和設備，為了實現設施農業生產環境因子調控的簡約化，開展了設施生產自壓水肥溫氣調控系統集成研究工作，形成集約化系統，降低環境調控工作強度和成本，對設施農業生產具有積極的推動作用。

1 日光溫室自壓滴灌灌溉系統

新疆日光溫室目前的標準建設規格為：83.4 m×8 m（長×寬），面積667m2，室長呈東西方向，室寬南北方向；設施蔬菜栽培種植基本行向南北，室內走道寬約0.8 m，起壟覆膜定植，壟長約7.2 m；壟距1.2 m，每壟定植果菜（番茄、辣椒、黃瓜等）兩行，膜下鋪設兩條滴灌毛管。

日光溫室自壓滴灌系統是通過一定的水源落差提供灌水器運行壓力，進行滴灌灌溉（安置一定高位的儲水罐）。日光溫室建設脊高3.8 m～4.5 m，為了便于操作，儲水罐的安置整體高度不宜超過2.4 m，標準日光溫室儲水罐的選擇以800 L左右為宜，該類型儲水罐體積為1 m×1.2 m（臥式或立式），灌水器的正常工作壓力1 m，因此，自壓滴灌系統的關鍵是灌水器的選擇。國產成熟的自壓滴灌灌水器是? 10-333-1.0分體式滴灌管（管徑10 mm，滴頭間距333 mm，滴頭流量1.0 L/h，滴頭工作壓力1 m）。

1.1 毛管流量及水力分析

日光溫室蔬菜栽培壟長7.2 m，毛管鋪設長度7.2 m，毛管流量Qm=21 L/h；

式中 f=94 800，m=1.77，b=4.77。自壓滴灌系統毛管沿程水頭損失hf=0.02 m。

1.2 支管流量及水力分析

針對83.4 m長度的日光溫室，自壓滴灌系統的首部（儲水罐）設置在溫室中部，系統由中間向兩側分水，控制4條支管，因此，支管長度約21 m，每條支管控制17～18壟作物，34～36條毛管，支管流量為714 L/h～756 L/h；選擇?40PE管作為支管，支管的水頭損失約為0.02 m（考慮多孔系數的影響）。

1.3 干管流量及水力分析

設置在日光溫室中部的自壓滴灌系統首部（儲水罐），通過干管向兩側分水，干管長度約21 m，每條干管控制兩條支管，支管由干管分水控制，口也呈兩側布置，對于自壓滴灌系統運行，必須采用輪灌方式，每次每條干管只能允許1條支管進行工作；系統最大流量為兩條支管之和，干管流量等于支管流量（干管流量為756 L/h),系統最大運行流量為1 512 L/h。干管設計選擇?40PVC管，干管沿程水頭損失約為0.06 m，自壓滴灌系統正常運行時，總管網沿程水頭損失為各級管道沿程水頭損失之和，約為0.09 m，局部水頭損失忽略不計，自壓滴灌管正常工作水頭大于1.1 m即可。

1.4 自壓滴灌系統首部設置

根據自壓滴灌系統的運行需求及從操作便利和經濟方面考慮，儲水罐采用800 L的塑料罐（臥式、立式均可，以臥式為佳），儲水罐支撐臺高度以日光溫室種植壟面為基準，1.1 m即可，1.1 m的落差形成的勢能作為該自壓滴灌系統的運行動力即可實現系統正常滴灌灌溉，在儲水罐出水口部需要安裝100目的?40過濾器（網式或疊片式）進行水質再處理，儲水罐通過獨立水源水泵或集中供水管網系統方式提供灌溉水源。構成日光溫室自壓滴灌系統。

2 日光溫室自壓滴灌系統施肥

自壓滴灌系統的建立，為隨水施肥奠定了基礎，在滴灌灌溉系統中鑲嵌施肥設備即可實現同步施肥功能。設施蔬菜生產過程中所需要的養分（各類肥料）要實現隨水施入，必需選擇能夠完全溶解的肥料，對于自壓滴灌系統，儲水罐替代了施肥裝置，兩相結合構成了自壓滴灌水肥一體化系統，養分補充按照各類栽培作物的需肥規律和需肥特性，依據目標產量制定的測土配方施肥方案，通過自壓滴灌水肥一體化系統，即可實現科學施肥。

3 溫水灌溉對設施農作物生產的影響

日光溫室的蔬菜生產栽培，需要在反季節中進行，尤其是秋冬和早春季節，雖然室溫在晴天較高，但是地溫卻較低，使設施蔬菜的生長受到一定的影響，導致作物產量和品質受損；為此人們想到提高地溫，首先對種植壟進行地膜覆蓋，其次嘗試用加熱水進行灌溉來提高地溫；白燕英（2012）采用不同溫度的水對番茄幼苗進行灌溉試驗表明：溫水灌溉有助于促進番茄幼苗的生長，35℃效果最佳[3]；李明（2012）用溫水灌溉黃瓜進行試驗，長勢良好，處理效果40℃水溫為佳[4]；為此，人們在日光溫室生產中通過修建蓄水池對灌溉水加溫，修建裝配式溫室水墻提高水溫進行灌溉。本系統采用微型循環泵，通過在日光溫室塑料棚膜下的拱架上加裝?16PE管，連接800 L的儲水罐，對儲水罐中的水進行循環，用日光進行加溫，中午1點半至下午5點，儲水罐水溫由14℃升高到22．5℃，說明該系統可以對灌溉水起到增溫的效果。

圖1 時間水溫變化圖

4 二氧化碳施肥技術在設施農業上的應用

二氧化碳是作物光合作用所必需的物質基礎，對作物生長發育起著與水肥同等的作用，通常每形成1 g干物質需吸收1．6 g左右二氧化碳；日光溫室基本是一個密閉的空間狀態，蔬菜種植密度較高，室內二氧化碳的濃度通常無法滿足作物光合作用的需求；日光溫室內二氧化碳的濃度直接影響蔬菜作物的產量、質量及抗病能力，因此，增加二氧化碳濃度是蔬菜設施栽培獲得高產高效的必要措施[5]。

目前，日光溫室蔬菜種植提高設施內二氧化碳濃度的措施主要有：通風換氣法（強制或自然通風補充二氧化碳）、土壤施肥法（施用可產生二氧化碳的各種肥料）、生態法（蔬菜與食用菌間作，利用菌料發酵產生二氧化碳）、化學反應法（利用酸與碳酸鹽反應生產二氧化碳）、二氧化碳發生器法、燃燒法等；生產中常用二氧化碳發生器法來調控二氧化碳的濃度，該法簡便、易于掌握、操作方便。自壓滴灌水肥溫氣調控集成系統選用了賀超興發明的“設施蔬菜肥水氣一體化使用裝置”專利產品來生成二氧化碳，該裝置由一個發生器和兩個濾水罐及導氣管組成，通過對碳銨加熱反應生成二氧化碳，同時分解的氨氣經濾水罐后形成酸性含氮液體肥料，在調控日光溫室內二氧化碳濃度時，生成的酸性含氮溶液可以加注到自壓滴灌系統的儲水罐中，給作物提供養分。

5 自壓水肥溫氣調控系統集成

在日光溫室內，基于自壓滴灌水肥一體化系統，通過微型循環泵對儲水罐水體循環自然日光（太陽能）加熱，輔助"設施蔬菜肥水氣一體化使用裝置"專利產品，集成出設施生產自壓水肥溫氣調控系統，在操作過程中，附加水溫溫度表、二氧化碳濃度測試計，根據作物目標產量設定，進行測土配方施肥，針對不同作物設定施肥方案、灌溉制度和二氧化碳補充強度，實現日光溫室蔬菜生產過程中的水肥溫氣一體化綜合調控。

通過對不同單項技術及裝置的篩選、測試，科學整合設計集成出設施生產自壓水肥溫氣調控系統，可以實現水、肥、二氧化碳和地溫調控功能，針對不同作物日光溫室的生產，優質高產高效地開展水、肥、溫、氣耦合調控管理規律的研究，結合環境因子監測裝置，形成科學合理的系統操作運行決策制度，最終實現該系統在設施農業生產中的普及應用。

[1]劉憲．總結經驗，開拓創新，努力促進我國設施農業科學發展[J]．新疆農機化，2010，（1）．

[2]木合塔爾·沙地克，阿克蘇地區設施農業發展與對策研究．碩士學位論文[D]，新疆農業大學，2013．

[3]白燕英，王懷棟，李明等，不同灌溉水溫對日光溫室番茄幼苗生長的影響[J]，節水灌溉，2012，（11）；16～17．

[4]李明，崔世茂，王懷棟等，不同灌溉水溫對溫室黃瓜幼苗動態生長的影響[J]，灌溉排水學報，2012，31（2）；131～133．

[5]何文華，保護地二氧化碳施肥技術[J]，上海蔬菜，2014，（2）；69～70．

Researches on Integrated Regulation and Control of Water,fertilizer,gases,Temperature under Self-pressure Irrigation in Facility Agriculture

Feng Guangping1，Pu Shenghai1，Li Pan1，Ma Chaiwen2
（1．The Institute of Soil Fertilizer and Agricultural Water Saving in Xinjiang Academy of Agricultural Sciences，Urumqi 830000，China；2．The Institute of Agricultural Mechanization in Xinjiang Academy of Agricultural Sciences;）

The scientific and practical control of Water,fertilizer,gases and temperature has important significance to high quality and high efficiency cultivation of crops,and promoting the increase of farmers'income.This paper introduces the structure,working principle,function and influence on facility agricultural by using this technology of the control system of Water,fertilizer,gases and temperature,and proposes technical requirements for scientific application of the system and its further development.

Facility agriculture；Water-saving irrigation；Integration of water and fertilizer；Warm water irrigation；CO2Enrichment；Integrated Technology

10．13620/j．cnki．issn1007-7782．2015．05．010

S225．99

A

1007-7782（2015）05-0029-03

2015-08-29

新疆維吾爾自治區科技計劃項目“高效設施農業關鍵技術裝備應用研究與示范”（201130104-1）