玉米大豆套種水肥一體化滴灌系統設計

于珍珍,孫海天,王宏軒,李海亮,汪 春,

(1.黑龍江八一農墾大學 工程學院,黑龍江 大慶 163000;2.中國熱帶農業科學院 南亞熱帶作物研究所循環農業研究中心,廣東 湛江 524000)

0 引言

玉米大豆套種是一種常見的種植模式,符合共生互利原則。玉米與大豆植株高度差異大,兩種作物葉片對光的采集不受影響,在生長旺盛的時期,甜玉米葉的采光集中在植株60cm以上的高度,而大豆的采光又是集中在植株50cm以下的高度,二者占據不同的空間,配置形成兩個不同的采光層次。玉米采青收獲后,可讓大豆繼續利用光能,兩種作物均能獲得各自的養分需求。玉米大豆種植在同一地面上,高矮相間,通風透氣,一方面可以增加CO2的供應,另一方面光線能直射在高棵作物的下部。同時,由于矮作物的反向,田間漫射光也大大增強了。此外,作物進行光合作用所需要的光多是長波光,早晚的光比中午的光長波光多,而主體栽培增強的光照比早晚的光照多,不僅光照強且光照質量好。玉米大豆套種可以發揮邊行優勢。通過立體栽培定向種植,大豆在地頭邊壟種植,通風透光,增加CO2的供給,挖掘了玉米的增產優勢。玉米植株比大豆植株高,形成了大豆田間的防風帶,降低了水分蒸發,且空氣濕度大、光照輻射力強、光合作用好,營造了非常適應大豆生長的田間小氣候;玉米葉片一致,方向一致,不影響大豆光合作用。

玉米是適宜水肥一體化的糧食作物,可用滴灌、膜下滴灌、微噴帶、膜下微噴帶和移動噴灌等多種灌溉模式。大豆的水肥一體化管理是根據大豆的需水、需肥規律和土壤水分、養分情況,將灌溉水和肥料一起適時、適量、精確地輸送到大豆根部土壤,供給大豆,要求必須采用滴灌系統來實現。玉米和大豆都是需水較多的作物,不同階段耗水差異很大,土壤水分過低或過高都會影響作物的生長發育。滴灌是利用埋入土中的低壓管道和鋪設于行間的滴灌帶將水或溶有液肥的溶液,經過滴頭以點滴的方式緩慢而均勻地滴在作物根際的土壤中,使根際土壤保持濕潤。滴灌不同于溝灌、漫灌等粗放灌溉方式,可以根據作物的需求調控土壤濕度,既有利于作物生長、獲得高產,又能提高水肥的利用效率。

本研究采用滴灌模式,根據作物需求,制定了一套適宜于玉米大豆套種模式下的水肥一體化技術,為進一步完善玉米大豆套種的種植模式提供理論基礎,為玉米大豆套種技術優化提供實踐依據。

1 設計原理及機構

1.1 設計原理

滴灌下水肥一體化由水源、首部樞紐、施肥系統及輸配水管網四大部分組成,是通過安裝在毛管上的滴頭或滴灌帶等灌水器使水肥混合液體成水滴狀滴入作物根區土壤內的灌水形式。滴灌時,滴頭周圍的土壤水分處于飽和狀態,并借助毛細管作用向四周擴散。

1.2 總體設計

總體設計如圖1所示。

2 關鍵部件設計

2.1 首部樞紐的設計及選型

首部樞紐系統主要包括自動變頻恒壓控制系統及自動反沖洗過濾系統。

2.1.1 自動變頻恒壓控制系統

因基地種植為坡地種植,存在高差,加之劃分輪灌區大小不一等問題,導致灌區所需壓力及流量有差異。因此,需要確保無論開啟關閉任何一個灌區均可使系統工作壓力始終保持在系統正常工作壓力及穩定的流量狀態,以滿足不同高差及不同流量灌區的工作水壓。系統加壓控制系統選用自動恒壓變頻控制系統,確保系統正常運行。自動變頻供水設備主要由立式管道水泵、變頻恒壓控制器等組成,在設計的范圍內可根據灌區所需壓力及流量自動調節所需管道壓力及流量,具有體積小、占地少、安裝方便、高效節能、高壽命及運行效率高等優點。采用該系統可以根據工作需求自動調節整體系統的壓力及流量,并采用超強保護,遇到故障可以自動顯示、報警。

2.1.2 過濾系統的選型

水質的凈化處理對微灌系統十分重要,其凈化設備與設施主要包括攔污柵(篩、網)、沉淀池和過濾器等,選用何種設備要根據水質的具體情況決定。為確保系統正常運行,防止滴灌系統堵塞,延長滴灌系統使用壽命,過濾系統根據水源實際情況選擇。過濾系統采用介質自動反沖洗過濾器作為一級過濾,碟片自動反沖洗過濾器作為二級過濾的過濾系統。介質過濾器是一種利用石英沙直接攔截和吸附水中的懸浮雜質和其他雜質,凈化水質及保護系統其他設備正常工作的精密設備。二級過濾器采用疊片式過濾系統,具有設計結構簡單、過濾精度高、易損件少,無耗材,運行費用低及操作管理簡單等優點,可以適用于不同水質和用水要求。系統簡圖如圖2所示。

2.2 施肥系統的設計

水肥一體化施肥系統是指肥料隨同灌溉水進入田間的過程,是施肥與灌溉配套使用的一項新技術,是精確施肥與精確灌溉相結合的產物。其主要是將灌溉水從水源提取,經適當加壓、凈化、過濾等處理后,由輸水管道送入田間的灌溉設備。水肥一體化施肥系統的原則是根據作物的吸收規律提供養分,減少養分向根系分布區以下土層的淋失,避免了化肥淋洗造成土壤和地下水的污染,以及過量施肥和灌溉帶來的土壤板結等問題。

按照控制方式不同,施肥系統可分為兩大類:一是按比例供肥,特點是以恒定的養分比例向灌溉水中供肥,有文丘里注入法和供肥泵法;二是定量供肥,又稱總量控制,特點是整個施肥過程中養分濃度是變化的,如旁通的儲肥罐法。按比例供肥系統雖然價格昂貴,但可實現精確施肥,主要用于輕質和沙質等保肥能力差的土壤。定量供肥系統投入較小,操作簡單,但不能實現精確施肥,適用于保肥能力較強的土壤。

這些標準需要特殊的硬件來支持，因此需要使用特殊的ASIC。由于PROFINET RT和EtherNet/IP?也是基于嵌入式雙端口直通式交換機的，因此它們在這一點上也不例外。

本系統采用泵吸肥法進行施肥,主要用于有泵加壓的灌溉系統及有統一管理的種植區。工作時,水泵一邊吸水,一邊吸肥,可采用潛水泵和離心泵。兩者相比較,離心泵施肥適用于大面積施肥,一次可施肥0.2～1.3hm2;潛水泵施肥則適用于較小面積0.2～0.3hm2。工作時,主要利用離心泵吸水管內形成的負壓將肥料溶液吸入管網系統,通過滴灌管輸送到作物根區;通過調節肥液管上的閥門,可以控制施肥速度,使水肥在管網輸送過程中自行均勻混合,不需人工配制濃度。泵吸法具有施肥濃度、施肥速度可控的突出優點,尤其適宜于大面積施肥,具有施肥效率高及設備投資低、維護費用低的特點。施肥系統結構圖如圖3所示。

1.水源 2.逆止閥 3.肥料罐 4.水泵圖3 施肥系統示意圖Fig.3 Fertilization system schematic

2.3 田間輸水網的設計

毛管和滴頭的布置形式取決于作物種類、種植方式、土壤類型、風速條件、降雨及所選用的滴頭類型。對于玉米、大豆這種條播密植作物,需要采用較高的濕潤比,毛管和滴頭的用量相應較多。設計時,毛管順作物行向布置,滴頭均勻的布置在毛管上,滴頭間距為0.3～1.0m,每行作物布置一條毛管;干、支管布置取決于地形、水源、作物分布和毛管布置,應達到管理方便、工程費用小的要求。在平地,干、支管應盡量雙向控制,兩側布置下級管道,可節省管材。

因基地存在高差,為保證整個基地灌溉施肥的均勻性,在滿足玉米和大豆生長需水量的同時不浪費水肥及最大程度降低成本,在每行玉米鋪設一條壓力補償的滴灌帶,滴灌帶為0.4mm壁厚的美國托羅的壓力補償滴灌帶,具有耐曬耐壓抗老化性能好等優點。因作物種植行距較密,土壤為較粘重的紅壤土,所以選擇1.1L/h流量、30cm一個滴頭的壓力補償滴灌帶作為玉米大豆套種的的灌水器,設計在每行玉米鋪設一條壓力補償滴帶,以滿足玉米大豆生長需要的水肥。

本設計系統灌溉制度采用分組輪灌,可以減少工程投資,提高設備利用率。將支管分成若干組,由干管輪流向各組支管供水,支管內部則同時向毛管供水。根據作物需水要求,全系統劃分的輪灌組數數目為

N≤CT/t

式中N—允許的輪灌組最大數目,取整數;

C—1天運行的時間,一般為12～20h;

T—灌水時間間隔(周期)(d);

t—1次灌水持續時間(h)。

輪灌組劃分方法:通常在支管的進口安裝閘閥和流量閥,使支管所管轄的面積成為1個灌水單元,稱為灌水小區。一個輪灌組可包括1條或若干條支管,即包括1個或若干個灌水小區。

3 田間試驗與結果

3.1 試驗基本條件

試驗地位于廣東省湛江市南亞熱帶作物研究所循環農業研究中心,地理位置為東經109°31'～110°55'、北緯20°～21°35'之間,年平均氣溫23.4℃,無霜期為350d,年平均降雨量為1 700～1 800mm,土壤類型為紅壤土;供試玉米品種為“廣糯2008”,大豆品種為“秦豆5號”。

3.2 試驗結果

分別對單作玉米、單作大豆、玉米大豆套種進行試驗,并在收獲期對作物進行測產驗收,結果如表1所示。

表1 玉米大豆套種產量差異Table 1 Yield difference between maize and soybean intercropping

4 結論

1)玉米、大豆套種具有顯著的產量優勢和經濟效益,與單作相比,玉米產量略有降低,但大豆產量顯著提高,套種總產量提高。

2)設計的滴灌條件下的水肥一體化系統可以滿足玉米大豆套種對水、肥的需求,使玉米和大豆競爭比率協調發展,提高了玉米和大豆對水分、養分的吸收。本研究可為玉米大豆套種條件下水肥一體化提供理論依據和技術指導。