汤鹏程，张紫森，李熙婷，徐 冰，任 杰，李 想

（1.中国水利水电科学研究院 内蒙古阴山北麓草原生态水文国家野外科学观测研究站，北京 100038； 2.中国水利水电科学研究院牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020； 3.鄂尔多斯市农牧业生态与资源保护中心，内蒙古 鄂尔多斯 017200；4.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018）

0 引 言

随着现代农业发展与大量农村劳动力向城市转移，机械化、精准化、智能化已成为农业机械发展趋势［1，2］。水肥一体化技术是通过施肥机将肥液带入灌溉水中，并以灌溉水为载体通过喷灌等节水灌溉设备施入田间［3］。该技术可降低劳动强度，有效控制灌溉水量和施肥量，避免常规施肥机械作业对作物中后期生长造成伤害，提高作物产量和品质［4］。

在水肥一体化技术中，其核心装置是施肥机［5］。现有的喷、滴灌系统施肥装置多采用压差式施肥罐进行［6］，因为固体化肥溶解性较差以及系统压力和罐内液位的变化，所以造成施肥量不稳定、肥料浓度均匀性较差和施肥罐内肥料残等问题［7］。同时由于施肥作业不便，多地区将大量化肥作为底肥一次性在翻耕前施入耕作层，导致部分化肥随灌溉水、降水渗入根系层以下污染地下水体［8］，长此以往地下水体富营养化将对区域生态系统造成不可逆的破坏。目前国内水肥一体化技术还处于发展阶段［9］，大田施肥主要以固体肥为主，施肥机研究大多局限于关键部件［10］，针对施肥机整体研究较少，且缺少相关针对设备的田间试验验证［11］。随着水肥一体化技术在全国范围内大面积应用和推广，其核心施肥机技术亟待解决。

因此，本研究拟设计一种旁路施肥机，利用原有的大田灌溉管路，通过电子流量计及水表等计量设备对施肥状态进行实时监测，实现精准施肥，提高肥料利用率，同时结合大田试验数据，验证该旁路施肥机实际性能。

1 精确施肥系统结构设计

精确施肥系统是保证水肥一体化中施肥均匀、肥料利用率高的前提［8］。该系统由化肥溶解，旁路施肥机，过滤和供水4部分组成。其中化肥溶解部分由搅拌机、化肥溶解罐、液位计、压力表等组成。旁路施肥机主要包括控制器、增压泵和动态显示界面。过滤系统包含外置离心式过滤器与网式过滤器。供用水系则统采用原有喷灌管路。精确施肥系统设计详见图1。

图1 精确施肥系统结构设计图Fig.1 Structural design drawing of precise fertilization system

2 旁路施肥机结构与工作原理

2.1 结构组成

“精确施肥系统”中，最主要部分为“旁路施肥机”的设计。旁路施肥机工作时，通过在动态展示界面进行可视化流量、肥量配比，实现水肥一体化精细控制。现场作业时，技术人员可定期对管道压力、水质pH值和EC值进行安全监测，并通过转子流量计和隔膜阀，查看各供肥桶流量，对各供肥桶流量进行手动调节校准。远程作业时，可通过控制装置（PLC）采集的数据信息，观察动态施肥过程，自动获取作物灌溉施肥推荐量，并利用内置通讯模块与服务器进行通讯，帮助现场指导灌溉施肥。具体结构如图2所示。

图2 旁路施肥机样图Fig.2 The instance of bypass fertilization machine

2.2 工作原理

旁路施肥机与田间原有管路连通，具体布置如图3所示。水由进水总管通过增压泵进入各支管，可通过电磁阀、远传水表和隔膜阀对水流进行调控；各吸肥管路均与不同的肥桶连接，肥料通过吸肥管路与进水支管中的水在文丘里管处混合。吸肥过程中通过电柜调控增压泵的功率帮助文丘里管中肥液进入出水总管，同时通过转子流量计对肥量进行统计，并且采用吸肥电磁阀和吸肥隔膜阀对肥量进行调控，从而实现对不同工况所需肥料进行不同配比。

图3 旁路施肥机工作原理简图Fig.3 The operating principle of bypass fertilization machine

2.3 关键部件设计与参数

2.3.1 控制器

如图4所示，控制装置包括变频器、PLC、恒压供水控制器以及模拟量采集模块等。控制装置接收流量计、EC和pH值传感器以液位传感器的检测信号，输出控制指令至增压泵、水源泵。本实例中，控制装置包括变频器、PLC、交流接触器、中间继电器等电气元件。PLC接收多路流量计的脉冲信号上传至上位机进行显示，PH传感器、压力传感器等采集的数据通过模拟量采集模块进入上位机进行显示、判断。

图4 电气控制原理图Fig.4 Electric control principle

2.3.2 动态显示界面

图5所示为旁路施肥机的动态显示界面，该界面源程序由Microsoft C++6.0语言编程完成。该软件针对性用于设施农业精准灌溉施肥系统，方便种植者对作物进行精准灌溉和施肥，还可以帮助管理者远程掌握田间管理情况。

图5 动态显示界面Fig.5 Operation interface

3 试验与分析

3.1 试验区概况

旁路施肥机在喷灌水肥一体化实际应用的相关试验于内蒙古通辽市保康镇开展。试验区属温带大陆性季风气候，春季回暖快，多风沙；夏季雨热同步，雨量集中；秋季短促，降温快；冬季干冷漫长。多年平均气温8.1 ℃，多年平均降雨295 mm，最高气温36.1 ℃，最低气温-24.9 ℃，无霜期203 d，全年日照2 799.7 h。对核心试验田土壤物理性状进行了测定，该试验区土层厚度0～100 cm田间持水量在25.7%～29.4%之间，各层平均土壤干容重为1.554 g/cm³，土壤类型为砂质壤土，具体土壤参数详见表2。

表2 土壤物理性状相关参数Tab.2 The physical characteristics of soil

3.2 试验设计

本试验开展时间为2015年和2016年的5-9月。采用不同时段实时测得不同土层含水率，根据含水率计算渗漏量，同时将日平均降雨深度小于2 mm的情况视为无效降雨［12］，2015年、2016年玉米生育阶段划分与降雨量详见表3。试验材料采用氮肥（尿素，含氮量46%），磷肥（过磷酸钙，含磷量14%）和钾肥（氯化钾，含钾量为60%），试验中各处理氮、磷、钾肥有效元素均为20、9和15 kg/亩。

表3 生育阶段划分与降雨量Tab.3 Reproductive stage division and rainfall

本试验共设置3个水肥处理，分别以施肥方式和灌水量为变量控制试验，全生育期灌水方案详见表4。①SF-1，以氮肥总量的40%作为底肥施入；苗期末期伴随中耕松土由机耕追施氮肥总量的30%；剩余30%氮肥在玉米拔节期、抽雄期、灌浆成熟期分3次利用旁路式施肥机施入田间。磷肥作为底肥一次性施入田间。钾肥分别作为底肥、苗期追肥由机耕分两次（每次各50%）施入田间。②SF-2，以氮肥总量的40%作为底肥施入；苗期末期伴随中耕松土由机耕追施N肥总量的30%；剩余30%氮肥在玉米拔节期、抽雄期、灌浆成熟期分3次采用压差式施肥罐施入田间。磷肥作为底肥一次性施入田间。钾肥分别作为底肥、苗期追肥由机耕分两次（每次各50%）施入田间。③SF-3，与SF-2施肥方式完全相同，但全生育期内不灌水。

表4 玉米各生育期灌溉水量Tab.4 The irrigation amount at different growth period of corn

本研究采用水量平衡法［13，14］计算不同处理玉米的需水状况，具体公式如下：

式中：ET为需水量；P为生长季的某一时段有效降雨量；I为某一时段有效灌溉量；ΔSWS为土壤储水量变化；Q为地下水的补给量和渗漏量。上述指标均以mm为单位计算。

3.3 结果与分析

2015年、2016年试验区玉米产量（玉米籽粒干重）、耗水量以及水分生产率，如表5所示。①对比不同年份试验区玉米产量：2016年玉米拔节期遭受集中强降雨，玉米受涝灾影响，总体产量低于2015年产量。②对比同一年份：2015年水肥同施的SF-1处理对比SF-2处理增产12%，对比SF-3处理增产69%；2016年水肥同施的SF-1处理对比SF-2处理增产9%，对比SF-3处理增产47%；且2015年、2016年SF-1处理玉米水分生产率均最高，分别为1.87、1.81 kg/m³。

表5 玉米各处理效益分析Tab.5 The benefit analysis of different treatment

4 结 论

（1）本研究通过解析旁路式施肥机工作原理，对水肥配比管路、电气控制元件布置结构以及动态显示界面进行设计，得到该旁路施肥机。该旁路施肥机的应用解决了肥料利用效率低下，施肥机安装复杂等问题，实现了自动定量施肥与可视化操作，在现代农业高效节水灌溉领域具有一定的推广应用意义。（2）结合2015年、2016年田间试验验证，该旁路施肥机运行表现良好。在玉米种植中应用该旁路施肥机施肥比压差式施肥罐和雨养施肥，2015年分别增产12%与69%；2016年分别增产9%与47%，且两年内应用该旁路施肥机施肥玉米水分生产率均最高，分别为1.87和1.81 kg/m³，经济效益显著，有利于促进农民增产增收。