设施农业生产自压水肥温气调控系统集成技术

冯广平，蒲胜海，李 磐，马彩雯

（1．新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，新疆 乌鲁木齐 830091；2．新疆农业科学院机械化研究所）

设施农业生产自压水肥温气调控系统集成技术

冯广平1，蒲胜海1，李 磐1，马彩雯2

（1．新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，新疆 乌鲁木齐 830091；2．新疆农业科学院机械化研究所）

设施农业生产中科学实用的水肥温气调控对作物优质高产高效栽培、促进农民增收具有重要意义。文中介绍了集成日光温室自压水肥温气调控系统的结构、工作原理、功能及应用后对设施农业所产生的影响，提出了科学应用该系统的技术要求。

设施农业；节水灌溉；水肥一体化；温水灌溉；二氧化碳施肥；集成技术

设施农业是集生物技术，工程技术，环境技术为一体的现代农业生产方式，具有技术密集，集约化和商品化程度高的特点，可有效提高土地产出率，资源利用率和劳动生产率，提高农业效益和竞争力[1]。设施农业利用人工技术手段，控制自然光温条件和农作物生长的各项环境因子，实现全天候农业生产，转变农业发展方式，是现代农业的重要组成部分。

新疆是一个农业大区，农民收入的主要来源依靠农业生产获取，尤其是南疆三地州农民，人均土地0．087 hm2左右，农业生产收入比例占全部收入的90%以上，发展设施农业成为当地农民增收的重要手段之一。

“十一五”以来，新疆设施农业发展迅速，到2012年底，全疆设施农业总面积达到7.6万hm2，虽然设施农业只占新疆种植面积的1.3%，但是所创造出来的价值远远超出其他的农作物，达到了总产值的5%，并且农民收入的7.4%来自设施农业生产[2]。

农作物生长的基本要素包括：光照、温度、空气、水分、养分，在自然生长条件下，前三个因素是人为难以调控的，但在设施农业生产条件下，利用科学技术手段可以实现人工调控环境因子，进行农业优质高产高效生产。

“十一五”以来，新疆设施农业发展迅速，在设施生产中，如何解决温湿度控制、科学灌溉施肥、耕层增温、加强作物光和作用等问题，相关调控装备技术的研发相对滞后，严重制约了设施农业的可持续发展。“十二五”期间，一些科研院校开始加大在该领域的技术研究和设备研发力度，形成了一些单项技术和设备，为了实现设施农业生产环境因子调控的简约化，开展了设施生产自压水肥温气调控系统集成研究工作，形成集约化系统，降低环境调控工作强度和成本，对设施农业生产具有积极的推动作用。

1 日光温室自压滴灌灌溉系统

新疆日光温室目前的标准建设规格为：83.4 m×8 m（长×宽），面积667m2，室长呈东西方向，室宽南北方向；设施蔬菜栽培种植基本行向南北，室内走道宽约0.8 m，起垄覆膜定植，垄长约7.2 m；垄距1.2 m，每垄定植果菜（番茄、辣椒、黄瓜等）两行，膜下铺设两条滴灌毛管。

日光温室自压滴灌系统是通过一定的水源落差提供灌水器运行压力，进行滴灌灌溉（安置一定高位的储水罐）。日光温室建设脊高3.8 m～4.5 m，为了便于操作，储水罐的安置整体高度不宜超过2.4 m，标准日光温室储水罐的选择以800 L左右为宜，该类型储水罐体积为1 m×1.2 m（卧式或立式），灌水器的正常工作压力1 m，因此，自压滴灌系统的关键是灌水器的选择。国产成熟的自压滴灌灌水器是Ø 10-333-1.0分体式滴灌管（管径10 mm，滴头间距333 mm，滴头流量1.0 L/h，滴头工作压力1 m）。

1.1 毛管流量及水力分析

日光温室蔬菜栽培垄长7.2 m，毛管铺设长度7.2 m，毛管流量Qm=21 L/h；

式中 f=94 800，m=1.77，b=4.77。自压滴灌系统毛管沿程水头损失hf=0.02 m。

1.2 支管流量及水力分析

针对83.4 m长度的日光温室，自压滴灌系统的首部（储水罐）设置在温室中部，系统由中间向两侧分水，控制4条支管，因此，支管长度约21 m，每条支管控制17～18垄作物，34～36条毛管，支管流量为714 L/h～756 L/h；选择Ø40PE管作为支管，支管的水头损失约为0.02 m（考虑多孔系数的影响）。

1.3 干管流量及水力分析

设置在日光温室中部的自压滴灌系统首部（储水罐），通过干管向两侧分水，干管长度约21 m，每条干管控制两条支管，支管由干管分水控制，口也呈两侧布置，对于自压滴灌系统运行，必须采用轮灌方式，每次每条干管只能允许1条支管进行工作；系统最大流量为两条支管之和，干管流量等于支管流量（干管流量为756 L/h),系统最大运行流量为1 512 L/h。干管设计选择Ø40PVC管，干管沿程水头损失约为0.06 m，自压滴灌系统正常运行时，总管网沿程水头损失为各级管道沿程水头损失之和，约为0.09 m，局部水头损失忽略不计，自压滴灌管正常工作水头大于1.1 m即可。

1.4 自压滴灌系统首部设置

根据自压滴灌系统的运行需求及从操作便利和经济方面考虑，储水罐采用800 L的塑料罐（卧式、立式均可，以卧式为佳），储水罐支撑台高度以日光温室种植垄面为基准，1.1 m即可，1.1 m的落差形成的势能作为该自压滴灌系统的运行动力即可实现系统正常滴灌灌溉，在储水罐出水口部需要安装100目的Ø40过滤器（网式或叠片式）进行水质再处理，储水罐通过独立水源水泵或集中供水管网系统方式提供灌溉水源。构成日光温室自压滴灌系统。

2 日光温室自压滴灌系统施肥

自压滴灌系统的建立，为随水施肥奠定了基础，在滴灌灌溉系统中镶嵌施肥设备即可实现同步施肥功能。设施蔬菜生产过程中所需要的养分（各类肥料）要实现随水施入，必需选择能够完全溶解的肥料，对于自压滴灌系统，储水罐替代了施肥装置，两相结合构成了自压滴灌水肥一体化系统，养分补充按照各类栽培作物的需肥规律和需肥特性，依据目标产量制定的测土配方施肥方案，通过自压滴灌水肥一体化系统，即可实现科学施肥。

3 温水灌溉对设施农作物生产的影响

日光温室的蔬菜生产栽培，需要在反季节中进行，尤其是秋冬和早春季节，虽然室温在晴天较高，但是地温却较低，使设施蔬菜的生长受到一定的影响，导致作物产量和品质受损；为此人们想到提高地温，首先对种植垄进行地膜覆盖，其次尝试用加热水进行灌溉来提高地温；白燕英（2012）采用不同温度的水对番茄幼苗进行灌溉试验表明：温水灌溉有助于促进番茄幼苗的生长，35℃效果最佳[3]；李明（2012）用温水灌溉黄瓜进行试验，长势良好，处理效果40℃水温为佳[4]；为此，人们在日光温室生产中通过修建蓄水池对灌溉水加温，修建装配式温室水墙提高水温进行灌溉。本系统采用微型循环泵，通过在日光温室塑料棚膜下的拱架上加装Ø16PE管，连接800 L的储水罐，对储水罐中的水进行循环，用日光进行加温，中午1点半至下午5点，储水罐水温由14℃升高到22．5℃，说明该系统可以对灌溉水起到增温的效果。

图1 时间水温变化图

4 二氧化碳施肥技术在设施农业上的应用

二氧化碳是作物光合作用所必需的物质基础，对作物生长发育起着与水肥同等的作用，通常每形成1 g干物质需吸收1．6 g左右二氧化碳；日光温室基本是一个密闭的空间状态，蔬菜种植密度较高，室内二氧化碳的浓度通常无法满足作物光合作用的需求；日光温室内二氧化碳的浓度直接影响蔬菜作物的产量、质量及抗病能力，因此，增加二氧化碳浓度是蔬菜设施栽培获得高产高效的必要措施[5]。

目前，日光温室蔬菜种植提高设施内二氧化碳浓度的措施主要有：通风换气法（强制或自然通风补充二氧化碳）、土壤施肥法（施用可产生二氧化碳的各种肥料）、生态法（蔬菜与食用菌间作，利用菌料发酵产生二氧化碳）、化学反应法（利用酸与碳酸盐反应生产二氧化碳）、二氧化碳发生器法、燃烧法等；生产中常用二氧化碳发生器法来调控二氧化碳的浓度，该法简便、易于掌握、操作方便。自压滴灌水肥温气调控集成系统选用了贺超兴发明的“设施蔬菜肥水气一体化使用装置”专利产品来生成二氧化碳，该装置由一个发生器和两个滤水罐及导气管组成，通过对碳铵加热反应生成二氧化碳，同时分解的氨气经滤水罐后形成酸性含氮液体肥料，在调控日光温室内二氧化碳浓度时，生成的酸性含氮溶液可以加注到自压滴灌系统的储水罐中，给作物提供养分。

5 自压水肥温气调控系统集成

在日光温室内，基于自压滴灌水肥一体化系统，通过微型循环泵对储水罐水体循环自然日光（太阳能）加热，辅助"设施蔬菜肥水气一体化使用装置"专利产品，集成出设施生产自压水肥温气调控系统，在操作过程中，附加水温温度表、二氧化碳浓度测试计，根据作物目标产量设定，进行测土配方施肥，针对不同作物设定施肥方案、灌溉制度和二氧化碳补充强度，实现日光温室蔬菜生产过程中的水肥温气一体化综合调控。

通过对不同单项技术及装置的筛选、测试，科学整合设计集成出设施生产自压水肥温气调控系统，可以实现水、肥、二氧化碳和地温调控功能，针对不同作物日光温室的生产，优质高产高效地开展水、肥、温、气耦合调控管理规律的研究，结合环境因子监测装置，形成科学合理的系统操作运行决策制度，最终实现该系统在设施农业生产中的普及应用。

[1]刘宪．总结经验，开拓创新，努力促进我国设施农业科学发展[J]．新疆农机化，2010，（1）．

[2]木合塔尔·沙地克，阿克苏地区设施农业发展与对策研究．硕士学位论文[D]，新疆农业大学，2013．

[3]白燕英，王怀栋，李明等，不同灌溉水温对日光温室番茄幼苗生长的影响[J]，节水灌溉，2012，（11）；16～17．

[4]李明，崔世茂，王怀栋等，不同灌溉水温对温室黄瓜幼苗动态生长的影响[J]，灌溉排水学报，2012，31（2）；131～133．

[5]何文华，保护地二氧化碳施肥技术[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

新疆维吾尔自治区科技计划项目“高效设施农业关键技术装备应用研究与示范”（201130104-1）