基于增氧加压功能的盐碱地滴灌装置设计

左永梅，刘雅辉，孙建平，张虹伟，李欣明

(1.河北省农林科学院滨海农业研究所，河北 唐山 063299；2.河北省盐碱地绿化工程技术中心，河北 唐山 063299； 3.唐山市耐盐植物重点实验室， 河北 唐山 063299)

盐碱土又称盐渍土，是盐土、碱土和各种盐化、碱化土的统称，是一种含过多易溶性盐类或交换性钠离子，以至理化性质变差的土壤[1]。盐碱土含盐量较高，使植物的生长受到一定程度的限制，通常需要及时浇水，使其能够生长。但盐碱土土壤团粒结构差，容易板结，透水性、通气性不好，且缺乏有机营养物质，土壤内部的氧气不足，好氧性微生物活动性差[2]，抑制了植物根系的呼吸作用，进而削弱根系吸收水肥的功能。因此，适时适量供水，精确、科学控水，才能保证植物新陈代谢和茁壮成长。滴灌技术作为控制土壤盐碱化的重要手段之一，在盐碱地改良中起到了非常重要的作用，能节水、省药、增产，减少劳力等的成本投入，经济效益和社会效益显著，在农业生产上得到了广泛应用[3-5]。现有技术中的滴灌装置在使用时通常不具有增加液体含氧量的功能，植物吸收水肥的能力不强，且通常利用水泵抽水使液体持续流动，当液体长距离流动时，到达植物根茎部位时液体具有的压力很小，滴灌效率很低。针对上述问题，兹设计了一种新型实用的增氧加压盐碱地区植物滴灌装置，其原理是采用机械增氧的方法，使水体中产生微小气泡，与水融合后产生气态氧和已溶氧，为作物根系提供充足的氧气。以解决现存在的滴灌装置滴灌效率低的技术问题，为提高水资源利用提供参考。

1 装置架构

1.1 装置总体结构

基于增氧加压功能的盐碱地滴灌装置的结构如图1所示。装置基本结构为水箱、氧气输送机构、水压增压机构以及液体输送机构、抽水机构和过滤机构。水箱用于容纳液体，氧气输送机构的输出端与水箱的内腔联通；水箱设置有出水口，出水口能够与液体输送机构相连；水压增压机构设置于液体输送机构上。液体输送机构包括输水管和滴灌管带，输水管的一端与出水口相连，输水管的另一端与滴灌管带相连，水压增压机构设置于输水管上。抽水机构设置于水压增压机构和水箱之间的输水管上，过滤机构设置于抽水机构与水压增压机构之间的输水管上。滴灌装置还包括液位传感器和控制柜，控制柜包括控制器、开关和报警器；液位传感器、氧气输送机构、水压增压机构、抽水机构以及搅拌机构均与开关电连接，液位传感器和报警器分别与控制器电连接。

1-水箱；11-控制柜；111-报警器；112-开关；12-搅拌机构；13-氧气输送机构；14-过载保护元件；15-药液进口；16-进水口；17-输水管；171-抽水机构；172-过滤机构；173-水压增压机构；2-滴灌管带；21-曲管；22-滴灌器 图1 结构示意图

1.2 水箱结构

水箱结构示意图如图2所示，主要包括外壳、保温层、反射层、液位传感器和搅拌机构，其中水箱的外表面上是保温层，保温件的外表面上是反射层。水箱还包括药液进口和进水口，药液进口和进水口处设置有过滤网。水箱内设有搅拌机构，搅拌机构由搅拌桨、驱动电机和蓄电池组成，搅拌桨的输入端与驱动电机的输出端相连，电机与蓄电池相连。水箱上还设置有过载保护元件，过载保护元件为弹簧式安全阀。

12-搅拌机构；121-驱动电机；122-搅拌桨；13-氧气输送机构；131-泵体；132-气管；133-气石；18-保温层；181-反射层；182-外壳；19-液位传感器 图2 水箱的内部结构示意图

2 各部件的功能与技术原理

2.1 水 箱

(1)外部特点。水箱外表面的保温层可以是压紧的海绵、棉花、矿物棉等，与水箱外表面可通过黏接的连接方式，用于防止外界热量进入水箱内，或者防止外界温度过低，冻坏水箱。保温层的外表面上的反射层是均匀涂覆的反射隔热保温涂料，用于反射阳光，避免太阳的热量在水箱的表面进行累积升温。

(2)内部特点。一是由于氧气输送机构持续的向水箱中输送气体，使得水箱内部的压力增加，为了使水箱的使用更加安全可靠，在水箱上还设置过载保护元件，即弹簧式安全阀。一旦当水箱内的压力异常后产生的高压将克服安全阀的弹簧压力，闭锁装置被顶开，形成一个泄压通道，将高压泄放掉。而当水箱内盛有液体，氧气输送机构持续不断地向水箱内输送气体时，水箱内的压力逐渐增大且小于过载保护元件设定的最大压力值时，位于水箱内的液体在上层空气的挤压下，会以更快的速度从水箱的出水口流出。二是液位传感器的智能化设计。液位传感器位于水箱内部，当液位传感器检测到水箱内液体的高度小于设定的范围值时，液位传感器将信号传输给控制器，控制器将数据进行分析后发送相应的频率信号给报警器，使其启动。当报警器为扬声器时，控制器发出对应的频率信号给扬声器，扬声器发出声音，提醒人员及时加水和药液，实现滴灌过程的持续进行，节约了时间，提高了工作效率。

2.2 氧气输送机构

在此氧气输送机构指氧气泵，氧气泵包括泵体、气管和气石，泵体通过气管与气石相连。泵体通电后能够产生压缩空气，气石能将泵体产生的压缩空气喷出。气石通过气管从水箱上表面预留的孔位进入水箱的内腔，最终与水箱内腔的底面接触。为了防止漏水，气管与水箱的箱体壁之间密封，密封的方式可以是在箱体壁与气管之间设置密封圈，也就是在水箱上表面的预留孔位内黏接一个内径小于气管直径的密封圈，使得密封圈与气管之间过盈配合，达到密封的效果。为了避免气管随液体流动时晃动对水箱内其余部件的运转产生影响，气管通过防水胶与水箱内腔的侧壁和底面固定连接。

2.3 滴灌管带

液体输送机构中的滴灌管带包括曲管和滴灌器，曲管的一端与输水管相连，曲管的另一端与滴灌器相连。曲管能够布设于植物根茎处的地面上，也能够延伸进土壤里，无论是哪种设置形式，设置于其末端的滴灌器都能够将液体输送给植物。还可以将输水管的一端与水箱的出水口相连，输水管的另一端通过转接头与若干支管相连，任意一根支管的末端设置有堵头，在支管的侧壁上设置若干滴灌喷头或者雾化喷头，用于将液体均匀喷出。

2.4 工作过程

水箱进水口和药液进口灌入液体后，经过滤网将蓄水池和药液箱中的大颗粒杂质过滤掉，通过搅拌机构将水箱内的液体(水和药液)搅拌均匀。使用者按下开关，滴灌装置开始工作，先利用氧气输送机构将氧气输送进水箱中，使水箱中液体的含氧量增加，经出水口，通过液体输送机构上设置的水压增压机构，提高液体流动时的压力和速度，使液体能够进行远距离传输，进一步确保液体到达植物根茎时仍然具有一定的水压。当含氧量高的水流至植物根茎处时，植物根茎处氧气充足，有效提升植物根茎对水肥的吸收能力和滴灌效率。

3 测试试验与分析

3.1 材料和方法

采用盆栽试验土壤均均采自河北省唐山市曹妃甸区天旭生态农业有限公司院内，全盐含量为0.35%，将同等数量、长势相同的番茄幼苗随机分成两组，标记为A1和A2，其中A1安装了本滴灌装置，作为试验组；A2采用普通灌溉方式，作为对照组，A1与A2的总灌水量相同，其他生长条件(光照、环境温湿度等)均相同。经过30 d的培育后，对2组植物的植株高度、叶片宽度、土壤中水分布、植物整体长势进行记录，结果表1所示。

表1 测试结果

3.2 结果与分析

根据番茄秧苗整体长势和表1可知，A1中植株根系较发达，根干重在1.58～1.75 g左右，侧根数量多；茎粗一般在4.03～5.6 mm;叶色深绿，叶片肥厚，宽度在8.9～11.71 cm范围内，分布较为均匀；高度在20.66～23.81 cm范围内，长势较好。A2中植株根干重在1.43～1.56 g之间，侧根数量较少；茎粗一般在3.78～5.26 mm；叶片生长不匀、单薄，宽度在9.01～11.42 cm范围内，存在较窄小叶片；高度在12.5～16.33 cm范围内，分布不均，且存在较矮植株，长势较差。

A1与A2的植物相比，A1的植物根干更重、茎更粗、叶片宽、株型高、土壤水分布集中，植物整体长势更好且均匀。

2个试验组在生长要素和用水量均相同的条件下，A1长势明显优于A2,说明用于A2灌溉的水没有得到充分利用，可能在于单次浇水量过大导致深层渗漏以及灌溉后土壤湿度过大导致的蒸发加剧，很多水被浪费掉，而没有留存于土壤中从而被作物吸收[6]。水分缺失是导致A2生长不良的重要原因。A1使用滴灌装置，土壤湿度控制合理，深层渗漏少；其地上部分长势良好，根系集中在被灌溉土体的外围，表明在被灌溉土体中央，土壤内氧气的扩散率很低，验证了对作物根系进行增氧灌溉的处理能显著改善被灌溉土体中央的氧气含量，使作物能够更好地生长发育[7]。也契合了Bhattarai等人的研究结果：向作物根区加入氧气可以提高作物根系活力及根区微生物活力，有利于根系对土壤养分的吸收。同时增氧处理可以提高作物地上部分的生长，提高作物的水分利用率[8,9]。由此可见，在盐渍土的土壤环境下种植番茄，对番茄根区进行增氧滴灌与常规灌溉水比较，对处理土壤内缺氧症状有明显效果，提高了水资源利用，对土壤改良具有一定的积极影响。

4 结 语

这种基于增氧加压功能的盐碱地滴灌装置，结构设计简单，旨在提高滴灌的水资源利用率和增氧灌溉效果。而且使用方便，能扩大土壤内湿润范围，有利于水肥均匀分布，减少盐害，为根系创造更大的生长空间。在持续灌溉的条件下，土壤湿润体的大小、水肥分布梯度相对稳定，土壤通透性好，能充分发挥了植物根系自身的生理优化调节功能，使植物在最适宜的土壤水肥处生长，避免了土壤反盐的情况发生，有效降低土壤耕层盐分含量。同时减少了深层渗漏、蒸发导致的水资源的浪费，提高植物对水的利用率，节约了水资源。相对于普通滴灌，有效地提升了液体的含氧量和液体远距离输送的能力，提高了灌溉管理水平和灌溉水利用率[6]，尤其在含盐量高、通透性差，土质黏重的盐碱地具有较高的实用价值。