叶根菜水肥药一体化装置设计与试验

董 微，张晓文，封喜雷，周增产，姚 涛

(北京市农业机械研究所有限公司，北京100096)

0 引言

传统农业“大水大肥”的生产方式，不仅浪费水肥资源、污染环境，而且制约了我国农业的持续健康发展。水肥药一体化技术是提高水肥利用率、肥药减施的重要手段，是目前国际公认最好的灌溉施肥技术[1-3]。水肥药一体化技术可以按照设施蔬菜生长要求，通过低压管道系统与安装在毛管上的灌水器将水和蔬菜需要的养分、药液缓慢而均匀地供应到作物根部，使作物更充分地吸收并减少肥料损失，大幅提高肥料利用率[4-6]。

膜下滴灌水肥药一体化技术将地膜栽培与地表滴灌相结合，地膜覆盖在很大程度上抑制了地表滴灌的水分蒸发，进一步提高了灌溉水的利用效率，同时也利用地膜的保温效应为作物生长创造了良好的土壤热量条件，达到显著节水和调节地温的作用[7-10]。近年来，膜下滴灌水肥药一体化技术得到了广泛推广应用，解决了因肥料、农药过量施用而引起的一系列问题。基于该技术，设计了叶根菜水肥药一体化装置。

1 装置组成

叶根菜水肥药一体化装置由灌溉系统、配肥配药系统、自动报警系统和变频控制系统等组成，其结构如图1所示。

2 工作原理

叶根菜水肥药一体化装置采用膜下滴灌水肥药一体化技术，该技术以水为载体，根据叶根菜生长需要及土地墒情变化，按照一定的比例将可溶肥(药)母液融入水中，通过灌溉装置均匀而缓慢地滴入叶根菜根区土壤中，精准施肥(药)，防止过度浪费，减少病虫害发生，改善土壤结构，从而实现农业的良性循环。叶根菜水肥药一体化装置工作原理如图2所示。

1.EC/pH传感器 2.搅拌器 3.液位传感器 4.过滤器 5.搅拌电机 6.肥料混水电磁阀 7.单向阀 8.肥液文丘里混合器 9.肥液气动调节阀 10.肥液箱 11.酸碱液文丘里混合器 12.酸碱液气动调节阀 13.酸碱液箱 14.农药箱 15.农药箱电磁阀 16.加药计量泵 17.混合罐 18.灌溉用水泵图1 叶根菜水肥药一体化装置结构示意Fig.1 Structure diagram of water，fertilizer and pesticide integration device for leafy root vegetables

3 灌溉系统设计

灌溉系统由电磁阀、压力表、流量计、叠片式过滤器和灌溉用水泵等部分组成。为了实现自动轮灌，每个分灌区的阀门使用电磁阀，控制阀门安装于每个轮灌区的分干管上。电磁阀可连接到水肥一体化装置的主机上，由预先设定的灌溉计划进行轮灌或根据智能传感器采集的数据控制电磁阀的开启和关闭，通过田间管网和滴头，均匀、定时、定量地供给作物根系发育生长区域，使主要根系土壤始终保持疏松和适宜的含水量。

叶根菜水肥药一体化装置可使用的水源多为地下水，水中存在杂质，会影响滴头正常工作，因此配置了叠片式过滤器，防止配肥配药和施肥施药过程中滴头被杂质堵塞而不能正常工作。

4 配肥配药系统设计

4.1 肥料配给系统

肥料配给系统主要包括肥液箱、肥液气动调节阀、肥液文丘里混合器，以及酸碱液箱、酸碱液气动调节阀、酸碱液文丘里混合器两路系统。系统中预设了EC/pH指标值，控制器根据EC/pH传感器提供的反馈值，及时调节相应气动阀门的开关，在文丘里混合器的作用下将肥液注入到混合罐中，从而使注入到混合罐内的肥液量始终保持在指标范围内，同时完成水肥的混合。

4.2 农药配给系统

农药配给系统主要由农药箱、农药箱电磁阀及计量泵组成。在需要喷洒农药时，根据液位计提供的水位值，控制系统结合所使用农药配比，计算出所需的农药量，由计量泵将农药注入到混合罐内。

5 控制系统设计

控制系统采用国产PLC，通过无线串口实现计算机与PLC之间的通讯，摆脱线缆束缚，使其之间的搭配更灵活。上位机与下位机之间采用主从通讯方式，即PLC严格按照计算机的指令进行工作。

控制系统主要控制灌溉水泵，为整个管网提供均匀的压力输送，保证滴头出水的均匀性。灌溉系统出水口装有压力表，可将出水口的压力信号传输到变频器的输入端，变频器检测实际输出的压力信号是否达到设定值，如果没有达到设定值，则提高输出频率，提高灌溉泵的转速，以增加管道压力达到设定值。当达到设定值后，输出频率稳定，电机转速恒定以保证水压恒定。

图2 叶根菜水肥药一体化装置工作原理Fig.2 Working principle diagram of water，fertilizer and pesticide integration device for leafy root vegetables

图3 水肥药一体化装置控制系统界面Fig.3 Control system interface of water，fertilizer and pesticide integration device

通过装置上配备的PLC可编程控制器实现对灌溉施肥施药过程的全程控制，保证作物及时、精确地水分和营养供应，实现EC、pH值的实时监控。同时也减少灌溉施肥施药过程中人为主观因素给作物生长带来的影响。水肥药一体化装置控制系统界面如图3所示。

6 自动报警系统设计

水肥药一体化装置配置了灌溉施肥施药自动报警系统，实施监控灌溉施肥施药全过程，当装置运行发生故障或出现灌溉施肥施药错误时，报警系统会自动发出警报并立即停止灌溉作业，避免造成更大的损失。当装置错误或故障解除后，装置可自动恢复运行。

(1)系统采集的主要参数包括EC值、pH值、压力和回液箱水位。由于系统EC值和pH值波动范围较大，变化速度快，如果传感器发生故障导致系统的营养液浓度和酸碱度超出设定范围，会影响作物生长，严重时甚至会导致作物绝收。故而系统的EC值和pH值传感器各设两路检测回路，一路信号数据作为系统控制参数，另外一路信号数据作为监测信号，若两个传感器检测数据相差过大且超过一定范围，则判定其中一个传感器出现故障，发出报警信号，降低系统因传感器故障而导致误操作的概率。

(2)当EC值超过上限或者pH值超过下限时，采用向回液箱中补水的方式促使系统EC值和pH值回归正常数值区间，若此时回液箱水位处于高限，则系统报警，提醒管理人员进行应急处理，同时系统将未添加高浓度营养液和酸液的灌溉水供给种植区。

(3)当系统处于多灌区同时工作状态时，采用轮灌模式工作。若灌溉过程中系统发生压力过高或者过低的异常情况时，系统将发出管路堵塞或者漏水的警告。

7 生产试验

7.1 试验条件

选取大白菜作为试验对象，在北京市通州区试验示范基地进行水肥药一体化装置的配肥试验测试(图4)。

图4 水肥药一体化装置测试Fig.4 Test of water，fertilizer and pesticide integration device

7.2 营养液原液配置

将肥料箱内A肥、B肥和酸按照比例进行稀释，依次注入混合罐，搅拌均匀。原始料液参数如表1所示。

表1 原始料液参数

7.3 营养液参数设定

根据大白菜水肥一体化灌溉生产要求，在控制系统中预设营养液的EC值和pH值，通过在线传感器实时监测营养液的EC值和pH值，当EC值和pH值在设定的范围内，系统根据控制要求定时定量自动灌溉，实现水、肥的精确灌溉。当EC值或pH值超出设定值，则根据程序自动进行营养液浓度调控。系统具有自动和手动控制功能，用户可以选择自动和手动两种方式进行灌溉施肥控制，增加系统控制的灵活性和安全性。营养液EC值和pH值设定值如表2所示。

表2 营养液EC和pH设定值

7.4 自动配肥试验

液位计检测到低液位设定值时输出信号，自动打开供水电磁阀，给营养液箱供水，当液位达到最大加水液位设定值时液位计输出信号，关闭供水电磁阀。自动打开搅拌电磁阀，启动营养液输送泵，自动打开肥料输送电动球阀，当EC传感器和pH传感器检测到营养液的EC值和pH值达到设定值范围内，关闭肥料输送电动球阀，打开营养液输送电磁阀，关闭搅拌电磁阀，开始通过灌溉系统输送营养液，当营养液液面达到设定值时关闭营养液输送泵，采用电导率测定仪和pH计测定滴灌管内营养液的EC值和pH值。在4次施肥作业中，选取3条滴灌带上的同一位置(A、B、C)作为测试点，测试数据如表3所示。试验结果表明，水肥药一体化装置在自动配肥试验中误差均<±0.1，符合设计要求。

表3 试验数据

8 结束语

叶根菜水肥药一体化装置可根据作物的需肥量精准配肥，肥料通过灌水均匀直达作物根部，减少肥料和药物的挥发和流失及养分过剩或被土壤固定等造成的损失，可实现节水、节肥、改善微生物环境和预防病虫害的功能，具有施肥简单、供肥精准、用药集中、作物容易吸收和肥料药物利用率高等优点，对于设施内叶根菜高效安全生产具有重要意义。