轻简水肥一体机的设计及其在日光温室黄瓜种植中的应用效果试验

尹义蕾，李 恺，侯 永，齐青卓，王 柳，魏文亮，丁小明

（1.农业农村部规划设计研究院，北京100125；2.农业农村部农业设施结构工程重点实验室，北京100125；3.普渡大学，美国印第安纳州西拉法叶47907；4.河北省永清县农业农村局，河北永清065600）

0 引 言

京津冀区域是我国北方规模最大的经济发展区，京津3 700 万常驻人口消费水平的提升为河北省设施蔬菜发展带来了广阔的发展前景。当前，河北省永清县蔬菜种植面积达到2.4 万hm2，是环京津冀都市圈重要的“菜篮子”供应基地[1,2]。然而该地区部分种植区域土壤碱性大，滴灌种植模式易造成土壤次生盐渍化，同时，农户应用的灌溉系统中，往往存在过滤设备配置不健全的问题，一般采用把营养液母液罐高置借助重力或随水冲施进行水肥一体化灌溉施肥作业，由此导致施用营养液浓度严重不均匀，滴头易堵塞，致使滴灌技术在农户实际种植中难以推广应用[3]。在该微碱性环境设施土壤栽培中，膜下微喷是较好的水肥一体化灌溉方式，但相比传统的滴灌技术，灌溉流量较大，一般需要达到20 m3/h 以上，因此对水肥一体化灌溉施肥装置吸肥能力要求较高。除此之外，当前具有EC 和pH 精准反馈调节的水肥一体化装置虽然水肥供给更精准[4,5]，但造价过高，单价一般超过3.5 万元，且操作复杂，一般的种植农户难以承受。综上所述，开发一种低成本、操作便捷、吸肥能力大的轻简化水肥一体化设备就显得尤为重要。

为此，本文基于河北省永清县日光温室黄瓜种植的具体案例设计了一种适用于膜下微喷且低成本的水肥一体机，并在日光温室中进行了栽培效果对比试验。本研究旨在研发一种适合当前农民生产条件的水肥一体机，以期能降低农户生产成本投入和操作难度，减少过量施肥对环境的污染，切实提高农民收益。

1 轻简水肥一体机设计

1.1 设计原理及装置构成

（1）设计原理。轻简水肥一体机借助吸肥动力泵的输出压力[6,7]，通过吸肥通道把存储在营养液母液罐里的母液压入到灌溉管路中。从取样口测试灌溉营养液EC，如果不满足种植要求，可通过吸肥通道的隔膜阀进行调节。与当前精准水肥一体化设备相比，该设备未带有EC、pH 自动反馈调节功能，依靠主管路的调节球阀、压力表和定时系统，实现设备的自动化均匀供肥。

（2）装置构成。该装置主要包括肥料供给系统、输水管路系统、灌溉控制系统和支撑系统。肥料供给系统作为该机器的核心，主要包括吸肥管路、母液罐和吸肥动力泵，其中吸肥管路主要由文丘里吸肥器、过滤器以及隔膜阀组成；母液罐一般选用容积50 L 左右塑料桶，不工作时，可转移到温室一边，减少对温室种植作业的影响。输水管路包括球阀、压力表、取样阀门等，其中取样阀门主要用于测试灌溉营养液的EC 是否符合种植要求。灌溉控制系统主要由继电器、定时器等组成，通过控制吸肥动力泵的启停来实现肥料的注入。支撑系统由装配式铝型材装配而成，用于输水管路和肥料供给系统的固定。

1.2 吸肥泵位置优化选择

由于膜下微喷所需灌溉流量较大，水肥一体机吸肥能力大小是装置成本的主要制约因素[8]，其中吸肥泵放在进水管路的前端或者后端，即借助于吸肥泵的负压或者正压吸取肥料是影响该装置吸肥能力大小的主要因素。借助笔者自行设计的测试平台对两种吸肥泵放置位置下的吸肥能力进行测试。装置性能测试见图1，其中前置吸肥泵采用虚线绘制。进水管路和出水管路都采用公称直径50 mm 的硬聚氯乙烯管件，管路安装压力表、流量计及阀门，用以监控进水管路的压力、流量。通过调节变频水泵的压力，在出口压力为0.05、0.09、0.11、0.13 MPa的状态下，每次测试时间取3 min，测试3次取平均值，装置吸肥数据见表1。通过表1数据可以看出，两种情况下吸肥量均随出口压力的增大而减小，吸肥泵后端放置在出口压力为0.09、0.11 和0.13 MPa 时吸肥量显著大于前置，效果较好，因此本设备选择后端放置。

图1 轻简水肥一体机测试图Fig.1 Schematic diagram of simplified water fertilizer integrated machine

表1 吸肥泵两种状态下的不同吸肥量Tab.1 Different suction amount of suction power pump under two conditions

2 应用效果试验

2.1 试验条件

为测试轻简化水肥一体化设备的应用效果，选用位于河北省永清县龙虎庄乡大青垡村两栋类型相同的日光温室进行种植试验。两栋日光温室长度70 m，跨度10.76 m，脊高3.7 m，后墙高度2.8 m。温室前屋面覆盖40 mm 厚的保温被，卷放时间为7：30～8：00 和16：30～17：30。两座日光温室内均采用垄上膜下微喷种植黄瓜，试验温室内采用轻简水肥一体机追肥，对照温室内则采用传统重力自流注肥。一垄双行，垄中间距90 cm，垄宽60 cm，垄高40 cm，株距20 cm，行距40 cm，10月底定植。

每个温室布置3个温湿度测试点，每个点布局在温室轴向三等分的跨中位置。本次试验采用由日本生产的TR−72U 温湿度记录仪分别测定两间温室的室内空气温度和湿度。

轻简化水肥一体机为农业农村部规划设计研究院自主设计，2 通道吸肥，吸肥量可达10 L/min；传统重力自流注入式施采用容量20 L 水桶，悬挂高度为1.5 m，水桶底部安装有外径为20 mm 的软管将阀门和灌溉主管路连接。灌溉施肥模式均采用先灌溉10 min 清水，然后进行水肥一体化灌溉施肥，最后再灌溉10 min 清水。营养液母液均采用肥料与清水按照质量1∶10进行配置，灌溉主管道流量为25 m3/h。

2.2 试验方案

2.2.1 灌溉营养液浓度均匀性检测

为检测两种施肥方式下的灌溉营养液浓度差异[9]，分别将轻简化水肥一体机和重力施肥桶接入日光温室的灌溉主管路，每栋温室设置6 个取样点。取样点均为微喷灌带的中间位置，第1 个取样点设置在距离注肥口1.5 m，其他相互之间间隔14 m，在水肥一体化灌溉施肥5、10、15、20、25 min 后，每个位置取样1 次，测试灌溉营养液EC，按以下公式分别计算灌溉营养液浓度空间均匀性和时间均匀性。

式中：Us和Ut分别表示灌溉营养液浓度的空间均匀性和时间均匀性；Cij为某一取样点某一时刻的灌溉营养液EC；i和j分别表示取样点和时刻的编号；n和m分别表示取样点和时刻总数；Cj和Ci分别表示不同取样点j时刻EC平均值，和不同时刻i取样点EC平均值。

2.2.2 不同灌溉施肥方式下黄瓜栽培对比试验

两栋温室施用底肥猪粪180 m3/hm2，试验期间，试验温室、对照温室用肥品类、灌溉时间相同，按照套餐化施肥策略[10,11]，试验温室按照对比追肥减少30%的方案施用，具体用肥数据见表2。

表2 两个温室的用肥量Tab.2 Fertilization amount of the two greenhouses

3 结果与分析

3.1 试验环境

选取2019年2月18日至2019年2月15日两栋温室空气温湿度进行对比，对比图见图2。结果显示，两栋温室的温湿度极为接近，可视同在同样的环境下进行黄瓜生产。从图2可见，试验温室与对照温室相对比，湿度相对较低，温度基本相同，这可能是因为追肥相同条件下，重力自流灌溉施肥相对时间较长，提高了棚内湿度。

图2 温室内温湿度Fig.2 Temperature and humidity of greenhouse inside

3.2 灌溉营养液浓度均匀性分析

灌溉营养液浓度均匀性见图3，传统重力自流灌溉施肥和水肥一体机灌溉施肥其灌溉营养液浓度空间均匀性分别为0.964 6±0.007 2 和0.968 2±0.005 1，没有显著差异（P＞0.05），而水肥一体机灌溉施肥的时间均匀性为0.992 5±0.005 5极显著（P＜0.05）高于传统重力自流灌溉的0.917 6±0.015 6。由图4可见水肥一体机灌溉施肥灌溉营养液EC不同时间几乎保持不变，而传统自流灌溉施肥灌溉营养液EC随时间延长不断下降。

图3 灌溉营养液浓度均匀性Fig.3 Uniformity of irrigation nutrient solution concentration

图4 灌溉营养液EC随时间变化Fig.4 Change of irrigation nutrient solution concentration with time

3.3 黄瓜产量对比

分别对两栋温室的化肥施用量和黄瓜产量进行记录并对比，测试时间 为2018年12月20日至2019年3月19日，两个温室黄瓜产量见图5。通过图5可以看出，试验温室与对照温室，采收时间不完全重合，试验温室采收量总体高于对照温室，试验温室采收量为8.24 t，对照温室采收量为7.76 t，增产约6.18%。结果表明，运用轻简水肥一体机结合膜下微喷的灌溉技术，可以达到化肥减施且增产的目的。

图5 温室黄瓜产量Fig.5 Greenhouse cucumber yields

3.4 轻简水肥一体机成本分析及应用前景

以本次试验的运营实际为例进行成本分析，机器寿命以5 a 为折旧期，设备运行1 a 的总投入为757 元/a，其中电费7元、安装费300 元、折旧费450 元，运行时间从当年10月中旬到第二年5月中旬，共计约7个月来计算。

轻简水肥一体机运行产生的总效益分析如下：

（1）节省劳动力和肥料效益：与传统灌溉施肥操作相比，每栋温室每月可节省工人2 h 劳动量，以小时工资25 元计付，年节省0.03 万元；每个生长季可节省肥料27 kg，以20 元/kg计算，年节省0.05 万元。

（2）产品效益：采用轻简水肥一体机后，与传统模式对比，产量提高6.18%左右。单栋温室运营期内（占地753 m2），种植面积约为670 m2，按照试验结果计算，增产约7 164 kg/hm2，黄瓜单价按照3 元/kg，提高收益2.15 万元/hm2。

轻简水肥一体机灌溉施肥条件下每栋增加投入约0.08 万元，节省劳动力和肥料费用0.08 万元，二者抵消，则总提高收益为2.15 万元/hm2。

本文只研究了轻简水肥一体机灌溉施肥对黄瓜产量的影响，下一步将扩展到对黄瓜生理参数、品质等研究，以期能得出更全面细致的结论。

4 结 论

（1）随着灌溉管网出口压力的增大，轻简水肥一体机的吸肥量呈递减趋势，吸肥泵后置模式吸肥量大于前置，效果较好。

（2）在河北永清县日光温室膜下微喷灌条件下应用测试表明，轻简水肥一体机与传统重力自流灌溉施肥相比较，灌溉营养液浓度空间均匀无显著差异，但前者灌溉营养液浓度时间均匀性显著好于后者，后者灌溉营养液EC随时间递减。

（3）在化肥减施30%情况下，可增产6.18%。

（4）轻简化水肥一体机凭借其自动化的定时、定比例施肥，可提高收益2.15 万元/hm2，且能降低劳动作业者作业时间。