田間水肥一體化地面灌溉系統(tǒng)介紹

1、田間水肥一體化地面灌溉系統(tǒng)介紹劉玉春1，姜紅安2，夏輝1*（1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071001；5102. 保定中法供水有限公司，河北 保定 071501）摘要：目前水肥一體化噴灌和滴灌系統(tǒng)耗能高、投資高、對(duì)水質(zhì)要求高，而地面灌溉仍然是大田作物應(yīng)用的主要灌水技術(shù)，針對(duì)以上現(xiàn)實(shí)本文提出田間水肥一體化地面灌溉系統(tǒng)。田間水肥一體化地面灌溉系統(tǒng)由進(jìn)水管、施肥器、田間輸水管和地面灌溉灌水器四部分組成，其中施肥器是無(wú)壓施肥裝置，地面灌溉灌水器是田間分水軟管和出水口為一體、在生產(chǎn)過(guò)程中一次性成型的地面灌溉灌水設(shè)施。田間水肥一體化地面灌溉系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)水肥一體化，且具有低碳環(huán)保、灌水效

2、率高、便于與農(nóng)業(yè)機(jī)械化相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，適宜在大田作物生產(chǎn)中大面積推廣應(yīng)用。關(guān)鍵詞：地面灌溉；水肥一體化；灌水器；施肥器中圖分類號(hào)：s275.315introduction of surface fertigation systemliu yuchun1, jiang hongan2, xia hui1(1. hebei agricultural university, hebei baoding 071001;2. baoding sino french water supply co. ltd, hebei baoding 071501)2025303540abstract: at prese

3、nt surface irrigation is still the main irrigation technology application for fieldcrop. and the fertigation system of sprinkling or drip irrigation system has the defect of highenergy consumption, high investment and high water quality requirements. a surface fertigationsystem is put forward in thi

4、s paper based on the above actuality in crop irrigation. the surfacefertigation system is composed of four parts, intake pipe, fertilizer applicator, water delivery pipeand surface irrigation watering device. the fertilizer applicator is a kind of pressureless fertilizerapplicator suitable for surfa

5、ce irrigation. the surface irrigation watering device is a kind ofdistributive hose with several water outlets in a fixed spacing, is linked with water delivery pipeand is used to distribute water to furrow field or irrigation ditch. the surface fertigation systemcan realize irrigation and fertiliza

6、tion simultaneously, has the advantage of low carbon and highirrigation efficiency, and facilitates with agricultural mechanization. the surface fertigationsystem is worth extensive application in field crop production.keywords: surface irrigation; fertigation; watering device; fertilizer applicator

7、0 引言水肥一體化技術(shù)是將灌溉與施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)，具有肥效快，養(yǎng)分利用率高的特點(diǎn)，既有利于節(jié)水節(jié)肥、提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，也有利于農(nóng)田環(huán)境保護(hù)。面對(duì)我國(guó)日益加深的水環(huán)境危機(jī)，農(nóng)業(yè)水肥一體化技術(shù)是我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向已經(jīng)成為共識(shí)。1 問(wèn)題的提出目前水肥一體化技術(shù)多針對(duì)噴灌和微灌系統(tǒng)而言，需要的壓力大，灌水器對(duì)水質(zhì)要求高，田間灌水器密集不便于田間機(jī)械化作業(yè)，系統(tǒng)投資也較高。因此水肥一體化噴灌和微灌系統(tǒng)大多應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培、果園栽培以及經(jīng)濟(jì)效益較好的其他作物，在我國(guó)常年灌溉地帶的西北內(nèi)陸地區(qū)棉花等大田經(jīng)濟(jì)作物栽培中應(yīng)用較廣。受系統(tǒng)壓力要求高、投資高的制約，水基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(3

8、1171495; 41101338); 河北省自然科學(xué)基金(e2012204079; e2011204108;c2012204054); 農(nóng)業(yè)部科技成果轉(zhuǎn)化基金項(xiàng)目(2012gb2a200028); 高校博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(2012302110001)作者簡(jiǎn)介：劉玉春，（1971-），女，博士，副教授，從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)方面的研究。e-mail:liuyuchun5-1-肥一體化噴灌和滴灌系統(tǒng)在我國(guó)不穩(wěn)定灌溉地帶和水稻灌溉地帶，在大田作物生產(chǎn)中的應(yīng)用還很有限，而且這種狀況在我國(guó)會(huì)一直延續(xù)下去。4550556065707580與噴灌和滴灌技術(shù)相比，地面灌溉技術(shù)仍然是當(dāng)今世界各國(guó)應(yīng)用最普遍的農(nóng)田灌

9、溉技術(shù)，根據(jù) fao 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)1，美國(guó) 2005 年總灌溉面積 2472.2 萬(wàn)公頃，地面灌溉面積 1077.4萬(wàn)公頃，占總灌溉面積的 43.6%；我國(guó) 2006 年總灌溉面積 6293.8 萬(wàn)公頃，地面灌溉面積 5933.8萬(wàn)公頃，占總灌溉面積的 94.3%。地面灌溉具有供水壓力低、灌水流量大，灌水速度快，更適宜與農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)。但地面灌溉技術(shù)也存在以下問(wèn)題亟需改進(jìn)：（1）田間灌水施肥設(shè)施貧乏，地面灌溉技術(shù)仍沿用傳統(tǒng)的田間開(kāi)挖臨時(shí)毛渠引水入畦、入溝的灌水方式，施肥也大多采用人工撒肥的方式施肥，灌溉系統(tǒng)最后一公里缺乏田間配套設(shè)施，如此的“毛細(xì)血管”不足，盡管“骨骼”強(qiáng)壯，卻也削弱了

10、渠道防滲等節(jié)水灌溉工程效益的發(fā)揮。由此導(dǎo)致田間水肥利用效率較低，據(jù)研究我國(guó)地面灌溉條件下平均田間灌溉水利用效率為 52%2，肥料利用效率在 9%72%之間，平均 35%3。改進(jìn)地面灌溉施肥技術(shù)具有較大的節(jié)水節(jié)肥潛力。（2）地面灌溉灌水勞動(dòng)強(qiáng)度大，用工多、而我國(guó)的勞動(dòng)力成本日益增長(zhǎng)，從而灌水成本也提高了，成為制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一大瓶頸，2012 年河北省易縣約 2 萬(wàn)畝麥田出現(xiàn)季節(jié)性的拋荒，澆水難和澆水貴是原因之一4。針對(duì)地面灌溉仍然是大田作物主要灌水技術(shù)的現(xiàn)實(shí)，水肥一體化噴灌和滴灌系統(tǒng)耗能高、投資高、對(duì)水質(zhì)要求高的問(wèn)題，本文提出了一種田間水肥一體化地面灌溉系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)壓施肥器和地面灌溉灌水器實(shí)現(xiàn)地

11、面灌溉的水肥一體化。2 田間水肥一體化地面灌溉系統(tǒng)的組成目前美國(guó)和澳大利亞等國(guó)在渠灌和管灌系統(tǒng)中采用虹吸管和閘管等地面灌溉配水設(shè)備，其中田間閘管灌溉系統(tǒng)由移動(dòng)軟管和管道上配置的多個(gè)供水閘門組成，可以替代毛渠完成田間輸配水過(guò)程，國(guó)家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心十五期間在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的基礎(chǔ)上，自主研制開(kāi)發(fā)了田間閘管灌溉系統(tǒng)5，具有節(jié)水、節(jié)能、省地、投資少等優(yōu)點(diǎn)，但未考慮與施肥的結(jié)合，因此需要進(jìn)一步研發(fā)相關(guān)配套設(shè)備以實(shí)現(xiàn)畦灌和溝灌的水肥一體化。北京市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站與溝灌技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了一套簡(jiǎn)易溝灌施肥裝置6 ，將覆膜溝灌水肥一體化技術(shù)應(yīng)用在果樹(shù)和蔬菜的灌溉中，目前正在試驗(yàn)中。李石開(kāi)和李波

12、發(fā)明了大田水肥一體化集中供給系統(tǒng)7，提出了一套實(shí)現(xiàn)地面灌溉水肥一體化的施肥裝置，但系統(tǒng)需要用電，不方便大田中與渠道和低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)使用。王樹(shù)奇發(fā)明了農(nóng)田灌溉配水軟管8，提出了地面灌溉田間灌水裝置。這些探索研究為實(shí)現(xiàn)地面灌溉水肥一體化奠定了基礎(chǔ)。本文提出的田間水肥一體化地面灌溉系統(tǒng)，由進(jìn)水管道、施肥器、田間輸水管道和田間灌水器四部分組成，見(jiàn)圖 1。進(jìn)水管道從水源取水進(jìn)入田間輸水管道和施肥器。施肥器由溶肥罐及其安裝在溶肥罐前后的進(jìn)水軟管和出水軟管組成，進(jìn)水軟管通過(guò)閥門與田間輸水管道相連引水溶肥，出水軟管通過(guò)閥門與田間輸水管道相連將水肥混合液送進(jìn)田間輸水管道；溶肥罐上面有進(jìn)肥口，上面可固定可調(diào)

13、開(kāi)度的漏斗將肥料直接均勻地投加到溶肥灌中實(shí)現(xiàn)干式進(jìn)肥，也可將沼液等液體肥料通過(guò)進(jìn)肥口引入溶肥罐實(shí)現(xiàn)濕式進(jìn)肥。田間輸水管道用以取代地面灌溉中的渠道（一般為農(nóng)渠）輸水進(jìn)入地面灌溉灌水器，依據(jù)水源流量大小、田塊大小和每條田間輸水管道上地面灌水器的數(shù)量，可設(shè)計(jì)多條田間輸水管道，可用作全移動(dòng)輸水管道。地面灌溉灌水器是田間分水軟管和出水口為一體、在生產(chǎn)過(guò)程中一次性成型的地面灌溉灌水設(shè)施，包括單向供水的地面灌溉灌水器和雙向供水的地面灌溉灌水器兩種類型，是水肥-2-一體化地面灌溉系統(tǒng)區(qū)別于水肥一體化噴灌和滴灌系統(tǒng)的灌水設(shè)施，地面灌溉灌水器用以取代地面灌溉中的田間臨時(shí)毛渠配水至田間灌水溝或灌水畦，是水肥一體化地

14、面灌溉技術(shù)能夠859095100105得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。地面灌溉施肥器和灌水器是實(shí)現(xiàn)田間水肥一體化地面灌溉的關(guān)鍵施肥和灌水設(shè)施，服務(wù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)象十分廣泛，如小規(guī)模的日光溫室大棚、蔬菜種植，大規(guī)模的大田作物種植、蔬菜種植、果樹(shù)生產(chǎn)等均可以采用。目前市場(chǎng)上的壓差式施肥罐、文丘里施肥器等施肥裝置，需要的壓力較高，多在噴灌和滴灌系統(tǒng)中使用，不便于渠道和低壓輸水灌溉管道中應(yīng)用，而本文提出的地面灌溉無(wú)壓施肥器則可以實(shí)現(xiàn)在渠道和低壓輸水灌溉管道中應(yīng)用。利用市場(chǎng)上現(xiàn)有的多種型號(hào)和多種材質(zhì)的管材和管件能夠組裝成具有同樣功能的地面灌溉施肥器和灌水器，但成本高，水力性能不可靠，也不方便廣大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用戶使用。亟需開(kāi)

15、發(fā)簡(jiǎn)便實(shí)用、價(jià)格合理的施肥器，亟需開(kāi)發(fā)田間分水軟管和出水口為一體、在生產(chǎn)過(guò)程中一次性成型的地面灌溉灌水器，并提供多種規(guī)格、多種材質(zhì)、多種價(jià)位的地面灌溉施肥器和灌水器供廣大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用戶選用，為地面灌溉用戶提供成本低、方便農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用戶安裝使用的灌水施肥設(shè)施。鑒于我國(guó)廣大的地面灌溉面積、勞動(dòng)力成本的逐年提高，地面灌溉的水肥一體化設(shè)施將是一個(gè)廣闊的市場(chǎng)。圖1 田間水肥一體化地面灌溉系統(tǒng)示意圖fig. 1 sketch of surface fertigation system3 田間水肥一體化地面灌溉系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)田間水肥一體化地面灌溉系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)包括：（1）灌水畦和灌水溝設(shè)計(jì)：田間水肥一體化

16、地面灌溉系統(tǒng)的地面灌溉灌水器直接向灌水畦和灌水溝供水。需要考慮地形條件、作物種類、種植模式、農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)的要求進(jìn)行-3-畦田或灌水溝布置，畦灌時(shí)設(shè)計(jì)畦田長(zhǎng)度、寬度和畦埂，溝灌時(shí)設(shè)計(jì)灌水溝間距、長(zhǎng)度和灌水溝斷面，具體設(shè)計(jì)要求可參考地面灌溉相關(guān)文獻(xiàn)9,10,11。（2）地面灌溉灌水器的選擇和布置：地面灌溉灌水器垂直于灌水溝或畦田長(zhǎng)度方向布置，根據(jù)地形條件確定單向供水還是雙向供水，田塊坡向單一時(shí)采用單向供水，灌水器間距110115120125130135140145等于灌水溝或畦田的長(zhǎng)度；地形有起伏時(shí)采用雙向供水，灌水器間距等于灌水溝或畦田的長(zhǎng)度的二倍。灌水器的長(zhǎng)度和數(shù)量依據(jù)田塊大小確定。灌水器出

17、水口的流量和出水口的間距是選擇地面灌溉灌水器的技術(shù)參數(shù)，出水口流量根據(jù)田間土壤性質(zhì)、地面坡度和畦田或灌水溝長(zhǎng)度計(jì)算，并依據(jù)目前地面灌溉的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)選擇，畦灌時(shí)參考畦田入畦單寬流量確定，溝灌時(shí)參考入溝流量確定；出水口間距則依據(jù)田間灌水溝或畦田間距選擇。（3）田間輸水管道的規(guī)劃設(shè)計(jì)：依據(jù)田塊大小、地形情況、地面灌溉灌水器的布置情況，確定田間輸水管道的間距和條數(shù)。依據(jù)地形條件確定田間輸水管道是單向供水還是雙向供水，據(jù)此確定田間輸水管道的間距；單向供水時(shí)田間輸水管道的間距為灌水器長(zhǎng)度，雙向供水時(shí)依據(jù)田塊地形、灌水器的布置確定。根據(jù)田間輸水管道所控制的灌水器條數(shù)、出水口數(shù)量和出水口流量從尾端分段計(jì)算至

18、首端確定田間輸水管道的流量，據(jù)此計(jì)算確定適宜管徑。（4）地面灌溉施肥器的選用和布置：依據(jù)田間輸水管道的流量和管徑大小、選擇容量適宜、管徑適宜的施肥器。田塊面積較小時(shí)，可以將施肥器安裝在供水管道上，多條田間輸水管道共用一個(gè)施肥器；田塊面積較大時(shí)，或田塊分屬不同的農(nóng)戶時(shí)可以分戶設(shè)置田間輸水管道和施肥器，并在田間輸水管道的首端安裝水表以方便計(jì)量收費(fèi)。（5）供水管道設(shè)計(jì)：根據(jù)供水管道控制的田間輸水管道條數(shù)和流量從尾端分段計(jì)算至供水管道取水部位，確定供水管道的流量，據(jù)此計(jì)算確定適宜管徑。結(jié)合水源流量大小確定一次供水同時(shí)工作的田間輸水管道數(shù)目，一次供水無(wú)法供給全部田間輸水管道時(shí)，將田間輸水管道劃分成輪灌組

19、，分組輪灌供水。4 田間水肥一體化地面灌溉系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（1）系統(tǒng)通過(guò)簡(jiǎn)易灌水施肥裝置融灌溉和施肥于一體，實(shí)現(xiàn)了地面灌溉的水肥一體化，可以使地面灌溉這一古老的灌水方法煥發(fā)新的生機(jī)。田間水肥一體化地面灌溉系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大田作物的小定額灌溉，提高大田作物的水肥利用效率，同時(shí)可以減少灌水施肥用工，降低大田作物的生產(chǎn)成本，為大田作物糧食生產(chǎn)奠定良好的基礎(chǔ)。（2）系統(tǒng)地面灌溉灌水器為無(wú)壓出流、流量大，因此對(duì)水源水壓和水質(zhì)要求低，可直接從低壓輸水灌溉管道出水口取水，可通過(guò)渠道取水設(shè)備從引渠道引水，也可通過(guò)地形高差或水泵加壓與田間的坑塘、水窖和水池等小水源相連使用，可以增加山丘區(qū)小水源的灌溉面積和方便程度，因此可

20、以充分利用田間的水源條件，具有低碳環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。（3）田間輸水管道和地面灌溉灌水器結(jié)合使用，替代田間農(nóng)渠和臨時(shí)毛渠，可完成從渠道斗渠到田間灌水溝或灌水畦的直接配水，解決了渠道和低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)的田間輸配水問(wèn)題，既可以大大減少田間輸水的滲漏損失，提高田間水利用效率，又可以增加輸水速度，提高灌區(qū)的灌水效率，能夠緩解大田作物關(guān)鍵期灌水時(shí)間緊任務(wù)重的問(wèn)題。（4）結(jié)合田間水源條件、地塊條件、土質(zhì)條件、作物種植條件，田間水肥一體化地面灌溉系統(tǒng)可大可小，可以配置多條田間輸水管道和多條田間灌水器，施肥器則依據(jù)所控制田塊的施肥要求設(shè)計(jì)。與噴灌和微灌灌水器相比，地面灌溉田間灌水器間距大、數(shù)量少，使用時(shí)每個(gè)灌水畦或灌水溝配置一個(gè)出水口，多余的部分彎折壓在田間灌水器底部，鋪設(shè)簡(jiǎn)單一-4-次完成，灌溉完畢將田間灌水器盤卷收回即可，便于運(yùn)輸、存放或移澆另一片土地，因此便于移動(dòng)，便于與農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)相結(jié)合。田間輸水管道和田間灌水器可以選用不同管徑和管材，投資可高可低。既適用于單農(nóng)戶、小地塊如日光溫室大棚使用，也適用于種糧大戶大規(guī)模灌水施肥使用。1501551605 結(jié)論本文針對(duì)