基于模糊控制的肥液自动混合装置设计与试验

为提高混肥精度,该文在基于脉宽调制的文丘里变量施肥装置的基础上,对其结构进行了改进,并利用电导电极设计了一个电导率测量仪用以实时反馈肥液浓度,使之构成一个闭环控制的自动混肥装置。该装置采用粗细2级调节的控制策略,首先根据检测的入口水压调用对应的函数关系,自动调节电磁阀PWM（pulse width modulation）控制的占空比进行混肥;然后以电导率测量仪实时反馈混肥浓度,并采用模糊控制算法进一步细调PWM的占空比,使混肥浓度尽量逼近目标浓度。试验结果表明,电导率测量仪的有效测量范围为0~12.64 mS/cm,它所测量的电导率与肥液浓度呈显著的线性关系,其决定系数R2为0.997。对混肥装置进行了实测验证,结果表明混肥时的最大浓度误差为0.04%,控制装置达到稳态的响应时间为7.8～10.4 s,能满足实际应用的要求。     

球混式精准灌溉施肥系统的设计与试验

针对作物灌溉施肥不均匀,存在多施少施,肥料浓度过高等现象严重,该文设计了一种能实现自动灌溉、施肥、配方、混肥为一体的球混式水肥灌溉系统。该文详细描述了灌溉施肥系统的装置结构、自动控制系统、上位机软件设计,研究了配肥子系统特点和控制算法。根据不同作物的不同需要,对营养液的EC值(电导率间接反映营养液的浓度)和p H值(酸碱度)进行精确控制和实时调节,并利用嵌入式技术、变频技术、自动控制技术以及计算机信息技术开发灌溉施肥自动控制系统,实现灌区的自动灌溉施肥。试验证明,该系统EC、p H值调节品质好,性能稳定可靠,组装简便,操作人性化,实用性强,有利于推广使用。该研究为精准灌溉施肥系统的进一步研究提供了参考。     

自控变频调速式灌溉水注肥装置的研究

为现代农业节水灌溉与精准施肥所需的配套注肥装置的开发,研究采用输液泵将肥料原液和酸碱调节液强行注入灌溉管网,并与灌溉水按比例混合获得一定浓度和酸碱度(EC & pH)的灌溉液。灌溉液浓度和酸碱度通过EC传感器和pH传感器检测并反馈PLC控制系统,通过变频调速进行EC值与pH值动态调节,实现节水灌溉系统的精准施肥灌溉。采用自控变频调速技术的灌溉水注肥装置经过实际运行,完全满足设计要求,可实现灌溉液的正常输送和EC值与pH的动态调节。特别是射流自吸泵变频调速技术的实现,不仅有效实现了灌溉液浓度（EC值）的动态调节,同时降低了设备成本,完全可用于节水灌溉注肥装置的开发。     

温室水肥一体化营养液调控装备设计与试验

针对当前温室生产中用水效率普遍较低、肥料使用量较高的问题,有必要对水肥一体化营养液调控及灌溉技术进行深入研究,探索适合中国具体情况的,低成本的水肥一体化营养液灌溉模式和相关农业装备。该文设计了一种水肥一体化营养液调控装备,根据营养液制备装置特点和制备过程,建立了营养液制备系统二阶数学模型,并利用增量式PID(proportion integration differentiation,比例-积分-微分)算法和改进Smith预估器对营养液的制备过程进行精确控制;利用EC传感器和p H传感器实时检测营养液的制备情况,并且通过驱动相应的继电器实现营养液的调控。试验结果表明,该水肥一体化营养液调控装备30 s左右可以进入营养液调控的稳定阶段(EC值误差在±0.1 m S/cm),系统达到规定的EC值的响应时间不超过60 s,使用该装备能够快速、精确的实现营养液的调控。     

基于称量反馈的设施番茄灌溉系统的构建与应用

为提高设施番茄灌溉的精准性,该研究设计了一种基于称量反馈的灌溉系统,该系统包括称量反馈模块、多源信息采集传输模块、灌溉决策模块与水肥执行模块。称量反馈灌溉决策首先利用卫星定位模组获取灌溉地经纬度信息自动计算当天的日出时刻、日落时刻、日中时刻,结合椰糠条吸水特性与番茄植株日需水量变化规律,把1 d自动划分为4个不同的动态灌溉阶段;根据温室内温湿度信息及排液电导率（electrical conductivity,EC）值反馈的番茄植株根部信息,制定了一般模式灌溉肥液或洗盐模式灌溉清水（或低浓度营养液）。设计试验以基于辐射累积控制灌溉、定时灌溉作为对照,分别从栽培效果、灌溉效果、应用效益方面验证该灌溉系统的应用效果。结果显示使用该称量反馈灌溉系统比基于辐射累积控制灌溉系统灌溉量增加1.8%,用肥量减少7.3%,排液比降低7.9%,排液EC值降低9.3%;与定时灌溉方式相比灌溉量减少11.3%,用肥量减少20.0%,排液比降低17.9%,排液EC值降低4.9%。栽培效果显示,使用该称量反馈灌溉系统的椰糠条栽培番茄在茎粗、叶片叶绿素相对含量、糖度值、单穗质量和基于辐射累积的控制灌溉相比无显著性差异（P>0.05）,但株高增加4.8%;与定时灌溉相比在株高、茎粗、叶片叶绿素相对含量、糖度值、单穗质量均无显著性差异（P>0.05）。预计使用该称量反馈灌溉系统,园区15栋日光温室（1.22 hm²）相比基于辐射累积控制灌溉,应用效益月节约0.276万元,与定时灌溉方式相比,园区月节约2.247万元。该系统简化了番茄植株需水量的计算过程,实现了番茄栽培水分的精准感知与按需精量灌溉。     

不同浓度微咸水灌溉对土壤水盐分布及冬小麦生长的影响

[目的] 微咸水灌溉是缓解农业用水紧张、保障粮食生产的重要途径之一,但灌溉水中的可溶性盐会导致土壤盐分累积,进而影响作物生长,寻求适宜的灌溉水盐分浓度是咸水、微咸水资源得到安全利用的有利保障。[方法] 研究采用遮雨盆栽试验种植冬小麦,以去离子水为对照(CK),添加氯化盐形成不同浓度的微咸水处理,灌溉水电导率(EC_w)分别为:0.26(CK),3.00(S1),5.26(S2),7.07(S3),9.24(S4) dS/m,研究土壤水盐分布和冬小麦生长、光合生理及产量形成的响应。[结果] 不同浓度微咸水灌溉下土壤含水率、土壤含盐量随盐分浓度的增加而增大。当灌溉水电导率为9.24 dS/m时,土壤含水率分别比CK高5.43%(0—10 cm),4.21%(10—20 cm),4.98%(20—40 cm);冬小麦收获后CK及S1-S4处理下0—40 cm土层土壤饱和浸提液电导率(ECe)分别为0.66,4.89,7.88,9.34,10.16 dS/m;与CK相比,灌溉水电导率为3.00,5.26 dS/m时,冬小麦生长、光合生理指标、产量无显著差异,而为7.07,9.24 dS/m时显著降低,当灌溉水电导率为9.24 dS/m时,冬小麦净光合速率、最大株高、最大叶面积、成熟期地上部干物质量、根系干物质量及产量相比CK分别降低71.00%,2.81%,15.33%,15.55%,47.25%,27.53%。利用FAO分段函数拟合计算得冬小麦灌溉微咸水电导率阈值为5.82 dS/m,超过该值,每增加1 dS/m,冬小麦相对产量下降8.80%。[结论] 综上所述,灌溉水盐分浓度越高,对土壤水盐分布及冬小麦生长的影响越大,5.82 dS/m为冬小麦的灌溉微咸水电导率阈值。综合考虑冬小麦生长、光合生理指标及土壤理化性质,建议使用微咸水灌溉冬小麦时,EC_w不宜超过5.82 dS/m。该研究结果可为微咸水安全利用提供理论支撑。     

水稻田间育秧水肥药变量喷灌装置设计与试验

为解决南方水稻工厂化田间育秧水肥药人工管理作业中存在的灌溉均匀性差、化肥和农药浪费以及劳动强度大等问题,该研究设计了一种水稻田间育秧水肥药变量喷灌装置,阐述了水肥药变量喷灌装置总体结构和工作原理,进行了关键部件设计与试验;以可编程逻辑控制器（programmable logic controller,PLC）为控制核心,构建了注肥量在线调控及整机变量喷灌控制系统。采用Box-Behnken试验设计方法,对装置喷灌均匀性与主要影响因素进行试验研究,应用单目标优化方法对喷灌关键参数进行优化,并通过验证试验,得到最优参数组合为：干管入口水压0.20 MPa、球阀开度90°、喷头喷角80°,此时装置的喷灌均匀性为92.69%;构建了氯化钾肥液质量浓度与电导率（electrical conductance,EC）值的线性模型,开展了装置变量灌溉施肥性能试验,3种喷灌等级下各作业区的肥液EC值分别为1.65、1.66和1.68 mS/cm,平均喷灌强度分别为900.85、1092.04和1263.67 mm/h,施肥均匀系数分别为85.21%、87.86%和91.62%。采用水肥药变量喷灌装置开展水稻育秧田间管理试验,华航51常规稻和广8优165杂交稻的秧苗长势均匀度均高于95%,成毯性良好,各项素质指标满足机插作业要求。所设计的水肥药变量喷灌装置能够满足水稻田间育秧水肥药变量喷灌作业要求,对提高水稻工厂化田间育秧机械化水平、保证秧苗质量具有实际应用价值。     

基于二次混合机构的营养液调控模型与PID算法实现

封闭式栽培是解决中国日光温室传统栽培连作障碍问题的有效途径之一。营养液调控过程的性能指标是封闭式栽培模式的关键。该文针对一种具有二次混肥特性的营养液调控过程进行动态分析并建立模型,使用PID控制算法实现了营养液调控,并对影响因素进行对比试验。试验结果表明,系统达到稳定的时间随出液流量的减小或营养液浓度之和的增大呈现减小的趋势;系统震荡持续时间与超调量随出液流量的减小或营养液浓度之和的增大呈现增大的趋势。由试验结果与分析可知,该带有二次混肥的封闭式栽培系统中最优的出液流量与营养液浓度之和分别为6 m3/h与200 g/L,在此状态下进行PID控制参数整定,得到系统在最优条件下稳定时间为100 s、超调量为3%、震荡持续时间为25 s。表明该带有二次混肥的封闭式栽培系统的营养液调控过程能使用PID算法进行调控,能使系统实现稳定、高效的运行。该研究为封闭式栽培的营养液调控提供了参考。     

基于双吸肥口的低压文丘里施肥器设计与试验

为降低文丘里施肥器的吸肥临界进口压力,使之适用于低压灌溉施肥系统,设计了一种双吸肥口文丘里施肥器。选取喉管收缩比、收缩段角度、扩散段角度和喉管长径比4个结构参数,采用正交试验设计方法,构建16种结构参数组合方案,运用CFD模拟技术对每种方案的吸肥性能进行模拟,以吸肥性能为评价指标确定最佳结构参数组合,并根据最佳结构参数组合试制文丘里施肥器原型样品,并在0~0.15 MPa进口压力范围内对其吸肥性能进行分析。结果表明,最佳结果参数为:喉管收缩比为0.3、收缩段角度为20?、扩散段角度为8°、喉管长径比为1.1。最佳结构文丘里施肥器试制样品实测结果与模拟分析结果一致,在相同进口压力下各个实测值均略小于模拟分析值,实测与模拟吸肥量、进口流量比、肥液浓度和吸肥效率的均方根误差分别为0.22 L/min、0.96%、0.93%和0.68%。在相同进口压力下,相比于相同结构参数的单吸肥口文丘里施肥器,模拟得出的吸肥量提高了90%,进口流量比提高了85%,肥液浓度提高了80%,吸肥效率提高了80%,表明双吸肥口施肥器的吸肥性能比单吸肥口施肥器有较大提高;双吸肥口施肥器实测临界进口压力为0.007 MPa,当进口压力为0.05 MPa时其吸肥浓度可达13.6%,与现有文丘里施肥器相比,在获得同等或更高的吸肥性能时具有更低的工作进口压力,更适用于低压滴灌系统。     

土壤溶液浓度的野外测定方法研究

为寻求一种野外快速有效测定土壤溶液浓度的方法,于新疆自治区南疆地区开展了田间试验。利用负压计监测土壤水分,在土壤达到饱和时,在相同深度分别借助土钻和土壤水提取器同时取土样和土壤水样,利用电导率仪测定土壤电导率(EC1:5)和饱和土壤电导率(ECe),使用火焰光度计和滴定法测定土壤水溶液浓度(C),并利用SPSS17.0软件对实测数据进行线性回归分析及检验。结果表明,南疆砂壤土条件下,EC1:5值在0~10000μS/cm范围内,EC1:5与土壤总盐含量呈显著线性关系土壤ECe可用土壤EC1:5进行推算,二者关系系数可以根据饱和重量含水量确定在土壤达到饱和,EC1:5在0~3000μS/cm时,土壤溶液浓度与EC1:5呈显著线性关系。因此,通过野外测得土壤样品的EC1:5,并确定其适用条件后,根据相关关系可直接计算得到ECe和C。     

基于土壤电导率控制的养分供给对设施番茄生长、产量和品质的影响

我国设施蔬菜生产中缺乏有效决策指标来引导养分的科学投入,过量施肥已成为设施农业可持续发展的主要瓶颈。选用土壤电导率（EC）作为控制养分投入的决策指标,探索不同土壤EC对番茄生长、产量以及品质的影响,为未来智能化设施生产提供科学依据。通过在设施番茄体系实地试验,运用可视化电导率传感器对土壤进行实时监测,并结合水肥一体化设备进行养分投入,通过测定不同土壤EC对应的番茄生长、产量以及品质指标来分析最适合番茄生长的土壤EC。结果表明,番茄的株高、茎粗、叶片SPAD值等指标与土壤EC呈二次曲线关系,通过营养生长末期建立的二次曲线拟合得出株高在EC为4.03 mS/cm时达到最大值,茎粗和叶片SPAD值分别在EC为2.93和2.54 mS/cm时达到最大值;干物质累积量和产量也与土壤EC呈二次曲线关系,通过模型拟合得出番茄干物质累积量在EC为2.97 mS/cm时达到最大值,单果重在EC为3.19 mS/cm时达到最大值;外形品质和营养品质多个指标也与土壤EC呈二次曲线关系,模拟结果显示番茄商品果率在EC为2.77 mS/cm时达到最大值,番茄可溶性糖、有机酸、维生素C分别在EC为2.94、3.1...     

Irrigation water salinity affects soil nutrient distribution,root density,and leaf nutrient levels of citrus under drip fertigation 1

The purpose of this study was to determine the effects of irrigation water salinity on soil nutrient distribution, citrus leaf nutrition and root density. Irrigation water, salinized to an EC of about 0.3,1.6, or 2.5 dS/m using a 3:1 ratio of NaCl:CaCl₂ plus uniform weekly applications of liquid fertilizer, was applied through a drip system. Soil samples were taken at depths of 0–15 and 15–30 cm, both directly under the drippers and 45 cm outward from the drippers, near 8‐year old ‘Valencia’ orange trees on either Carrizo citrange or Sour orange rootstocks growing in a Candler fine sand in lysimeter tanks.

In both undisturbed and uniformly mixed soil profiles, soil pH and concentrations of Na, Ca, and P were higher under the dripper than 45 cm outward from the dripper at both depths regardless of salinity level. Soil N and Cl tended to be higher outward from the drippers than near the drippers, except in undisturbed soil at the 0–15 cm depth. Increasing salinity levels in the mixed soil profile not only increased soil EC, Na, Cl, and Ca, but also increased the concentration of P and decreased the concentration of Mg.

Root density of both rootstocks were increased by high salinity. Root densities and organic matter percentages were higher in soil sampled under drippers than that sampled outward from drippers. Leaf nutritional values and responses to salinity were dependent on rootstock as trees on sour orange had higher K and Ca, but lower Mg and Cl than trees on Carrizo. Although there were no nutrient deficiencies, K of trees on Carrizo citrange and Mg of trees on sour orange were rereduced by high salinity. An increase in leaf Ca concentrations when irrigated with salinized irrigation water likely minimized the effects of salt stress.     

营养液浓度对甜瓜幼苗生长和光合特性的影响

以厚皮甜瓜皇后为试材,研究了不同营养液浓度对基质积盐和甜瓜幼苗生长、光合特性的影响。结果表明,EC2mS/cm的高浓度营养液导致幼苗根际出现盐分的积累,影响幼苗光合特性;叶片细胞超微结构出现一定程度的盐害症状,细胞质空泡化,叶绿体肿胀、球形化,超微结构发生解体,净光合速率下降;但单株叶面积、叶绿素含量与营养液浓度呈正相关。因此,甜瓜穴盘育苗,营养液浓度不应超过2.0mS/cm,以保持在1.5～2.0mS/cm之间为宜。     

基于数值模拟的射流式吸肥器结构尺寸优化及性能试验

为提高射流式吸肥器的吸肥性能,使其满足水肥一体化灌溉系统中的大吸肥量需求,该研究以大吸肥量和高吸肥效率为目标,对射流式吸肥器内部结构尺寸进行优化设计。选取表征吸肥器结构的4个参数即吸肥腔收缩角、吸肥腔直径、喉部直径比以及喉部收缩比作为结构优化参数,以吸肥量、进口流量比、吸肥浓度、吸肥效率作为评价吸肥器吸肥性能的4个指标,运用CFD数值模拟和试验相结合的方法,确定吸肥性能最优的结构组合参数,并利用3D打印技术制作最佳结构参数的吸肥器实体,对其在不同进口压力下的吸肥性能进行分析。结果表明:在相同进口压力下,吸肥性能评价指标随吸肥腔收缩角、吸肥腔直径和喉部直径比的增大呈先增大后减小的趋势,均存在吸肥性能峰值;而随喉部收缩比增大,吸肥量逐渐增加,进口流量比、吸肥效率、吸肥浓度值明显降低;根据模拟结果确定了吸肥器最佳结构参数组合为吸肥腔收缩角80°、吸肥腔直径22 mm、喉部直径比2.5、喉部收缩比0.2。在0.15～0.30 MPa压力范围内,吸肥器优化后相比优化前的吸肥量和吸肥效率分别增大76%～107%和22%～42%。优化后的射流式吸肥器吸肥性能得到显著提高,适用于大吸肥量需求的水肥灌溉系统。     

肥料类型及浓度对水肥一体化浑水滴灌滴头输沙能力的影响

为研究浑水水肥一体化灌溉过程中,不同肥料对滴头输沙能力的影响,合理配置滴灌系统首部的过滤设备和设施,降低过滤设施的成本,提高滴灌系统工作效率,选取了常用的3种肥料(尿素、硫酸钾和水溶性复合肥)及其3种肥料质量分数(1%、2%和3%),在含沙量为1 g/L的浑水条件下进行间歇灌水堵塞试验,分析了滴头累积泥沙输出量、出流含沙量和泥沙输出率。结果表明:浑水施肥可以增强滴头的输沙能力,肥料类型和浓度不同,对滴头输沙能力的影响也不同。滴头输沙能力随着尿素浓度的增大而增大,当尿素质量分数为3%时,滴头输沙能力比未施肥处理增加了11%(P0.05)。滴头输沙能力随硫酸钾和复合肥浓度的增大而减小,当硫酸钾质量分数为1%时,滴头输沙能力大于未施肥处理,增大了25%;当复合肥质量分数2%时,滴头输沙能力小于未施肥处理。标准化的累积泥沙输出量与标准化的累积灌水量的拟合直线斜率也可作为滴头输沙能力的判断依据,肥料质量浓度是影响滴头输沙能力的重要因素,应根据不同的肥料类型,确定适宜的施肥浓度。研究结果对确定滴头防堵塞策略提供一定的参考。     

咸水灌溉沙地后的水盐运移规律

实地观测不同深度土壤含水率、基质势、土壤溶液含盐率 ,利用定位通量法和盐分均衡法 ,研究了咸水小畦灌条件下塔克拉玛干沙漠土壤的水盐运移规律。结果表明 :(1)在小畦灌条件下 ,停止灌水后 2 4h ,91.2 5 %的灌水渗入 15 0cm土层以下 ;停止灌水后 72h ,96.6%的灌水渗入 15 0cm土层以下 ,此时 ,0～ 15 0cm土层土壤平均含水率为 0 .0 5 3cm3cm- 3,此后土壤含水率缓慢下降。 (2 )秋季停灌后 ,土壤表面蒸发量在 2～ 6mm。停灌后 2h ,上行水区域在 0～ 2 0cm土层 ;停灌后 60h ,上行水区域在 0～ 90cm ;此后至停灌后 14 4h ,上行水深度稳定在地下 90cm。 (3 )咸水灌溉后 ,80cm以上土层土壤溶液含盐率明显下降 ,以下土壤溶液含盐率变化不明显。停灌 2 4h后 ,0～ 15 0cm土层液相盐分储量开始降低 ,至停灌后 14 4h ,0～ 15 0cm土层液相储盐量相当于灌水前的 5 3 .46%。 (4 )停止灌水后 ,10 0cm× 10 0cm地面日平均积盐量在 13～ 3 5g。     

Effect of nutrient solution concentration on photosynthesis,growth, and content of the active substances of passionfruit 1

The objective of this study was to investigate the effects of exposure of passionfruit plants (Passiflora edulis Sims. var edulis) to five different electrical conductivity (EC) levels (1.2, 2.3, 4.5, 6.8, and 9.0 mS/cm) of the nutrient solution on net gas exchange (Pn), content of chlorophyll, the biologically active substances, vitexin and orientin, total biomass production, and morphological traits using plants grown in a greenhouse. Important traits, such as plant height, number of internodes, and leaf number per plant were significantly influenced and showed a linear relation to the increased EC levels of the solution. The highest biomass production, chlorophyll concentration, net carbon dioxide (CO₂) assimilation and leaf area were obtained at an EC of 6.8 mS/cm. At an EC level of 9.0 mS/cm, the growth of the plants was depressed and photosynthetic rate sharply declined. The highest photosynthetic rate (8.45 μmol/m²/s) was measured at an EC of 6.8 mS/cm and a photosynthetic photon flux of 1600 μmol/m²/s. The trend of photosynthesis was closely related to those of chlorophyll content, transpiration and mesophyll conductance. There was significant regression relating the shoot yield to increasing EC of the nutrient solution. The leaf chlorophyll content increased from 0.70 mg/g (75 mg/m²) at an EC of 0 to 1.74 mg/g at an EC of 6.8 mS/cm. The leaf water potential sharply declined with the increasing EC levels. The specific leaf area was high at EC of 2.3,4.5, and 6.8 mS/cm. The mean ratio of the root to the shoots decreased as EC was increased up to 6.8 mS/cm. Orientin content was the highest (168 mg %) at an EC of 9.0 mS/cm, having a linear effect, while the lowest vitexin content (36 mg %) was achieved at an EC of 6.8 mS/cm. The results suggest a positive role of increasing nutrient solution EC for orientin accumulation than to vitexin.     

灌溉水磁化处理对水肥一体化滴灌滴头堵塞的影响

为探究灌溉水磁化处理对引黄灌区水肥一体化滴灌滴头堵塞的影响,该研究针对内镶片式滴头,设置磁化强度为0.2、0.4和0.6 T,对照组为未磁化处理,并配置质量份数为2 %的硫酸钾肥、尿素和复合肥浑水（泥沙浓度为3.0 g/L）,采用短周期间歇性灌水试验。结果表明：磁化极显著减缓滴头流量与灌水均匀度的下降趋势（P<0.01）,不同肥料适合的最佳磁化强度不同,磁化强度为0.4 T时,对硫酸钾肥与复合肥混合液的灌水均匀度下降的减缓作用最大,磁化强度为0.2 T时,对尿素混合液的灌水均匀度下降的减缓作用最大;灌溉水磁化后,硫酸钾肥和复合肥处理毛管前段堵塞滴头的数量增加,尿素处理的减少;磁化处理显著影响滴头堵塞敏感粒径的沉降和运动,显著增加了硫酸钾肥与复合肥混合液在毛管中淤积泥沙的敏感粒径（<0.03 mm）占比,减少了滴头输出泥沙中敏感粒径占比,尿素则相反。研究结果可为引黄灌区水肥一体化滴灌滴头抗堵塞防治措施提供参考。