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。     

模糊与PI分段调控肥液EC的优化设计与试验

设施蔬菜生产中对肥液电导率(EC)的精量调控是实现智能灌溉的关键技术之一。肥液混合过程中,由于母液浓度、吸肥方式和灌溉流量等存在差异,试验检测到的EC值会产生滞后和不稳定现象。针对上述问题,本研究设计了一种通过测量频率间接得到肥液电导率的传感器,并以MSP430单片机为主控制器构建了一套水肥调控试验系统。同时,在肥液调控方法方面设计了粗细分段控制策略,控制方法均为以输出相应的占空比来控制吸肥电磁阀的开闭。当实测EC值与目标EC值相差较大时,采用PI控制方法,能够快速缩小差距;而当两者偏差较小时,采用模糊控制可以使混肥EC值逼近设定值。此外,试验利用多管路复合式文丘里,设计了4组不同的EC目标值和4种不同的吸肥管路组合进行吸肥测试。结果表明,EC传感器间接测量到的频率与实际肥液EC值有显著的线性关系,决定系数为0.999 5,保证了测试精度。当目标EC值设定为2 m S/cm时,分段控制情况下实测EC达到稳态的用时为122 s,最大EC值为2.34 m S/cm,优于采用单PI控制的180 s和2.62 m S/cm。且目标EC值越大,稳态EC值越精确,但是稳态时延和过量超调现象更明显。本研究表明分段调控能够较好地克服EC值的过量超调,同时混肥时间和实测EC值能够满足实际需求。     

岩棉短程栽培模式中营养液对番茄生长及果实品质的影响

为实现设施番茄短程栽培过程中营养液的高效供给及标准化管理,寻求短程栽培模式中最优的营养液供给方式,在兼光型植物工厂条件下,研究了营养液电导率值(electric conductivity,EC值)、灌溉频率对番茄植株形态和果实品质的影响.试验以岩棉为栽培基质,3水平EC值为2、4和6 dS/m,3水平灌溉频率为1、3和5次/d,采用全因子试验设计方法,进行9组处理.采用综合评价方法获取最佳的营养液EC值和灌溉频率,并对植株形态和果实品质指标进行数理统计分析.结果表明:营养液EC值和灌溉频率影响植株的株高、茎粗、叶数、叶面积、叶形指数和根面比,同时也影响果实的平均质量、可溶性固形物(soluble solids content)和果形指数.其中EC值对平均果实质量影响显著(P＜0.05),灌溉频率对叶面积和平均果实质量影响极显著(P＜0.01);试验因素的交互作用对茎粗和果形指数影响极显著(P＜0.01),对SSC影响显著(P＜0.05).EC值为4 dS/m,灌溉频率为5次/d的营养液灌溉方式能兼顾植株发育和果实品质良好,该灌溉方式下SSC与平均果实质量呈极显著负相关(P＜0.01).该研究可为设施短程栽培番茄优质高产提供指导依据.     

日光温室水肥一体灌溉循环系统构建及性能试验

现有生产型日光温室灌溉普遍采用沟灌或直接利用管道进行管道输水灌溉,营养施用为复合肥随水冲施方式,缺乏精确调控手段,肥水利用率低、环境污染严重。针对这一问题,设计了一种水肥一体灌溉循环利用系统,采用地面挖沟、沟内放置袋装基质进行无土栽培的种植方法;灌溉使用水肥一体滴灌方式;构建回收管路,收集过量的水肥并实现循环利用。为了检验系统性能,在同等条件下,进行了对比试验。结果表明,与传统土栽水肥不循环模式相比,水肥一体循环循环系统用水量是传统土栽模式的69.4%,水分利用效率是传统土栽模式的1.92倍。利用该系统不但避免了对环境的污染,提高了水分利用效率,而且实现了节水、节肥的目的。     

设施葡萄智能化水肥管理体系研究

当前设施葡萄栽培中水肥盲目投入问题严重,因为缺乏灌溉决策标准导致农户实际生产中难以合理应用水肥一体化技术.利用基于NB-IoT网络传输的固态电阻传感器设备对设施葡萄根系土壤水分进行实时监测,建立了基于土壤水分张力的设施葡萄灌溉决策指标,并依托水肥一体化设备实现自动灌溉.研究结果表明:智能灌溉与施肥结合的综合管理比农户常...     

日光温室封闭式栽培系统的设计与试验

土壤连作灾害、生产资源严重浪费和环境污染已成为日光温室生产中制约其发展的瓶颈问题,为了解决这些问题,实现节水、节肥、保护环境的目的并提高温室生产的管理水平和自动化水平,该文设计了一种日光温室封闭式栽培系统。与传统栽培管理方式不同,该系统使用基质栽培代替土栽方式,采用基质袋装或塑料薄膜完全包裹的模式,实现了与外界环境的有效隔离;使用水肥一体化营养液滴灌代替水肥分离灌溉方式,回收多余营养液并循环利用;采用无线传感器网络模式,实现了温室环境信息的自动采集和发送。试验结果表明,采用封闭式栽培比传统土栽方式番茄产量提高了11.7%,水、肥用量均节省了2%（基质不同,节省水、肥量不同）,同种基质情况下,采用封闭式栽培方式,由于营养液实现了循环利用,水、肥节省率可以达到17.2%。     

椰糠条栽培番茄的蒸腾反馈智能灌溉系统研制

为满足番茄椰糠条栽培条件下自动精量灌溉的需要,该研究研制了一套蒸腾反馈智能灌溉系统,包括蒸腾检测组件、通信组件、决策组件和灌溉组件。蒸腾检测组件基于压力传感器测定番茄蒸腾量;决策组件基于椰糠条的持水特性和番茄蒸腾量的变化建立了灌溉精量控制模型,精确控制水泵启动和关闭,使灌溉量根据作物蒸腾量的多少变化,并根据回液量及其电导率(Electrical Conductivity,EC)值变化判断调用正常灌溉模式或淋洗模式,使椰糠条始终处于适宜的含水量范围内,保持一定的水气比,以利于番茄根系生长和吸收营养液,解决灌溉不足造成的干旱胁迫和灌溉太多造成的营养液浪费和回液处理量大的问题;通信组件用于各模块间信号的传递。以荷兰RIDDER公司研发的基于光辐射积累量控制的灌溉系统为对照,检验该蒸腾反馈智能灌溉系统的应用效果。结果表明,在番茄盛果期,该系统的灌溉量比对照增加9.4%,回液量减少18%,且回液EC值比较稳定;与定时灌溉相比,减少灌溉量32%,减少回液量57%,有更多的营养液被植物吸收利用。栽培效果显示,使用该系统灌溉的番茄产量、株高、节数与使用荷兰RIDDER公司研制的灌溉系统的没有显著差异,取得了与之相同的灌溉效果;而且,在5 000 m~2温室内设备设计使用年限10 a条件下,该智能灌溉系统年运行成本与之相比还降低了20.8%,并能够满足自动精量灌溉的需求。若根据基质类型不同调整灌溉控制模型参数,该系统也可应用于岩棉条栽培、混合基质盆栽等其他无土栽培的智能精量灌溉。     

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。     

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。     

基于产量品质及水肥利用率的袋培辣椒水肥耦合方案

为探究水肥耦合对袋培辣椒产量、果实品质、水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)和肥料利用率(Fertilizer Use Efficiency,FUE)的影响,构建袋培辣椒水肥精准化管理模式,该研究以'博陇(37-94)Bolon RZ F1'辣椒为对象,设3种灌溉水平(基质相对含水量70%～75%(W1)、55%～60%(W2)和40%～45%(W3))、3个营养液浓度水平(设置150%(F1)、100%(F2)、80%(F3)标准山崎辣椒营养液浓度)和2个营养液供应量(正常供应、减量供应(每次辣椒采收前6 d营养液减量40%供应))三因素耦合,共18个处理,分析各因子及其耦合效应,建立综合评价辣椒产量、WUE、FUE及果实综合品质的多目标优化模型,并利用遗传算法多目标优化法对该模型进行寻优。结果表明:灌溉量和营养液浓度单因子及其耦合效应均对辣椒产量、WUE和FUE有显著性影响,产量、WUE和FUE均随灌溉量和营养液浓度的增加先增加后降低;利用Topsis法对各处理的果实品质进行综合评价,营养液减量供应可在维持产量和WUE较高的基础上,显著提高辣椒果实综合品质和FUE;营养液减量供应下W2F2处理的辣椒产量、WUE和FUE最高,营养液减量供应下W2F1处理果实综合品质最好。遗传算法多目标优化法寻优表明营养液减量供应结合W2F2处理效果最佳。该试验条件下,高产优质的袋培辣椒水肥耦合方案为:通过灌溉将基质相对含水量控制在55%～60%,施用100%浓度的标准山崎辣椒营养液,且每次辣椒采收前6d营养液减量40%供应。该模式下的辣椒产量达到87930.52kg/hm2,果实品质综合评价贴合度达到0.742,WUE和FUE分别达到41.14 kg/m3和38.83%,此结果可为辣椒高产优质且水肥科学管理提供指导依据。     

柑橘园水肥一体化滴灌自动控制装置的研制

为实现建设有独立水池和独立液肥池的柑橘园的水肥滴灌的自动控制,研制了一个干电池供电的水肥一体化滴灌定时控制装置。该装置通过2个电磁阀的开关操作分别控制2个池中的清水和液肥进入滴灌管网的顺序和时间,实现水肥一体化滴灌的自动控制。充分利用了休眠机制和电源管理技术,其静态电流小于11.2A。经连续6个月的实际应用试验表明,装置运行稳定可靠,其电池电压仅从初始值9.35V下降为8.50V。该装置操作简单,既可以进行水肥一体化滴灌,又可以进行清水滴灌,还可以将多套装置进行组合实现轮灌以控制更大的灌溉面积,具有推广应用前景。     

Electrical Conductivity and pH Prediction in a Recirculated Nutrient Solution of a Greenhouse Soilless Rose Crop

The influence of nutrient solution (1) mixing rate, and (2) time of use on pH and electrical conductivity (EC) of a recirculated nutrient solution used for the irrigation of a greenhouse soilless rose crop was studied. Measurements of microclimate variables, pH, and EC of nutrient solutions and crop transpiration were conducted. The measurements of pH and EC values of nutrient solutions mixed with different mixing rates and applied for crop fertigation were used to develop and calibrate a model for pH and EC prediction in relation to nutrient-solution mixing rate and time of use. Application of the calibrated model gave satisfactory results. It was found that nutrient solutions with high mixing rates or volume equal to or double that of the total water consumed by the canopy during the conservation period had the most stable EC evolution and minimal pH changes.     

Modeling Salinity Build-Up in Recirculating Nutrient Solution Culture

Abstract

This paper presents a simple model for the changes in ion concentration and electrical conductivity (EC) of the recirculating nutrient solution in a closed-loop soilless culture of tomato (Lycopersicon esculentum Mill.). The model was designed on the basis of a balanced equation for plant nutrient uptake: for macrocations (K⁺, Mg²⁺ and Ca²⁺), a linear dependence of concentration on crop water uptake was assumed, while for non-essential ions, such as sodium (Na⁺), a non-linear function was used. The model was developed for closed-loop hydroponic systems in which crop water uptake (namely, transpiration) is compensated by refilling the mixing tank with complete nutrient solution. In these systems, EC gradually increases as a result of the accumulation of macro-elements and, principally, of non-essential ions, like Na⁺, for which the apparent uptake concentration (i.e., the ratio between nutrient and water uptake) is lower than their concentration in the irrigation water. For model calibration, data from both the literature and a previous work were used, while validation was performed with data from original experiments conducted with tomato plants in different seasons and using water with different sodium chloride (NaCl) concentrations (10 and 20 meq/L). The results of validation indicate that the model may be a useful tool for the management of closed-loop hydroponics, because it simulates rather well the salt accumulation that occurs in the recirculating nutrient solution when it is prepared with irrigation water of poor quality. Furthermore, the model is able to estimate the amount of crop evapotranspiration that leads to a value of EC at which flushing is necessary, thus enabling one to predict the water and nitrogen runoff of the semi-closed soilless culture.     

保水缓/控释肥料的研究进展

肥料与保水剂复合一体化使用是水肥调控的重要技术,是肥料研究的国际前沿。该文主要对保水剂与化肥的复合方式与工艺,保水剂与肥料养分相互作用及其研究方法,以及保水及保水肥料应用的水肥效应方面的进展进行综述,并指出了保水缓/控释肥料研究存在的问题和今后努力的方向。保水剂与肥料可以通过物理混合(吸附或造粒)、包膜或化学合成3种方式结合为材料与功能复合一体化的保水缓/控释肥料,包膜和化学合成是高养分含量保水缓/控释肥料制备的先进工艺。肥料或盐影响保水剂的吸水膨胀及吸附作用,因肥料及盐的种类和离子电价而异。7 d溶解量法、土壤淋洗法及土壤培养法等是研究保水剂及保水缓释肥料养分吸附解吸的常用方法。保水剂或保水缓/控释肥料对一些养分的缓释作用报道基本一致,对土壤水分改善作用存在不一致的报道,与高盐含量和保水剂用量有关。保水缓/控释肥料今后发展方向应加强养分含量与吸水倍率指标标准、保水材料及其与肥料复合机制的创新、以及湿润及养分控释机理的研究,还应加强中试及产业化技术开发研究。     

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。     

保水剂与肥料互作及保水缓/控释肥料研究展望

保水剂在农业上的作用日益重要,肥料与保水剂一体化使用是水肥调控的重要技术,是肥料研究的国际前沿。保水剂是吸水量超过自身重量数百倍以上的亲水性高聚物。保水剂一般分为天然的,合成的及半合成的。保水剂与肥料可以通过物理混合、包膜或化学合成三种方式结合为一体化的保水缓/控释肥料。保水剂具有吸水吸肥功能,保水剂可吸附大量中性分子,对阳离子养分也有较强吸附作用,对阴离子养分吸附弱。肥料种类与盐浓度影响保水剂的吸附作用与膨胀能力。保水缓/控释肥料在土壤中对肥料养分有延迟释放作用。保水缓/控释肥料可改善土壤持蓄水分和水肥交互作用,促进植物对养分的吸收和作物增产。保水缓/控释肥料发展方向是包膜和化成保水缓/控释肥料。保水缓/控释肥料湿润及养分控释机理研究也需要加强。     

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。