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滴灌调控作物根系水肥气热集成技术
来源:中国灌溉在线 点击: 时间:2012-05-28 14:04 收藏这篇文章
 
近十年尤其是近两年来滴灌技术发展迅猛,新疆等地的棉花、番茄,宁夏的枸杞、枣树,内蒙古的马铃薯,广东、广西等南方省区的甘蔗、香蕉、橡胶、茶树、花卉,三峡库区的柑橘,东北三省及内蒙古东部地区的补水增粮玉米,全国各地的蔬菜主产区、设施农业区,全国各地的苗圃、果园,园林绿化、公路、铁路沿线绿化以及荒漠化治理项目区到处可见各种滴灌系统。滴灌的技术特点是小流量、局部湿润、频繁灌溉。与地面灌溉相比,其突出优点是节水、节肥、对地形适应性强、灌水均匀以及可以进行水肥一体化管理等。滴灌技术的发展已经从最初神秘的高深莫测的舶来品成为普普通通的农业生产设备和设施,预计未来滴灌设备将同农膜、化肥、农药一样成为农业生产必备和必须的设施,其基础性作用还将比上述设备更为重要。因为在现代化精准农业中,精量播种、精量施肥和精量灌溉有两精是通过滴灌实。

我国滴灌工程规模呈现快速发展的势头,已成为设施农业发展、粮食增收、经济作物优质高产的必然选择和重要保障措施。以滴灌系统为基础作物根系调控相关集成技术,例如滴灌水肥一体化、滴灌纳米灌气技术、滴灌灌热技术、微咸水灌溉技术、磁化水灌溉技术、滴灌结合土壤保水剂应用技术等滴灌集成技术的发展赋予了传统滴灌技术很多新的内涵和创新,为滴灌技术综合利用创造了条件,指明了滴灌未来的发展方向。未来随着滴灌技术的深入发展,以水为载体,滴灌集成技术可以精确调控根系生长微环境,为作物生长提供最佳的水、肥、气、热等要素,最大限度满足和实现作物优质高产需要。

1、滴灌施肥技术
许多用户过去把滴灌只作为节水灌溉,滴灌与地面灌溉相比,每次灌水定额是节水50-80%,减少了深层漏和地面径流。而在纯灌溉的西北地区,滴灌要满足作物优质高产的需水量,可能一年总的灌溉定额要比地面灌溉定额要多,滴灌用水量并没有节约,但却大幅提高农作物品质和产量。因此我们说滴灌是农业高效用水。

而滴灌系统的最大优势是实现水肥一体化管理。其与地面灌水施肥的最大区别是可以根据作物整个生长阶段营养元素需要量制定滴灌施肥制度,并与灌溉制度进行耦合(也称为水肥耦合技术),从而实现在作物整个生长期内的频繁、多次而又有针对性的施肥,而不是农民俗称的“一炮轰”,从而精确施肥,为作物生长创造最佳的水肥环境。

我们现在可以把滴灌系统作为作物施肥机,而滴灌施肥需要相应的配套设备,主要有压差式施肥罐、文丘里施肥器、施肥泵、水动施肥器、比例施肥器,以及各种适用于大田及现代化温室里的自动施肥机。目前大田滴灌工程里常配的施肥设备是压差式施肥罐,其特点是结构简单,连接灵活方便,运行、操作及维护简单,施肥不是很精确,是定量施肥,但相较于地面灌溉的施肥方式也已有较大的改进。设施农业中的单个日光温室里常用的施肥设备是压差式施肥罐、文丘里施肥器,以及比例施肥泵。现代化温室里常用自动施肥机,可具有多个施肥通道,常用的为三个,主要是不同肥料需要分开施用,防止化学反应沉淀。并具有在线监测EC和PH功能,以精确的控制灌溉施肥。国内目前大田多采用施肥罐定量施肥,有些温室设施采用比例施肥,在有条件的地方最好采用比例施肥泵,例如华南农大张承林教授推广的离心泵吸管吸肥,是比例施肥方式一种形式。大禹节水最近研发一种新型便携式比例泵,可以满足不同农户种植的田间比例施肥,解决了有些农户施肥,有些农户不施肥的矛盾或种植作物施肥不一样的问题。

目前从全国范围来看,在已建成的大田滴灌工程中,水肥一体化潜力有待进一步发掘。笔者在对各地已建成的滴灌系统走访中发现大部分工程只发挥了灌溉的功能,解决了作物干旱缺水的问题,却未能将滴灌系统水肥一体化的潜力发挥出来。俗话说有收无收在于水,收多收少在于肥,对于滴灌系统来说更是如此。在多雨及补充灌溉地区,结合滴灌系统,根据作物各生长期的实际需求频繁而少量的进行滴灌施肥,是滴灌系统在实现作物稳产、高产、提高农作物品质方面的最大优势和潜力。应该通过不断的宣传、教育和培训,逐步使滴灌管理者和最终用户认识到这一点,并自觉自愿的进行实践。当然这里面也有频繁运行滴灌系统的成本和可行性问题,需要结合一些自动化控制技术。因而在条件许可的情况下,自动控制滴灌工程是未来滴灌技术的发展方向。在新疆近年来已出现一些了对已建成的滴灌工程的更新改造,主要是对控制系统的更新,将手动阀门换成电磁阀门,实现田间阀门的自动化控制。从而使频繁灌溉及水肥一体化成为可能。

在设施农业温室或日光温室滴灌系统中建议采用浅埋地下滴灌10-15厘米,因为设施农业是个封闭的作物生长环境空间,作物生长期需要大量施用尿素,虽说地面滴灌可有效减少硝态氮(NO-3)深层渗漏,但却存在有些氨态氮(NH+4)随水滴灌在地表挥发的现象。铵态氮根系是不能吸收,而且对作物叶有危害,而铵态氮需要48小时变为硝态氮被作物吸收,有些铵态氮转化硝态氮需要更长时间,根据甘肃农业大学常永义教授研究,温室施用尿素后氨态氮可残留1个月,对葡萄叶面还具有危害性。因此采用地下浅埋地下滴灌可以减少铵态氮的挥发,让土壤吸附更多的铵态氮,并有效提高氨态氮转化为硝态氮,更好提高尿素肥效及利用率。

2、滴灌纳米气灌气技术
作物根系生长要求适宜的水、肥、气、热环境。其中水是作物光合作用的主要因素,水也灌溉的载体,将作物根系生长需要肥、气、热补充到作物根部附近,满足作物生长的需要。传统的地面灌溉不能满足作物需要的适宜的水、肥、气、热环境,虽然滴灌可以实时适量灌溉,但很难控制灌溉水中的溶解氧时间,大多数作物根系是进行有氧呼吸,而传统的增氧装置有效氧存储时间和数量有限,作物根部还需进行增氧来满足有氧呼吸作用,为根的养分和水分的吸收、矿物质的运移提供能量。因此,土壤中需保有充足的氧气来满足作物根部的呼吸作用,保证植物根部矿物质的运移、养分和水分的吸收所需的能量。通过提高植物根系层土壤灌溉水中的氧气含量,使作物生长效果显著、增产明显;并且还减少了作物病虫害的发生,提高作物的产量和品质。

为了改善作物栽培生产根系土壤氧气含量低,严重影响作物生长发育,影响作物品质和产量的问题。采用微纳米气泡技术与地下滴灌技术相结合的方式来提高土壤中氧气的含量的方法,解决了传统水中溶解氧时间短,容量低的问题  。

地下滴灌灌水初期,滴头附近土壤含水率急速接近饱和,和周围临近土壤形成较大的土水势梯度,驱使土壤水快速扩散,形成一个由内到外含水率逐渐减小的湿润体。在滴灌过程中,由于稳定的水源供给,湿润体内土壤含水率普遍较高。在滴灌入渗过程中,随着湿润体的不断扩展,土壤空隙中充满水,含水率增大,土壤中的空气被排出,土壤透气性迅速减弱。灌水停止后,土壤水分在自身重力、吸力梯度的作用下会继续向外扩散运动。湿润体内部土壤含水率随时间的延长而减少,土壤通透性有所改善,但土壤湿润体核心区即根系主要分布区土壤含水率仍就较高。

由于作物的根系为有氧呼吸,根系呼吸要消耗大量的氧气,土壤连续体中气相部分的组成对作物生长非常重要。若根系区土壤含水率高,空气含量少,就会造成作物根系通气不良,氧气不足。若氧气含量严重不足,就会抑制作物根系有氧呼吸,影响作物健康生长。地面滴灌如果采用灌气技术,传统方法灌气,气体在水中和土壤中保存时间短,不利根系增加空气或氧气。

郭庆、牛文全等人所做实验表明:地下滴灌灌水后采用向作物根系区通气的做法,可以使空气进入湿润体土壤中,土壤孔隙中的水分向周围迅速扩散,土壤透气通道被打开。此后由于土壤水分的再分布,更多的水分向周围扩散,滴头周围的湿润体土壤含水率逐渐降低,导气率不断提高,土体中的三相比例得到明显改善。

近年来针对地下滴灌加气技术的研究,已趋于成熟。目前主要有两种措施,传统加气技术是通过支管阀门附近的加气装置(文丘里加气设备),通过地下滴灌系统通气,通气量根据灌水量多少、土壤质地作物主要根系区土壤湿润体大小等因素而定。但由于所加空气是毫米级,空气容易从水中溢出,产生水锤,因此不能从首部灌气。

另一种加气就是采用纳米气灌气技术。研究表明气泡越小溶氧性越强,而气泡小到50微米以下其物理、化学性质都将发生根本性变化。微纳米气泡是指气泡发生時产生直径在数十微米(um)和数纳米(nm)之间的微小气泡.这里指气泡发生时的原因是几乎所有的微纳米气泡都有变小而最后消失的特点。它具有在本质上区别与其他毫米气泡的物理.化学特点.从这个意义来可以说它是具有“革新性机能的物质”.利用和发挥它的特点可以使革新或独创性的技术开发变为可能所以也可以称它是21世纪梦想的技术。近几年从日本回国创业的金强总经理开发出了专门的纳米气发生器,微纳米气泡技术有效解决了气泡在水中的接触面积问题。由于微纳米气泡的表面积能有效增大,如0.1cm的大气泡分散成100nm的微气泡,其表面积可增大10000倍,因此可大大提高溶解效率,同时由于气泡细小且具有良好的气浮性,微纳米气泡可以在水中长时间停留,空气可以停留时间4个多小时,氧气可以达到6~10天,这就解决了从滴灌首部灌气问题,减少空气溢出滴灌管道及系统产生水锤的问题。因而通过地下滴灌系统将混掺有微纳米气泡的灌溉水直接输送到作物根区,然后在土壤水分再分布及微纳米气泡缓慢逸出双重作用下,土壤湿润体的通透性将有很大改善,利于根系有氧呼吸,促进作物正常生长。本人通过对纳米气观察发现,纳米气泡附着在土壤或介质中表面其吸附性强,比常规空气气泡更以长时间附着在土壤中,对作物根系生长更有力。根据国内外研究农作物产量一般可增加30-40%。

对于设施农业土壤消毒,纳米气可以增加水中溶解臭氧,通过地下滴灌纳米气滴灌对温室土壤进行消毒,减少土传病害。

3、滴灌温水灌热技术

北方地区冬季寒冷,对于日光温室种植来说室内土壤温度是关键性控制因素,作物根系生长发育和对养分的吸收对土壤温度有一定的要求,通常来说作物根系8 °C休眠,12 °C开始生长,大多数作物根系生长最适宜温度为18~21 °C。

经测定温室栽培进入寒冬后,白天5cm处土壤温度,可比棚内气温低5~7度,夜间比棚内气温高3~5度,其温度范围在13~26度之间。一昼夜当中约有20小时左右的时间,土温低于20度,比作物根系列化生长发育适宜的土壤温度低。较低的土壤温度不但不利于作物根系的生长发育,易致作物根毛生长降低,根系吸收能力差,生理活性低,而且还会引起多种生理性病害的发生。例如磷肥利用率在21°C是100%,那在13 °C降低到31%。而适宜的土壤温度能促进根系发育,增加根量,提高根系活性,促进根系对水分及营养元素的吸收,从而达到促进地上部分的生长发育,提高作物产量、改进品质、提高上市时间的目的。因此温室栽培中维持较高土壤温度创造适宜根系生长发育的环境条件尤为重要。目前提高土壤温度常用方法是提高通过加热气温来提高土温。而地面灌溉由于灌溉量大,井水水温低,直接灌溉会降低土壤温度,不利作物根系生长。而采用滴灌水量容易控制,灌溉水最好白天日晒增温,夜晚灌溉比较好。

近年来随着太阳能技术的不断普及,太阳能热水器在城市乡村得到广泛应用。根据我早年的实验研究,设施农业中将太阳能热水器同滴灌系统结合来提高或保持温室内土壤温度技术上是可行的。其原理是通过太阳能热水器将灌溉水加热,通过冷热水混合等措施进行温度控制,将适当温度的水直接通过滴灌系统进行灌溉。

利用太阳能系统加热水箱中的水,最好采用200-300升,价格也就在3000元左右,重力滴灌水桶采用500升就可以了。然后将热水通过地下埋管引入地下,加热土壤,通过地下管道与土壤的热交换,将热量交给土壤,从而达到增加土温,满足作物根系对地温的要求,节约能源,达到使作物高产的目的。根据热容量公式水的比热为4.2*103焦/千克·摄氏度,干泥土的比热为0.844.2*103焦/千克·摄氏度,水的比热是干泥土比热的5倍,由于热量是由高温物质传递给低温物质,当水温高于土壤温度时,可传递给土壤较多的热量,达到有效地提高作物耕作层土壤温度的作用,从而达到提高地温的目的。该项技术是直接保持或提高土壤温度,而非通过空气的热传导使土壤升温,效率更高,效果更佳。

目前大禹节水正在进行该项技术的推广和应用,其原理比较简单,关键是控制好灌溉水的温度,一般控制在25-35 °C之间,所需设备也比较常见,只是需要一些额外的投入,就能产生更高的效益,随着设施农业温室栽培技术精细化程度的不断提高,该项技术定会得到推广和应用。

 


(责任编辑:烟花三笑)

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