第二節(jié)　水肥一體化技術(shù)的施肥設(shè)備

水肥一體化技術(shù)中常用到的施肥設(shè)備主要有壓差施肥罐、文丘里施肥器、泵吸肥法、泵注肥法、自壓重力施肥法、施肥機(jī)等。

一、壓差施肥罐

1.基本原理

壓差式施肥罐，由兩根細(xì)管（旁通管）與主管道相接，在主管道上兩條細(xì)管接點(diǎn)之間設(shè)置一個節(jié)制閥（球閥或閘閥）以產(chǎn)生一個較小的壓力差（1～2米水壓），使一部分水流流入施肥罐，進(jìn)水管直達(dá)罐底，水溶解罐中肥料后，肥料溶液由另一根細(xì)管進(jìn)入主管道，將肥料帶以作物根區(qū)（圖2-26～圖2-28）。

肥料罐是用抗腐蝕的陶瓷襯底或鍍鋅鑄鐵、不銹鋼或纖維玻璃做成，以確保經(jīng)得住系統(tǒng)的工作壓力和抗肥料腐蝕。在低壓滴灌系統(tǒng)中，由于壓力低（約10米水壓），也可用塑料罐，固體可溶肥料在肥料罐里逐漸溶解，液體肥料則與水快速混合。隨灌溉進(jìn)行，肥料不斷被帶走，肥料溶液不斷被稀釋，養(yǎng)分越來越低，最后肥料罐里的固體肥料都流走了（圖2-29）。該系統(tǒng)較簡單、便宜，不需要用外部動力就可以達(dá)到較高的稀釋倍數(shù)。然而，該系統(tǒng)也存在一些缺陷，如無法精確控制灌溉水中的肥料注入速率和養(yǎng)分濃度，每次灌溉之前都得重新將肥料裝入施肥罐內(nèi)。節(jié)流閥增加了壓力的損失，而且該系統(tǒng)不能用于自動化操作。肥料罐常做成10～300升的規(guī)格。一般溫室大棚小面積地塊用體積小的施肥罐，大田輪灌區(qū)面積較大的地塊用體積大的施肥罐。

2.優(yōu)缺點(diǎn)

壓差施肥罐的優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備成本低，操作簡單，維護(hù)方便；適合施用液體肥料和水溶性固體肥料，施肥時不需要外加動力；設(shè)備體積小，占地少。壓差施肥罐的缺點(diǎn)：為定量化施肥方式，施肥過程中的肥液濃度不均一；易受水壓變化的影響；存在一定的水頭損失，移動性差，不適宜用于自動化作業(yè)；銹蝕嚴(yán)重，耐用性差；由于罐口小，加入肥料不方便，特別是輪灌區(qū)面積大時，每次的肥料用量大，而罐的體積有限，需要多次倒肥，降低了工作效率。

3.適用范圍

壓差施肥罐適用于包括溫室大棚、大田種植等多種形式的水肥一體化灌溉施肥系統(tǒng)。對于不同壓力范圍的系統(tǒng)，應(yīng)選用不同材質(zhì)的施肥罐。因不同材質(zhì)的施肥罐其耐壓能力不同。

二、文丘里施肥器

1.基本原理

水流通過一個由大漸小然后由小漸大的管道時（文丘里管喉部），水流經(jīng)狹窄部分時流速加大，壓力下降，使前后形成壓力差，當(dāng)喉部有一更小管徑的入口時，形成負(fù)壓，將肥料溶液從一敞口肥料罐通過小管徑細(xì)管吸取上來。文丘里施肥器即根據(jù)這一原理制成（圖2-30、圖2-31）。文丘里施肥器用抗腐蝕材料制作，如塑料和不銹鋼。現(xiàn)絕大部分為塑料制造。文丘里施肥器的注入速度取決于產(chǎn)生負(fù)壓的大小（即所損耗的壓力）。損耗的壓力受施肥器類型和操作條件的影響，損耗量為原始壓力的10％～75％。表2-5列出了壓力損耗與吸肥量（注入速度）的關(guān)系。

注：流經(jīng)文丘里管道的水流量為壓力0.35兆帕?xí)r測定。

由于文丘里施肥器會造成較大的壓力損耗，通常安裝時加裝一個小型增壓泵。一般廠家均會告知產(chǎn)品的壓力損耗，設(shè)計(jì)時根據(jù)相關(guān)參數(shù)配置加壓泵或不加泵（圖2-32）。

文丘里施肥器的操作需要有過量的壓力來保證必要的壓力損耗；施肥器入口穩(wěn)定的壓力是養(yǎng)分濃度均勻的保證。壓力損耗量用占入口處壓力的百分?jǐn)?shù)來表示，吸力產(chǎn)生需要損耗入口壓力的20％以上，但是兩級文丘里施肥器只需損耗10％的壓力。吸肥量受入口壓力、壓力損耗和吸管直徑影響，可通過控制閥和調(diào)節(jié)器來調(diào)整。文丘里施肥器可安裝于主管路上（串聯(lián)安裝，圖2-33）或者作為管路的旁通件安裝（并聯(lián)安裝，圖2-34）。在溫室里，作為旁通件安裝的施肥器其水流由一個輔助水泵加壓。

文丘里施肥器的主要工作參數(shù)有：一是進(jìn)口處工作壓力（P進(jìn)）。二是壓差，壓差（P進(jìn)-P出）常被表達(dá)成進(jìn)口壓力的百分比，只有當(dāng)此值降到一定值時，才開始抽吸。如前所述，這一值約為1/3的進(jìn)口壓力，某些類型高達(dá)50％，較先進(jìn)的可小于15％。表2-6列出了壓力差與吸肥量的關(guān)系。三是抽吸量。指單位時間里抽吸液體肥料的體積，單位為升/小時。抽吸量可通過一些部件調(diào)整。四是流量，是指流過施肥器本身的水流量。進(jìn)口壓力和喉部尺寸影響著施肥器的流量。流量范圍由制造廠家給定。每種類型只有在給定的范圍內(nèi)才能準(zhǔn)確地運(yùn)行。

注：表中數(shù)據(jù)為天津水利科學(xué)研究所研制的單向閥文丘里注肥器測定。

文丘里施肥器具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：不需要外部能源，直接從敞口肥料罐吸取肥料，吸肥量范圍大，操作簡單，磨損率低，安裝簡易，方便移動，適于自動化，養(yǎng)分濃度均勻且抗腐蝕性強(qiáng)。不足之處為壓力損失大，吸肥量受壓力波動的影響。

2.主要類型

（1）簡單型　這種類型結(jié)構(gòu)簡單，只有射流收縮段，無附件，因水頭損失過大一般不宜采用。

（2）改進(jìn)型　灌溉管網(wǎng)內(nèi)的壓力變化可能會干擾施肥過程的正常進(jìn)行或引起事故。為防止這些情況發(fā)生，在單段射流管的基礎(chǔ)上，增設(shè)單向閥和真空破壞閥。當(dāng)產(chǎn)生抽吸作用的壓力過小或進(jìn)口壓力過低時，水會從主管道流進(jìn)儲肥罐以至產(chǎn)生溢流。在抽吸管前安裝一個單向閥，或在管道上裝一球閥均可解決這一問題。當(dāng)文丘里施肥器的吸入室為負(fù)壓時，單向閥的閥芯在吸力作用下關(guān)閉，防止水從吸入口流出（圖2-35）。

當(dāng)敞口肥料桶安放在田塊首部時，罐內(nèi)肥液可能在灌溉結(jié)束時因出現(xiàn)負(fù)壓被吸入主管，再流至田間最低處，既浪費(fèi)肥料而且可能燒傷作物。在管路中安裝真空破壞閥，無論系統(tǒng)何處出現(xiàn)局部真空都能及時補(bǔ)進(jìn)空氣。

有些制造廠提供各種規(guī)格的文丘里施肥器喉部，可按所需肥料溶液的數(shù)量進(jìn)行調(diào)換，以使肥料溶液吸入速率穩(wěn)定在要求的水平上。

（3）兩段式　國外研制了的改進(jìn)的兩段式結(jié)構(gòu)。使得吸肥時的水頭損失只有入口處壓力的12％～15％，因而克服了文丘里施肥器的基本缺陷，并使之獲得了廣泛的應(yīng)用。不足之處是流量相應(yīng)降低了（圖2-36）。

3.優(yōu)缺點(diǎn)

文丘里施肥器的優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備成本低，維護(hù)費(fèi)用低；施肥過程可維持均一的肥液濃度，施肥過程無需外部動力；設(shè)備重量輕，便于移動和用于自動化系統(tǒng)；施肥時肥料罐為敞開環(huán)境，便于觀察施肥進(jìn)程。文丘里施肥器的缺點(diǎn)：施肥時系統(tǒng)水頭壓力損失大；為補(bǔ)償水頭損失，系統(tǒng)中要求較高的壓力；施肥過程中的壓力波動變化大；為使系統(tǒng)獲得穩(wěn)壓，需配備增壓泵；不能直接使用固體肥料，需把固體肥料溶解后施用。

4.適用范圍

文丘里施肥器因其出流量較小，主要適用于小面積種植場所，如溫室大棚種植或小規(guī)模農(nóng)田。

5.安裝方法

在大多數(shù)情況下，文丘里施肥器安裝在旁通管上（并聯(lián)安裝），這樣只需部分流量經(jīng)過射流段。當(dāng)然，主管道內(nèi)必須產(chǎn)生與射流管內(nèi)相等的壓力降。這種旁通運(yùn)行可使用較小（較便宜）的文丘里施肥器，而且更便于移動。當(dāng)不加肥時，系統(tǒng)也工作正常。當(dāng)施肥面積很小且不考慮壓力損耗時，也可用串聯(lián)安裝。

在旁通管上安裝的文丘里施肥器，常采用旁通調(diào)壓閥產(chǎn)生壓差。調(diào)壓閥的水頭損失足以分配壓力。如果肥液在主管過濾器之后流入主管，抽吸的肥水要單獨(dú)過濾。常在吸肥口包一塊100～120目的尼龍網(wǎng)或不銹鋼網(wǎng)，或在肥液輸送管的末端安裝一個耐腐蝕的過濾器（1/2″或1″），篩網(wǎng)規(guī)格為120目（圖2-37）。有的廠家產(chǎn)品出廠時已在管末端連接好不銹鋼網(wǎng)。輸送管末端結(jié)構(gòu)應(yīng)便于檢查，必要時可進(jìn)行清洗。肥液罐（或桶）應(yīng)低于射流管，以防止肥液在不需要時自壓流入系統(tǒng)。并聯(lián)安裝方法可保持出口端的恒壓，適合于水流穩(wěn)定的情況。當(dāng)進(jìn)口處壓力較高時，在旁通管入口端可安裝一個小的調(diào)壓閥，這樣在兩端都有安全措施。

因文丘里施肥器對運(yùn)行時的壓力波動很敏感，應(yīng)安裝壓力表進(jìn)行監(jiān)控。一般在首部系統(tǒng)都會安裝多個壓力表。節(jié)制閥兩端的壓力表可測定節(jié)制閥兩端的壓力差。一些更高級的施肥器本身即配有壓力表供監(jiān)測運(yùn)行壓力。

三、重力自壓式施肥法

1.基本原理

在應(yīng)用重力滴灌或微噴灌的場合，可以采用重力自壓式施肥法。在南方丘陵山地果園或茶園，通常引用高處的山泉水或?qū)⑸侥_水源泵至高處的蓄水池。通常在水池旁邊高于水池液面處建立一個敞口式混肥池，池大小在0.5～5.0米3，可以是方形或圓形，方便攪拌溶解肥料即可。池底安裝肥液流出的管道，出口處安裝PVC球閥，此管道與蓄水池出水管連接。池內(nèi)用20～30厘米長的大管徑（如?75毫米或?90毫米PVC管）。管入口用100～120目尼龍網(wǎng)包扎。為擴(kuò)大肥料的過流面積，通常在管上鉆一系列的扎，用尼龍網(wǎng)包扎（圖2-38）。

2.應(yīng)用范圍

我國華南、西南、中南等地區(qū)有大面積的丘陵山地果園、茶園、經(jīng)濟(jì)樹林及大田作物，非常適合采用重力自壓灌溉。在很多山地果園在山頂最高處建有蓄水池，果園一般采用拖管淋灌或滴灌。此時采用重力自壓施肥非常方便做到水肥結(jié)合。在華南地區(qū)的柑橘園、荔枝園、龍眼園有相當(dāng)數(shù)量的果農(nóng)采用重力自壓施肥。重力自壓施肥簡單方便，施肥濃度均勻中，農(nóng)戶易于接受。不足之處是必須把肥料運(yùn)送到山頂。

四、泵吸肥法

1.基本原理

泵吸肥法是利用離心泵直接將肥料溶液吸入灌溉系統(tǒng)，適合于幾十公頃以內(nèi)面積的施肥。為防止肥料溶液倒流入水池而污染水源，可在吸水管上安裝逆止閥。通常在吸肥管的入口包上100～120目濾網(wǎng)（不銹鋼或尼龍），防止雜質(zhì)進(jìn)入管道（圖2-39）。

2.優(yōu)缺點(diǎn)

該法的優(yōu)點(diǎn)是不需外加動力，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可用敞口容器盛肥料溶液。施肥時通過調(diào)節(jié)肥液管上閥門，可以控制施肥速度，精確調(diào)節(jié)施肥濃度。缺點(diǎn)是施肥時要有人照看，當(dāng)肥液快完時應(yīng)立即關(guān)閉吸肥管上的閥門，否則會吸入空氣，影響泵的運(yùn)行。

五、泵注肥法

泵注肥法是利用加壓泵將肥料溶液注入有壓管道，通常泵產(chǎn)生的壓力必須要大于輸水管的水壓，否則肥料注不進(jìn)去。對用深井泵或潛水泵抽水直接灌溉的地區(qū)，泵注肥法是最佳選擇（圖2-40）。泵施肥法施肥速度可以調(diào)節(jié)，施肥濃度均勻，操作方便，不消耗系統(tǒng)壓力。不足是要單獨(dú)配置施肥泵。對施肥不頻繁地區(qū)，普通清水泵可以使用，施完肥后用清水清洗，一般不生銹。但對于頻繁施肥的地區(qū)，建議用耐腐蝕的化工泵。

六、注射泵

注射泵是一種精確施肥設(shè)備，可控制肥料用量或施肥時間，在集中施肥和運(yùn)用復(fù)雜控制的同時還易于移動，不給灌溉系統(tǒng)帶來水頭損失，運(yùn)行費(fèi)較低等。但注射泵裝置復(fù)雜，與其他施肥設(shè)備相比價格昂貴，肥料必須溶解后使用，有時需要外部動力。對電力驅(qū)動泵還存在特別風(fēng)險，當(dāng)系統(tǒng)供水受阻中斷后，往往注肥仍在進(jìn)行。目前常用的類型有膜式泵、柱塞泵等。

1.水力驅(qū)動泵

這種泵以水壓力為運(yùn)行動力，因此在田間只要有灌溉供水管道就可以運(yùn)行。一般的工作壓力最小值是0.3兆帕。流量取決于泵的規(guī)格。同一規(guī)格的泵水壓力也會影響流量，但可調(diào)節(jié)。此類泵一般為自動控制，泵上安有脈沖傳感器將活塞或隔膜的運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杹砜刂莆柿俊９喔戎袛鄷r注肥立即停止，停止施肥時泵會排出一部分驅(qū)動水。由于此類泵主要用于大棚溫室中的無土栽培，泵一般安置在系統(tǒng)首部，但也可以移動。典型的水動力泵有隔膜泵和柱塞泵。

（1）隔膜泵　這種泵有兩個膜部件，一個安裝在上面，一個安裝在下面，之間通過一根豎直杠桿連接。一個膜部件是營養(yǎng)液槽，另一個是灌溉水槽。灌溉水同時進(jìn)入到兩個部件中較低的槽，產(chǎn)生向上運(yùn)動。運(yùn)動結(jié)束時分流閥將肥料吸入口關(guān)閉并將注射進(jìn)水口打開，膜下兩個較低槽中的水被射出。向下運(yùn)動結(jié)束時，分流閥關(guān)閉出水口并打開進(jìn)水口，再向上運(yùn)動。當(dāng)上方的膜下降時，開始吸取肥料溶液；而當(dāng)向上運(yùn)動時，則將肥料溶液注入灌溉系統(tǒng)中。隔膜泵比活塞注射泵昂貴，但是它的運(yùn)動器件較少而且組成部分與腐蝕性肥料溶液接觸的面積較小。隔膜泵的流量為3～1200升/小時，工作壓力為0.14～0.8兆帕。肥料溶液注入量與排水量之比為1:2。由一個計(jì)量閥和脈沖轉(zhuǎn)換器組成的閥對泵進(jìn)行調(diào)控，主要調(diào)控預(yù)設(shè)進(jìn)水量與灌溉水流量的比率。可采用水力驅(qū)動的計(jì)量器來進(jìn)行按比例加肥灌溉。在泵上安裝電子微斷流器將電脈沖轉(zhuǎn)化為信息傳到灌溉控制器來實(shí)現(xiàn)自動控制。隔膜泵的材料通常采用不銹鋼和塑料（圖2-41）。

（2）柱塞泵　柱塞泵利用加壓灌溉水來驅(qū)動活塞。它所排放的水量是注入肥料溶液的3倍。泵外形為圓柱體并含有一個雙向活塞和一個使用交流電的小電機(jī)，泵從肥料罐中吸取肥料溶液并將它注入灌溉系統(tǒng)中。泵啟動時有一個閥門將空氣從系統(tǒng)中排出，并防止供水中斷時肥料溶液虹吸到主管。柱塞泵的流量為1～250升/小時，工作壓力為0.15～0.80兆帕。可用流量調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)泵的施肥量或在驅(qū)動泵的供水管里安裝水計(jì)量閥來調(diào)節(jié)。與注射器相連的脈沖傳感器可將脈沖轉(zhuǎn)化為電信號并將信號傳送給溶液注入量控制器。然后控制器據(jù)此調(diào)整灌溉水與注入溶液的比率。在國內(nèi)使用較多的為法國DOSATRONL國際公司的施肥泵和美國DOSMATIC國際公司的施肥泵。均有多種型號，肥水稀釋比例從幾百至幾千倍不等（表2-7，圖2-42、圖2-43）。

2.電機(jī)或內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動施肥泵

電動泵類型及規(guī)格很多，從僅供幾升的小流量泵到與水表連接能按給定比例注射肥料溶液和供水的各種泵型。因需電源，這些泵適合在固定的場合，如溫室或井邊使用。因肥料會腐蝕泵體，常用不銹鋼或塑料材質(zhì)制造。用內(nèi)燃機(jī)（含拖拉機(jī)）驅(qū)動的泵常見的是機(jī)載的噴油機(jī)泵，泵應(yīng)是耐腐蝕的，并需配置數(shù)百升容積的施肥罐。優(yōu)點(diǎn)是啟動和停機(jī)均靠手動操作，便于移動，供水量可以調(diào)節(jié)等（圖2-44）。