第四節　水肥一體化技術系統組成

水肥一體化技術系統主要有微灌系統和噴灌系統。

一、微灌系統的組成和分類

微灌就是利用專門的灌水設備（滴頭、微噴頭、滲灌管和微管等），將有壓水流變成細小的水流或水滴，濕潤作物根部附近土壤的灌水方法。因其灌水器的流量小而稱之為微灌，主要包括滴灌、微噴灌、脈沖微噴灌、滲灌等。微灌的特點是灌水流量小，一次灌水延續時間長，周期短，需要的工作壓力較低，能夠較精確地控制灌水量，把水和養分直接輸送到作物根部附近的土壤中，滿足作物生長發育的需要，實現局部灌溉。目前生產實踐中應用廣泛且具有比較完整理論體系的主要是滴灌和微噴灌技術。

1.微灌系統的組成

微灌系統主要由水源工程、首部樞紐工程、輸水管網、灌水器4部分組成（圖1-3）。

（1）水源工程　在生產中可能的水源有河流水、湖泊、水庫水、塘堰水、溝渠水、泉水、井水、水窯（窖）水等，只要水質符合要求，均可作為微灌的水源，但這些水源經常不能被微灌工程直接利用，或流量不能滿足微灌用水量要求，此時需要根據具體情況修建一些相應的引水、蓄水或提水工程，統稱為水源工程。

（2）首部樞紐工程　首部樞紐是整個微灌系統的驅動、檢測和控制中樞，主要由水泵及動力機、過濾器等水質凈化設備、施肥裝置、控制閥門、進排氣閥、壓力表、流量計等設備組成。其作用是從水源中取水經加壓過濾后輸送到輸水管網中去，并通過壓力表、流量計等量測設備監測系統運行情況。

（3）輸配水管網　輸配水管網的作用是將首部樞紐處理過的水按照要求輸送分配到每個灌水單元和灌水器，包括干、支管和毛管三級管道。毛管是微灌系統末級管道，其上安裝或連接灌水器。

（4）灌水器　灌水器是微灌系統中的最關鍵的部件，是直接向作物灌水的設備，其作用是消減壓力，將水流變為水滴、細流或噴灑狀施入土壤，主要有滴頭、滴灌帶、微噴頭、滲灌滴頭、滲灌管等。微灌系統的灌水器大多數用塑料注塑成型。

2.微灌系統的分類

（1）根據輸配水管道是否移動及毛管在田間的布置方式分類　可以將微灌系統分為地面固定式微灌系統、地下固定式微灌系統、移動式微灌系統和間歇式微灌系統4種形式。

①地面固定式微灌系統。毛管布置在地面，干管、支管埋入地下，在整個灌水季節首部樞紐固定不動，毛管和灌水器也不移動的系統稱為地面固定式微灌系統。這種系統主要用于灌水次數頻繁、行距較寬、經濟價值較高的果園、蔬菜等作物種植區，也可用于畦植農作物灌溉。地面固定式微灌系統一般使用流量為4～8升/小時的單出水口滴頭或流量為2～8升/小時的多出水口滴頭，也可以用微噴頭。這種系統的優點是安裝、拆卸、清洗毛管和灌水器比較方便，易于管理和維修，便于檢查土壤濕潤和測量滴頭流量變化的情況，也易于實現自動化。缺點是毛管和灌水器容易損壞和老化，還會影響到其他農事作業，設備的利用率也較低。在丘陵山區，地面坡度陡，地形復雜的地區一般安裝固定式微灌系統。

②地下固定式微灌系統。近年來，隨著微灌技術的改進和提高，微灌的堵塞現象減少，采用了將毛管和灌水器（主要是使用滴頭）或滲灌管全部埋入地下的系統。與地面固定式系統相比，地下微灌系統的優點是免除了毛管在作物種植和收獲前后安裝和拆卸的工作，不影響其他農事作業，延長了設備的使用壽命。缺點是不能檢查土壤濕潤和灌水器堵塞情況，設備利用率低，一次投資較高。

③移動式微灌系統。按移動毛管的方式不同，移動式微灌系統可分為機械移動和手工移動兩種。與固定式微灌系統相比，移動式微灌系統節省了大量毛管和滴頭或微噴頭，從而降低了微灌工程的投資，缺點是需要勞力多。

④間歇式微灌系統。間歇式微灌系統又稱脈沖式微灌系統。工作方式是系統每隔一定時間灌水一次，灌水器的流量比普通的流量大4～10倍。間歇式微灌系統使用的灌水器孔口較大，減少了堵塞，而且間隔灌水避免了地面徑流的產生和深層滲漏損失。缺點是灌水器制造工藝要求較高。

（2）根據灌水器的不同分類　可將微灌系統分為微噴灌、滴灌、涌泉灌溉和滲灌4種形式。

①微噴灌。微噴灌是通過低壓管道將有壓水流輸送到田間，再通過直接安裝在毛管上或與毛管連接的微噴頭或微噴帶將灌溉水噴灑在土壤表面的一種灌溉方式（圖1-4）。灌水時水流以較大的流速由微噴頭噴出，在空氣阻力的作用下粉碎成細小的水滴降落在地面或作物葉面，其霧化程度比噴灌要大，流量比噴灌小，比滴灌大，介于噴灌與滴灌之間。

我國應用微噴灌的歷史較短，主要灌溉對象是果樹、蔬菜、花卉和草坪，在溫室育苗及木耳、蘑菇等菌類種植中也適合采用微噴灌技術。實踐表明，微噴灌技術在蔬菜灌溉中，具有其他灌溉方式所不具備的優點，綜合效益顯著，其霧化程度高，灌水速率小的特點，在菌類種植中非常適用。

②滴灌。滴灌由于滴頭流量小，水分緩慢滲入土壤，因而在滴灌條件下，除緊靠滴頭下面的土壤水分處于飽和狀態外，其他部位均處于非飽和狀態，土壤水分主要借助毛管張力作用入滲和擴散，若灌水時間控制得好，基本沒有下滲損失，而且滴灌時土壤表面濕潤面積小，有效減少了蒸發損失，節水效果非常明顯。可采用滴灌進行灌溉的作物種類很多，如番茄、黃瓜、茄子等壟作蔬菜。滴灌技術發展到現在，已不僅僅是一種高效灌水技術，它與其他施肥、覆膜等農技措施相結合，已成為一種現代化的綜合栽培技術（圖1-5）。

③涌泉灌溉。涌泉灌溉是通過安裝在毛管上的涌水器形成的小股水流，以涌泉方式濕潤作物附近土壤的一種灌水形式，也稱為小管出流灌溉。涌泉灌溉的流量比滴灌和微噴灌大，一般都超過土壤的入滲速度。為了防止產生地面徑流，需要在涌水器附近挖一小水坑或滲水溝以分散水流。涌泉灌溉尤其適合于果園和植樹造林林木的灌溉（圖1-6）。

④滲灌。滲灌技術是繼噴灌、滴灌之后的又一節水灌溉技術。滲灌是一種地下微灌形式，是在低壓條件下，通過埋于作物根系活動層的灌水器（微孔滲灌管），根據作物的生長需水量定時定量地向土壤中滲水供給作物。滲灌系統全部采用管道輸水，灌溉水是通過滲灌管直接供給作物根部，地表及作物葉面均保持干燥，作物棵間蒸發減至最小，計劃濕潤層土壤含水率均低于飽和含水率，因此，滲灌技術水的利用率是目前所有灌溉技術中最高的。滲灌主要適用于地下水較深、地下水及土壤含鹽量較低、灌溉水質較好、濕潤土層透水性適中的地區（圖1-7）。

滲灌技術的優點在于：地表不見水、土壤不板結、土壤透氣性好、改善生態環境、節約肥料、系統投資低等。統計資料表明，滲灌水的田間利用率可達95％，滲灌比漫灌節水75％、比噴灌節水25％。但缺點是毛管容易堵塞，且易受植物根系的影響，植物根系具有很強的穿透力，尤其是植物根系具有趨水性，即根系的生長會朝水分條件較好的方向伸展，因而隨著時間的延續，植物根系會在滲灌毛管附近更密集，且有些植物根系會鉆進滲灌管的毛細孔內破壞毛管。在地下害蟲猖獗的地區，害蟲（如金龜子、天牛等）會咬破毛管，導致大面積漏水，最后使系統無法運行。滲灌技術在我國部分地區的應用已體現出的它的優勢，具有較好推廣應用價值，但在技術上還有很多方面需要研究與探索。

二、噴灌系統的組成和分類

1.噴灌系統的組成

噴灌系統一般由水源工程、首部系統、輸配水管道系統和噴頭組成（圖1-8）。

（1）水源工程　可以作為噴灌用的水源有河流水、湖泊水、水庫水、池塘水、泉水、井水或渠道水等。在噴灌系統中水源工程的作用是通過它實現水源的蓄積、沉淀及過濾作用。噴灌系統的建設投資較高，設計保證率一般要求不低于85％，在來水量足夠大、水質符合噴灌要求的地區，可以不修建水源工程。對于輕小型噴灌機組，應設置滿足其流動作業要求的田間水源工程。

（2）首部系統　噴灌系統中常將控制設備、加壓設備、計量設備、安全保護設備和施肥設備等集中安裝在整個噴灌系統的開始部分，故稱為首部系統，而把除首部系統以外的其他位于田間的所有裝置如輸水管道、控制閥、支管、豎管、噴頭等稱為田間系統。噴灌系統的首部系統包括加壓設備（水泵、動力機）、計量設備（流量計、壓力表）、控制設備（閘閥、球閥、給水栓）、安全保護設備（過濾器、安全閥、逆止閥）、施肥設備（施肥罐、施肥器）等設備。

（3）輸配水管道系統　管道系統的作用是將經過水泵加壓或自然有壓的灌溉水流輸送到田間噴頭上去，因此要采用壓力管道進行輸配水，噴灌管道系統常分為干管和支管兩級，大型噴灌工程也有干管和二級以上支管。干管起輸配水的作用，將水流輸送到田間支管中去。支管是工作管道，根據設計要求在支管上按一定間隔安裝豎管，豎管上安裝噴頭，壓力水通過干管、支管、豎管、經噴頭噴灑到田面上。管道系統的連接和控制需要一定數量的管道連接配件（直通、彎頭、三通等）和控制配件（給水栓、閘閥、電磁閥、球閥、進排氣閥等）。根據鋪設狀況可將管道分為地埋管道和地面移動管道，地埋管道埋于地下，地面移動管道則按灌水要求沿地面鋪設。噴灌機組的工作管道則一般和行走部分結合為一個整體。

（4）噴頭　噴頭是噴灌系統的重要部件，其作用是將管道內的有壓水流噴射到空中，分散成眾多細小水滴，均勻地撒布到田間。為適應不同地形、不同作物種類，噴頭有高壓噴頭、中壓噴頭、低壓噴頭和微壓噴頭，有固定式、旋轉式和孔管式噴頭，其噴灑方式有全圓噴灑和扇形噴灑，也有行走式噴灑和定點噴灑。

2.噴灌系統分類

噴灌系統的形式很多，按噴灌系統的主要部分在灌溉季節可移動的程度分類，可分為固定管道式噴灌系統、移動管道式噴灌系統和半固定式噴灌系統。

（1）固定管道式噴灌系統　固定管道式噴灌系統的全部設備，包括首部系統、輸配水管道系統、噴頭等在整個灌溉季節甚至常年都是固定不動的，為方便田間作業和延長管道使用壽命，除豎管及噴頭外其他所有管道及田間設備全部埋于地下，水泵、動力機及其他首部樞紐設備安裝在泵房或控制室內。固定式噴灌系統具有操作使用方便、生產效率高、運行費用低、占地少、易實現自動化等優點，但全套設備只能固定在一塊地上使用，設備利用率低，單位面積投資大。適合于經濟發展水平高、勞力緊張，種植經濟價值高、灌水頻繁的蔬菜、茶樹、等地區，也適合于面積較大或種植結構單一的草坪、園林、草原、農場。固定式噴灌系統常采用分組輪灌的方式來減小設計流量，降低單位面積投資（圖1-9）。

（2）移動管道式噴灌系統　在經濟不太發達、勞動力較多且灌水次數較少的地區，采用移動管道式噴灌系統，可顯著節省系統設備投資和提高設備的利用率。這種噴灌系統除水源工程固定不動外，其他所有設備（包括水泵、動力機、干管、支管和噴頭等）在整個噴灌過程中都可以移動，進行輪灌。這樣就可以在不同地塊輪流使用，設備利用率高，節省了單位面積的投資費用，但是作業時移動管道不方便，而且經常性的移動、拆卸容易引起系統連接點的損壞，增加養護成本；另外，在噴灌后的泥濘地上移動，工作條件差，也比較費工（圖1-10）。

（3）半固定式噴灌系統　半固定式噴灌系統是在灌溉季節將動力機、水泵和干管固定不動，而支管、噴頭可移動的噴灌系統，如圖1-11。針對固定式和移動式噴灌系統的優缺點，半固定式噴灌系統則采取支管和噴頭移動使用的形式，大大提高了支管的利用率，減少支管用量，使單位面積投資低于固定管道式噴灌系統。這種形式在我國北方小麥產區具有很大的發展潛力。為便于移動支管，管材應選擇輕型管材，如薄壁鋁管、薄壁鍍鋅鋼管，并且配有各類快速接頭和輕便的連接件、給水栓。

（4）機組式噴灌系統　機組式噴灌系統也稱噴灌機組，它是自成體系，能獨立在田間移動噴灌的機械。噴灌機除水源工程以外的其他設備都是在工廠完成，具有集成度高、配套完整、機動性好、設備利用率和生產效率高等優點。采用機組式噴灌系統時除應選好噴灌機的機型外，還應按噴灌機的使用要求搞好配套工程的規劃、設計和施工。

①小型移動式噴灌機。小型移動式噴灌機是指10千瓦以下柴油機或電動機配套的噴灌機組，由安裝在手推車或小型拖拉機上的水泵、動力機、豎管和噴頭組成，有手抬式和手推式兩種（圖1-12）。小型噴灌機組適用于水源少而分散的山地丘陵區和平原缺水區，這種噴灌機具有結構簡單、一次性投資少、重量輕、操作使用簡單、保管維修方便等優點。也適用于城郊小塊地糧食作物、果樹及蔬菜的噴灌，噴灌面積可大可小。田間作業時，為保持機行道不被淋濕，噴頭應順風向作扇形旋轉，機組沿渠道逆風后退，特別是在黏重的土壤上使用時，要注意保護車道，不然泥濘不堪，轉移困難。

②時針式噴灌機。又稱為中心支軸自走式連續噴灌機組，由于其噴灌的范圍呈圓形，所以有時也稱為圓形噴灌機（圖1-13）。時針式噴施機由固定的中心支軸、薄壁金屬噴灑支管、支撐支管的桁架、支塔架及行走機構等組成。工作時，水泵送來的壓力水由支軸下端進入，經支管到各噴頭再噴灑到田間，與此同時，驅動機構帶動支塔架的行走機構，使整個噴灑支管緩慢轉動，實現行走噴灑。時針式噴灌機的支管長度多在60～800米，支管離地面高約2～3米。根據灌水量的要求，支管轉一圈一般為3～4天，最長可達20天，控制面積可達200～3000畝。在方田四角，可由支管末端的噴角裝置噴灌四角。

③平移式噴灌機。即連續直線移動式噴灌機，它是在牽引式噴灌機的基礎上，吸取了時針式噴灌機逐節啟動的方法發展起來的，由于它的行走多靠自己的動力，所以也稱為平移自走式噴灌機（圖1-14）。其外形和時針式很相似，也是由幾個到十幾個塔架支承一根很長的噴灑支架，一邊行走一邊噴灑，由軟管向支管供水，也可以使支管騎在溝渠上行走或是支管一端沿溝渠行走以直接從溝渠中吸水。但是它的運動方式和時針式完全不同。時針式噴灌機的支管是轉動，平移式的支管是橫向平移，所以平移式的噴灌強度沿支管各處是一樣的，而時針式的噴灌則由中心向外圈逐漸加大。平移式噴灌機的控制面積可大可小，從50畝到3000多畝，大型農場、牧場都可以使用。

④絞盤式噴灌機。屬于行噴式噴灌機（圖1-15），規格以中型為主，同時也有小型的產品。絞盤式噴灌機主要由絞盤車、輸水管、自動調整裝置、水渦輪驅動裝置、減速箱、噴頭車等幾部分組成，水源一般由固定干管給水栓供水，噴灌支管繞在絞盤車上，灌水作業由噴頭車在田間行走完成，絞盤車采用動力或水力驅動邊噴邊收管，收管完畢，噴頭停止工作，轉入下一給水栓作業。此噴灌機可廣泛應用于平原、丘陵地區的瓜果、蔬菜、茶葉和牧草等作物的噴灑作業。也可用于城市綠地、電廠、碼頭除塵等。軟管牽引絞盤式噴灌機結構緊湊，機動性好，生產效率高，規格多，單機控制面積可達150～300畝，噴灑均勻度較高，噴灌水量可在幾毫米至幾十毫米的范圍內調節。軟管牽引絞盤式噴灌機一般采用大口徑單噴頭作業，故入機壓力要求較高，能耗較大，對于灌水頻繁的地區，應慎重選用。軟管牽引絞盤式噴灌機的另一個不足之處是需要留出機行道，應在農田基本建設中統一規劃，盡量減少占地。

不同形式噴灌系統優缺點可參考表1-1。