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一种丘陵地区水肥一体化灌溉模式设计研究

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田莉李家春朱来贺吴景来李继学

摘要：针对中国丘陵地区的农业灌溉难度大，模式单一的现状，在传统的水肥一体化灌溉模式下，设计一种基于施肥机“后进前出”安装方案的丘陵地区水肥一体化灌溉模式。利用SolidWorks进行施肥机安装方案的三维结构设计建模，采用FLoEFD软件对其工作情况进行仿真模拟，分析该方案下水肥一体化施肥机对水源吸入及水肥混合液稳定输出的效果。在田间性能试验中，该灌溉模式下能够有效实现水肥一体化灌溉，且施肥机在停止运作状态时，亦可进行作物水源灌溉，相比传统采用的灌溉模式，能够实现对灌溉设施的有效利用。

关键词：

灌溉模式;施肥机安装方案;设计建模;仿真模拟;试验

：S275.3

：B

我国南方丘陵山地幅员辽阔，但多数地块规模小、土地很不平整，农业生产主要依靠人力和畜力完成，难以实施大规模的机械化生产[1-2]。以贵州为例，贵州地区高原山地居多，全省地貌可概括分为高原山地、丘陵和盆地三种基本类型，其中山地占61.7%，丘陵占30.8%，山间平坝占7.5%，素有“八山一水一分田”之说，是我国内陆地区唯一没有平原地貌的省份。全省耕地总体呈现出坡耕地多、坝区耕地少、中低产耕地多、优质耕地少这样一个“两多两少”的特点。大部分耕地是喀斯特山间溶斗式麻窝地、斜坡上的石旮旯地，十分贫瘠，是名副其实的跑水、跑土、跑肥的“三跑地”[3]。

在丘陵地区的农业生产中，面临生产操作困难、水肥管理不到位、生产成本不断攀升、生态环境恶化等诸多问题。生产实践表明，水肥一体化技术的应用是目前解决丘陵山地区缺水、灌溉及施肥难的最有效途径和形式之一，各地可根据实际情况选择应用相应的技术模式，不仅可以取得显著的经济效益，而且在促进农业农村科技进步、充分利用边缘土地、减少环境污染、建设资源节约型和环境友好型社会等社会效益方面也将发挥重要作用[4-6]。

本研究主要从丘陵地区农业生产的作物施肥灌溉方面，设计了一种基于水肥一体化施肥机“后进前出”安装方式的丘陵地区水肥耦合灌溉模式，为实现节水省肥、作物增产和农民增收提供参考。

1丘陵地区农业灌溉面临问题

1.1农业灌溉设施落后，蓄水灌溉能力弱

灌溉是农作物正常生长的基础，部分丘陵地区灌溉水渠年代已久，蓄水和灌溉能力减弱，使水资源无法得到有效地作物灌溉利用。尤其是在干旱条件下，作物无法得到及时的灌溉，对其生长发育造成不良影响。

1.2地形条件复杂，土壤生产效率低下

丘陵地区地形条件复杂，较平原地区难以开展农业生产活动。就丘陵地区土壤而言，因地形坡度大，在雨水冲刷作用下缺乏肥力，不利于农作物生长。丘陵地区受地形条件的影响，开展农业生产的难度加大、生产成本较高，加之生产管理落后，生产效益得不到保障。

1.3农村劳动力不足和专业技术缺乏

农业生产中很多农户受经济和文化条件的限制，未接受过专业的种植知识培训，凭经验进行农业生产实践工作。通常将灌溉与施肥分开进行，出现了肥料未得到充分利用、灌溉水过足水土流失的现象，没有达到物尽其用的效果，而且增加了成本[7]。

2水肥一体化技术及应用现状

水肥一体化技术是将农作物所需的多种单元素液肥进行水肥混合后，通过灌溉管网输送到农作物灌区的一种新型灌溉施肥技术。生产实践表明，以水肥耦合为基础的水肥一体化技术越来越成为现代农业发展的一项综合管理技术措施，具有显著的节水、节肥、节药、省工、高产、高效以及减少环境的污染等特点[8-9]。

在水肥一體化灌溉技术中，其核心装置是水肥一体化施肥机[10]。水肥一体化施肥机可实现对多种单元素液肥的水肥混合，根据作物生长需求进行水及单元素液肥的定量定比混合，进而根据用户设定的灌溉施肥程序，通过灌溉系统适时适量地供给作物生长，尤其适用于对养分浓度有较高要求的花卉、优质蔬菜及一些高经济附加值作物[11]。

经团队走访调查发现，目前传统的水肥一体化灌溉多采用将施肥机串联到灌溉系统中进行工作，运行简图如图1。该模式正常运行情况下，系统可以有效发挥对灌区作物的水肥一体化灌溉作用，如若只需进行水源灌溉需启动施肥机的抽吸泵，增加了成本，且在施肥机停止工作期间，该系统就会被闲置，造成资源的浪费。

3水肥一体化灌溉模式设计

3.1灌溉模式设计及原理

丘陵地区水肥一体化灌溉系统整体设计采用施肥机“前进后出”的安装方式，如图2所示，在丘陵地区应充分利用地势高差，所述灌溉系统取水源是通过直接引用就近地的山泉水、小水塘或利用定制的高位蓄水池，使雨水就地控制转换、高效集贮、精量补灌以缓解农田水情困扰，同时缓解暴雨对坡面径流冲刷，水土流失严重，极易石漠化的状况。在高位蓄水池的进出水口用不锈钢过滤网进行拦污处理一级过滤，取高位水池水源利用时还应加反冲洗砂石过滤器进行过滤，确保水肥一体化施肥机的正