增氧灌溉系统的优化设计

于珍珍， 汪 春,2，李嘉熙， 刘少东， 王宏轩

(1.黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163000；2.中国热带农业科学院 南亚热带作物研究所，广东 湛江 524000)

0 引言

植物茎部有发达的通气组织[1]，能将空气中的氧运输到植物根部，改善根系环境，但土壤的通气状况仍是影响植物生长发育的关键因子[2]。根部是作物主要呼吸及吸收养分的部分，还可为植物提供活性物质。所以，根系的良好发育对植株起着至关重要的作用，植物根部的呼吸作用强弱直接影响植物的生长发育[3-5]。土壤中的空气、热量和水分是植物生长过程中必不可少的三大要素。在传统灌溉过程中，水分含量升高必然会引起植物呼吸作用减弱，氧气含量降低，即使是在排水设施良好的环境下也会出现植物根部的暂时性缺氧，导致土壤氧气含量下降，不能有效地进行根部营养物质的转换，影响植物后期的生长发育及营养物质积累[6-8]。植物从种子发芽到生长发育成熟都要求有土壤空气(氧气)供应，只是各类植物的要求不同而已。例如，块茎类植物要求土壤的供养能力高于一般植物，而水生植物的要求就微弱得多，但并不是不需要氧气的供应。所以，植物的正常发育是离不开土壤空气的[9]。

对于许多经济作物来说，在土壤呼吸过程中，当氧气的浓度百分比含量<10时，对植物的生长发育及根部的呼吸作用产生明显的影响[10]；当氧气浓度的百分比含量<3时，植物根部将会停止呼吸作用，植物将会停止生长[11]。一般生长在通气良好土壤中的根系较长、健壮、色浅、根毛多，如果缺氧表现出根少而弱，根毛特别少，根系可能停止发育[12-14]。土壤通气性不良和土壤过度潮湿常常会引起植物对外界病菌抵抗力的衰弱，易于感染病害，或者植物生长受阻，发育不正常。大量观察证明，土壤通气性是限制产量高低的重要因素。一般认为，种子正常发芽需要氧的含量必须在10%以上，低于5%，种子的发芽会受到很大的影响；而低于0.5%时则种子不萌发并很快死亡；若二氧化碳的浓度超过30%，种子亦很难萌发[15]。因此，要保证种子的正常发芽，土壤必须具有良好的通气性以供给植物充足的氧气。

调节土壤空气的方法主要是改善土壤结构，以改变土壤孔隙大小分配的比例，采用某些措施调节土壤的孔隙状况，如耕作、轮作及排水等。

根区土壤在成分上是由固、液、气组成，传统灌溉技术措施，在给作物输水的同时，挤出了土壤中的空气，导致根际临时缺氧或长期缺氧，因此，“水氧矛盾”成为了目前灌溉农业中的主要瓶颈问题。在配套较好的排水系统的同时，通水过程中植物根部也会出现暂时性或周期性的缺氧，导致作物根部呼吸作用减弱，直接影响作物的营养物质合成。

研究指出，地下滴灌培育的作物产量并不能够弥补滴灌设备的基础设施投入；也有研究指明，当灌溉水量大于作物需水量的70%后，地下滴灌下的作物产量并不能随着灌溉水量的增加而增加。传统灌溉农业普遍存在灌水的同时挤走了土壤中氧气(即水氧矛盾)的问题，使得作物根系经常受到低氧胁迫，影响根系正常的生长功能、土壤微生物的活性及相应的生物质转化，降低滴灌利用效率，还会影响正常作物根系的呼吸代谢，导致有毒物质不断积累及根系作物细胞代谢失衡，严重的会影响作物的生长，甚至会导致烂根死苗，最终影响作物的经济效益。对于植物根系，单一的灌溉水会降低作物根系的通气性，影响作物的正常呼吸及作物的生长发育。所以，在灌溉水中加入氧气(空气)可以有效改善土壤通气性，还可以促进土壤二氧化碳的排出，提高养分和营养元素的吸收率。

在设施园艺、旱地滴灌及花卉养殖中，已经广泛采用气泵充氧等措施来增加水中的溶氧量，并提高水分和肥料的利用效率。通过调查研究，在经济行作物中投入增氧灌溉系统，提高了作物品质与产量，收益大于设备投入成本，现在已经广泛应用于设施农业的建设中。由此可见，作物氧气需求已经成为农业生产过程中亟待解决的问题。

本研究利用增氧灌溉的原理和方法对作物根际增氧灌溉进行了试验设计，以期实现优化和改善作物的土壤环境、增强作物根系生长及达到提高作物生产质量和品质的目的。为此，将信息技术与自动控制技术相结合，软件与硬件相结合，研制出一套可以检测、反馈、自动控制的一套完备系统。本研究中，信息技术与农业节水增氧相结合，运用信息遥感技术、数据传输与人工智能决策技术相结合，形成一种新的农业增氧灌溉技术方式，在管理方式上由静态单因素的管理方法变为动态多目标层次管理转变；采用土壤墒情自动检测技术，水肥气自动灌溉控制技术、数字化管理技术，充分将互联网技术应用，稳固基础性工作。同时，采用TDR土壤水分仪，对土壤水分进行实时性监测，采用氧化还原电位计、溶氧仪对土壤的氧气含量、作物作用坐拥、叶面空气温差与作物旱涝胁迫状况进行快速测定，利用PLC进行实时反馈。由于地块面积大，为了使氧气在管道内能够进行长时间、远距离的运输，采用罗茨风机进行通氧。

1 总体设计及其工作原理

1.1 总体结构

机械通气是利用空气压缩机对灌溉土壤进行通气的灌溉方法，本研究拟在水肥一体化灌溉装置中加入1个气泵进行氧气供应。气泵与灌溉水用同一个管道,设计一种水气耦合高效灌溉系统，可以产生巨量微气泡，形成均匀的水气耦合物，有效改善灌溉造成的土壤缺氧情况。该系统利用文丘里空气射流器加氧，水流在入口段流速缓慢，压力减小而吸入空气或氧气，总体结构如图1所示。研究表明：氧气在水中和空气中的扩散系数差异较大，氧气在空气中的扩散速率近似于水中的10 000倍。工作时，为了将气泵中的氧气与水更好地溶解，采用一个高速旋切泵，将水氧进行进一步旋切，碎化气泡，使得更多的氧气融入水中。

1.逆止阀 2.闸阀 3.截止阀 4.文丘里空气射流器 5.高速旋切泵 6.压力表

1.2 自动控制系统结构

增氧灌溉自动控制系统由信息测量、控制系统、执行系统及中央控制系统组成，如图2所示。在增氧灌溉系统中，由远程中央控制系统实现总体监控，控制系统通过接收传感器信息对电磁阀门、开关及水泵进行控制。

图2 增氧灌溉自动控制结构图

1.3 系统工作原理

增氧灌溉装置与水肥一体化滴灌装置结合，采用多层次组合装置，主要由加气部分及水气混流装置组成。气泵连接文丘里装置，水气进入管道混合后利用高速旋切泵进行碎泡处理。工作时，通过过滤装置的水源进入管道，利用气泵将氧气注入文丘里空气射流计，当水流经过文丘里空气射流器时，流向截面变小导致水体流速上升，产生文丘里效应；水流流速增大，使得水体附近产生低压，产生吸附作用，进而使得大量氧气与水流进行初步混合，形成均匀的水气耦合物；再经过高速旋切泵，由机械旋切对气泡进行二次碎化，增氧处理后的水体呈现浑浊的乳白色，大大提高水体增氧效率；最后，通过施肥器与水溶性液体肥进行混合，将水、肥、气进行高效耦合。

1.4 文丘里空气射流器的设计

文丘里管示意图如图3所示。

图3 文丘里管工作原理示意图

高速水流经文丘里管的缩小截面时，速度急剧增大,从喷嘴中喷出水雾椎体。为了保证水分与气体充分耦合，将文丘里管加气装置的结构进行改进，即将大量氧气从锥形管的正面喷孔部分排出，水流流速急剧增加，从而产生文丘里效应。首先需要确定喷嘴参数，还需要计算文丘里空气射流器在不同喷嘴下吸风量和耗水量。

1)耗水量的计算。公式为

式中 △p—孔口前后压差(Pa)；

A—孔口面积(m2)；

ρ—流体的密度(kg/m3)；

μ—常量系数，参考结构选型；

q—流量，即耗水量(m3/s)。

由公式可知，喷嘴耗水量与孔口大小及孔口前后压差有关。

2)水流流速计算。在理想状态下，流体连续性方程推导公式为

式中q—孔部水量消耗(m3/s)；

d—孔口直径(m)；

V—整体流速(m/s)。

将耗水量公式代入上述公式得

2 智能检测系统设计

该设计中，对于地表下的氧气浓度要求非常精确。当土壤空气中氧浓度低于10%时，大多数植物的生长将会受到影响，所以在该设计中增添一个氧气浓度检测装置十分必要。传统的氧气检测设备往往测量精度不够，一旦出现误差，作物的生长将会受到较大的影响。针对这个不足之处，该部分设计了基于单片机的氧气浓度检测系统。

2.1 总体框架设计

智能检测系统总体设计框架图如图4所示。工作时，氧气检测模块将检测到的数据进行转置、信号缩放，输出一个可以检测到的数据；随后将该信号在处理模块处理后传到AT89C51单片机中，经识别之后将数据于液晶显示屏上呈现出来。当数据小于10%时，会触发报警电路，提示工作人员进行加氧处理；传感器把测得的氧分压转化为电压E0，把土壤温度转化为温度电压，传入单片机中然后进行计算，即

式中Px—氧分压；

R—气体常数；

F—常数；

Pa—参考气体中的氧分压。

由公式可知，氧气浓度的高低与氧分压、温度、气体常数等多种因素有关。

图4 总体设计框架图

2.2 软件设计

对于软件，主要进行以下几个模块设计，即主程序流程部分设计、子程序输入/输出部分设计、模块功能编辑及软/硬件调试，主要包括程序驱动、信号检测、数据显示、定向、转换及模数等功能模块。软件部分设计流程图如图5所示。

3 结论与讨论

3.1 结论

1)通过安装增氧灌溉装置，改善了土壤的通透性，可使作物根系处于最佳的生长状态。当土壤根系呼吸良好时，作物根系还会给地上部分提供植物生长所需的能量和物质，从而促进植物叶和茎的生长。

2)将灌溉水与氧气通过文丘里管产生巨量气泡，利用流体力学原理，通过高速旋切，让水气在高速旋切下生成微气泡，形成均匀的水气耦合物，实现水氧饱和状态。由此有效地促进了物质运输，提高了水气传输的均匀性，具有利于吸收、提高水氧利用率及节省能源等优点。

图5 软件部分设计流程图

3.2 讨论

与普通灌溉相比，增氧灌溉的处理优化了土壤的水气情况，促进了根系的良好发育，提高了作物对水分、养分的吸收率，有效地改善了土壤的通气性。与地下滴灌相比，增氧灌溉条件下土壤微生物呼吸显著增大，可以有效调控土壤水气配合比。

但是，在设计研究中也发现一些问题：在增氧灌溉时，需要投入一些基础设施，增加铺管道及加压设备进行对作物根系的通气。由于技术不成熟，无法在监测到根系缺氧时进行自动增氧，未能形成一体化自动监测供氧设备，因此需要增加人工管理。综合计算，增氧灌溉可以提高作物的品质、产量及经济效益。相比较之下，增加的投入应该小于增产带来的收入，且在一段时间内能够收回成本。所以，笔者认为增氧灌溉适用于瓜果蔬菜及花卉等一些经济作物。