王 平,黑正軍
(寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,寧夏銀川 750000)
寧夏地處我國(guó)內(nèi)陸中偏北,距海遙遠(yuǎn),水資源嚴(yán)重短缺。在30.73 億m3的地下水資源中苦咸水占到了35.21%,達(dá)10.82 億m3,占全區(qū)面積的57%。寧夏平原地區(qū)在農(nóng)業(yè)上采取大水漫灌,大引大排的粗放灌溉方式,排引比高達(dá)0.58 左右,引起土地的鹽漬化,使得糧食產(chǎn)量降低。且施肥不當(dāng)造成土壤污染日益加劇,其中包括化學(xué)污染、生物污染和物理污染。除此之外,還會(huì)引起生活環(huán)境的污染,如大氣污染、水體污染等,都對(duì)人類(lèi)的健康產(chǎn)生威脅。
傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉將水和肥分離,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且在苦咸水處理方面大多采用電滲析法,但其設(shè)備運(yùn)行能耗較大,造價(jià)比較高。因此,改變傳統(tǒng)的灌溉施肥方式和苦咸水淡化技術(shù)是未來(lái)的研究方向,針對(duì)于本地區(qū)的資源現(xiàn)狀,提出基于苦咸水處理的短根植物的智能自補(bǔ)給系統(tǒng)[3]。
系統(tǒng)由本底信息自決策模塊、水分自檢自補(bǔ)決策模塊、正滲透營(yíng)養(yǎng)稀釋模塊、水分和營(yíng)養(yǎng)耦合決策模塊、水分和養(yǎng)分供給模塊5 個(gè)部分構(gòu)成。
水分自補(bǔ)自檢模塊根據(jù)土壤墑情(測(cè)土壤含水率儀器)檢測(cè)到的具體數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)或藍(lán)牙傳輸給智能決策模塊,該模塊通過(guò)植物本地信息的數(shù)據(jù)判斷分析并向各控制閥門(mén)作出相應(yīng)的指令;本底信息自決策模塊主要依賴(lài)于各種傳感器檢測(cè)情況,智能控制器將接收到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以命令的形式向其他模塊發(fā)送傳輸指令;接受到上級(jí)模塊的指令,正滲透營(yíng)養(yǎng)稀釋模塊就開(kāi)始運(yùn)行,正滲透技術(shù)的工作原理是通過(guò)水箱收集來(lái)自本地區(qū)的苦咸水[4],在具有選擇透過(guò)性膜的兩側(cè)分別放置2 種不同的滲透壓原液,即苦咸水和汲取液(無(wú)機(jī)肥料溶液),以膜兩側(cè)的滲透壓差作為驅(qū)動(dòng)力,將苦咸水中的水分提取出來(lái),作為養(yǎng)分補(bǔ)給系統(tǒng)中的溶劑,將處理苦咸水裝置中的汲取液回收,接收到上級(jí)模塊的指令,根據(jù)本底信息的決策與反饋,正滲透營(yíng)養(yǎng)稀釋模塊就開(kāi)始運(yùn)行,將汲取液稀釋到一定濃度達(dá)到短根植物灌溉標(biāo)準(zhǔn);水分和養(yǎng)分耦合決策模塊依靠接收其他模塊的數(shù)據(jù)和指令與其內(nèi)設(shè)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì),確定出適宜短根植物需求最佳的一種水分和養(yǎng)分供給模式,使水分和養(yǎng)分耦合決策及時(shí)為短根植物根據(jù)接收到的植物的營(yíng)養(yǎng)需求添加營(yíng)養(yǎng)并與供水同時(shí)進(jìn)行;在系統(tǒng)比對(duì)出最佳實(shí)施方案后,相應(yīng)對(duì)各控制閥門(mén)發(fā)號(hào)施令,為短根植物進(jìn)行系統(tǒng)的灌溉與供給養(yǎng)分。正滲透營(yíng)養(yǎng)稀釋模塊始終處于運(yùn)行狀態(tài),不斷為水分養(yǎng)分自補(bǔ)給系統(tǒng)提供營(yíng)養(yǎng)來(lái)源,整個(gè)系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)控制[5],為短根植物提供最佳的用水量和營(yíng)養(yǎng)需求。
圖1 正滲透系統(tǒng)
將苦咸水收集起來(lái),其作為正滲透裝置的一部分,在配置好適宜的汲取液之后,利用正滲透技術(shù)處理苦咸水,將其作為此系統(tǒng)中的養(yǎng)分來(lái)源,此裝置一直處于運(yùn)行狀態(tài),為后續(xù)的短根植物水分與營(yíng)養(yǎng)供給系統(tǒng)提供固定的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源[6]。
本底信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)首先采集短根植物生長(zhǎng)環(huán)境的數(shù)據(jù),利用信息反饋系統(tǒng)(無(wú)線(xiàn)或互聯(lián)網(wǎng))將土壤含水率、pH 值、短根植物的生理狀況發(fā)送到水分和養(yǎng)分智能自給控制終端,本底信息自決策模塊、水分自檢自補(bǔ)決策模塊及水分和營(yíng)養(yǎng)耦合模塊便開(kāi)始分工開(kāi)展工作,通過(guò)各部分確定的最終結(jié)果匯總于自主執(zhí)行裝備系統(tǒng)中,根據(jù)上級(jí)指令控制水分源與營(yíng)養(yǎng)源的閥門(mén)開(kāi)關(guān),通過(guò)水分和養(yǎng)分營(yíng)養(yǎng)供給系統(tǒng)根據(jù)植物生長(zhǎng)需求配兌成的肥液與灌溉水一起[7]通過(guò)可控管道系統(tǒng)輸送,使作物“吃飽喝足”。
圖2 短根植物水分和養(yǎng)分智能自補(bǔ)給系統(tǒng)
(1)本底信息自決策模塊。系統(tǒng)內(nèi)置本底信息模塊,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)短根植物所需水分與營(yíng)養(yǎng)的需求,將信息反饋給終端智能決策系統(tǒng)。
(2)營(yíng)養(yǎng)(肥料)與水分的耦合自補(bǔ)模塊。根據(jù)作物營(yíng)養(yǎng)需求,自動(dòng)進(jìn)行水分和養(yǎng)分的流量配比,以達(dá)到精準(zhǔn)、科學(xué)、合理用水用肥的目的。
(3)正滲透系統(tǒng)與智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合,在處理當(dāng)?shù)乜嘞趟耐瑫r(shí),用稀釋的肥料汲取液精準(zhǔn)地為作物提供所需的養(yǎng)分。
(4)水分自檢自補(bǔ)模塊。根據(jù)土壤水分自主決策灌水量,使植物的含水量始終處于田間持水量與毛管持水量之間,保持短根植物正常生長(zhǎng)所需用水。
(5)集成水肥一體化和智能決策技術(shù)成果。依據(jù)智能決策實(shí)現(xiàn)水肥一體化中水分自檢自補(bǔ)、水分和養(yǎng)分耦合自補(bǔ),最終通過(guò)自決策將整個(gè)體統(tǒng)有機(jī)、密切地聯(lián)合起來(lái)。
根據(jù)植物生長(zhǎng)、發(fā)育的實(shí)際需要,以西紅柿為例。
在常溫環(huán)境下,以復(fù)合肥和磷酸二氫鉀做了模擬實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)得出:復(fù)合肥能夠回收1.8L 的淡水資源,磷酸二氫鉀能夠回收3.1L 的淡水資源,通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算,3.1/5/0.0567≈11L,得出每小時(shí)每平方米的正滲透膜能夠處理11L 的苦咸水。
通過(guò)數(shù)據(jù)搜集[8],得出正滲透膜的最佳膜通量的濃度是2mol/L,2×136×7.5=2kg,2mol/7.5L=0.27mol/kg,按照7.5L 的水配置2kg 的磷酸二氫鉀肥料的汲取液進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)際西紅柿種植需要肥料的配比,得出西紅柿在幼苗、開(kāi)花時(shí),需要3~5kg/667m2的施肥量,6~10m3/667m2的用水量。
表1 西紅柿所需養(yǎng)分
通過(guò)表1 可知,實(shí)際情況是每3kg 的肥料兌上6m3。即用復(fù)合肥汲取液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后,最終的汲取液濃度比實(shí)際需要灌溉的濃度高,還需稀釋50~60 倍后便可用于短根植物的灌溉。
寧夏干旱地區(qū)苦咸水資源量大,傳統(tǒng)灌溉導(dǎo)致肥料污染和土壤鹽堿化加劇,智能正滲透水肥自補(bǔ)給系統(tǒng)通過(guò)正滲透技術(shù)對(duì)當(dāng)?shù)乜嘞趟M(jìn)行處理的同時(shí),該系統(tǒng)的肥料汲取液可與水肥一體化系統(tǒng)相結(jié)合,通過(guò)智能控制系統(tǒng)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)作物水分和養(yǎng)分,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)作物精準(zhǔn)灌溉。與以往的技術(shù)相比,本系統(tǒng)技術(shù)減少了水資源的浪費(fèi),水的利用率提高了40%~60%,肥料利用率可提高30%~50%,保護(hù)了我國(guó)的生態(tài)環(huán)境,適宜在西北干旱地區(qū)大力推廣。作為一項(xiàng)適合于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新型農(nóng)業(yè)技術(shù),具有很大的發(fā)展?jié)摿洼^高的生態(tài)效益。