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]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

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)

1.2 系統(tǒng)原理

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)

1.3 系統(tǒng)流程

2 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

（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)。

3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

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。

4 結(jié)論

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。