郭宏杰，馬德新

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)動漫與傳媒學(xué)院，山東 青島 266109）

在水肥一體化灌溉系統(tǒng)中，施肥裝置是關(guān)鍵的組成部分，其中文丘里施肥器作為一種常用的施肥裝置，具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、易于操作等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉中［1］。將文丘里施肥器更好地應(yīng)用于灌溉施肥相關(guān)的裝置中，對于促進(jìn)中國水肥一體化發(fā)展向著更加精準(zhǔn)化、智慧化的方向有著重要作用［2，3］。

對以色列、荷蘭、美國等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家來說，灌溉施肥機(jī)裝置的相關(guān)研究已經(jīng)比較成熟，但如果引進(jìn)外國先進(jìn)技術(shù)及裝備存在價(jià)格昂貴和不適合國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的缺點(diǎn)［4］。王海濤等［5］通過選用國內(nèi)外20種常見文丘里施肥器進(jìn)行試驗(yàn)，得出文丘里施肥器的吸肥上限與內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，在增加壓差的情況下振動與空化現(xiàn)象不斷加強(qiáng)會抑制文丘里施肥器的吸肥性能。謝冬輝等［6］分別對圓柱形（C）、錐形（T）、橢圓形（E）3種文丘里施肥器喉管結(jié)構(gòu)及14種樣品的水力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)λ=1.27時(shí)吸肥性能最佳。同時(shí)在入口流量一樣的情況下，C型與E型喉管的吸肥效果沒有T型喉管強(qiáng)，但T型喉管能量損失比較大。張建闊等［7］在基于CFD數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上通過優(yōu)化文丘里結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)口壓力為0～0.1 MPa的范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，進(jìn)口流量比、吸肥流量和肥液濃度都與進(jìn)口壓力呈正比例關(guān)系。以上研究側(cè)重于對文丘里施肥器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，同時(shí)在實(shí)際灌溉操作中文丘里施肥器存在壓力損失較大與吸肥量難以連續(xù)調(diào)控的缺點(diǎn)。因此，本研究設(shè)計(jì)一種基于文丘里施肥器的變量試驗(yàn)裝置，并采用灰色多元回歸模型研究各變量對文丘里施肥器吸肥量的影響關(guān)系，并建立文丘里施肥器吸肥量預(yù)測方程。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，使用型號為58615的文丘里施肥器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。文丘里由主流進(jìn)口直段、混合液出口直段、接受室、擴(kuò)散室和混合室5個(gè)部分組成，試驗(yàn)裝置如圖2所示。水源采用水泵抽水，肥液通過肥液桶供應(yīng)，試驗(yàn)時(shí)肥液暫時(shí)采用常溫清水替代，水與肥液經(jīng)過文丘里混合后流入液池。整個(gè)試驗(yàn)裝置之間的連接管采用PVC管水泵產(chǎn)生高速水流，流經(jīng)文丘里吸肥器，由于文丘里效應(yīng)產(chǎn)生吸力，將肥液吸取并與水流充分混合。系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)壓力表，量程范圍為0～0.6 MPa，0.5級，壓力表可測量前端壓力與后端壓力。水泵采用直流變頻控制，通過調(diào)節(jié)電位器可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制水流量及系統(tǒng)前端壓力系統(tǒng)后端設(shè)置手動閥門，可改變后端壓力，水泵帶壓力保護(hù)功能，超過設(shè)定壓力后自動停機(jī)保護(hù)。在吸肥管與進(jìn)水管中連接流量計(jì)用于檢測流量，兩個(gè)流量變送器的精度均為±0.5%。

圖1 文丘里施肥器結(jié)構(gòu)

圖2 試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)方法

文丘里施肥器的進(jìn)口壓力范圍為0.02～0.14 MPa，分別為0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.12 MPa共6個(gè)水平，出口壓力設(shè)置為0，每個(gè)水平數(shù)據(jù)重復(fù)采集10次，每次采集時(shí)間間隔為5 min，最終每個(gè)水平數(shù)據(jù)得出使用去掉一個(gè)最高值與一個(gè)最低值，其余值計(jì)算后取平均值。采用常溫清水來替代肥液，在整個(gè)試驗(yàn)過程中須連續(xù)向肥液桶內(nèi)加水，以此來保證文丘里施肥器的吸肥口與肥液之間形成液面高度差。在打開電源后，通過后端開關(guān)及調(diào)速開關(guān)配合調(diào)整前端壓力（最大0.4 MPa，超壓保護(hù)），流量穩(wěn)定后斷電，記錄流量計(jì)示數(shù)，重新打開，運(yùn)行一段時(shí)間后斷電，記錄流量計(jì)示數(shù)，此時(shí)便可得到某個(gè)壓力條件下進(jìn)出水口流量和吸肥量的相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.3 文丘里吸肥性能相關(guān)指標(biāo)

文丘里施肥器的吸肥性能影響因素為主管進(jìn)水口壓力P1（MPa）、主管進(jìn)水口流量q1（m3/h）、出水口流量q2（m3/h）、吸肥量q（m3/h）、肥液質(zhì)量分?jǐn)?shù)m（%）、肥液濃度E（%），進(jìn)口流量比D（%）。根據(jù)理想流體的伯努利方程常量，通過結(jié)合文丘里施肥器的真實(shí)參數(shù)與數(shù)據(jù)，其中，

其中，進(jìn)口流量比（D）能夠用來反映文丘里施肥器的吸肥能力，肥液濃度（E）能夠有效直觀地反映出文丘里施肥器的性能優(yōu)劣。

2 理論模型及計(jì)算方法

2.1 灰色關(guān)聯(lián)理論及計(jì)算方法

對于兩個(gè)系統(tǒng)之間的因素，它們之間的變化不會隨著時(shí)間的變化而改變相關(guān)性大小的量度，被稱為關(guān)聯(lián)度［8］。在系統(tǒng)發(fā)展過程中，兩個(gè)或者兩個(gè)以上因素之間的變化表現(xiàn)出一致性，變化程度越高，證明它們之間的關(guān)聯(lián)度越高，反之，證明它們之間的關(guān)聯(lián)度越低，灰色關(guān)聯(lián)度模型分析主要包括以下5個(gè)環(huán)節(jié)［8-10］：

1）最初需對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，接著確定對比因素和參照數(shù)例。設(shè)評價(jià)因素有m個(gè)，評價(jià)指標(biāo)有n個(gè)參考數(shù)列，比較數(shù)列為

2）接下來確定各個(gè)因素所對應(yīng)的權(quán)重。使用層次分析法來確定相關(guān)因子的權(quán)重r=[r1,r2,…r z]，其中r k(k=1,2,3,…n)為第k個(gè)因素所占的權(quán)重。

3）計(jì)算灰色相關(guān)系數(shù)。計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)公式為：

4）通常來說分辨系數(shù)越大分辨率越大，系數(shù)越小說明分辨率越小。在這里分辨系數(shù)ρ取0.5進(jìn)行計(jì)算，其中兩級最小差為，最大差為：

5）評價(jià)分析。結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度的大小，對環(huán)境因子進(jìn)行排序，得到其相關(guān)程度。

2.2 多元回歸模型分析及計(jì)算方法

多元回歸預(yù)測是數(shù)學(xué)模型預(yù)測方法中常見的一種線性模型，通常包含兩個(gè)或兩個(gè)以上自變量，且能夠通過線性代數(shù)方程表達(dá)出未知量與多個(gè)自變量之間的規(guī)律，建立多變量之間的數(shù)學(xué)模型方程的統(tǒng)計(jì)方法［11，12］。根據(jù)多元回歸分析原理，可建立線性回歸方程：

式中，Y表示預(yù)測要素；c表示常數(shù)項(xiàng)；X1、X2、X3、X4分別代表自變量壓差（MPa）、進(jìn)口流量比（%）、肥液質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）、肥液濃度（%）；α1、α2、α3、α4分別代表4個(gè)自變量的斜率。

通過對負(fù)相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、殘差等系列參數(shù)進(jìn)行分析，對其進(jìn)行回歸分析的t檢驗(yàn)和F檢驗(yàn)，t臨界值檢驗(yàn)是指檢驗(yàn)整體參數(shù)的顯著性，F(xiàn)統(tǒng)計(jì)值檢驗(yàn)是指檢驗(yàn)自變量之間的線性或非線性關(guān)系［10］。

3 文丘里施肥器吸肥性能影響因素分析

3.1 壓差對文丘里施肥器吸肥量和肥液濃度的影響

將式（1）和式（2）在Matlab中編寫計(jì)算程序，然后將試驗(yàn)收集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)代入程序進(jìn)行計(jì)算，選取0.02～0.12 MPa的壓差區(qū)間下文丘里施肥器的進(jìn)口流量比、吸肥量、肥液濃度和肥液質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)如表1所示。壓差與肥液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和進(jìn)口流量比的關(guān)系分別如圖3、圖4所示。由圖3可以看出，進(jìn)出口流量隨著壓差的增加而增高，在0.08～0.10 MPa區(qū)間內(nèi)增幅的斜率最大，且在0.12 MPa達(dá)到最高點(diǎn)。由圖4可知，肥液濃度與進(jìn)口流量比隨著壓差的增加而增高，且在0.08～0.10 MPa區(qū)間內(nèi)增幅的斜率達(dá)到最高值，此后趨于平緩。

圖4 壓差與進(jìn)口流量比和肥液濃度的關(guān)系

表1 文丘里施肥器的進(jìn)口流量比、吸肥量、肥液濃度和肥液質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖3 不同壓差情況下的流量變化關(guān)系

3.2 文丘里施肥器影響因素結(jié)果分析

將所需數(shù)據(jù)代入Matlab軟件編寫程序中，即可通過計(jì)算得出各個(gè)因素對文丘里吸肥量影響的關(guān)聯(lián)度，若灰色關(guān)聯(lián)度的值越大，則表示該環(huán)境因子對目標(biāo)因素的影響越大［13］。文丘里施肥器吸肥量各個(gè)影響因子的關(guān)聯(lián)度及影響度排序如表2所示。各個(gè)因素對文丘里施肥量的影響大?。悍室嘿|(zhì)量分?jǐn)?shù)＞壓差＞進(jìn)口流量比＞肥液濃度。因此，對于此文丘里施肥器吸肥量影響最大的因素為肥液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但由于文丘里施肥器在對水肥進(jìn)行混合時(shí)的肥液質(zhì)量分?jǐn)?shù)受到壓差與進(jìn)口流量比的影響，所以各個(gè)影響因子中壓差對吸肥量的影響最大，因此要想文丘里施肥器吸肥量達(dá)到最優(yōu)吸肥值需要使壓差調(diào)節(jié)到最適值再結(jié)合其他影響因素進(jìn)行精準(zhǔn)精量灌溉，從而有效提高作物的產(chǎn)量與質(zhì)量。

表2 文丘里施肥器吸肥量各影響因子的關(guān)聯(lián)度及排序

4 文丘里施肥器施肥性能預(yù)測

4.1 文丘里施肥器吸肥量的多元回歸分析

為研究多因素對文丘里施肥器吸肥量的影響，將壓差、進(jìn)口流量比、肥液濃度與肥液質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為自變量對吸肥量的影響進(jìn)行預(yù)測。使用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得出回歸參數(shù)，通過回歸分析原理結(jié)合回歸參數(shù)表可得到回歸預(yù)測方程如下：

進(jìn)口流量比與文丘里施肥器吸肥量的關(guān)系呈負(fù)相關(guān)，壓差、肥液濃度和肥液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與文丘里施肥器吸肥量的關(guān)系呈正相關(guān)。在實(shí)際的灌溉施肥農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，該方程可以用來影響或預(yù)測文丘里施肥器的吸肥量，從而調(diào)整相關(guān)影響因子，為精準(zhǔn)灌溉決策提供參考，實(shí)現(xiàn)促進(jìn)作物的生長。

4.2 田間試驗(yàn)

為了有效地驗(yàn)證和應(yīng)用基于灰色理論-多元回歸分析的文丘里施肥器吸肥性能試驗(yàn)的結(jié)論，2018年11月至2019年4月于青島農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室黃瓜試驗(yàn)田實(shí)施了相關(guān)試驗(yàn)。在溫室黃瓜試驗(yàn)田中分出6個(gè)面積相等的小型試驗(yàn)田，分別編號為1～3號試驗(yàn)田采用傳統(tǒng)文丘里施肥器進(jìn)行灌溉，4～6號試驗(yàn)田采用改良的文丘里施肥器進(jìn)行灌溉施肥。在種植時(shí)6塊試驗(yàn)田的施肥種類、水源、所施農(nóng)藥與管理方式均相同。黃瓜的用水用肥灌溉量以及產(chǎn)量均來自該試驗(yàn)田，具體結(jié)果如表3所示。由表3可知，將灰色理論-多元回歸分析的文丘里施肥器吸肥性能試驗(yàn)應(yīng)用研究成果對文丘里施肥器進(jìn)行改良后，降低了531.72 mm灌溉用水量，節(jié)水率為21.00%，并且黃瓜產(chǎn)量也得到了提高。

表3 灌溉量與黃瓜產(chǎn)量

5 結(jié)論

作物的生長不僅受自身生理?xiàng)l件和灌溉施肥、栽培技術(shù)、環(huán)境因子影響，而且自身品種也會對其產(chǎn)生不同程度的影響［14，15］。本研究結(jié)合相關(guān)實(shí)踐灌溉技術(shù)，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論和多元回歸預(yù)測模型對文丘里施肥器吸肥量影響因素進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，壓差、進(jìn)口壓力比、肥液質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及肥液濃度對吸肥量的影響程度不同，其中壓差和肥液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對吸肥量的影響較大。采用多元回歸理論模型建立多元因素影響條件下文丘里施肥器的預(yù)測模型，結(jié)果表明，各影響因子對其吸肥量影響程度不同，可通過調(diào)整相關(guān)因子大小來調(diào)控吸肥量大小，并且可結(jié)合實(shí)際作物所需有效預(yù)測文丘里施肥器的吸肥量，并在田間進(jìn)行有效的試驗(yàn)。但在實(shí)際的操作中還存在著一些不容易控制的因素，如測量設(shè)備存在的誤差，在試驗(yàn)中存在的一些主觀因素，都是影響精確度的因素，因此在實(shí)際的作物應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)緊密結(jié)合實(shí)踐并且運(yùn)用現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)信息技術(shù)進(jìn)行有效種植。在對某種作物進(jìn)行灌溉時(shí)可通過提高文丘里施肥器吸肥量針對某種作物進(jìn)行最優(yōu)灌溉，實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉的同時(shí)提升水肥利用率，促進(jìn)作物的有效生長，最終達(dá)到提質(zhì)增產(chǎn)的作用。