第二节

水肥一体化技术的施肥设备

水肥一体化技术中常用到的施肥设备或方法主要有压差施肥罐、文丘里施肥器、泵吸肥法、泵注肥法、重力自压式施肥法、注射泵、施肥机等。

一、压差施肥罐

1.基本原理

压差施肥罐由两根细管（旁通管）与主管道相接，在主管道上两根细管接点之间设置一个节制阀（球阀或闸阀）以产生一个较小的压力差（1～2米水压），使一部分水流流入施肥罐，进水管直达罐底，水溶解罐中肥料后，肥料溶液由另一根细管进入主管道，将肥料带至作物根区（图2-26～图2-28）。

肥料罐是用抗腐蚀的陶瓷衬底或镀锌铸铁、不锈钢或纤维玻璃做成的，以确保经得住系统的工作压力和抗肥料腐蚀。在低压滴灌系统中，由于压力低（约10米水压），也可用塑料罐，固体可溶肥料在肥料罐内逐渐溶解，液体肥料则与水快速混合。随灌溉的进行，肥料不断被带走，肥料溶液不断被稀释，养分越来越低，最后肥料罐里的固体肥料都流走了（图2-29）。该系统较简单、便宜，不需要用外部动力就可以达到较高的稀释倍数。然而，该系统也存在一些缺陷，如无法精确控制灌溉水中的肥料注入速率和养分浓度，每次灌溉之前都得重新将肥料装入施肥罐内。节流阀增加了压力的损失，而且该系统不能用于自动化操作。肥料罐常做成10～300升的规格。一般温室大棚小面积地块用体积小的施肥罐，大田轮灌区面积较大的地块用体积大的施肥罐。

2.优缺点

压差施肥罐的优点：设备成本低，操作简单，维护方便；适合施用液体肥料和水溶性固体肥料，施肥时不需要外加动力；设备体积小，占地少。

压差施肥罐的缺点：为定量化施肥方式，施肥过程中的肥液浓度不均一；易受水压变化的影响；存在一定的水头损失，移动性差，不适宜用于自动化作业；锈蚀严重，耐用性差；由于罐口小，加入肥料不方便，特别是轮灌区面积大时，每次的肥料用量大，而罐的体积有限，需要多次倒肥，降低了工作效率。

3.适用范围

压差施肥罐适用于包括温室大棚、大田种植等多种形式的水肥一体化灌溉施肥系统。对于不同压力范围的系统，应选用不同材质的施肥罐，因为不同材质的施肥罐其耐压能力不同。

二、文丘里施肥器

1.基本原理

水流通过一个由大渐小然后由小渐大的管道时（文丘里管喉部），水流经狭窄部分时流速加大，压力下降，使前后形成压力差，当喉部有一更小管径的入口时，形成负压，将肥料溶液从一敞口肥料罐通过小管径细管吸取上来。文丘里施肥器即根据这一原理制成（图2-30、图2-31）。文丘里施肥器用抗腐蚀材料制作，如塑料和不锈钢，现绝大部分为塑料制造。文丘里施肥器的注入速度取决于产生负压的大小（即所损耗的压力）。损耗的压力受施肥器类型和操作条件的影响，损耗量为原始压力的10%～75%。表2-5列出了压力损耗与吸肥量（注入速度）的关系。

注：流经文丘里管道的水流量为压力0.35兆帕时测定。

由于文丘里施肥器会造成较大的压力损耗，通常安装时加装一个小型增压泵。一般厂家均会告知产品的压力损耗，设计时根据相关参数配置加压泵或不加泵（图2-32）。

文丘里施肥器的操作需要有过量的压力来保证必要的压力损耗；施肥器入口稳定的压力是养分浓度均匀的保证。压力损耗量用占入口处压力的百分数来表示，吸力产生需要损耗入口压力的20%以上，但是两级文丘里施肥器只需损耗10%的压力。吸肥量受入口压力、压力损耗和吸管直径影响，可通过控制阀和调节器来调整。文丘里施肥器可安装于主管路上（串联安装，图2-33）或者作为管路的旁通件安装（并联安装，图2-34）。在温室里，作为旁通件安装的施肥器其水流由一个辅助水泵加压。

文丘里施肥器的主要工作参数有以下几个。一是进口处工作压力（ P _进 ）。二是压差，压差（ P _进 - P _出 ）常被表达成进口压力的百分比，只有当此值降到一定值时，才开始抽吸。如前所述，这一值约为1/3的进口压力，某些类型高达50%，较先进的可小于15%。表2-6列出了压力差与吸肥量的关系。三是抽吸量，指单位时间内抽吸液体肥料的体积，单位为升/小时。抽吸量可通过一些部件调整。四是流量，是指流过施肥器本身的水流量。进口压力和喉部尺寸影响着施肥器的流量。流量范围由制造厂家给定。每种类型只有在给定的范围内才能准确地运行。

注：表中数据为天津水利科学研究所研制的单向阀文丘里注肥器测定。

文丘里施肥器具有显著的优点：不需要外部能源，直接从敞口肥料罐吸取肥料，吸肥量范围大，操作简单，磨损率低，安装简易，方便移动，适于自动化，养分浓度均匀且抗腐蚀性强。不足之处为压力损失大，吸肥量受压力波动的影响。

2.主要类型

（1）简单型　这种类型结构简单，只有射流收缩段，无附件，因水头损失过大一般不宜采用。

（2）改进型　灌溉管网内的压力变化可能会干扰施肥过程的正常运行或引起事故。为防止这些情况发生，在单段射流管的基础上，增设单向阀和真空破坏阀。当产生抽吸作用的压力过小或进口压力过低时，水会从主管道流进储肥罐以至产生溢流。在抽吸管前安装一个单向阀或在管道上装一球阀均可解决这一问题。当文丘里施肥器的吸入室为负压时，单向阀的阀芯在吸力作用下关闭，防止水从吸入口流出（图2-35）。

当敞口肥料桶安放在田块首部时，罐内肥液可能在灌溉结束时因出现负压面被吸入主管，再流至田间最低处，既浪费肥料而且可能烧伤作物。在管路中安装真空破坏阀，无论系统何处出现局部真空都能及时补进空气。

有些制造厂提供各种规格的文丘里喉部，可按所需肥料溶液的数量进行调换，以使肥料溶液吸入速率稳定在要求的水平上。

（3）两段式　国外研制了改进的两段式结构（图2-36），使得吸肥时的水头损失只有入口处压力的12%～15%，因而克服了文丘里施肥器的基本缺陷，并使之获得了广泛的应用。不足之处是流量相应降低了。

3.优缺点

文丘里施肥器的优点：设备成本低，维护费用低；施肥过程可维持均一的肥液浓度，施肥过程无需外部动力；设备重量轻，便于移动和用于自动化系统；施肥时肥料罐为敞开环境，便于观察施肥进程。

文丘里施肥器的缺点：施肥时系统水头压力损失大；为补偿水头损失，系统中要求较高的压力；施肥过程中的压力波动变化大；为使系统获得稳压，需配备增压泵；不能直接使用固体肥料，需把固体肥料溶解后施用。

4.适用范围

文丘里施肥器因其出流量较小，主要适用于小面积种植场所，如温室大棚种植或小规模农田。

5.文丘里施肥器的安装

在大多数情况下，文丘里施肥器安装在旁通管上（并联安装），这样只需部分流量经过射流段。当然，主管道内必须产生与射流管内相等的压力降。这种旁通运行可使用较小（较便宜）的文丘里施肥器，而且更便于移动。当不加肥时，系统也工作正常。当施肥面积很小且不考虑压力损耗时，也可串联安装。

在旁通管上安装的文丘里施肥器，常采用旁通调压阀产生压差。调压阀的水头损失足以分配压力。如果肥液在主管过滤器之后流入主管，抽吸的肥水要单独过滤。常在吸肥口包一块100～120目的尼龙网或不锈钢网，或在肥液输送管的末端安装一个耐腐蚀的过滤器（1/2英寸或1英寸），筛网规格为120目（图2-37）。有的厂家产品出厂时已在管末端连接好不锈钢网。输送管末端结构应便于检查，必要时可进行清洗。肥液罐（或桶）应低于射流管，以防止肥液在不需要时自压流入系统。并联安装方法可保持出口端的恒压，适合于水流稳定的情况。当进口处压力较高时，在旁通管入口端可安装一个小的调压阀，这样在两端都有安全措施。

因文丘里施肥器对运行时的压力波动很敏感，应安装压力表进行监控。一般在首部系统都会安装多个压力表。节制阀两端的压力表可测定节制阀两端的压力差。一些更高级的施肥器本身即配有压力表供监测运行压力。

三、重力自压式施肥法

1.基本原理

在应用重力滴灌或微喷灌的场合，可以采用重力自压式施肥法。在南方丘陵山地果园或茶园，通常引用高处的山泉水或将山脚水源泵至高处的蓄水池。通常在水池旁边高于水池液面处建立一个敞口式混肥池，池大小为0.5～5.0米 ³ ，可以是方形或圆形，方便搅拌溶解肥料即可。池底安装肥液流出的管道，出口处安装PVC球阀，此管道与蓄水池出水管连接。池内用20～30厘米长的大管径（如 ϕ 75毫米或 ϕ 90毫米）PVC管。管入口用100～120目尼龙网包扎。为扩大肥料的过流面积，通常在管上钻一系列的扎，用尼龙网包扎（图2-38）。

2.应用范围

我国华南、西南、中南等地有大面积的丘陵山地茶园及大田作物，非常适合采用重力自压灌溉。采用重力自压施肥简单方便。施肥浓度均匀，农户易于接受。不足之处是必须把肥料运送到山顶。

四、泵吸肥法

1.基本原理

泵吸肥法（图2-39）是利用离心泵直接将肥料溶液吸入灌溉系统，适合于几十公顷以内面积的施肥。为防止肥料溶液倒流入水池而污染水源，可在吸水管上安装逆止阀。通常在吸肥管的入口包上100～120目滤网（不锈钢或尼龙），防止杂质进入管道。

2.优缺点

该法的优点是不需外加动力，结构简单，操作方便，可用敞口容器盛肥料溶液。施肥时通过调节肥液管上阀门可以控制施肥速度，精确调节施肥浓度。缺点是施肥时要有人照看，当肥液快完时应立即关闭吸肥管上的阀门，否则会吸入空气，影响泵的运行。

五、泵注肥法

1.基本原理

泵注肥法是利用加压泵将肥料溶液注入有压管道（图2-40），通常泵产生的压力必须要大于输水管的水压否则肥料注不进去。对用深井泵或潜水泵抽水直接灌溉的地区，泵注肥法是最佳选择。

2.优缺点

泵注肥法施肥速度可以调节，施肥浓度均匀，操作方便，不消耗系统压力。不足之处是要单独配置施肥泵。对施肥不频繁的地区，可以使用普通清水泵，施完肥后用清水清洗，一般不生锈。但对于频繁施肥的地区，建议用耐腐蚀的化工泵。

六、注射泵

在无土栽培技术应用普遍的国家（如荷兰、以色列等），注射泵的应用很普遍，有满足各种用户需要的产品。注射泵是一种精确施肥设备，可控制肥料用量或施肥时间，在集中施肥和复杂控制的同时还易于移动，不给灌溉系统带来水头损失，运行费较低等。但注射泵装置复杂，与其他施肥设备相比价格昂贵，肥料必须溶解后使用，有时需要外部动力。电力驱动泵还存在特别风险，当系统供水受阻中断后，往往注肥仍在进行。目前常用的类型有膜式泵、柱塞泵等。

1.水力驱动泵

这种泵以水压力为运行动力，因此在田间只要有灌溉供水管道就可以运行。一般的工作压力最小值是0.3兆帕。流量取决于泵的规格。同一规格的泵水压力也会影响流量，但可调节。此类泵一般为自动控制，泵上安有脉冲传感器将活塞或隔膜的运动转变为电信号来控制吸肥量。灌溉中断时注肥立即停止，停止施肥时泵会排出一部分驱动水。由于此类泵主要用于大棚温室中的无土栽培，泵一般安置在系统首部，但也可以移动。典型的水动力泵有隔膜泵和柱塞泵。

（1）隔膜泵　这种泵有两个膜部件，一个安装在上面，一个安装在下面，之间通过一根竖直杠杆连接。一个膜部件是营养液槽，另一个是灌溉水槽。灌溉水同时进入到两个部件中较低的槽，产生向上的运动。运动结束时分流阀将肥料吸入口关闭并将注射进水口打开，膜下两个较低槽中的水被射出。向下运动结束时，分流阀关闭出水口并打开进水口，再向上运动。当上方的膜下降时，开始吸取肥料溶液；而当向上运动时，则将肥料溶液注入灌溉系统中。膜式泵比活塞注射泵昂贵，但是它的运动机件较少，而且组成部分与腐蚀性肥料溶液接触的面积较小。隔膜泵的流量为3～1200升/小时，工作压力为0.14～0.8兆帕。肥料溶液注入量与排水量之比为1∶2。由一个计量阀和脉冲转换器组成的阀对泵进行调控，主要调控预设进水量与灌溉水流量的比率。可采用水力驱动的计量器按比例加肥灌溉。在泵上安装电子微断流器将电脉冲转化为信息传到灌溉控制器来实现自动控制。隔膜泵的材料通常采用不锈钢和塑料（图2-41）。

1—动力水进口阀；2—驱动水过滤阀；3—调节阀；4—肥

（2）柱塞泵　柱塞泵利用加压灌溉水来驱动活塞。它所排放的水量是注入肥料溶液的3倍。泵外形为圆柱体并含有一个双向活塞和一个使用交流电的小电机，泵从肥料罐中吸取肥料溶液并将它注入灌溉系统中。泵启动时有一个阀门将空气从系统中排出，并防止供水中断时肥料溶液虹吸到主管。柱塞泵的流量为1～250升/小时，工作压力为0.15～0.80兆帕。可用流量调节器来调节泵的施肥量或在驱动泵的供水管内安装水计量阀来调节。与注射器相连的脉冲传感器可将脉冲转化为电信号并将信号传送给溶液注入控制器，然后控制器据此调整灌溉水与注入溶液的比率。在国内使用较多的为法国DOSATRONL国际公司的施肥泵和美国DOSMATIC国际公司的施肥泵，均有多种型号，肥水稀释比例从几百至几千倍不等（表2-7，图2-42、图2-43）。

2.电机或内燃机驱动施肥泵

电动泵类型及规格很多，从仅供几升的小流量泵到与水表连接能按给定比例注射肥料溶液和供水的各种泵型。因需电源，这些泵适合在固定的场合如温室或井边使用。因肥料会腐蚀泵体，常用不锈钢或塑料材质制造。用内燃机（含拖拉机）驱动的泵常见的是拖拉机拖动或机载的喷油机泵，系统包括单独的内燃机或直接利用拖拉机的柴油发动机，泵应是耐腐蚀的，并需配置数百升容积的施肥罐。优点是启动和停机均靠手动操作，便于移动，供水量可以调节等（图2-44）。