滴灌棉田精量控制施肥系统研发与施肥效果研究

摘要

精准农业各项技术经过多年的革新与发展，但是其各项技术的发展并非齐头并进。尤其是在当前以节水灌溉技术（滴灌技术）为基础的农业规模化运作模式下，精准追肥环节各项技术成果却主要集中在对作物养分与土壤养分的监测、施肥量与产量及土壤养分分布相关性、水肥一体化管理等方面的研究。而在精准追肥环节，大田滴灌施肥装备领域，至今没有很好的技术方案来解决当前滴灌施肥环节所出现的各类技术难题。精准农业某项技术装备的短板终将会影响精准农业各项技术在当前农业规模化运作条件下，集约化管理与操控的实现。目前滴灌施肥环节使用的技术装备依然为压差式施肥罐。该设备自滴灌技术引入我国以来一直沿用至今。但随着精准施肥技术不断发展的需要，多年来众多学者对滴灌施肥养分信息的监测获取、信息传输、数据分析与决策都做了大量的研究，并形成了众多的理论成果。但是由于当前滴灌施肥执行设备，即传统的压差式施肥罐只能人为粗放式的操作，所以无法将施肥决策形成的推荐结论通过信息技术得以传输，更无法通过自动化控制技术得以表达。这就使得滴灌施肥执行环节的技术装备研究与开发变成了急待解决的问题。而当前滴灌施肥环节所存在的问题有：施肥量无法根据轮灌区和作物需求精确可控；注肥浓度前高后低，注肥均匀度低，受压差与流量影响大；受注肥均匀度的影响，注肥时间无法控制；施肥环节完全由人为操作，无法实现自动化控制。本研究综合应用信息技术、机电一体化控制、系统分析集成、营养诊断、大田试验对比等技术思想和方法，设计可实现滴灌施肥量精确可控、整体注肥均匀、施肥时间可控的滴灌精量控制施肥装置，并在此基础上运用信息技术，研究开发了滴灌精量施肥控制系统，包括对该装置的现场控制与远程控制功能。通过对现有装置的分析研究，开发设计了符合当前滴灌施肥需要的滴灌施肥装置，并实现了自动化控制。通过对装置控制系统监测、配肥能力研究分析以及施肥模式研究，完成了从装置设计构想到大田实际运行的各项工作。
　　本研究主要内容包括：⑴围绕当前滴灌施肥环节所存在的问题提出了滴灌精量控制施肥装置设计思路与原理，同时对现有装置的施肥特点加以分析，保留其优点改进其缺陷。针对当前施肥量无法精确可控提出了配肥机构的研究设计方案；以及针对注肥均匀度低提出了定量且少量多次的注肥机构研究设计方案。完成了滴灌精量控制施肥装置的设计与装配。同时对研制完成的装置进行了配肥精度与配肥均匀度的试验研究，验证了该装置优越的施肥性能。⑵以自主研发完成的滴灌精量控制施肥装置为研究对象，通过明确基于SPAD营养诊断的滴灌棉花不同生育时期最佳施氮量、单次灌水时间与轮灌区面积，研究精量施肥装置不同规格配肥盘单位时间配肥量，确定滴灌精准施肥装置在不同灌溉条件与棉花不同生育时期的配肥能力。为配肥系统机构的改进与参数的优化提供理论依据。⑶开发了基于PLC的滴灌精量控制施肥装置现场控制系统及远程控制系统。提出了滴灌精量控制施肥系统现场控制技术方案与远程控制技术方案。现场控制采用文本显示器显示各项设备运行参数，以及通过手动录入的形式，输入施肥环节各项参数来操控装置精准施肥。并对步进电机和直线电机的驱动模式进行了设计与研究。通过编程与软件开发实现对施肥装置的远程控制。⑷在滴灌棉田对两种装置（精量控制施肥与传统压差式施肥装置）在棉花不同生育时期以及不同灌水时段开展施肥试验，通过对两种施肥方式情况下土壤中氮素分布、棉花氮素利用率和棉花产量进行试验分析，以证明精量控制施肥方式较为优越的施肥可控性和施肥效果，同时探明滴灌精量控制施肥装置依据棉花不同生育时期根系特点的最佳施肥模式。⑸通过对装置的设计研究与驱动设备的选型研究，完成了滴灌精量控制施肥装置的完全自主研发，通过对该装置基于PLC的现场控制器与与基于GSM的远程控制系统的研发实现了该装置自动化精量施肥，完成了滴灌施肥的精量化、自动化以及施肥时间的可控，显著提高了滴灌施肥环节的注肥均匀度。通过对该系统配肥能力的研究，确定了棉花盛蕾期、花期、盛花期、铃期生育时期的最佳施氮量分别为：63.03kg/hm2、64.19 kg/hm2、60.09 kg/hm2、62.84 kg/hm2，为滴灌棉花不同生育时期变量施肥提供理论依据。并通过研究表明单位时间施氮量与滴头流量qd无关，仅与单井出水量Q和特定棉花生育时期的施氮量Nd有关。最后得出了滴灌精量控制施肥装置的配肥改进方案。通过自主研发的施肥装置与传统压差式施肥装置滴灌棉田施肥效果对比试验，以棉花产量为基准，得出了滴灌精量控制施肥装置在棉花各生育时期的最佳施肥时段。⑹滴灌精量控制施肥系统的研究与开发，并最终形成了产品，填补了滴灌大田施肥环节无自动化控制施肥系统的技术装备空白。提高了滴灌施肥的可控性和注肥均匀性。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 问题的提出

第二章 研究目的、研究内容与技术路线

2.1研究目的

2.2 研究内容

2.3 技术路线

第三章 精量控制施肥装置机构设计与单位时间施氮量研究

3.1 装置设计依据与设计思路

3.2 配肥机构设计方案

3.3 活塞密封式施肥机构设计方案

3.4 滴灌棉田变量控制精准施肥装置设备选型介绍

3.5 装置配肥试验

3.6 小结

第四章 精量控制施肥装置配肥性能研究

4.1 基于营养诊断的棉花最佳经济施氮量研究

4.2 滴灌棉田轮灌区面积计算

4.3 滴灌棉田单位时间施氮量研究

4.4 配肥盘配肥能力研究

4.5 小结

第五章 精量控制施肥装置自动化及远程控制系统研发

5.1 精量施肥现场控制系统功能需求分析

5.2 滴灌精量施肥现场控制系统设计

5.3 滴灌精量控制施肥系统现场控制技术方案

5.4 滴灌精量控制施肥系统远程控制技术方案

5.5 滴灌精量控制施肥系统远程控制软件设计技术方案

5.6 小结

第六章 滴灌棉田精量控制施肥装置施肥效果及施肥方式研究

6.1 前言

6.2 材料与方法

6.3 结果与分析

6.4 小结

第七章 结论与展望

7.1 主要研究结论

7.2 本研究创新点

7.3 进一步研究建议

参考文献

致谢

作 者 简 介

石河子大学硕士研究生学位论文导师评阅表