专利名称：一种施肥装置及施肥方法
技术领域：
本发明涉及施肥技术，特别涉及一种施肥装置及施肥方法。
背景技术：
在作物的生长过程中，需要从土壤中适量吸收各种矿质养分元素，用以维系其正常生长发育，完成其生命历程。其中，包括大量元素如氮、磷、钾，中量元素如钙、镁、硫，微量元素如铁、锰、铜、锌、钼、硼等。现代农业生产体系中，由于耕作土壤在作物生长季内能提供给作物吸收的矿质养分元素有限，因而，通过施肥为作物提供适量的矿质养分元素是保障农作物产量、质量的根本措施之一，据统计，全球每年施入农田的肥料数以千万吨(如中国目前每年施用肥料 5000多万吨)，肥料对粮食作物产量的贡献率可达30%以上。肥料被施入土壤后，将发生一系列的自然周转过程，其去向主要包括以下几种形式①被作物吸收利用；②被土壤暂时性吸附、保持；③被微生物吸收利用或与土壤腐殖质络合、化合而存储在土壤中；④与土壤发生物理或化学反应，而被永久固定；⑤转化成 气体而逸入大气；⑥淋溶出土壤。其中，肥料被作物吸收利用是施肥的根本目的，是肥料的有效利用部分，肥料被土壤暂时性吸附、保持以及被微生物吸收利用或与土壤腐殖质络合、化合而存储在土壤中也是基本有利的过程，而肥料与土壤发生物理或化学反应，而被永久固定、转化成气体而逸入大气以及淋溶出土壤则是肥料完全无效化、流失的过程，是肥料的浪费，而且极有可能污染环境、破坏土壤质量。科学研究与生产实践充分证明，肥料的无效化、流失过程不仅与土壤性质有关，更是与肥料浓度、肥土接触面积、土壤水分含量等众多因素有关，一般地，肥料浓度越大、肥土接触面积越大、水分含量越高，则肥料的无效化与流失速率就越快(如，土壤水分在饱和状态的流失性是非饱和的千倍、万倍以上)，肥料的利用率就越低。由于肥料在土壤中存在无效化、流失的现象，使得目前肥料的利用率普遍不高，例如，我国氮肥的利用率不到30%、磷肥利用率不到15%、钾肥利用率不到35%，肥料的低利用率不仅使肥料没有得到充分利用、浪费肥料资源，而且，没有被作物吸收利用的剩余肥料养分，将会通过各种途径散失到空气、水体中，从而造成严重的环境问题，例如，农业面源污染、温室气体排放、酸雨、土壤退化等。为了提高肥料的有效利用率，降低剩余肥料养分对环境的污染，研究如何进行高效施肥，是农业科学领域亟待解决的问题。现有技术中，施肥的基本方法是将肥料通过固体或者水溶液的形式，一次或多次混入全部耕作层土壤或局部耕作层土壤，以供作物根系吸收利用。但在这样的施肥方式下， 会发生以下几种不利形情①土壤溶液中的养分浓度非常不均勻，在施肥后的短时期内会存在局部高浓度， 甚至造成烧苗，而在其余较长的时期内，肥料浓度又可能远远低于作物所需要的适宜浓度； ②肥料与土壤充分混合，接触面大通过在土壤上播撒肥料，但由于作物根系只在土壤的一定区域内存在，而在土壤的其他区域并没有作物根系，这一区域中的肥料无法被植物根系直接吸收，造成肥料的浪费；而如果采用局部施肥，则由于作物根系的动态生长， 很难使得施肥区域与作物根系区域高度吻合；③肥料一旦被施入土壤，将按照其固有的自然规律发生周转，无法调控肥料在土壤中的行为。特别是在作物采收后，未被作物吸收利用的剩余肥料养分基本被浪费掉；④作物对养分的需求与肥料养分的供应难以高度吻合，从而影响作物高效吸收利用肥料；⑤如果发生较大降雨或者过量灌溉，则会因土壤水分含量过高而导致肥料养分流失。针对上述问题，在一些高效益经济作物或者设施农业中，开始运用灌溉施肥的方法，试图克服现有将肥料通过固体或者水溶液的形式，一次或多次混入全部土壤或局部土壤而产生的问题。灌溉施肥，即将肥料溶入灌溉水中，利用灌溉水将肥料输送到土壤中，采用灌溉施肥，能够较好地解决土壤溶液中的养分浓度不均勻的问题，但对于肥料与土壤接触面大、调控肥料在土壤中的行为、作物对养分的需求与肥料养分的供应难以高度吻合以及过量灌溉导致的肥料养分流失，灌溉施肥的方法也未能较好地改善或解决，使得肥料的利用率还是较低；进一步地，在很多情况下，由于作物的需水时期与养分需求期不是一致的，且由于天气的原因，灌水时间是变化的，在作物需要大量养分的时候，但并不一定需要灌溉；而且，灌溉施肥的方法，需要灌溉设施做基础，而灌溉设施往往需要动力，额外增加了能源消费，从而增加了农户种植作物的成本，难以在普通农作物上进行大面积推广。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种施肥装置，提高肥料的利用率、降低农户种植作物的成本、减少环境污染。本发明的另一目的在于提出一种施肥方法，提高肥料的利用率、降低农户种植作物的成本、减少环境污染。为达到上述目的，本发明提供了一种施肥装置，该装置包括施肥头、储肥器以及负压室，其中，施肥头，位于施肥装置底部，设置有细孔，与储肥器相连，放置于与土壤中生长有作物根系的预定深度以及预定距离的位置；储肥器，位于施肥装置中部，一端与施肥头相连通，另一端与负压室相连通，用于存放肥料溶液；负压室，位于施肥装置顶部，下与储肥器相连通，其内充满预设气压和体积的空气，使得包含预留空气的气压的所述施肥头的水势高于使作物生长旺盛对应的土壤水势，小于土壤处于田间持水量时的土壤水势。所述施肥头为具有微孔结构的器材。进一步包括在所述负压室 的顶部设置有用于调节负压室初始负压的负压调节阀。一种施肥方法，该方法包括设置包括施肥头、储肥器以及负压室的施肥装置；设置所述施肥头位于施肥装置底部，设置有细孔，与储肥器相连；设置所述储肥器位于施肥装置中部，一端与施肥头相连通，另一端与负压室相连通，用于存放肥料溶液；设置所述负压室位于施肥装置顶部，下与储肥器相连通，其内充满预设气压和体积的空气，使得包含预留空气的气压的所述施肥头的水势高于使作物生长旺盛对应的土壤水势，小于土壤处于田间持水量时的土壤水势；将设置的施肥装置放置于与土壤中生长有作物根系的预定深度以及预定距离的位置。所述使作物生长旺盛对应的土壤水势为-0. IBar _5. OBar，所述土壤处于田间持水量时的土壤水势在-0. 1 -0. 3Bar之间。所述土壤水势计算公式为φ ± = φ 基 +Ρ0+Ρ土水 + φ g+ φ 溶质式中，Φ ±为土壤水势；φ基为土壤基质势；P0为大气压；P 土水为土壤水柱压；Φ 8为土壤重力势；φ溶质为土壤溶质势。所述施肥头水势计算公式为ξ 施=ξ 基+P+ξ 水+ξ g+ξ 溶质式中，ξ施为施肥头水势；ξ s为施肥头基质势；P为负压室气压；ξ ι为储肥器中肥料溶液水柱压；ξ g为施肥头重力势；ξ溶质为施肥头溶质势。在土壤处于非饱和状态时，所述施肥头水势与所述土壤水势之差的计算公式为
Δ = P + “ - P。-知=P空气空气 + Q - P。-知
Η空气+ H液_ H式中，
Δ为所述施肥头水势与所述土壤水势之差；Hfi气为负压室初始空气柱高度；P空气为负压室初始气压；H液为肥料溶液初始液面高度；H为当前施肥装置肥料溶液液面高度，Hfi气、H液、H单位为厘米；ξ 7Κ = 0. 0009807 · H(Bar)。由上述的技术方案可见，本发 明提供的一种施肥装置及施肥方法，施肥装置包括 施肥头、储肥器以及负压室，其中，施肥头，位于施肥装置底部，设置有细孔，与储肥器相连， 放置于土壤中生长有作物根系的预定深度以及预定距离的位置；储肥器，位于施肥装置中部，一端与施肥头相连通，另一端与负压室相连通，用于存放肥料溶液；负压室，位于施肥装置顶部，下与储肥器相连通，其内充满预设气压和体积的空气，使得包含预留空气的气压的所述施肥头的水势高于使作物生长旺盛对应的土壤水势，小于土壤处于田间持水量时的土壤水势。这样，通过实验统计、分析，获取作物生长旺盛对应的土壤水势以及土壤处于田间持水量的土壤水势，调整施肥装置负压室中的初始空气体积及其气压，使得在施肥头水势高于土壤水势时，储肥器中的溶液通过施肥头中设置的细孔流出至土壤，在施肥头水势低于土壤水势时，土壤中的水分通过施肥头中设置的细孔流进至储肥器，避免肥料流失，提高了肥料的利用率、避免了肥料流失、降低了农户种植作物的成本。
图1为本发明施肥装置的结构示意图。图2为本发明施肥方法的流程示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。现有技术中，通过固体或水溶液的形式进行施肥的方法以及灌溉施肥的方法，都存在肥料利用率不高、农户施肥成本高、容易污染环境的缺陷。本发明中，考虑到土壤具有的一种自然属性，即土壤水势属性的特点，也就是说，在绝大多数自然情况下，土壤养分在土壤中的移动依靠土壤水分作为介质，而土壤水分的移动由土水势所驱动，水分总是从势能高的地方流向势能低的地方。土壤养分溶解在水分中，水分从土壤中依靠土水势的驱动， 流向作物根系，因而，溶解有土壤养分的水分能否向作物根系流动，作物能不能吸收到溶解有土壤养分的水分，完全取决于土壤与作物之间的水势差，即土水势的高低，土水势越高， 越能驱动土壤水分流向作物根系。经过多年的实验与研究，发现生长季节大多数旱地农田的土壤水势一般在-0. IBar -15. OBar之间，其中，大多数作物在土壤水势为-0. 3Bar -5. OBar时生长最为旺盛。如果土壤水势大于-0. IBar，将使得土壤含水量超过田间持水量，导致水分极容易流动，并将肥料养分带走，从而造成肥料的流失。基于上述科学原理以及分析，如果能够控制肥料溶液的水势，使其能够大于作物生长时的土壤水势而小于使得土壤含水量超过田间持水量的土壤水势，这样，就可以保证在作物生长期向作物施肥，而在土壤含水量过高的情况下、又不会因为水分的流动，而将肥料养分带走。因而，本发明提出一种崭新的、高效率的施肥方法-负压施肥法，通过控制施肥肥料的水势，达到提高肥料的利用率的目的。下面先简要描述负压施肥的机理依据“水总是从势能高的地方流向势能低的地方”的基本自然规律，以水分作为载体，充分利用土壤本身的势能，通过调节肥料溶液的水势，使其在负压状态下，将肥料溶液输送到作物根系。 所应说明的是，本发明所述的负压，是相对于大气压而言，即低于大气压的气压。图1为本发明施肥装置的结构示意图。参见图1，该施肥装置包括施肥头101、储肥器102以及负压室103，其中，施肥头101，位于施肥装置底部，设置有细孔，与储肥器102相连，放置于土壤106 中生长有作物根系107的预定深度以及预定距离的位置；本发明中，作物根系位置可以由施肥人员根据作物105的种类以及作物的生长情况进行估测得到，预定深度以及预定距离可以根据实际需要，依据经验确定。例如，预定深度可以是土壤地面至作物根系中间位置的深度，而预定距离可以在不影响作物根系生长的情况下，距离作物根系适当的距离即可，以保证肥料养分输送的路径较短。储肥器102，位于施肥装置中部，一端与施肥头101相连通，另一端与负压室103相连通，用于存放肥料溶液104;负压室103，位于施肥装置顶部，下与储肥器102相连通，其内充满预设气压和体积的空气，使得包含预留空气的气压的施肥头的水势高于使作物生长旺盛对应的土壤水势，小于土壤处于田间持水量时的土壤水势。本发明中，通过预设气压的设置，使得在施肥头水势高于土壤水势时，储肥器中的溶液通过施肥头中设置的细孔流出至土壤，在施肥头水势低于土壤水势时，土壤中的水分通过施肥头中设置的细孔流进至储肥器。预设气压的具体设定，后续再具体进行描述。施肥头、储肥器以及负压室形成密封的容器。较佳地，在负压室的顶部设置有用于调节负压室初始负压的负压调节阀108。所应说明的是，本发明的施肥装置的大小可以根据实际需要设置，例如，考虑作物类型、生长期长短、所需的养分、施肥装置在土壤中的布放深度等，举例来说，对于果树，设置的施肥装置的深度尺寸以及长宽尺寸可以大于用于棉花施肥的施肥装置的相应尺寸，以及，施肥装置可以全部埋入土壤中，但为了保证肥料补充的方便，设置施肥装置顶端高于土壤表面适当距离。本发明中，施肥头、储肥器以及负压室既可以为一个整体，也可以是将三个部分通过管道连接在一起，储肥器与负压室之间并没有固定的界限，以肥料溶液的液面为分隔面， 随着肥料溶液液面的变化而变化。负压室中的初始负压可以通过抽气而产生，但在施肥的过程，负压室气压随着肥料溶液液面的变化而变化，在施肥开始时，负压室容积较小，初始气压可以设为一个大气压，当然，实际应用中，也可以根据实际需要调整负压室内的初始气压。在施肥过程中，随着肥料溶液流向土壤，负压室容积增大，气压减小，当储肥器内肥料溶液全部流出后，负压室容积达到最大，而气压达到最小。负压室最终的最小气压取决于负压室的初始容积、初始气压以及储肥器容积。实际应用中，如果负压室的初始容积为0，则负压室在施肥过程中，在不考虑储肥器内肥料溶液水汽压的情况下，其气压理论上始终为0，以负压表示则为-1. OBar,即处于真空状态。本发明中，储肥器中的肥料溶液通过施肥头与土壤中的作物根系联通起来，考虑土壤水势与肥料溶液的水势的关系，如果土壤水势低于肥料溶液水势，将在水势差的驱动下，肥料溶液将通过施肥头从储肥器中流向土壤，从而将肥料养分输送至根际土壤，给作物根系施肥；而如果土壤水势高于肥料溶液水势，土壤中的溶液将通过施肥头从土壤流向储肥器，这样，施肥器终止向土壤供肥。如前所述，如果土壤水势维持在-0. IBar -5. OBar 之间，就能够保证作物生长较为旺盛，也就是说，只要设置施肥装置中的肥料溶液的水势稍高于-0. IBar -5. OBar，例如，-0. 05Bar，则可以驱动肥料溶液流向土壤中的根系，保证对作物的施肥，而且，随着肥料溶液注入土壤，土壤的水势也逐渐升高，而肥料溶液水势逐渐降低，经过一定时间，肥料溶液水势与土壤水势维持一个动态平衡，在土壤受到大雨或过量灌溉，使得土壤水势大于-0. IBar时，由于土壤水势高于肥料溶液水势，可以保证肥料不外流。举例来说，如果处于生长期的作物根系，其周围的土壤水势为-0. 4Bar,设置的施肥头处的肥料溶液的水势为-0. 2Bar，则在将施肥装置置于作物根系旁时，肥料溶液的水势高于土壤水势，驱动肥料溶液流向土壤中的作物根系，由于负压室内容积逐渐扩大，使得肥料溶液的水势逐渐降低，而作物根系旁的土壤，由于肥料溶液的浇灌，土壤水势逐渐升高，这样，经过一段时间，两者达到平衡。在作物根系吸收肥料溶液后，使得土壤水势下降，从而又驱动肥料溶液流向土壤，而在作物根系 受到大雨或雨水过量灌溉时，土壤水势迅速上升，驱动雨水流向储肥器，压缩负压室内容积，使得肥料溶液水势升高，最终也达到一个动态平衡，防止肥料溶液外流。如前所述，相对施肥装置外边的大气压(约1. OBar)，负压室内的气压为负值，通过控制预留负压室内的空气量，可以维持负压室内的气压在0 -1. OBar之间，这样，当土壤水分过多，也就是容易产生快速土壤水分移动时，施肥器不但不供肥，反而将土壤溶液吸入到施肥器中来，防止了肥料随水流失。本发明中，施肥头为具有微孔结构的器材，当其微孔充满水时，只要维持施肥头内外气压差不超过预先设置的数值，可以使其具有透水不透气的特性，使得土壤中的空气不能通过施肥头进入储肥器，从而可以维持施肥头的水势在田间持水量所对应水势至-l.OBar之间(在实际运用中，视土壤实际田间持水量而定，绝大多数土壤的田间持水量所对应的土水势在-0. 1 -0. 3Bar之间)。下面对本发明设定预设气压，即负压室内初始气压的具体值进行说明。设负压室初始空气柱高度为H3^,初始气压为P3^,当前负压室气压为P，肥料溶液初始液面高度为Ha，当前土壤水势为Φ ±，如前所述，肥料溶液的流向取决于施肥头与土壤之间的水势差Δ。其中，Φ± = Φ 基+Ρ0+Ρ土水+ Φ^Φ 溶质(1)式中，Φ ±为土壤水势；φ基为土壤基质势；P0为大气压；P+水为土壤水柱压；
Φ 8为土壤重力势；φ溶质为土壤溶质势。施肥头的水势的计算公式为ξ 施=ξ 基+P+ξ 水+Ig+ξ 溶质(2)式中，ξ施为施肥头水势；ξ s为施肥头基质势；P为负压室气压；ξ ι为储肥器中肥料溶液水柱压；ξ g为施肥头重力势，Ig= Φ8；ξ溶质为施肥头溶质势。其中，土壤基质势Φ s、施肥头基质势ξ s小于或等于0，含水量越高，基质势越大，对于土壤基质势Φ s来说，当存在过量灌溉、较大降雨时，使得土壤含水量达到饱和状态，则土壤基质势Φ s达到最大，为0，其他情况下，土壤基质势Φ s永远是负数，即
权利要求
1.一种施肥装置，其特征在于，该施肥装置包括施肥头、储肥器以及负压室，其中，施肥头，位于施肥装置底部，设置有细孔，与储肥器相连，放置于土壤中生长有作物根系的预定深度以及预定距离的位置；储肥器，位于施肥装置中部，一端与施肥头相连通，另一端与负压室相连通，用于存放肥料溶液；负压室，位于施肥装置顶部，下与储肥器相连通，其内充满预设气压和体积的空气，使得包含预留空气的气压的所述施肥头的水势高于使作物生长旺盛对应的土壤水势，小于土壤处于田间持水量时的土壤水势。
2.如权利要求1所述的施肥装置，其特征在于，所述施肥头为具有微孔结构的器材。
3.如权利要求1或2所述的施肥装置，其特征在于，进一步包括 在所述负压室的顶部设置有用于调节负压室初始负压的负压调节阀。
4.一种施肥方法，其特征在于，该方法包括设置包括施肥头、储肥器以及负压室的施肥装置； 设置所述施肥头位于施肥装置底部，设置有细孔，与储肥器相连； 设置所述储肥器位于施肥装置中部，一端与施肥头相连通，另一端与负压室相连通，用于存放肥料溶液；设置所述负压室位于施肥装置顶部，下与储肥器相连通，其内充满预设气压和体积的空气，使得包含预留空气的气压的所述施肥头的水势高于使作物生长旺盛对应的土壤水势，小于土壤处于田间持水量时的土壤水势；将设置的施肥装置放置于土壤中生长有作物根系的预定深度以及预定距离的位置。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述使作物生长旺盛对应的土壤水势为-0. IBar -5. OBar，所述土壤处于田间持水量时的土壤水势普遍在-0. 1 -0. 3Bar之间。
6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述土壤水势计算公式为Φ± = Φ 基+Ρ0+Ρ土水+ Φ^Φ 溶质式中，Φ ±为土壤水势； Φ基为土壤基质势； P0为大气压； P 为土壤水柱压； φ 8为土壤重力势； φ溶质为土壤溶质势。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述施肥头水势计算公式为€施=€基+P+ ^水+ € g+ €溶质式中，ξ Λ为施肥头水势； ξ 为施肥头基质势； ρ为负压室气压； ξ #为储肥器中肥料溶液水柱压；ξg为施肥头重力势； ξ 为施肥头溶质势。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在 土壤处于非饱和状态时，所述施肥头水势与所述土壤水势之差的计算公式为Δ = P +“ -P。二卩空^1 空气-P。-知H空气打式中，Δ为所述施肥头水势与所述土壤水势之差； H3^为负压室初始空气柱高度； P 为负压室初始气压； Ha为肥料溶液初始液面高度；H为当前施肥装置肥料溶液液面高度，Hfin, Ha、H单位为厘米；ξ # = 0. 0009807 · H(Bar)。
全文摘要
本发明公开了一种施肥装置及施肥方法。施肥装置包括施肥头、储肥器以及负压室，其中，施肥头，位于施肥装置底部，设置有细孔，与储肥器相连，放置于土壤中分布有作物根系的预定深度以及预定距离的位置；储肥器，位于施肥装置中部，一端与施肥头相连通，另一端与负压室相连通，用于存放肥料溶液；负压室，位于施肥装置顶部，下与储肥器相连通，其内充满预设气压和体积的空气，使得包含预留空气的气压的所述施肥头的水势高于使作物生长旺盛对应的土壤水势，小于土壤处于田间持水量时的土壤水势。应用本发明，可以提高肥料的利用率、减少肥料浪费、降低农户种植作物的成本，减轻施肥的环境副效应。
文档编号A01C23/02GK102217452SQ20111009392
公开日2011年10月19日 申请日期2011年4月15日 优先权日2011年4月15日
发明者张认连, 龙怀玉 申请人:中国农业科学院农业资源与农业区划研究所