河南省高等学校

1、PAGE 21PAGE 13河南省高等学校大学生创新训练计划项目申报表推荐学校：（盖章）项目名称：基于多端监控的水肥气一体化灌溉系统研发与应用研究项目编号：202010078016项目层次： 重点项目 一般项目所属一级学科名称：自然科学相关工程与技术项目负责人：席海朋联系电话导教师：雷宏军联系电话报日期：2020年06月28日河南省教育厅 制项目名称基于多端监控的水肥气一体化灌溉系统研发与应用研究项目关键词智慧灌溉；水肥气一体化项目所属一级学科自然科学相关工程与技术项目层次（ ）重点项目 （ ）一般项目 项目实施时间起始时间： 2020年 0

2、6月 完成时间： 2021年 06月项目简介(200字以内）农业灌溉的未来出路在于水肥的高效利用，水肥气一体化可解决常规水肥一体化灌溉导致的根区短暂缺氧难题。目前市面上常见的水肥气灌溉系统大都采用单次曝气，效率低，推广度低。为此我们拟设计一种掺气率宽泛、可灵活调节、氧气传输均匀性高，基于物联网和云平台技术，实现性能和操作上显著改善，实现多端用户远程控制的水肥气一体化灌溉系统。通过在温室作物生产中的应用，提出一套实现作物增产提质的水肥气一体化灌溉技术参数。申请人或申请团队姓名年级学号所在院系/专业联系电话E-mail主持人席海朋2017201702024水利学院/农业水利工程1328383432

3、5875321737成员陈凤娟2017201702019水利学院/农业水利工程156908606972625415626常展毓2017201702027水利学院/农业水利工程175507718101714850175李杨千2017201702014水利学院/农业水利工程180379878761102774943李静仪2017201702015水利学院/农业水利工程156908607032814004704指 导 教 师第一指导教师姓名雷宏军单位华北水利水电大学年龄45岁专业技术职务教授主要成果1.雷宏军，第一人，“水气耦合高效灌溉技术研发与应用”，河南省科技进步二等奖，2016。2.雷宏军，第

4、二人，“水肥气一体化精准调控关键技术研发与应用”，山东省科技进步二等奖，2019。3.雷宏军，第五人，“北方农田高效绿色智慧灌溉管理关键技术研究及示范”，农业节水科技奖一等奖，2019。4.雷宏军，第一届全国大学生农业水利工程及相关专业创新设计大赛优秀指导教师,教育部高校农业工程类专业教指委会，2019。指 导 教 师第二指导教师姓名单位年龄专业技术职务主要成果申请理由（包括自身具备的知识条件、自己的特长、兴趣、已有的实践创新成果等）指导教师担任教授职务，有丰富的科研课题经验，且对项目支持力度大；指导教师承担科研课题情况：(1)国家自然科学基金，增氧地下滴灌对作物土壤通气性的改善效应（编号：U

5、1504512）；(2)河南省科技创新人才项目，曝气灌溉的生物与环境效应研究（编号：174100510021）；(3)山东省重点研发计划重大科技创新工程项目，设施农业水肥气精准调控与高效利用关键技术研究与集成（编号：SD2019ZZ017）。项目负责人参加第一届全国大学生农业水利工程及相关专业创新设计大赛获一等奖，有较好的领导能力，对水肥气一体化技术有一定了解和研究。项目成员具有较强的创新意识和创新能力，且在工作上具有认真负责的态度；成员分别擅长数据处理建模分析、文献检索学习、模型制作改装等，项目团队具有良好的协作性。二、项目方案具体内容包括：1、项目研究背景（国内外的研究现状及研究意义、项目

6、已有的基础，与本项目有关的研究积累和已取得的成绩，已具备的条件，尚缺少的条件及方法等）中国是一个农业大国，目前我国低产农作物面积大，耕作粗放，土壤有机质含量偏低。长期以来，由于管理粗放、技术落后，我国农村大部分地区的农田灌溉仍采用传统的大水漫灌方式。这种灌溉方式快速地将水供给耕作层，但植物的根带吸收能力有限，大量的水资源和植物根部的肥料渗漏流失，造成水资源的浪费以及土壤结构的变化，直接影响作物的生长。同时传统的灌溉通常由人工判断土壤干湿情况，或根据不同作物生长期大致的需水量进行浇灌，做不到更进一步的根据作物生长需要的实时精准灌溉，导致灌溉时机不够及时，使作物生长受到影响，或者灌溉效率不高造成水

7、资源浪费。在市场上的水肥气灌溉装置大都需要手动开闭阀门实现灌水施肥，精准度低且操作繁琐复杂，耗费精力，效率差，推广度低。针对以上情况，己有相关技术围绕无线通讯装置、无线通讯模块、湿度传感器等将农田灌溉自动化，发明设计一种水资源智慧化调控系统，依据土壤墒情监测，通过智慧化管理系统，实现根据作物需求的自动化灌溉。并根据Stokes定律，气泡在水中的上升速度与气泡直径的平方成正比，而微纳米气泡因具有气泡尺寸小、 比表面积大、吸附效率高、在水中上升速度慢等特点，将气泡“微纳米化”处理大大延长氧气在水中悬浮的时间，使气泡以微纳米形式大量存在于水中，水中溶解氧含量达到超饱和状态1-4。通过溶解氧测量仪检测

8、氧气含量达8.59.0 mg/L，再通过施肥器在灌溉水中施肥，最后水、肥、气高效耦合液体流入灌溉系统。旨在解决水氧矛盾和发明一种水肥气智能调控系统，提高根系活力，挖掘农作物的生产力和潜能，提高肥料的利用率，达到增产提质的良好效果。与本项目有关的研究积累和已取得的成绩（1）已进行磁化水对水中溶解氧含量的研究表1 磁化水中的溶解氧 （mg/L）由表可见，蒸馏水经磁化杯静磁场处理和流经150 mT磁场处理后，水中的溶解氧都有明显增加。这可能氧是顺磁性分子，在磁场作用下能聚集于磁场中所致。（2）已有水肥气一体化简化模型（3）已进行辣椒滴灌试验，完成部分实验结果的数据处理和分析，研究增氧滴灌对根区土壤环

9、境及辣椒生长、产量和水氮利用效率的影响。增氧滴灌对土壤通气性的影响图1为辣椒各生育期灌水后土壤通气性指标变化图。分析辣椒全生育期内土壤通气性指标变化情况可以得出，增氧滴灌处理的Eh均值、ODR均值较常规滴灌分别平均增加了7.8%、11.2%,存在显著性差异（P0.05），灌水量增加则会使Eh值和ODR值有所降低。增氧滴灌处理的WFPS均值较对照常规滴灌平均减小了3.1%，存在显著性差异（P0.05），增氧滴灌与常规滴灌相比可以降低土壤中的WFPS值，灌水量的增加可提高WFPS的值，增氧滴灌可促进高灌水量下的WFPS值增加。a 土壤Eh变化图b 土壤ODR变化图c 土壤WFPS变化图图1 辣椒各

10、生育期灌水后土壤通气性指标变化图（注：移植24-28天处于苗期；移植44-48天处于开花坐果期；移植66-70天处于成熟期）增氧滴灌对土壤矿质氮的影响 图2-a、2-b分别为不同处理辣椒地土壤硝态氮、铵态氮的含量变化图。由图可以看出随着移植天数的增加，土壤矿质氮含量均呈现先升高后下降的趋势，且在成熟初期达到最大值。增氧滴灌处理的土壤NO3-N含量均值、NH4+-N含量均值较常规滴灌处理下分别平均减小了11.6%、7.7%，存在显著性差异（P0.05）。增氧滴灌与常规滴灌相比会降低土壤矿质氮含量，常氮处理下土壤矿质氮含量的降低幅度相对较小，增氧滴灌会抑制高灌水处理下的土壤NH4+-N含量均值的减

11、少，增氧滴灌会促进高灌水量处理下土壤NO3-N含量减少。a 土壤硝态氮含量变化图b 土壤铵态氮含量变化图图2 不同处理下土壤矿质氮含量变化图已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法已具备的条件：已有水肥气一体化简化模型；尚缺少的条件：需按照最新意见改装模型；解决方法：2020年9月返校后进行模型的改装。2、项目研究目标及主要内容研究目标：我国水资源短缺,水污染严重，农业灌溉的未来出路在于水肥的高效利用。水肥一体化是将施肥与灌溉紧密结合的农业技术，它利用灌溉系统将由固体或液体肥料配兑而成的肥液均匀、准确地输送到作物根部的土壤，可有效控制灌溉用水量和施肥量，提高水肥利用效率。但是在灌溉过程中，灌溉水的

12、渗入会将土壤孔隙中的空气驱逐开来而造成根区短暂缺氧的难题，根区土壤中的通气性较差，会抑制植物根系的生长和养分的吸收，进而影响作物的产量及品质。本研究拟设计改进一种高效且便于操作的水肥气一体化滴灌系统。该系统将微纳米气泡与水肥溶液混合后通过地下滴灌系统输送到作物根区，能有效改善植物根区微环境，维持根系正常的新陈代谢和呼吸功能，促进和协调植物地上和地下部分的生长发育，可以达到节水省肥、提质增效的灌溉目的。在操作上可以实现主机和移动设备双端操控，通过田间墒情传感器及软件编程，当田间墒情达到作物需求下限自动灌水和施肥，操作便捷简单。研究内容：(1)基于多端监控的水肥气一体化智能灌溉系统的改进基于互联网

13、技术，实现水肥气一体化灌溉系统的远程监控和管理；用气液混合多相流泵替换文丘里射流器，突破以往12%的掺气率上限；添加磁化装置，提高水中溶解氧含量；设计气流量计和灌溉水出水电动阀，以实现灵活调节掺气率。(2)作物水肥气一体化滴灌技术参数研究以普通地下滴灌为对照，通过对比试验，研究水肥气一体化曝气处理下作物生长、产量和品质的影响。为智慧灌溉提供技术参数。3、项目创新特色概述通过添加气流量计和流量计，可灵活调节水气掺和比例，适应多种作物需求。将文丘里射流器替换为多级离心泵，突破了以往12%的掺气率上限，添加磁化装置，提高了水中溶解氧含量。设计触摸操控和移动设备远程操控，实现自动灌溉，操作便捷简单，向

14、智慧农业迈进。提出一套温室作物水肥气一体化灌溉技术参数。4、项目研究技术路线图3 技术路线图图4 水肥气一体化灌溉系统结构设计图5、研究进度安排2020年7月2020年11月 研究水肥气一体化智能灌溉设备改进方案，制模型结构示意图；2020年12月2021年2月 根据改进方案对原有模型进行改装，并撰写专利申请书1件；2020年3月2021年6月 试验数据的整理与分析，撰写项目研究报告及科技论文，准备项目验收。6、项目组成员分工学生姓名学生学号项目中的分工成员类型席海朋201702024完成核心论文，专利申请等文本工作负责人陈凤娟201702019布置田间试验，采集气象与作物生长数据成员常展毓2

15、01702027收集专业文献，专利研制与改进成员李杨千201702014田间实验管理，采集作物生理数据成员李静仪201702015搜集相关资料，参与采集作物产量与品质数据成员三、学校提供条件（包括项目开展所需的实验实训情况、配套经费、相关扶持政策等）(1)提供项目研发所需的基础条件；(2)提供项目实施需要的场地和仪器设备；(3)提供项目研究所需的资金；(4)项目实施过程中提供项目管理、指导和帮助。四、预期成果(1)明确曝气灌溉对作物产量、品质的影响；(2)完成项目结项报告一份；(3)申报发明专利1件。五、经费预算具体包括：1、调研、差旅费；2、用于项目研发的元器件、软硬件测试、小型硬件购置费等；3、资料购置、打印、复印、印刷等费用；4、学生撰写与项目有关的论文版面费、申请专利费等。开支科目 预算经费(元） 主要用途 阶段下达经费计划（元） 前半阶段 后半阶段 1.业务费 30009002100(1)计算、分析、测试费 600测试分析 300300(2)能源动力费 000(3)会议、差旅费 800项目勘察 0800(4)文献检索费 800资料费 8000(5)论文出版费 1000专利申请费 010002.仪器设备购置费 2000模型部件购置 200003.实验装置试制费 800模型组装费 80004.材料费 1000管材和传感器 1