一种用加气控制灌溉减少稻田温室气体排放的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用加气控制灌溉减少稻田温室气体排放的装置及方法，其中包括灌溉装置、加气装置、气泵、单片机和蒸渗仪，所述灌溉装置包括进水口、套管和出水口，所述出水口通过管道与蒸渗仪的内部相通，所述蒸渗仪的内部填充有土壤且土壤中埋设有FDR探头，所述单片机通过导线与FDR探头和气泵相连，所述气泵通过导管与加气装置的进气口相通，所述加气装置的出口与套管相通。本发明专利技术通过单片机实时监测稻田土壤含水率并调控，当FDR探头测得稻田的田间含水率低于预设水稻各生育期的土壤含水率下限时，灌水并向水中加气。本发明专利技术结构简单，并且可以有效降低农田温室效应，造价低、效率高，可在农业、科研、环境等领域推广应用。

A device and method to reduce greenhouse gas emission in paddy field by controlling irrigation with gas

The invention discloses a device and method for controlling irrigation by adding air to reduce greenhouse gas emission of paddy field, including an irrigation device, an air adding device, an air pump, a single chip microcomputer and a lysimeter, the irrigation device includes a water inlet, a sleeve and a water outlet, the water outlet is communicated with the inside of the lysimeter through a pipeline, the inside of the lysimeter is filled with soil and FDR is embedded in the soil The single chip microcomputer is connected with the FDR probe and the air pump through the wire, the air pump is connected with the air inlet of the gas filling device through the conduit, and the outlet of the gas filling device is connected with the sleeve. The invention monitors and controls the soil moisture content of rice field in real time through a single chip microcomputer. When the field moisture content of rice field measured by the FDR probe is lower than the preset lower limit of soil moisture content in each growth period of rice, water is poured and air is added to the water. The invention has simple structure, can effectively reduce the greenhouse effect of farmland, has low cost and high efficiency, and can be popularized and applied in the fields of agriculture, scientific research, environment, etc.

【技术实现步骤摘要】
一种用加气控制灌溉减少稻田温室气体排放的装置及方法
本专利技术属于农业灌溉领域，具体涉及一种用加气控制灌溉减少稻田温室气体排放的装置及方法。
技术介绍
温室效应是当前人们不得不重视的环境问题，最主要的温室气体有CO2、CH4和N2O三种，而以CH4为例，灌溉稻田是大气CH4的最主要的人为排放源之一，因为淹灌的厌氧环境和较低的Eh(氧化还原电位)有利于CH4的产生，此外，稻田产生的N2O和CO2也不容小觑。为应对我国水资源紧缺的现状，节水灌溉技术得到了重视和发展，控制灌溉是其中一种被广泛证明的节水灌溉方式，其排水晒田方式改善了土壤通气状况、促进CH4的氧化，植株收到水分限制会关闭部分气孔，也会降低一部分植株产生的CH4，然而，控制灌溉的灌水次数有限且仅限于生育期后期的几次灌水，受土壤深层的温度、压强等因素的限制，空气中的氧气很难溶于水中，转换成水稻生长所需的溶解氧。加气灌溉是近年来发展起来的一种灌溉模式，已被证明具有较好的增产功效。目前的加气灌溉主要有两种方式：(1)物理加气法，亦称机械加气，是建立在文丘里管基础上，在灌溉水传送到田间之前注入纯氧或压缩空气。在文丘里管气体注入过程中将微小气泡与水混合，灌溉水中有充足的气态氧气和已经溶解的氧气，加气后水的氧浓度取决于温度和注射器端口内外的压力差；(2)化学加气法，将化学药剂置于水中通过化学反应直接产生氧气融于水中，过氧化氢(H2O2)就是其中一种化合物，能被土壤过氧化氢酶分解成水和氧气。尽管化学加气法与机械灌氧相比氧气浓度要低，但效果却不错。然而，目前的加气灌溉多用于地下滴灌增氧领域，将加气灌溉与控制灌溉耦合较少涉及，且多存在难以调节灌水频率和灌水时间的问题，如何耦合节水与减少稻田温室气体排放是一个亟待解决的问题。中国专利CN103585905A公开了一种循环微泡发生装置，通过循环路径反复充氧产生微泡，然而没有考虑到农业节水和农田温室气体排放的问题。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术目的是提供一种用加气控制灌溉减少稻田温室气体排放的装置及方法，解决将加气灌溉与控制灌溉耦合，存在难以调节灌水频率和灌水时间的问题。技术方案：本专利技术一种用加气控制灌溉减少稻田温室气体排放的装置，包括灌溉装置、加气装置、气泵、单片机和蒸渗仪，所述灌溉装置包括进水口、套管和出水口，所述出水口通过管道与蒸渗仪的内部相通，所述蒸渗仪的内部填充有土壤且土壤中埋设有FDR探头，所述单片机通过导线与FDR探头和气泵相连，所述气泵通过导管与加气装置的进气口相通，所述加气装置的出口与套管相通。进一步的，所述套管沿水流方向还依次设有导流器、喷射器、扰流器和分散器，所述加气装置的出口与导流器和喷射器之间的套管相通。在套管内经导流、喷射、扰流和分散，水和气进行高度分散，产生微米和纳米级的微小气泡，含有微气泡的水经出水口进入灌溉管道进行灌溉。进一步的，所述灌溉装置的出水口处设有控制水流关闭的电磁阀，所述电磁阀通过导线与单片机相连。进一步的，所述蒸渗仪的土壤顶部种植有水稻，土壤中填充有斜发沸石，斜发沸石的粒径范围是40～80目。斜发沸石用量范围为400～600kg/亩。进一步的，所述蒸渗仪的顶部设有可伸缩式静态箱，所述可伸缩式静态箱内设有用于测量稻田排放温室气体浓度的温室气体传感器，所述温室气体传感器通过导线与单片机相连。因为通常情况下测温室气体需要在密闭静态箱内进行，但考虑到光照、植物生长等问题，就设置了可伸缩式静态箱。进一步的，所述温室气体传感器可以是CH4浓度传感器、N2O浓度传感器和CO2浓度传感器中的一种、两种或三种。进一步的，所述加气装置为微气泡发生器，所述气泵选用FAA8006或PM8001中的一种。微气泡发生器可以选用文丘里微气泡发生器，以产生微米和纳米级气泡，使灌溉水成为富氧水。本专利技术还提供一种用加气控制灌溉减少稻田温室气体排放的方法，包括如下步骤：(1)水稻播种前，将40～80目的斜发沸石与基肥混合，并翻耕0～10cm土壤层；(2)单片机内预设水稻各生育期的土壤含水率数据，并通过单片机控制FDR探头实时监测稻田土壤含水率并调控；当FDR探头测得稻田的田间含水率低于预设水稻各生育期的土壤含水率下限时，单片机控制同步打开气泵和电磁阀，进行加气灌水；当FDR探头测得稻田的田间含水率高于预设水稻各生育期的土壤含水率上限时，停止灌水；(3)灌水完成后，可伸缩式静态箱关闭，温室气体传感器检测稻田温室气体浓度并反馈给单片机，根据稻田温室气体浓度与预设水稻的温室气体浓度判断是否需要加氧，若符合要求则气泵关闭，停止加气，否则继续加气。进一步的，所述步骤(2)中，预设水稻各生育期的土壤含水率具体为：水稻返青期的水量保持土壤层以上10～30mm的浅薄水层，水稻分蘖期土壤含水率为60～70％；水稻拔节孕穗期土壤含水率为70～80％；水稻抽穗开花期土壤含水率为78～80％，水稻乳熟期土壤含水率为70～72％，水稻黄熟期不进行灌水。进一步的，所述步骤(3)中，预设水稻的温室气体浓度具体为：CH4≤20mgCH4/(m2·h)，N2O≤500μgN2O/(m2·h)，CO2≤20mgCO2/(m2·h)工作原理：水稻生长是水、肥、气、热、光共同作用的结果，然而目前主要集中在水、肥上，对于气的研究较少。向作物根系土壤通入适量的空气，不但可以有效改善土壤的通气状况、土壤水中溶解氧(DO)含量，氧化还原电位(Eh)、温度等，促进植物根系的生长，从而提高作物的产量，而且能有效减少稻田淹水产生的CH4等温室气体。灌溉稻田是大气CH4的重要排放源，因为淹灌的厌氧环境和较低的Eh(氧化还原电位)有利于CH4的产生，而节水灌溉的排水晒田改善了土壤通气状况、促进CH4的氧化，植株收到水分限制会关闭部分气孔，也会降低一部分植株产生的CH4。然而，控制灌溉的灌水次数有限且仅限于生育期后期的几次灌水，受土壤深层的温度、压强等因素的限制，空气中的氧气很难溶于水中，转换成水稻生长所需的溶解氧，加气灌溉则有望很好的解决这一问题，灌溉水中纳米级微气泡会在灌水后几天陆续破裂，里面所含氧气则会很容易的溶解于水中，使土壤水中溶解氧始终保持在一个相对较高的水平，有助于水稻生长。传统灌溉制度中，在为作物提供灌溉水的同时也因灌溉水而排除了根区孔隙中的空气，常使根区出现临时或长期的缺氧。在缺氧情况下，一方面当氧气的浓度足够低时就会限制线粒体产生ATP，导致作物产生缺氧症，进而影响根的功能来明显降低植物的长势。另一方面在缺氧条件下作物会产生毒性物质，例如Fe2+、酒精、Al3+、Mg2+和有机酸(乙酸，丙酸，丁酸)、过量的硫化物和CH4来抑制根的功能。此外，缺氧导致作物叶绿素的含量降低、气孔开度减小，从而减弱了作物地表部分的光合作用。在作物生长旺盛时期根系呼吸作用耗氧较大，常规灌溉势必会造成根系土壤氧气浓度相对较低，如果土壤通气性不佳，氧气得不到及时的补充，那么根系从土壤中吸收水分和养分也受到抑制，就远远供给不上作物旺长的生理需要，最终会影响到作物的经济产量。因此本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用加气控制灌溉减少稻田温室气体排放的装置，包括灌溉装置、加气装置、气泵、单片机和蒸渗仪，其特征在于：所述灌溉装置包括进水口、套管和出水口，所述出水口通过管道与蒸渗仪的内部相通，所述蒸渗仪的内部填充有土壤且土壤中埋设有FDR探头，所述单片机通过导线与FDR探头和气泵相连，所述气泵通过导管与加气装置的进气口相通，所述加气装置的出口与套管相通。/n

【技术特征摘要】
1.一种用加气控制灌溉减少稻田温室气体排放的装置，包括灌溉装置、加气装置、气泵、单片机和蒸渗仪，其特征在于：所述灌溉装置包括进水口、套管和出水口，所述出水口通过管道与蒸渗仪的内部相通，所述蒸渗仪的内部填充有土壤且土壤中埋设有FDR探头，所述单片机通过导线与FDR探头和气泵相连，所述气泵通过导管与加气装置的进气口相通，所述加气装置的出口与套管相通。


2.根据权利要求1所述的一种用加气控制灌溉减少稻田温室气体排放的装置，其特征在于：所述套管沿水流方向还依次设有导流器、喷射器、扰流器和分散器，所述加气装置的出口与导流器和喷射器之间的套管相通。


3.根据权利要求1所述的一种用加气控制灌溉减少稻田温室气体排放的装置，其特征在于：所述灌溉装置的出水口处设有控制水流关闭的电磁阀，所述电磁阀通过导线与单片机相连。


4.根据权利要求1所述的一种用加气控制灌溉减少稻田温室气体排放的装置，其特征在于：所述蒸渗仪的土壤顶部种植有水稻，土壤中填充有斜发沸石，斜发沸石的粒径范围是40～80目。


5.根据权利要求1所述的一种用加气控制灌溉减少稻田温室气体排放的装置，其特征在于：所述蒸渗仪的顶部设有可伸缩式静态箱，所述可伸缩式静态箱内设有用于测量稻田排放温室气体浓度的温室气体传感器，所述温室气体传感器通过导线与单片机相连。


6.根据权利要求5所述的一种用加气控制灌溉减少稻田温室气体排放的装置，其特征在于：所述温室气体传感器可以是CH4浓度传感器、N2O浓度传感器和CO2浓度传感器中的一种、两种或三种。


7.根据权利要求1所述的一种用加气控制灌溉减少稻田...

【专利技术属性】
技术研发人员：江赜伟，杨士红，庞晴晴，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32