一种甘蔗水肥氧一体化调控的增产增效低碳栽培系统及方法

本发明涉及智慧农业、甘蔗栽培耕作、水肥一体化精准灌溉、绿色低碳栽培、地下根区通气以及农田温室气体减排，具体涉及一种甘蔗水肥氧一体化调控的增产增效低碳栽培系统及方法。

背景技术：

1、甘蔗为长生育周期高需氮经济作物，常规种植全生育周期长达10至12个月，甘蔗种植生长期需持续供给氮素肥料以保障糖分积累与分蘖产量。温室气体主要由二氧化碳、氧化亚氮、甲烷构成。甘蔗种植过程中，大量氮肥使用会显著增加氨氧化微生物群落丰度，导致蔗田土大量氮素转化为氧化亚氮排放。同时，滴灌带来的土壤含水、低氧、无机氮、可利用碳和干湿交替，甘蔗垄间根区形成密闭厌氧且养分富集的微环境，进一步加速氧化亚氮和甲烷排放，大量氧化亚氮和甲烷排放导致土壤养分损失、肥料利用效率下降并造成严重的环境污染。

2、现有栽培技术甘蔗水肥一体化技术主要根据土壤含水量或预设时间进行灌溉和施肥，其技术重点通常是提高供水供肥效率，存在无法兼顾增产增效、节水节肥、温室气体减排的缺陷，具体的：首先，传统甘蔗水肥一体化滴灌系统以提升产量为目标，种植期间持续大量施加氮肥，造成土壤氮素富集，滴灌仅单向输水输肥，无法调节根区土壤含氧量，灌溉后根系周边长期高湿厌氧环境，造成温室气体排放超标。其次，虽然目前曝气灌溉技术能够实现一体化灌溉过程中的气体补给，但是采用单一的滴灌管道配合文丘里式气液同步混输，不能满足甘蔗根部长周期需氧调控，并且因堵塞管道造成的设备管路维护频次高，不适合甘蔗大面积大田长期使用。再次，传统甘蔗滴灌管路采用直线平铺式埋管，仅能单侧向甘蔗根系输送水肥，造成根区水肥溶氧分布不均，根系土壤持续存在厌氧死角，造成温室气体持续释放。另外，现有栽培在甘蔗不同生长周期未合理进行水肥分配控制，同时对温室气体排放未做进一步监测，无法协同甘蔗不同生长周期的水肥调控和温室气体减排控制。

3、综上，现有甘蔗栽培技术尚未形成种植空间、水肥供给、根区氧环境和温室气体排放协同管理的完整栽培系统，主要存在不同生育期水肥参数缺乏差异化、根区水肥和气体分布不均、灌后缺氧状态而缺乏按需调节等问题。无法同步实现甘蔗增产增效、节水节肥、蔗田温室气体协同减排，急需开发一种甘蔗水肥氧一体化调控的增产增效低碳栽培系统及方法，通过种植垄体和地下管路的空间配置，配合分生育期水肥制度以及根据根区含水、氧状态实施的脉冲供气，在提高甘蔗产量和糖分的同时提高水肥利用效率并降低蔗田温室气体排放。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种结构简单，操作便捷，可切换供气和供水管路的水肥氧时空协同调控，通过对甘蔗种植区、种植垄体及地下水肥和通气管路的空间配置，结合分生育期水肥制度和灌后根区脉冲增氧，使水肥供给、根区环境和甘蔗生长进程相互匹配，实现甘蔗增产增效协同温室气体减排的甘蔗水肥氧一体化调控的增产增效低碳栽培系统及方法，用于解决现有技术中存在的问题。

2、本发明的技术方案是这样实现的：一种甘蔗水肥氧一体化调控的增产增效低碳栽培系统，包括设置在种植区的种植垄体和水肥一体机，所述水肥一体机通过带有液体止回阀的管道与气液切换阀相连通，气液切换阀的另一个输入端通过带有气体止回阀的管道与空气罐相连通，空气罐与空压机的输出端相连通，气液切换阀的输出端通过主管道与分支地埋灌溉管相连通，分支地埋灌溉管上连通有若干均等分布的根部环绕分支管。

3、一种甘蔗水肥氧一体化调控的增产增效低碳栽培系统，包括设置在种植区的种植垄体和水肥一体机，所述水肥一体机通过带有液体止回阀的管道与主管道相连通，主管道与分支地埋灌溉管相连通，空压机通过管道与空气罐相连通，空气罐通过带有气体止回阀的管道与气体输送主管道相连通，气体输送主管道与气体分支管道相连通，气体分支管道上连通有若干均等分布的根部环绕分支管。

4、一种甘蔗水肥氧一体化调控的增产增效低碳栽培系统，包括设置在种植区的种植垄体和水肥一体机，所述水肥一体机通过管道与混液罐相连通，混液罐底部一侧通过带有抽液泵和液体止回阀的管道与气液切换阀相连通，气液切换阀的另一个输入端通过带有气体止回阀的管道与空气罐相连通，空气罐与空压机的输出端相连通，气体止回阀与空气罐之间的管道上设置有三通气体电磁阀，三通气体电磁阀通过安装有曝气止回阀的管道与安装在混液罐内腔底部的曝气管相连通，曝气管上开设有曝气孔，气液切换阀的输出端通过主管道与分支地埋灌溉管相连通，分支地埋灌溉管上连通有若干均等分布的根部环绕分支管。

5、一种甘蔗水肥氧一体化调控的增产增效低碳栽培系统，包括设置在种植区的种植垄体和水肥一体机，所述水肥一体机通过管道与混液罐相连通，混液罐底部一侧通过带有抽液泵和液体止回阀的管道与主管道相连通，主管道与分支地埋灌溉管相连通，空压机通过管道与空气罐相连通，空气罐通过带有气体止回阀的管道与气体输送主管道相连通，气体输送主管道与气体分支管道相连通，气体分支管道上连通有若干均等分布的根部环绕分支管，气体止回阀与空气罐之间的管道上设置有三通气体电磁阀，三通气体电磁阀通过安装有曝气止回阀的管道与安装在混液罐内腔底部的曝气管相连通，曝气管上开设有曝气孔。

6、进一步的，所述水肥一体机的进液端通过管道与净水器相连通，净水器通过管道与水源泵相连通，水源泵与水源管道相连通，空压机通过带有空压机阀门的管道与空气罐的底部相连通，空气罐的顶部通过管道与气体净化设备相连通，气体净化设备通过带有压力表的管道与气体止回阀相连通。

7、进一步的，所述分支地埋灌溉管预埋在种植垄体下方的甘蔗有效根区一侧，根部环绕分支管预埋在甘蔗根部种植区外侧，种植垄体之间设置有沙土快干层，分支地埋灌溉管上开设有朝向沙土快干层位置开设的主气液排放孔，根部环绕分支管内侧开设有朝向甘蔗根部的次气液排放孔，根部环绕分支管为方形或圆形管状结构，根部环绕分支管沿甘蔗根区周向延伸180°至360°，距根区中心的径向距离为15 cm 至30 cm，预埋深度为20 cm 至35 cm，次气液排放孔沿根部环绕分支管以10 cm 至20 cm的间距设置。

8、进一步的，所述种植区设置有根区含水状态检测件和根区含氧状态检测件，根区含水状态检测件和根区含氧状态检测件设置在距离蔗根中心15 cm 至30 cm且深度为15cm至30 cm的根区土层内；根区含水状态为体积含水率、相对田间持水量或土壤充水孔隙度中的至少一种，根区氧状态为土壤气相氧浓度或氧化还原电位中的至少一种。

9、进一步的，所述种植垄体顶面与根部环绕分支管之间为加氧通气区，沙土快干层与主气液排放孔之间为土壤表层加氧区。

10、进一步的，所述气体分支管道预埋在沙土快干层内，种植垄体顶面与根部环绕分支管之间为加氧通气区。

11、一种如上所述的甘蔗水肥氧一体化调控的增产增效低碳栽培系统的栽培方法，其特征在于，其方法为：

12、在甘蔗的不同生长周期，通过根区含水状态检测件器实时采集土壤缺水状态，根据需求开启水肥一体机和液体止回阀，并关闭气液切换阀的气体通路，根据当前甘蔗生长周期水肥需求配置水肥，完成配比的一体化水肥通过气液切换阀的进液端和输出端输送至主管道，再经由分支地埋灌溉管和根部环绕分支管输送至土壤根部一侧及根部周边，并在根部下方形成水肥沉降区实施灌溉，完成一体化水肥灌溉作业六小时后，通过根区含水状态检测件和根区含氧状态检测件实时监测土壤含氧和水分状态，当土壤出现缺氧和浸害时，开启空压机，持续向空气罐中输送压缩空气，当压力达到需求时，开启气体止回阀并关闭气液切换阀的液体通路，将空气罐中的气体通过气液切换阀进气端和输出端输送至主管道，再经由分支地埋灌溉管和根部环绕分支管输送至土壤根部一侧及根部周边，在加氧通气区和土壤表层加氧区实施气体输送，加快根部和表层土壤透气，避免温室气体产生；

13、或者，在甘蔗的不同生长周期，通过根区含水状态检测件器实时采集土壤缺水状态，根据需求开启水肥一体机和液体止回阀，根据当前甘蔗生长周期水肥需求配置水肥，完成配比的一体化水肥输送至主管道，再经由分支地埋灌溉管输送至土壤根部一侧，并在根部下方形成水肥沉降区实施灌溉，完成一体化水肥灌溉作业六小时后，通过根区含水状态检测件和根区含氧状态检测件实时监测土壤含氧和水分状态，当土壤出现缺氧和浸害时，开启空压机，持续向空气罐中输送压缩空气，当压力达到需求时，开启气体止回阀，将空气罐中的气体输送至气体输送主管道，再经由气体分支管道和根部环绕分支管输送至土壤根部周边，在加氧通气区实施气体输送，加快根部土壤透气，降低温室气体排放峰值和累积排放量；

14、或者，在甘蔗的不同生长周期，通过根区含水状态检测件器实时采集土壤缺水状态，根据需求开启水肥一体机和液体止回阀，并关闭气液切换阀的气体通路，根据当前甘蔗生长周期水肥需求配置水肥，完成配比的一体化水肥输送至混液罐，开启空压机，持续向空气罐中输送压缩空气，当压力达到需求时，开启三通气体电磁阀朝向曝气止回阀一端的通路，气体通过曝气管和曝气孔输送至混液罐底部实施曝气作业，完成曝气后的一体化水肥通过抽液泵输送至气液切换阀的进液端和输出端，经主管道、分支地埋灌溉管和根部环绕分支管输送至土壤根部一侧及根部周边，并在根部下方形成水肥沉降区实施灌溉，完成一体化水肥灌溉作业六小时后，通过根区含水状态检测件和根区含氧状态检测件实时监测土壤含氧和水分状态，当土壤出现缺氧和浸害时，开启空压机，持续向空气罐中输送压缩空气，当压力达到需求时，开启三通气体电磁阀朝向气体止回阀一端的通路，同时开启气体止回阀并关闭气液切换阀的液体通路，将空气罐中的气体通过气液切换阀进气端和输出端输送至主管道，再经由分支地埋灌溉管和根部环绕分支管输送至土壤根部一侧及根部周边，在加氧通气区和土壤表层加氧区实施气体输送，加快根部和表层土壤透气，降低温室气体排放峰值和累积排放量；

15、或者，在甘蔗的不同生长周期，通过根区含水状态检测件器实时采集土壤缺水状态，根据需求开启水肥一体机和液体止回阀，根据当前甘蔗生长周期水肥需求配置水肥，完成配比的一体化水肥输送至混液罐，开启空压机，持续向空气罐中输送压缩空气，当压力达到需求时，开启三通气体电磁阀朝向曝气止回阀一端的通路，气体通过曝气管和曝气孔输送至混液罐底部实施曝气作业，完成曝气后的一体化水肥通过抽液泵输送至主管道，再经由分支地埋灌溉管至土壤根部一侧，并在根部下方形成水肥沉降区实施灌溉，完成一体化水肥灌溉作业六小时后，通过根区含水状态检测件和根区含氧状态检测件实时监测土壤含氧和水分状态，当土壤出现缺氧和浸害时，开启空压机，持续向空气罐中输送压缩空气，当压力达到需求时，开启三通气体电磁阀朝向气体止回阀一端的通路，同时开启气体止回阀并关闭气液切换阀的液体通路，将空气罐中的气体输送至气体输送主管道，再经由气体分支管道和根部环绕分支管输送至土壤根部周边，在加氧通气区实施气体输送，加快根部和表层土壤透气，降低温室气体排放峰值和累积排放量。本发明具有如下的积极效果：

16、1、本发明突破传统单侧平铺式滴灌的供肥局限，采用地埋分支灌溉管搭配环绕式根部支管的管路布局，可实现甘蔗根系四周全方位、无死角的水肥输送，彻底解决传统滴灌根区水肥分布不均、局部养分匮乏的问题，让甘蔗根系均匀吸收水分与养分，有效促进甘蔗分蘖生长、助力糖分积累。同时，系统可依托土壤湿度传感器，根据甘蔗不同生育周期的水肥需求，动态精准配比水肥浓度与灌溉量，摒弃传统统一化、过量化的水肥供给模式，适配甘蔗长生育周期的生长规律，大幅提升甘蔗光合效率与生物量积累，显著提高甘蔗亩产量与蔗糖分含量，实现稳产增产、提质优产的栽培目标。

17、2、本发明摒弃传统甘蔗栽培大水大肥的粗放管理模式，通过智能化传感监测与分时水肥调控技术，实现按需灌溉和按需供肥，精准匹配甘蔗生长养分需求，从根源减少氮肥、水资源的无效损耗，相较于传统栽培模式，可显著降低水肥投入量，实现节水、节肥的双重效果。同时，本发明创新增设混液罐前置曝气结构，可对水肥溶液提前曝气增氧，提升水肥溶氧量与养分活性，促进甘蔗根系对水肥养分的吸收利用率，避免土壤氮素富集固化造成的资源浪费。

18、3、本发明攻克传统水肥灌溉后土壤高湿厌氧、温室气体大量释放的核心难题，首创水肥灌溉与根区通气分时切换的调控逻辑。在完成水肥灌溉作业后，可根据温室气体传感器的实时监测数据，精准触发压缩空气供气模式，通过环绕式支管同时对甘蔗根部加氧通风区、垄间沙土快干层土壤表层加氧区双向输气，快速驱散根区及表层土壤冗余水分，破除土壤厌氧微环境，抑制土壤微生物厌氧增殖，抑制氧化亚氮、甲烷等温室气体的微生物生成路径。同时，环绕式布管可改善传统灌溉的根系厌氧死角，持续维持根区土壤有氧环境，避免长期干湿交替引发的持续性温室气体排放，实现甘蔗栽培增产与温室气体减排的协同统一。

19、4、本发明摒弃传统单一气液混输易堵塞的缺陷，设计多模式独立可切换的水肥、气路输送结构，搭配液体止回阀等结构，彻底杜绝水肥倒灌、管路堵塞、气体泄漏等故障问题，大幅降低设备运维频次与维护成本。同时，系统设置独立气体净化设备，可对压缩空气进行净化处理，避免杂质、水汽进入管路堵塞出液、出气孔道，提升整套设备的运行稳定性与使用寿命。五、技术适配性广，可实现多元化场景灵活应用

20、5、本发明创新性设计四种可切换的系统架构与对应的栽培方法，涵盖纯水肥精准灌溉、水肥气分路输送、前置曝气水肥一体化、分时气液切换调控等多种工作模式，可根据不同种植区域的土壤质地、气候条件、甘蔗品种及长势状态灵活切换调控模式，适配性极强。可24小时实时监测土壤湿度、温室气体排放数据，摆脱传统种植经验化管理的局限，实现甘蔗栽培的数字化、精准化、低碳化管控，适配智慧农业发展趋势。

21、6、本发明通过精准减氮、根区定期增氧通风的调控方式，有效避免长期过量施氮引发的土壤板结、土壤酸化、氮素残留富集等问题，持续优化蔗田土壤团粒结构与根区微生态环境，提升土壤通气性与肥力活性，改善甘蔗根系生长环境，增强根系活力与抗逆能力，在实现增产减排的同时，有效降低温室气体排放。