茶園智慧水肥一體化系統(tǒng)設計與應用分析

張冬菊 夏鴿飛 朱登平 蔣亭亭 張中華 呂名禮

摘 要 我國茶園大多分布在丘陵或山區(qū)坡地，茶葉的生產(chǎn)管理多依賴經(jīng)驗，管理粗放、標準化程度低、品質(zhì)參差不齊、整體經(jīng)濟效益較低，急需提高茶園的生產(chǎn)管理水平。隨著水肥一體化系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在茶園中的集成應用，茶園的智能化水肥管理、病蟲害預防監(jiān)測、環(huán)境因子實時監(jiān)控、質(zhì)量溯源等技術逐步應用并取得良好的成效，有效提高了茶葉生產(chǎn)效率，促進了茶葉產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級?；诖耍瑢Π不帐∑铋T縣天之紅茶園20 hm2基地基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的水肥一體化系統(tǒng)應用進行調(diào)研，分析其具體設計以及應用效果。

關鍵詞 茶園;水肥一體化;物聯(lián)網(wǎng);噴灌

我國有著悠久的茶葉種植歷史，茶產(chǎn)業(yè)已成為我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的重要組成部分。我國茶葉種植具有明顯的區(qū)域性，主要分布在江南、江北、西南及華南四大區(qū)域，多為丘陵或山區(qū)坡地種植[1]。目前，人們對茶葉的需求量和品質(zhì)要求越來越高，為滿足市場需求，茶葉種植面積也在急劇增加[2]。

傳統(tǒng)的茶葉種植中，茶農(nóng)主要依靠經(jīng)驗進行管理，種植技術水平較低，管理技術不完善，標準化程度低，茶葉品質(zhì)參差不齊，且傳統(tǒng)種植方式用工量大、成本高，導致茶種植業(yè)整體經(jīng)濟效益低，制約了我國茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[3-5]。另外，由于缺乏及時準確的氣象災害與病蟲害預警，茶葉在春季萌芽期或幼葉期常常遭遇霜凍災害和病害，產(chǎn)量和質(zhì)量受到嚴重影響。

近幾年，水肥一體化技術逐步應用于茶業(yè)種植中，但在實際應用中，水肥一體化集成技術模式還不夠成熟，缺乏精準科學的灌溉策略[6]。隨著物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和水肥一體化系統(tǒng)的集成應用，茶園逐步實現(xiàn)了智能化水肥管理、“四情”預防監(jiān)測、環(huán)境因子實時監(jiān)控、質(zhì)量溯源等，茶園實現(xiàn)了智能化生產(chǎn)與信息化管理，茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)得到提高，同時提高了茶葉生產(chǎn)效率，促進茶葉產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，促使茶葉產(chǎn)業(yè)優(yōu)質(zhì)快速發(fā)展[7]?；诖?，對安徽省祁門縣天之紅茶園基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的水肥一體化系統(tǒng)應用進行調(diào)研。

1 基地概況及智慧水肥一體化系統(tǒng)設計

1.1 基地概況

項目基地位于安徽省黃山市祁門縣的天之紅茶園，基地有20 hm2的有機生態(tài)茶園。祁山縣是紅茶之鄉(xiāng)，地貌以山地丘陵為主，地勢北高南低，氣候溫和，日照較少，雨量充沛，四季分明。春季冷暖變化大，光照不足，陰雨多;夏季氣溫高，濕度大，降水集中，易成洪災;秋季偶有夾秋旱，白天氣溫高，早晚涼;冬季寒冷濕度小，多晴少雨易干旱。

1.2 水肥一體化系統(tǒng)設計

1.2.1 灌水器選擇

灌溉方式對茶樹的生長尤為重要，結合南北方氣候差異，相關專家也提出了不同的茶園水肥一體化應用方案，噴灌和滴灌是大多數(shù)茶園的灌溉方式[4]。天之紅茶園采用的是華維雙噴嘴霧化噴頭，流量330 L·h-1，射程5～8 m，可實現(xiàn)60～300 μm霧化效果，噴頭間距6 m×6 m，安裝示意圖見圖1。噴灌灌溉面積大，可控制噴水量和均勻性，能起到調(diào)節(jié)小氣候的作用。另外，在春季“倒春寒”來臨時，噴灌結合防凍劑使用，可有效降低茶葉萌芽或嫩葉期突然低溫對茶葉造成的凍害，起到一定的防護作用，減少損失。

1.2.2 田間管網(wǎng)設置

茶園水肥一體化田間管網(wǎng)見圖2。主要根據(jù)當?shù)氐匦?、水源壓力及灌溉區(qū)域面積設計田間管網(wǎng)，主要包括主干管、支管和輔管。主干管采用華維HDPE熱熔直管，韌性好，耐沖擊，使用壽命長，不滋生藻類，埋地鋪設;支管及輔管采用華維LDPE盤管，韌性強，抗老化能力強。

1.2.3 首部樞紐選擇

首部樞紐是智慧水肥一體化系統(tǒng)中的重要組成部分，包括加壓系統(tǒng)（離心泵）、變頻控制系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)（砂石過濾器、疊片過濾器等）、施肥設備（智慧施肥機）等，見圖3。

系統(tǒng)運行時，離心泵將灌溉水加壓后，輸送至過濾系統(tǒng)進行過濾，再借助輸水管網(wǎng)輸送至灌水器，進行噴灌灌溉。水泵采用華維變頻恒壓控制系統(tǒng)，具有隨開隨用的功能，最大限度的降低了人工和系統(tǒng)能耗。首部配置的過濾系統(tǒng)，可對水源進行有效過濾，避免堵塞的發(fā)生，保證系統(tǒng)的長期有效運行。施肥機可根據(jù)茶葉生長需要進行實時動態(tài)調(diào)節(jié)Ec、pH，滿足精準、精量、按需施肥的需求，實現(xiàn)高效水肥一體化灌溉。

1.2.4 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計與集成應用

基于基地實際需求設計并配置了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括農(nóng)抬頭物聯(lián)網(wǎng)云平臺系統(tǒng)、智能灌溉控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)、“四情監(jiān)測”系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)信息采集系統(tǒng)、中控設備及數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)等，可對基地茶樹生長的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照、風速、風向等環(huán)境因子進行采集和監(jiān)測，對茶樹各生長階段的長勢進行動態(tài)監(jiān)測，并對病蟲害、降雨量及氣象災害進行預測預警。系統(tǒng)可在PC端和手機端使用，定時將采集到的各種數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡發(fā)送到監(jiān)測平臺或者管理人員的手機上，可實現(xiàn)隨時隨地對茶園任何一個區(qū)域灌溉、施肥、作物長勢及病蟲害等方面的管控和監(jiān)測，大大提高茶園生產(chǎn)管理效率。

2 智慧水肥一體化系統(tǒng)在茶園上的應用效果

2.1 智慧水肥一體化系統(tǒng)使用效果

項目基地20 hm2的天之紅茶園采用水肥一體化系統(tǒng)后，可根據(jù)茶園土壤養(yǎng)分含量、茶樹生長特點及需求規(guī)律進行田間管理。華維喜耕田智慧施肥機根據(jù)田間傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行適時、適量、精準施肥灌溉，無需人工便可實現(xiàn)定時、定量灌溉。采用高壓霧化噴頭噴灌，可使土壤始終保持疏松和適宜的含水量。通過系統(tǒng)應用，目前茶園實現(xiàn)了“兩減一增”目標，即減少了肥料使用量，減輕了特殊氣候如倒春寒、夏秋干旱對茶園的不利影響，最大限度地提高了茶園產(chǎn)量。

通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成應用，茶園管理人員通過手機APP即可隨時隨地遠程監(jiān)測茶園管理情況，節(jié)省了大量勞動力，實現(xiàn)了茶園科學化、現(xiàn)代化、自動化、智能化管理。

春季是茶園管理的關鍵時期，在用工極度短缺的情況下，園區(qū)利用物聯(lián)網(wǎng)及水肥一體化系統(tǒng)由之前需要十幾名工人管理到現(xiàn)在只需1人，省工35%以上，既減少了人員聚集，又保證了茶樹的正常生長需要，保證了茶園水肥按時按需供應，為春茶生產(chǎn)打下了良好基礎。

2.2 效益分析

茶園未使用智慧水肥一體化系統(tǒng)時，祁紅只采摘春茶，即只在谷雨節(jié)氣前進行采摘，其余季節(jié)由于天氣變化、灌溉不充分等原因，茶葉品質(zhì)難以保障，基本不采，浪費了大量高山茶葉資源，再加上傳統(tǒng)茶農(nóng)習慣于對茶園進行粗放管理，種植不科學，導致茶葉效益未得到充分體現(xiàn)。

應用物聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)及水肥一體化技術后，茶園管理實現(xiàn)了精準灌溉、精準施肥，有效解決了缺水問題，灌溉水利用率充分提高，每667 m2可以節(jié)水40%，茶葉的生長不再受干旱天氣影響，提高了茶葉產(chǎn)量，茶葉采摘次數(shù)增多。項目實施以來，基地茶園的采摘總量比之前增加了15%以上，茶葉產(chǎn)量顯著提高。

2.3 品牌效應

項目基地天之紅茶園集成應用物聯(lián)網(wǎng)云平臺系統(tǒng)和水肥一體化系統(tǒng)，啟動茶園數(shù)據(jù)化、智能化管理工作，通過“物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化云平臺”建設，實現(xiàn)茶園智慧管理“一指控”。項目基地應用智慧化云平臺管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了標準化智慧茶園管理，茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)顯著提升，市場競爭力和品牌影響力顯著提升。

3 結語

天之紅20 hm2茶園地處丘陵山地，集成應用物聯(lián)網(wǎng)云平臺與水肥一體化系統(tǒng)后，根據(jù)茶樹生長特性與水肥需求規(guī)律，結合當?shù)貧夂颦h(huán)境，對茶園各環(huán)境因子、茶樹生長特性、病蟲害等進行實時采集與監(jiān)測，茶園實現(xiàn)了精準灌溉、精準施肥、智能管控，建成了標準化智慧茶園，實現(xiàn)節(jié)水40%，省工35%，增產(chǎn)15%，茶葉品質(zhì)顯著提高，市場競爭力和品牌影響力顯著提升，綜合效益顯著。

參考文獻：

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（責任編輯：趙中正）