水肥一體化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

摘 要 智慧農(nóng)業(yè)是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，其中水肥一體化系統(tǒng)是智慧農(nóng)業(yè)的核心技術(shù)支撐。應(yīng)用水肥一體化系統(tǒng)能夠按需精準(zhǔn)施用水肥、提高作物品質(zhì)產(chǎn)量、加強(qiáng)作物營(yíng)養(yǎng)管理、提高水肥利用率等，有效提升了農(nóng)業(yè)信息化、智慧化水平。分析水肥一體化系統(tǒng)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹水肥一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與關(guān)鍵設(shè)備，其中關(guān)鍵技術(shù)主要有水質(zhì)優(yōu)化技術(shù)、優(yōu)化灌溉技術(shù)、養(yǎng)分回收再利用技術(shù)、養(yǎng)分利用和鹽分控制技術(shù)等，關(guān)鍵設(shè)備主要包括文丘里施肥器、注入泵、文丘里自動(dòng)注入設(shè)備等養(yǎng)分注入設(shè)備，無(wú)土栽培系統(tǒng)中的排水再利用自動(dòng)混合系統(tǒng)、潮汐灌溉系統(tǒng)等，以及營(yíng)養(yǎng)液膜技術(shù)、深夜流技術(shù)相關(guān)設(shè)備等。

關(guān)鍵詞 智慧農(nóng)業(yè);水肥一體化;灌溉系統(tǒng);關(guān)鍵技術(shù);關(guān)鍵設(shè)備

中圖分類號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.13.046

2019年中央一號(hào)文件提出推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的自主創(chuàng)新，2020年中央一號(hào)文件強(qiáng)調(diào)加快物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能、第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、智慧氣象等現(xiàn)代信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[1]，都表明我國(guó)高度重視智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。智慧農(nóng)業(yè)將人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)融入農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈，其中水肥一體化系統(tǒng)是智慧農(nóng)業(yè)的核心系統(tǒng)[2]。水肥一體化系統(tǒng)的水肥設(shè)備和方案選擇需要適應(yīng)各管理階段的需求，水肥一體化管理鏈包括灌溉儲(chǔ)水管理、作物灌溉管理、作物營(yíng)養(yǎng)管理、胃液回收管理等。水肥一體化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括水質(zhì)優(yōu)化技術(shù)、優(yōu)化灌溉技術(shù)、養(yǎng)分回收再利用技術(shù)、養(yǎng)分利用和鹽分控制技術(shù)等。研究水肥一體化關(guān)鍵技術(shù)對(duì)于大力推進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)水肥智能管理與精準(zhǔn)控制、有效提高農(nóng)業(yè)資源利用效率具有重要意義。

1? 水肥一體化系統(tǒng)研究應(yīng)用現(xiàn)狀

水肥一體化系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制各子系統(tǒng)，根據(jù)不同作物的灌溉需求，向多個(gè)施肥罐注入合理比例的水溶濃縮肥料，通過計(jì)算機(jī)決策支持系統(tǒng)，智能控制作物所需的全養(yǎng)分、特定濃度的水肥營(yíng)養(yǎng)液。應(yīng)用水肥一體化系統(tǒng)能夠提高水肥利用率，改良作物生長(zhǎng)環(huán)境，提升作物的產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。隨著國(guó)家對(duì)智慧農(nóng)業(yè)及水肥一體化技術(shù)的重視，越來越多的專家、學(xué)者開展水肥一體化技術(shù)相關(guān)研究，取得了一系列成果。

郭辰昊等分析了智能水肥一體化系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，剖析國(guó)內(nèi)水肥一體化系統(tǒng)存在普及度不高、設(shè)備局限性、技術(shù)推廣難等問題，并預(yù)測(cè)了水肥一體化技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì)[3]。馬宏秀等研究了果樹水肥一體化發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)，分析其提高果樹產(chǎn)量、改善作物生態(tài)環(huán)境等應(yīng)用效果，并根據(jù)相關(guān)技術(shù)當(dāng)前的局限性提出了針對(duì)性建議[4]。苗羽等從水肥一體化技術(shù)推廣的必要性入手，分析我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域水肥一體化存在灌溉技術(shù)和施肥技術(shù)脫離、管理水平低、技術(shù)研發(fā)與培訓(xùn)不足等問題，規(guī)劃農(nóng)業(yè)水肥一體化技術(shù)的科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展方向[5]。

水肥一體化系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各類作物的灌溉施肥，如龍祖華分析了柑橘種植的水肥一體化技術(shù)應(yīng)用，能夠大幅減少勞動(dòng)力、省水節(jié)肥，有效提升肥料利用率和提高柑橘產(chǎn)量[6];趙海設(shè)計(jì)了溫室葡萄的水肥一體化系統(tǒng)，研究表明系統(tǒng)能夠滿足葡萄各生長(zhǎng)期的養(yǎng)分需求，大大提高葡萄品質(zhì)和產(chǎn)量，并能夠減少各種生產(chǎn)成本[7];郭戰(zhàn)玲等研究了麥套朝天椒的水肥一體化系統(tǒng)，深入探討灌溉系統(tǒng)配置、生長(zhǎng)期灌溉管理、平衡施肥管理等技術(shù)，通過水肥聯(lián)合管理有效實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)肥、增產(chǎn)[8];楊興字研究了設(shè)施蔬菜的水肥一體化技術(shù)要點(diǎn)，包括基地選址、規(guī)劃設(shè)施、施肥設(shè)備、施肥管理等，優(yōu)化了設(shè)施蔬菜的水肥灌溉效率，有效減少農(nóng)業(yè)污染[9];楊振針對(duì)馬鈴薯種植的水肥一體化管理技術(shù)進(jìn)行剖析，重點(diǎn)結(jié)合馬鈴薯的特點(diǎn)、習(xí)性、生長(zhǎng)規(guī)律等，設(shè)計(jì)灌溉實(shí)施與管理方案，為提升馬鈴薯種植的綜合經(jīng)濟(jì)效益提供保障[10]。

2? 水肥一體化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1? 水質(zhì)優(yōu)化技術(shù)

水肥一體化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)主要有4類：改進(jìn)化學(xué)成分、去除顆粒物、去除藻類和消毒。灌溉水的化學(xué)成分優(yōu)化應(yīng)確保灌溉水中鹽分、化學(xué)元素、化合物含量等滿足作物生長(zhǎng)需求。反滲透技術(shù)是鹽水（海水）淡化技術(shù)，克服水中溶解的鹽量產(chǎn)生的滲透壓力，通過半透膜去除水中溶解性物質(zhì)和懸浮顆粒。膜蒸餾技術(shù)綜合蒸餾和膜過濾兩者的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)不同水源灌溉水的清潔化，逐步發(fā)展成各種個(gè)性化膜結(jié)構(gòu)：直接接觸膜蒸餾、氣隙膜蒸餾、吹掃氣體膜蒸餾和真空膜蒸餾;納米過濾技術(shù)能夠從灌溉水中去除大分子、膠體顆粒和多價(jià)離子，同時(shí)進(jìn)行水體消毒，并行（或串聯(lián)）模塊化設(shè)計(jì)可快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展。解決灌溉水中顆粒物問題的技術(shù)有比濾、粗濾和精細(xì)過濾，比濾（弧形篩過濾）是基于重力的物理作用過濾較大顆粒，粗濾（水力旋流過濾）利用向心力快速分離灌溉水中的砂粒和重顆粒物，精細(xì)過濾包括反沖洗精細(xì)過濾和無(wú)反沖洗精細(xì)過濾，利用重力、水流、真空泵有效去除細(xì)小顆粒、細(xì)菌和真菌等。灌溉水中的藻類是水肥一體化設(shè)備堵塞的重要原因，控制藻類生長(zhǎng)是確保灌溉系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，去除藻類主要有水蚤、細(xì)菌、酶等生物方法，磷固定、溶解銅、降低pH等化學(xué)方法和利用超聲波、水體運(yùn)動(dòng)等物理方法。灌溉水的有害生物去除技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)灌溉水和尾液的消毒，避免作物被水生病原體污染，有效提高水肥資源的利用率?；瘜W(xué)氧化技術(shù)是通過添加氧化劑、催化劑等進(jìn)行有效消毒，物理處理技術(shù)主要依靠光或熱殺滅灌溉水中微生物，生物處理技術(shù)是利用拮抗微生物和生物膜的作用控制病原體。

2.2? 優(yōu)化灌溉技術(shù)

水肥一體化管理應(yīng)綜合考慮實(shí)際氣候條件、土壤狀況、作物不同生長(zhǎng)階段等因素，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化灌溉，其中水分平衡估算和作物蒸散量（ETc）用于估算作物需水量，不同作物采用不同的灌溉策略。決策支持系統(tǒng)（DSS）依托復(fù)雜的智能仿真模型，根據(jù)具體情況綜合分析灌溉時(shí)間、水肥用量等，提供灌溉和施肥建議，有利于提高水肥利用率，大幅減少養(yǎng)分排放對(duì)環(huán)境的影響。灌溉管理系統(tǒng)的作物測(cè)量技術(shù)包括作物生長(zhǎng)平衡分析系統(tǒng)、熱紅外傳感器、干徑測(cè)量?jī)x、葉膨壓傳感器等，作物生長(zhǎng)平衡分析系統(tǒng)監(jiān)控作物生長(zhǎng)情況，分析生長(zhǎng)模式與氣候、水肥數(shù)據(jù)間的關(guān)系，對(duì)比分析不同作物、不同種植方式的差異，全方位跟蹤精準(zhǔn)分析作物的生長(zhǎng)狀況。灌溉管理系統(tǒng)的土壤測(cè)定技術(shù)包括作物水勢(shì)測(cè)定儀、復(fù)合傳感器、時(shí)域反射儀、電容探測(cè)器、數(shù)字探地雷達(dá)等，數(shù)字探地雷達(dá)通過測(cè)量電磁波在土壤中的傳播與放射來測(cè)算土壤濕度，發(fā)射天線產(chǎn)生無(wú)線電波，接收器檢測(cè)放射信號(hào)實(shí)現(xiàn)地下電磁波變化的判斷。氣象傳感器能夠測(cè)定溫度、濕度、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、大氣壓等基本氣候參數(shù)，基本氣候數(shù)據(jù)可用于計(jì)算作物蒸散量及估算作物需水量，有效提高灌溉水的利用效率。氣象傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)可用于建立預(yù)測(cè)模型實(shí)現(xiàn)作物生理病害和蟲害風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)，也能夠?yàn)闇厥覛夂蚩刂葡到y(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

2.3? 養(yǎng)分利用和鹽分控制技術(shù)

傳統(tǒng)水肥管理方式存在大量未被作物吸收的氮肥，從土壤流失到環(huán)境中導(dǎo)致系列環(huán)境污染問題，主要包括：地表徑流導(dǎo)致地表水體富營(yíng)養(yǎng)化，作物根區(qū)流失的硝酸鹽對(duì)地下水的污染，氨氣和氧化亞氮排放導(dǎo)致溫室氣體濃度升高等。養(yǎng)分高效利用和鹽分控制關(guān)鍵技術(shù)包括采用推薦施肥方案，土壤測(cè)試、土壤溶液分析、土壤導(dǎo)電率測(cè)定、基質(zhì)尾液電導(dǎo)率測(cè)定等土壤和基質(zhì)測(cè)量技術(shù)，尾液營(yíng)養(yǎng)分析、葉綠素測(cè)定、冠層反射率、植物組織分析等作物監(jiān)測(cè)技術(shù)，養(yǎng)分吸收模型、養(yǎng)分淋溶模型等養(yǎng)分管理模型和支持養(yǎng)分管理的決策支持系統(tǒng)。土壤溶液分析技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)作物氮素管理，適用于水肥養(yǎng)分持續(xù)供應(yīng)至植物根系土壤的水肥一體化系統(tǒng)，周期性采集分析土壤溶液數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)根區(qū)土壤溶液的三氧化氮濃度，相應(yīng)地調(diào)整水肥用量達(dá)到最佳氮素供應(yīng)。電導(dǎo)率傳感器技術(shù)用于測(cè)定影響作物生長(zhǎng)的可溶性鹽濃度，適時(shí)調(diào)整灌溉水肥量確保土壤鹽度保持在合理濃度范圍，可用于測(cè)量土壤電導(dǎo)率的傳感器測(cè)定方法主要有電阻率法、電磁感應(yīng)法、時(shí)域反射法、頻域反射法和幅域反射法等。葉綠素儀采用可見光和近紅外光透過率測(cè)量作物葉片的透射光，間接測(cè)定葉片的葉綠素含量，進(jìn)而評(píng)估作物氮素和分析作物生長(zhǎng)狀態(tài)。養(yǎng)分管理的決策支持系統(tǒng)綜合傳感器、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能算法等技術(shù)，根據(jù)各種傳感器采集的作物生長(zhǎng)信息，結(jié)合氣候條件、土壤狀況和作物生育期等，建立決策模型計(jì)算作物所需養(yǎng)分，確保水肥施用量與作物需求相匹配，避免水肥過度施用，盡量減少養(yǎng)分流失對(duì)環(huán)境的影響。

2.4? 養(yǎng)分回收再利用技術(shù)

水肥尾液排放引起的環(huán)境污染問題主要有含水層的富營(yíng)養(yǎng)化和硝酸鹽污染，相關(guān)解決方案是從排水中回收利用特定營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，提高養(yǎng)分回收率。養(yǎng)分回收再利用關(guān)鍵技術(shù)主要包括磷吸附介質(zhì)、電化學(xué)磷沉淀、移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器、改性離子交換等理化方法和浮萍利用、人工濕地去除等生物方法。電化學(xué)磷沉淀技術(shù)將被處理液置于反應(yīng)槽內(nèi)，電解反應(yīng)過程中陰極發(fā)生還原反應(yīng)，pH值升高，產(chǎn)生氫氣，陽(yáng)極鎂發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生磷-鹽經(jīng)重力作用得以分離出來，實(shí)現(xiàn)廢液中的磷回收，降低養(yǎng)分排放對(duì)環(huán)境的影響。移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器技術(shù)的生物膜生長(zhǎng)于塑料載體，好氧系統(tǒng)的鼓風(fēng)噴射或厭氧系統(tǒng)的攪拌確保載體持續(xù)運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)生物膜有效降低水中雜質(zhì)。人工濕地技術(shù)是模仿自然濕地利用土壤和生物的自然功能處理不同水流的生態(tài)工程系統(tǒng)，通過水平床實(shí)現(xiàn)收集、過濾和回收，能夠有效去除污水中多余的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可用于各種污水的凈化。

3? 水肥一體化系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備

水肥一體化系統(tǒng)將肥料與灌溉水制成營(yíng)養(yǎng)液，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)EC值（電導(dǎo)率）和pH值，通過各種施肥設(shè)備注入灌溉系統(tǒng)，最終為作物提供濃度適宜的養(yǎng)分。水肥一體化關(guān)鍵設(shè)備主要包括文丘里施肥器、注入泵、文丘里自動(dòng)注入設(shè)備等養(yǎng)分注入設(shè)備，無(wú)土栽培系統(tǒng)中的排水再利用自動(dòng)混合系統(tǒng)、潮汐灌溉系統(tǒng)等，以及營(yíng)養(yǎng)液膜技術(shù)、深夜流技術(shù)相關(guān)設(shè)備等。

養(yǎng)分注入設(shè)備包括存儲(chǔ)設(shè)備、手動(dòng)控制設(shè)備和自動(dòng)控制設(shè)備。濃縮營(yíng)養(yǎng)液的配置關(guān)鍵技術(shù)包括檢測(cè)灌溉水的pH值和礦物質(zhì)成分，根據(jù)作物生長(zhǎng)期配置營(yíng)養(yǎng)液成分比例，計(jì)算營(yíng)養(yǎng)液的電導(dǎo)率，根據(jù)作物所需養(yǎng)分計(jì)算肥料用量。密閉式壓力罐、開放式施肥罐和文丘里施肥器等手動(dòng)控制設(shè)備具有成本低、技術(shù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，適用于小型農(nóng)場(chǎng)。基于EC和pH傳感器的文丘里自動(dòng)注入設(shè)備使用多個(gè)施肥罐，罐中肥料通過文丘里注入設(shè)備輸送至主灌溉系統(tǒng)，采用電磁閥控制每次脈沖的肥料注入量，確保營(yíng)養(yǎng)液保持穩(wěn)定的濃度、EC值和pH值。基于EC和pH傳感器的混合罐自動(dòng)注入設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)罐內(nèi)自動(dòng)配置營(yíng)養(yǎng)液，非加壓罐通過攪拌和循環(huán)灌溉水實(shí)現(xiàn)水肥均勻混合的營(yíng)養(yǎng)液，磁力驅(qū)動(dòng)泵持續(xù)從存儲(chǔ)罐中吸取營(yíng)養(yǎng)液驅(qū)送至電磁閥，控制器周期性發(fā)送電磁閥噴射信號(hào)從而讓營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)入混合罐。

4? 小結(jié)

水肥一體化技術(shù)是利用灌溉系統(tǒng)對(duì)作物進(jìn)行施肥和灌溉的相關(guān)技術(shù)，水肥一體化系統(tǒng)與智能灌溉系統(tǒng)的集成應(yīng)用能夠按需精準(zhǔn)施用水肥，提高作物品質(zhì)產(chǎn)量，加強(qiáng)作物營(yíng)養(yǎng)管理，提高水肥利用率等，有效提升農(nóng)業(yè)信息化、智慧化水平。研究水肥一體化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，借鑒成熟的水肥一體化系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，分析先進(jìn)的水肥一體化技術(shù)特點(diǎn)與適用性，對(duì)于我國(guó)全面推進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)具有重要作用。根據(jù)區(qū)域氣候水土資源實(shí)際情況，合理選用水肥一體化技術(shù)，科學(xué)設(shè)計(jì)水肥一體化系統(tǒng)，確保作物全生育期的精準(zhǔn)化水肥智能控制，有效提高水肥利用率，降低環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)與可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]? 中共中央 國(guó)務(wù)院關(guān)于抓好“三農(nóng)”領(lǐng)域重點(diǎn)工作 確保如期實(shí)現(xiàn)全面小康的意見[EB/OL]. http：//www.gov.cn/xinwen/2020-02/05/content_5474884.htm， 2020-02-05.

[2]? 趙春江.智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，42（6）：1-7.

[3]? 郭辰昊，王會(huì)強(qiáng)，李子楊，等.我國(guó)智能水肥一體化技術(shù)發(fā)展探討[J].河北農(nóng)機(jī)，2021（12）：23-24.

[4]? 馬宏秀，張開祥，申浩，等.果樹水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與建議[J].落葉果樹，2021，53（5）：43-45.

[5]? 苗羽，王楓.水肥一體化技術(shù)在我國(guó)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用[J].園藝與種苗，2021，41（11）：82-83.

[6]? 龍祖華.柑橘種植中水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用分析[J].智慧農(nóng)業(yè)導(dǎo)刊，2021，1（21）：45-47.

[7]? 趙海.溫室葡萄水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].河南農(nóng)業(yè)，2022（4）：17-18.

[8]? 郭戰(zhàn)玲，毛家偉，李丙奇，等.麥套朝天椒膜下滴灌水肥一體化管理技術(shù)[J].中國(guó)瓜菜，2022，35（2）：118-121.

[9]? 楊興字.水肥一體化技術(shù)及其在設(shè)施蔬菜栽培中的應(yīng)用探討[J].農(nóng)家參謀，2022（3）：25-27.

[10] 楊振.馬鈴薯“水肥一體化”栽培管理技術(shù)分析[J].農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備，2021（12）：239-240.

收稿日期：2022-03-29

基金項(xiàng)目：2020年度浙江省基礎(chǔ)公益研究計(jì)劃項(xiàng)目（LGN20F030001）。

作者簡(jiǎn)介：謝佩軍（1981—），男，碩士，副教授，系統(tǒng)分析師，研究方向?yàn)橹腔坜r(nóng)業(yè)、智能控制技術(shù)。E-mail： xpjstar@aliyun.com。