柑橘智慧灌溉水肥一體化應(yīng)用及效果調(diào)查①

張中華 蔣亭亭 張東濱 呂名禮 夏鴿飛 李 華 何華成

(上海節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心/華維節(jié)水科技集團股份有限公司 上海金山 201505)

柑橘(Citrus reticelataBlanco)富含糖類、有機酸、多種維生素，是中國主要的水果之一[1]。中國也是柑橘生產(chǎn)大國，柑橘產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為支柱產(chǎn)業(yè)之一[2]。中國柑橘種植地區(qū)主要在長江以南的丘陵山地一帶，這些區(qū)域普遍灌溉條件較差，同時面臨嚴重的區(qū)域工程性缺水和季節(jié)性干旱缺水[3]。這些問題導(dǎo)致柑橘的年產(chǎn)量不夠穩(wěn)定，并且品質(zhì)參差不齊，缺乏市場競爭力。隨著現(xiàn)代科技的進步和農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)化建設(shè)加快，農(nóng)村勞動力出現(xiàn)不同程度的短缺，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面臨用工難，人工成本高的問題，同時隨著肥料、農(nóng)藥的大量使用，柑橘的生產(chǎn)成本日益提高，并且傳統(tǒng)灌溉與施肥是分開進行的，先施肥后澆水漫灌，水分和養(yǎng)分利用率低，造成生產(chǎn)資料大量的浪費，同時這種方式還會引起地表徑流和深層滲漏，養(yǎng)分會隨水流向地下和河流，進而導(dǎo)致面源污染，威脅環(huán)境及人類的安全[4]。傳統(tǒng)的灌溉及管理方式難以扭轉(zhuǎn)現(xiàn)在的困頓局面。

水肥一體化(integration of water and fertilizer)是在傳統(tǒng)管道灌溉方式的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，具有節(jié)水、節(jié)肥、省工、省力、高效的特點[5]，并且能夠根據(jù)土壤養(yǎng)分含量和作物的需水需肥規(guī)律和特點，實現(xiàn)水肥同步、定時、定量、均勻的功能，是迄今為止農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時最節(jié)水節(jié)肥的技術(shù)之一[6]。水肥一體化技術(shù)在果樹上的應(yīng)用，不僅能夠解決季節(jié)性干旱缺水的問題，將水分和養(yǎng)分定時、定量、均勻的輸送到作物根部，保證每棵作物汲取充足的營養(yǎng)，從而達到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的效果，還能夠節(jié)約人工、降低灌溉與施肥成本，為農(nóng)戶創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益[7-10]。

1 基地概況及智慧灌溉水肥一體化應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

1.1 農(nóng)法自然 (浙江)衢州柑橘基地介紹

目前，農(nóng)法自然在全國各大地理性標志水果主產(chǎn)區(qū)建立7家分公司，當下流轉(zhuǎn)土地866.67 hm2，其中衢州柑橘基地位于中國柑橘主要產(chǎn)區(qū)浙江省衢州市，園區(qū)占地83.33 hm2，主要以種植柑橘為主，打造農(nóng)法自然南方現(xiàn)代農(nóng)業(yè)柑橘產(chǎn)業(yè)示范園。

衢州柑橘基地位于衢州市柯城區(qū)石梁鎮(zhèn)黃茶村，柯城區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫暖濕潤四季分明，春雨多，夏秋容易干旱，年降水量1 700～2 000 mm，“十年八旱”的氣候特征制約著當?shù)馗涕倨焚|(zhì)的提升。平均氣溫16℃，平均無霜期250 d左右。柑橘園分布在丘陵山地，連片分布。土壤類型主要為紅黃壤，酸性土，土層深厚。由于丘陵山地水利條件不便利，遇到少雨干旱天氣，就會造成小果、低產(chǎn)、味酸、口感差、品質(zhì)下降的問題[11]。

針對以上面臨的問題，基地引入華維智慧灌溉水肥一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)由首部樞紐、田間管網(wǎng)、灌水器、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成。

1.2 華維智慧灌溉水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1 灌水器的選擇

園區(qū)種植柑橘總面積45.33 hm2(圖1)，主要以露天種植與溫室種植為主，見圖2，其中露天種植40.07 hm2，株行距1.5 m×5 m，采用滴灌；大棚種植1.27 hm2，采用微噴灌和滴灌，每棚兩行，株距1.5 m。

圖1 園區(qū)規(guī)劃

圖2 溫室大棚及露天智慧灌溉水肥一體化系統(tǒng)田間管網(wǎng)設(shè)計

“根是苗的嘴，水是肥的腿”，水肥只有被柑橘根部吸收才能發(fā)揮補給作用，因此，在灌水器選擇時綜合考慮補給區(qū)域、種植方式、根系分布范圍等多種因素。柑橘的根系分布很廣，以樹桿為中心呈圓形分布，故設(shè)計時露天種植采用滴灌技術(shù)，溫室大棚種植采用滴灌+微噴灌技術(shù)。

露天栽培和溫室栽培的滴灌均采用HW1814一出四滴箭，單箭流量1 L/h，配套1828壓力補償?shù)晤^(4 L/h)，每株柑橘安裝一套一出四滴箭見圖3。灌水器采用地插式，插在柑橘根系周圍，精準供給水肥，讓柑橘的毛根剛好吸收到水分和養(yǎng)分，并且灌水器的流量、噴灑范圍以及安裝位置均可以靈活調(diào)動，滿足了柑橘不同生育期對水分的不同要求，做到了適時適量 “按需供給”的水肥需求，對柑橘的品質(zhì)提升以及樹體的養(yǎng)成起很大的促進作用。溫室灌溉另外配備HW5428平面霧化噴頭，流量80 L/h，射程1.2 m，每跨溫室安裝2條微噴頭，噴頭安裝間距為1.5 m，倒掛安裝見圖4，主要起到葉面補水、補充葉面肥，調(diào)節(jié)溫室內(nèi)溫濕度、改善局部小氣候，促進冠層上下氣流地交換的作用，為柑橘營造適宜的生長環(huán)境。

1.2.2 田間管網(wǎng)設(shè)置

田間管網(wǎng)布置見圖2，根據(jù)當?shù)厮吹膲毫σ约肮喔让娣e進行確定田間管網(wǎng)的安裝級數(shù)。主要包括主管道、支管與毛管3部分。

主管網(wǎng)選用U-PVC給水管，具有重量輕、使用壽命長、性價比高、抗拉、抗壓、耐腐蝕性的優(yōu)點，埋地鋪設(shè)。田間支管采用LDPE盤管，耐候性和抗老化能力強，柔韌性好，可彎曲、具有優(yōu)良的韌性，采用鎖扣式活接關(guān)鍵連接，沿地表鋪設(shè)。毛管采用PE軟管，耐腐蝕、無毒、柔韌性好、耐老化、抗紫外線輻射，活接鎖扣連接，拆卸、安裝方便。

圖3 智慧灌溉水肥一體化滴灌系統(tǒng)

圖4 智慧灌溉水肥一體化溫室霧噴系統(tǒng)

1.2.3 首部樞紐的選擇

首部樞紐是智慧灌溉水肥一體化系統(tǒng)中的重要組成部分，包含加壓設(shè)備(水泵)、過濾設(shè)備、施肥設(shè)備、測量設(shè)備以及控制系統(tǒng)等，見圖5。

圖5 智慧灌溉水肥一體化首部樞紐結(jié)構(gòu)

在泵站內(nèi)配置泵、過濾設(shè)備、施肥設(shè)備、控制設(shè)備以及儀表、安全裝置等。水泵將灌溉水加壓后，輸送至過濾設(shè)備過濾，再借助輸水管網(wǎng)輸送至土壤地頭，并通過安裝在種植區(qū)域的灌水器，將水分和養(yǎng)分均勻、準確地直接輸送到植物根系的土壤區(qū)域。

每個首部系統(tǒng)配置2臺管道離心泵，負責給灌溉系統(tǒng)供水，水泵采用變頻恒壓控制系統(tǒng)，具有隨開隨用的功能，無需人員到泵站開關(guān)水泵，最大限度的降低了人工和系統(tǒng)能耗。灌溉水源為地表水，由于滴灌和微噴系統(tǒng)對水質(zhì)要求較高，為了保證系統(tǒng)的長期有效運行，避免堵塞的情況發(fā)生，在首部配置了一套手動反沖洗砂石過濾器、一套自動反沖洗疊片過濾器進行兩級過濾。首部配置兩臺比例式注肥泵用于柑橘施肥，滿足精準、按比例施肥的需求，實現(xiàn)高效水肥一體化灌溉 （圖6）。

1.2.3 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

為了解決勞動力匱乏，提升集約化、規(guī)?；?jīng)營管理水平，基地引入了華維物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)見圖7。

該系統(tǒng)主要包括8個部分組成：(1)農(nóng)抬頭智慧農(nóng)業(yè)云平臺；(2)智慧灌溉水肥一體化系統(tǒng)見圖8；(3)手機遠程操控系統(tǒng)；(4)農(nóng)田小氣候監(jiān)測系統(tǒng)；(5)在線視頻監(jiān)控系統(tǒng)；(6)控制中心大屏展示系統(tǒng)；(7)遠程管道壓力、流量監(jiān)測系統(tǒng)見圖9。

圖6 智慧灌溉水肥一體化首部樞紐現(xiàn)場

農(nóng)抬頭智慧農(nóng)業(yè)云平臺主要功能是對采集監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行存儲、分析、決策，通過智能控制軟件指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；智慧水肥一體化系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將智能傳感器所收集的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場土壤、氣象數(shù)據(jù)進行分析從而決定農(nóng)作物灌溉的時間，灌水量和灌溉施肥的時間和水溶肥用量；農(nóng)田小氣候監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測作物的生長環(huán)境數(shù)據(jù)，包括土壤溫濕度、鹽分含量、空氣溫濕度、光照強度、作物長勢等數(shù)據(jù)參數(shù)，并上傳到云平臺進行分析處理，為精細化農(nóng)業(yè)提供數(shù)據(jù)支撐；遠程管道壓力、流量監(jiān)測系統(tǒng)能實時顯示灌溉情況，監(jiān)測管道壓力、流量，出現(xiàn)爆管、管道脫落、偷水等情況能及時上報，并實時獲得田間信息，迅速、準確、高效保障系統(tǒng)安全運行；實現(xiàn)遠程精準操控，不論是PC端還是手機APP，只要有網(wǎng)絡(luò)，即可在任何地方對柑橘基地的任何一個區(qū)域進行精準的控制管理、灌水、施肥、查看作物長勢甚至葉面病蟲害監(jiān)測。

圖7 農(nóng)抬頭智慧農(nóng)業(yè)云平臺系統(tǒng)

圖8 智慧灌溉水肥一體化系統(tǒng)

圖9 遠程管道壓力、流量監(jiān)測系統(tǒng)

2 智慧灌溉水肥一體化系統(tǒng)在柑橘上的應(yīng)用效果

發(fā)展高效節(jié)水灌溉工程主要是為了緩解當?shù)厮Y源的供需矛盾。筆者針對項目實施智慧灌溉水肥一體化后效益情況與原有傳統(tǒng)灌溉方式進行分析研究。與傳統(tǒng)灌溉相比，智慧灌溉水肥一體化系統(tǒng)自動化、智能化程度高，可以實現(xiàn)自動灌溉、精準灌溉，具有節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)藥、省心、省工、省力、增產(chǎn)、增質(zhì)、增效、環(huán)保等優(yōu)點。

2.1 增產(chǎn)效益

智慧灌溉系統(tǒng)采用獨特的智能水肥一體化技術(shù)，在傳統(tǒng)的水肥一體化系統(tǒng)基礎(chǔ)上，按照智慧農(nóng)業(yè)的理念，集成應(yīng)用計算機、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、自動控制等技術(shù)，針對柑橘實際生長情況狀況，確定水分、養(yǎng)分的調(diào)配和供給量大小，做到了適時適量精準地灌溉，使每棵柑橘樹在最佳的水肥環(huán)境下生長，大大提高了灌溉質(zhì)量，提升了柑橘產(chǎn)量和品質(zhì)，產(chǎn)量提高10%～15%。項目區(qū)柑橘種植面積45.33 hm2，實施智慧灌溉水肥一體化后與傳統(tǒng)灌溉方式相比較平均可每畝年增產(chǎn)300 kg/667 m2，增產(chǎn)效益可觀。同時由于做到了水肥一體精準化灌溉，柑橘的外觀皮質(zhì)明顯改善，提高了商品率，做到了優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

2.2 節(jié)能效益

智慧灌溉水肥一體化系統(tǒng)運行后，減少了水分的下滲以及地表蒸發(fā)，節(jié)約了灌溉用水量和灌溉用電量，根據(jù)對典型灌面調(diào)查數(shù)據(jù)分析，高效節(jié)水灌溉比傳統(tǒng)地面灌溉節(jié)水30%，節(jié)約了灌溉用電，降低了能耗。

2.3 水肥藥效益

智慧灌溉水肥一體化相較傳統(tǒng)地面灌溉相比，將水肥輸送到柑橘樹體根部，加上滴灌的應(yīng)用，大大減少了水分的損失，同時提高了水資源利用率，節(jié)水30%以上，利用水肥一體化系統(tǒng)，養(yǎng)分隨水分直接供應(yīng)到柑橘根系周圍耕層內(nèi)，減少了養(yǎng)分流失，提高了肥料的利用率，節(jié)肥率達25%，減少了肥料的用量。并且水肥一體化水分直接供應(yīng)到根部，而不在行間土壤，減少了水分的蒸發(fā)，降低了棚內(nèi)的空氣濕度，使棚內(nèi)小氣候環(huán)境相對干燥，從而減少了病蟲草害的發(fā)生，節(jié)省農(nóng)藥15%以上。

2.4 省工效益

工程實施后，由傳統(tǒng)灌溉的人工澆灌或者閥門控制轉(zhuǎn)變?yōu)橹腔酃喔鹊倪h程操控或者智能控制，通過手機或者電腦輕松管理成百上千畝，大大降低了用工量，節(jié)省人工60%以上，并且提高了工作效率，降低了勞動強度，降低了人工成本，省心又高效(圖10)。

圖10 溫室大棚柑橘種植實景

3 結(jié)論

(1)通過對智慧灌溉水肥一體化系統(tǒng)進行設(shè)計及應(yīng)用效果調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在南方柑橘園引入智慧灌溉系統(tǒng)，能夠真正有效地做到高效節(jié)水灌溉，緩解南方季節(jié)性干旱和工程區(qū)域性缺水問題，能夠針對柑橘的需水、需肥規(guī)律以及土壤狀況自動反饋并控制灌溉，達到精準灌溉、施肥和水肥并用的目的，實現(xiàn)了精準化種植，省時省力，解決了勞動力成本高的問題，實現(xiàn)了在線遠程監(jiān)控，通過手機或者電腦端可迅速進行大面積灌溉和施肥，提高了工作效率，降低了了人力成本，有利于提高農(nóng)業(yè)高效化、集約化管理，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

(2)案例應(yīng)用效果調(diào)查表明：智慧灌溉水肥一體化系統(tǒng)有效降低了農(nóng)業(yè)灌溉水和肥料農(nóng)藥的投入大幅度提高水資源利用率，增加柑橘的產(chǎn)量、提升柑橘的品質(zhì)。同時改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)靠經(jīng)驗種植、盲目澆水、過度施肥的弊端，減少了水肥的流失，降低了農(nóng)業(yè)面源污染，對改善農(nóng)田小氣候、保護生態(tài)環(huán)境起到積極的作用，具有廣泛的社會經(jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)境效益。

(3)隨著科技的不斷進步，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)朝著集約化、規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化的方向不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)灌溉用水短缺、勞動力缺乏以及老齡化的加劇，智慧灌溉水肥一體化系統(tǒng)的節(jié)水、省工、高效、精準智能的特點愈加重要，既能克服傳統(tǒng)種植模式的弊端，又能提升高效農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化管理水平，是保證柑橘優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。