設施番茄輕簡式智能灌溉施肥機的應用

岳煥芳，周孝秋，安順偉，胡瀟怡，劉 杰，孟范玉，徐厚成

(1 北京市農業(yè)技術推廣站，北京 100029；2北京市弘科農場，北京 102446)

我國是水資源緊缺的國家，根據水資源公報，2017年，北京市水資源總量為29.77 億m3，按照年末常住人口2 170.7 萬人計算，北京市人均水資源占有量為137 m3，遠低于世界人均占有量，農業(yè)用水量占總用水的13%，傳統(tǒng)的灌溉方式，水肥利用率僅為發(fā)達國家的一半左右[1]，水資源浪費是我國的一個重要問題[2]，我國化肥用量占世界總消耗量的35%[3]，利用率僅由30%左右[4]，自動化、智能化、精準水肥一體化管理可以有效提高水肥利用率，是未來的發(fā)展趨勢[5]，而精準的灌溉施肥設備，是實現(xiàn)精準灌溉施肥的核心關鍵裝置，目前，我國智能施肥機種類繁多，但是質量參差不齊[6]，水肥管理多采用手動控制或者定時控制，造成灌水不均勻，不及時，不能滿足作物正常生長需求，影響果實產量和品質[7]，以色列、荷蘭等農業(yè)發(fā)達國家[8,9]，早已實現(xiàn)精準智能灌溉，但是，國外的設備直接引進，存在技術門檻高，操作難掌握等問題[10]，無法實現(xiàn)設備落地，造成智能灌溉施肥機技術推廣難度大，使用者認可度低，針對我國農業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，自主研發(fā)適合我國國情的輕簡式灌溉施肥設備具有重要意義[11]。由于番茄口感酸甜，營養(yǎng)元素豐富，受到消費者青睞[12]，作為我國主要的設施蔬菜之一，2012年栽培面積已經達到45.33 萬hm2[13]，目前我國番茄水肥管理多采用傳統(tǒng)的管理模式，研究番茄適用的輕簡式智能灌溉施肥機，為高產、優(yōu)質的現(xiàn)代番茄生產，提供技術支撐[14]。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年3-7月在房山區(qū)弘科農場日光溫室內進行，試驗地處北緯N39°37′33.53″， 東經E115°57′49.64″，土壤質地屬于黏壤土，有機質為23.8 g/kg，全氮為6.56 g/kg，速效鉀為150 mg/kg，有效磷為102 mg/kg，pH為7.54。

1.2 試驗材料

試驗作物為番茄，試驗品種為“財富天下F1”，栽培密度為4.5 萬株/hm2，定植時間為3月5日。試驗區(qū)灌溉施肥由智能灌溉施肥機控制，施肥機由北京市農業(yè)技術推廣站集成研發(fā)，委托北京市紫藤連線設備公司生產[15]，嵌入由北京市農業(yè)技術推廣站自主研發(fā)的基于光輻射智能灌溉決策系統(tǒng)[16]，以農戶常規(guī)水肥管理作為對照，對照區(qū)采用文丘里施肥器，人工根據經驗進行水肥管理。底肥用量一致，共施用商品有機肥(N+P2O5+K2O≥5%，有機質≥45%)45 t/hm2，商品菌肥(有機質≥40%，有效活菌數(shù)≥0.2億/g)15 t/hm2。

1.3 測定項目

測定項目包括植株生長指標、產量、品質等。每個小區(qū)選取5株測定不同生育時期的株高、莖粗(生長點向下第4片展開葉的基部莖粗)、葉片數(shù)；利用智墑分別測定土壤含水量變化；每次收獲按小區(qū)實收計產；每次收獲時選取10個番茄，計算平均單果重；測定成熟番茄Vc、可溶性糖、可滴定酸等品質指標；統(tǒng)計用水，用肥量。

2 結果與分析

2.1 不同水肥管理模式對土壤水分含量的影響

圖1為施肥機管理的土壤含水量變化趨勢圖，圖2為人工常規(guī)管理土壤含水量變化趨勢圖，從圖中可以看出，施肥機管理的番茄土壤含水量整個生育期呈現(xiàn)的趨勢為苗期變動較為平緩，0～60 cm土層的土壤含水量保持在30%～40%之間，開花期則控制灌溉，土壤含水量呈現(xiàn)下降趨勢，土壤含水量波動范圍為25%～35%。進入結果期后增加灌溉頻率，土壤含水量變化范圍為35%～40%。人工常規(guī)水肥管理模式為灌溉頻率低，單次灌溉量大，整個生育期土壤含水量變化范圍為20%～40%，變化幅度比較大，會造成每次灌溉前，根系附近土壤缺水嚴重，或者根本不缺水的情況下補充水分，不合理灌溉制度，會導致水分的浪費或者虧缺，影響作物的正常生長。

圖1 施肥機管理番茄土壤含水量變化Fig.1 Soil moisture content of tomato under the management of fertigation control machine

圖2 人工常規(guī)管理番茄土壤含水量變化Fig.2 Soil moisture content of tomato under the management of manual

2.2 不同水肥管理模式對番茄生長指標的影響

圖3為施肥機和常規(guī)管理的番茄生長指標，從圖3中可以看出，隨著生育期的推進，株高逐漸增加，至定植91 d時，施肥機管理的番茄株高為124.4 cm，常規(guī)管理為125 cm。莖粗呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，定植后28 d，莖粗達到最大值，施肥機管理番茄莖粗為9.6 mm，常規(guī)管理番茄莖粗為9.7 mm。定植91 d后番茄葉片數(shù)為22.2片，施肥機和人工常規(guī)管理番茄生長指標差異不顯著。

圖3 不同處理對番茄生長指標的影響Fig. 3 Effects of different treatments on growth index of tomato plants

2.3 不同水肥管理模式對番茄品質的影響

表1為施肥機和人工常規(guī)管理下番茄的品質，從表中可以看出，施肥機管理的番茄可溶性糖含量為4.42%，人工常規(guī)管理的番茄僅為1.27%，施肥機管理可以提高番茄糖酸比88.46%，番茄維生素C含量提高了31.5%，番茄紅素含量提高了10.98%，施肥機內嵌的依據光輻射智能灌溉系統(tǒng)可以較好的提高番茄的果實品質。

表1 不同處理對番茄品質的影響Tab.1 Effects of different treatments on tomato quality

2.4 不同水肥管理模式對效益的影響

表2為施肥機管理和人工常規(guī)管理番茄投入和產出對比，從表2中可以看出施肥機管理的番茄產量為98 769 kg/hm2，比人工常規(guī)管理提高了18.5%，用水節(jié)約了43.51%，用肥節(jié)省了40%，產出提高了6.02%，施肥機管理的番茄效益達到165 150 元/hm2，比人工常規(guī)管理提高了9.89%，采用輕簡式智能施肥機可以達到節(jié)水、節(jié)肥、提質、增效的目的。

表2 不同處理對經濟效益的影響Tab.2 Effects of different treatments on economic benefits

3 結 語

本研究設計了輕簡式智能灌溉施肥機，內嵌依據光輻射智能灌溉系統(tǒng)，在土壤栽培春茬番茄進行田間應用，番茄整個生長季，設備運行正常，施肥機管理和人工管理相比較，土壤含水量更符合番茄耗水規(guī)律[17]，將土壤含水量控制在一定的范圍內，變化幅度小，保證了番茄根層土壤始終處在適宜的水分范圍內[18]。輕簡式智能灌溉施肥機和人工常規(guī)管理相比較，番茄生長指標差異不顯著；番茄可溶性糖含量為4.42%，可以提高番茄糖酸比88.46%，提高番茄維生素C含量31.5%，提高番茄紅素含量10.98%；施肥機管理的番茄效益達到165 150 元/hm2，比人工常規(guī)管理提高了9.89%。通過田間效果試驗，驗證了依據光輻射灌溉決策可行性，以及灌溉施肥設備的可推廣性，達到了節(jié)水，節(jié)肥，提質，增效的目的。