精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)推廣與應(yīng)用

呂 平

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原030002）

0 引言

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是將先進(jìn)的工業(yè)生產(chǎn)方式應(yīng)用在現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理上，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程數(shù)字化、信息化、智能化的技術(shù)，在一定的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源上，獲得較高的產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益，它是一種現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，其中設(shè)施環(huán)境控制依托現(xiàn)代工程技術(shù)和信息技術(shù)，將作物置于人為調(diào)控之下，最大程度地滿足作物生長(zhǎng)對(duì)光、熱、水、氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需要，提高生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)，保障農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。

精準(zhǔn)灌溉是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，精準(zhǔn)灌溉在土壤特性、生長(zhǎng)環(huán)境、種植作物、首部水源和灌溉設(shè)施等約束條件下，利用工程控制和信息化控制對(duì)節(jié)水灌溉方式、灌溉時(shí)機(jī)、速度、水量等進(jìn)行精準(zhǔn)控制，使農(nóng)田水勢(shì)保持在適宜作物生長(zhǎng)的最佳狀態(tài)，即農(nóng)田水勢(shì)的最優(yōu)化控制[2]。

1 項(xiàng)目背景

作者參與設(shè)計(jì)《基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)自適應(yīng)監(jiān)控方法》發(fā)明專利，專利號(hào)201310039194.1。2015年申請(qǐng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣項(xiàng)目作為專利成果轉(zhuǎn)化推廣應(yīng)用，項(xiàng)目實(shí)施地為山西省沁縣松村鄉(xiāng)松村的沁州綠園區(qū)。

2 精準(zhǔn)灌溉方案設(shè)計(jì)

精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)是基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，方案設(shè)計(jì)如下：首先傳感器采集田間土壤墑情，其中包括環(huán)境溫度、濕度、日照強(qiáng)度、土壤水分、土壤溫度，然后將采集的作物墑情數(shù)據(jù)回傳至基站，觀測(cè)基站傳送給灌溉專家系統(tǒng)，系統(tǒng)接收到土壤墑情信息后，綜合考慮作物環(huán)境參數(shù)，及時(shí)制定出灌溉決策，向指定控制設(shè)備并發(fā)出灌溉控制指令，實(shí)施適時(shí)適量灌溉，系統(tǒng)中土壤墑情數(shù)據(jù)的采集和傳輸、灌溉控制指令的傳輸由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]；精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

圖1 精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)示意圖

3 技術(shù)路線

3.1 灌溉方式選擇

作物的生長(zhǎng)和收獲取決于灌溉方式，灌溉方式不同，灌溉水利用率不同，對(duì)于作物的生長(zhǎng)影響也有很大的差別。對(duì)于傳統(tǒng)的灌溉方式，膜下滴灌在低壓下，主管和支管作為輸配水管道，滴灌帶上的滴頭向土壤提供水分，這種灌溉方式節(jié)水效率高，在蔬菜、溫室花卉和荒漠治理等應(yīng)用廣泛。與地表灌溉、噴罐等技術(shù)相比，膜下滴灌技術(shù)不僅節(jié)水效能好，也減少了土壤水分的蒸發(fā)、深層滲漏和地表徑流，便于農(nóng)民實(shí)施田間管理和控制灌水量，使作物能直接利用水肥。

3.2 水源凈化系統(tǒng)

由于基地長(zhǎng)期存在水源水質(zhì)含泥沙量大，原有灌溉系統(tǒng)存在滴頭堵塞的問(wèn)題，而且膜下滴灌對(duì)水質(zhì)也有要求，因此本項(xiàng)目對(duì)園區(qū)原有水源凈化系統(tǒng)進(jìn)行了更新和改造，去除懸浮物和顆粒進(jìn)入供水管路，采用了LWY-30型過(guò)濾器即離心+網(wǎng)式手動(dòng)過(guò)濾器，最大流量300 m3/h，灌溉面積3.3～13.2 hm2，公稱壓力在0.4 MPa，過(guò)濾精度在60～200目。水源經(jīng)過(guò)凈化后，經(jīng)過(guò)PE管道Φ110主管路和PE管道Φ50支管路進(jìn)入大棚，再經(jīng)過(guò)施肥罐、電磁閥和田間渠首系統(tǒng)，進(jìn)入滴灌管道，進(jìn)行灌溉，從根本上解決了水源水質(zhì)問(wèn)題。

3.3 傳感器的選擇

目前，測(cè)量土壤水分方法，可依據(jù)測(cè)量原理主要分為以下六類：重量法、電測(cè)法、熱學(xué)法、射線法、化學(xué)法、遙感法等

烘干稱重法和TDR法（Time Domain Refleetometry簡(jiǎn)稱TDR法）測(cè)量土壤水分，目前在國(guó)內(nèi)具有代表性。

烘干法是測(cè)定結(jié)果用重量含水率表示。烘干法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，操作方法簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此烘干法主要用于標(biāo)定檢驗(yàn)。

TDR法（又稱時(shí)域反射法）是一種快速測(cè)量土壤含水量的技術(shù)，工作原理是：土壤中高頻電磁脈沖傳播的速度依賴于土壤的介電特性，而在一定的頻率范圍內(nèi)，礦物質(zhì)、空氣和水的介電特性為常數(shù)，且水的介電常數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他物質(zhì)，因此電磁脈沖的傳播速度主要跟土壤的容積含水量相關(guān)。TDR（時(shí)域反射法）是目前測(cè)量土壤含水量的主要方法之一，可對(duì)土壤進(jìn)行快速、連續(xù)、準(zhǔn)確的測(cè)量，測(cè)量范圍廣（0～100%）、分辨率高，且不需要標(biāo)定，適合田間快速測(cè)量的要求。綜合考慮精度和成本[4]；項(xiàng)目采用TDR（時(shí)域反射法）傳感器的方式，在大棚中測(cè)量土壤水分采取代表性樣本取樣試驗(yàn)對(duì)照，保證土壤含水量采集的精度。

3.4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)基于Si1000系列無(wú)線平臺(tái)構(gòu)建，Si1000系列無(wú)線平臺(tái)具有成本低、發(fā)射功率高、集成度高、鏈路增益預(yù)算高等特點(diǎn)，工作于433 MHz公共頻段，無(wú)需付費(fèi)。

網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的傳輸協(xié)議綜合考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸、節(jié)點(diǎn)部署、可靠性、低功耗等各種因素，采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合自主開發(fā)的方式傳輸，能夠滿足精準(zhǔn)灌溉的需求。

3.5 精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)

精準(zhǔn)灌溉專家系統(tǒng)主要有兩個(gè)部分組成：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和灌溉專家軟件平臺(tái)。首先傳感器采集田間土壤墑情包括土壤含水量、土壤溫度、生長(zhǎng)環(huán)境溫度、濕度、光照強(qiáng)度，然后將采集的數(shù)據(jù)回傳至基站，再由基站傳送給灌溉專家系統(tǒng)，軟件平臺(tái)在接收到土壤墑情參數(shù)后，根據(jù)天氣情況和灌溉知識(shí)庫(kù)，制定灌溉決策，并發(fā)出灌溉控制指令，管道上電磁閥（或水泵控制設(shè)備）接受指令，進(jìn)行適量膜下滴灌，土壤墑情的采集和傳輸、灌溉控制指令的傳輸均通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

溫室大棚中全部是蔬菜，取公式（1）進(jìn)行灌水量的理論計(jì)算：

式中：M——灌溉水量，mm；

γ——土壤容重，g/cm3；

h——根系分布層土壤厚度，cm；

H1——灌水后達(dá)到土壤含水量上限，%；

H2——灌水前達(dá)到土壤含水量下限，%；

η——灌溉水有效利用系數(shù)。

蔬菜灌溉量不足達(dá)不到效果，引起蔬菜根系淺化；相反，如果灌溉水量過(guò)多，土壤透氣性差，根系呼吸不利，影響蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育。

4 精準(zhǔn)灌溉專家系統(tǒng)模塊開發(fā)和應(yīng)用

精準(zhǔn)灌溉專家系統(tǒng)分為在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)匯總、預(yù)警記錄、記錄查詢、追根溯源、基地管理、生產(chǎn)記錄、農(nóng)資資訊、系統(tǒng)管理9個(gè)大模塊，每個(gè)模塊下又分若干小功能模塊，下面重點(diǎn)介紹在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)匯總、預(yù)警記錄、追根溯源四個(gè)模塊功能，獲得國(guó)家版權(quán)局授予的軟件著作權(quán)，登記號(hào)為2019SR0209246。

4.1 在線監(jiān)測(cè)

在線監(jiān)測(cè)模塊主要功能包括視頻采集系統(tǒng)、傳感器、驅(qū)鳥控制、水泵控制、照明控制。

1）視頻采集系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控?cái)z像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，節(jié)省人工現(xiàn)場(chǎng)查看作物的生長(zhǎng)情況、墑情和病蟲害。

2）傳感器：實(shí)時(shí)采集土壤含水量、土壤溫度、作物環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度等作物生長(zhǎng)環(huán)境信息，查看各傳感器采集工作狀態(tài)和信息。

3）驅(qū)鳥控制：通過(guò)控制峰鳴器驅(qū)鳥，本項(xiàng)目進(jìn)行了功能軟件設(shè)計(jì)，主要適用于大田灌溉系統(tǒng)，本項(xiàng)目為大棚作物，因此并未進(jìn)行設(shè)備配套，為將來(lái)項(xiàng)目的拓展奠定軟件基礎(chǔ)。

4）水泵控制：根據(jù)傳感器采集到的土壤墑情數(shù)據(jù)，設(shè)定限值，自動(dòng)或者人工控制水泵和無(wú)線電磁閥啟閉時(shí)間，及時(shí)進(jìn)行灌溉，保證作物的土壤水分和肥料。

5）照明控制：控制大棚內(nèi)燈光，實(shí)現(xiàn)照明控制，同時(shí)能控制大棚夜間室內(nèi)溫度，保持大棚室內(nèi)溫度恒溫，滿足作物生長(zhǎng)溫度條件。

4.2 數(shù)據(jù)匯總

數(shù)據(jù)匯總模塊主要功能歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)報(bào)表、數(shù)據(jù)分析等功能。傳感器采集到作物的墑情數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程回傳至系統(tǒng)，建立了數(shù)據(jù)庫(kù)，全部存儲(chǔ)在模塊中，可以掌握作物的生長(zhǎng)過(guò)程和水肥條件，也能滿足農(nóng)業(yè)和水利科研研究對(duì)數(shù)據(jù)采集要求，觀測(cè)數(shù)據(jù)如下圖2和圖3。

圖2 一號(hào)大棚溫度最高值和平均值（2018年12月1日-21日）

圖3 一號(hào)大棚土壤濕度最高值和平均值（2018年12月1日-21日）

4.3 預(yù)警記錄

軟件預(yù)警記錄包含種植基地預(yù)警記錄和蟲害預(yù)警記錄，種植基地預(yù)警記錄主要指基地的氣象條件預(yù)警記錄。蟲害預(yù)警記錄主要指病蟲害預(yù)警記錄，在預(yù)警記錄配置中進(jìn)行氣象或蟲害預(yù)警條件的觸發(fā)配置，主要是包括氣候條件、溫度和濕度條件，依據(jù)作物葉面特征比對(duì)和專家經(jīng)驗(yàn)，判斷發(fā)生病蟲害的幾率。

4.4 追根溯源

項(xiàng)目研究中，不局限于作物墑情有關(guān)模塊開發(fā)，根據(jù)經(jīng)營(yíng)者要求和用戶的需要，同時(shí)開發(fā)了與食品安全相關(guān)的模塊，當(dāng)前人們關(guān)注綠色有機(jī)蔬菜、食品安全和健康飲食，當(dāng)采購(gòu)到商品時(shí)，就能通過(guò)軟件產(chǎn)生的二維碼，了解和掌握產(chǎn)品的產(chǎn)地、收獲記錄、運(yùn)輸記錄、銷售記錄等相關(guān)信息。

5 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和分析

模塊提供溫室內(nèi)溫度、光照度以及土壤溫度、濕度等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，后臺(tái)儲(chǔ)存，具有歷史數(shù)據(jù)和預(yù)警事件信息查詢功能。將環(huán)境和作物墑情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以圖表形式或曲線圖形式形成統(tǒng)計(jì)報(bào)表，供科研人員或基地管理人員做出分析與管理決策，同時(shí)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)形成的曲線顯示出各參數(shù)在不同時(shí)間段的變化情況和設(shè)定合理的系統(tǒng)參數(shù)值、限定值；對(duì)于農(nóng)田水利科研工作，供水利科研和農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程收集和觀測(cè)，分析各參數(shù)變化對(duì)作物產(chǎn)生的影響，一號(hào)大棚濕度平均值如圖4。

圖4 一號(hào)大棚濕度平均值（2018年12月1日-21日）

6 專家灌溉軟件主要功能

通過(guò)構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和大棚中溫度、光照、濕度等無(wú)線傳感器，對(duì)作物的生長(zhǎng)環(huán)境、土壤含水量、土壤溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，回傳至灌溉專家系統(tǒng)，灌溉專家系統(tǒng)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)和預(yù)警信息做出判斷，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制指定設(shè)備電磁閥或水泵，進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉，同時(shí)用戶也通過(guò)電腦或4G和5G手機(jī)客戶端實(shí)時(shí)視頻，查看現(xiàn)場(chǎng)情況和數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)以農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)和遠(yuǎn)程信息技術(shù)（TDR、RFID技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等）為服務(wù)手段，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)管理，進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的信息化水平，可以廣泛應(yīng)用于溫室大棚、大田、畜牧水產(chǎn)。

7 系統(tǒng)特點(diǎn)：

1）系統(tǒng)測(cè)量的范圍廣、準(zhǔn)確性和及時(shí)性高

系統(tǒng)監(jiān)控區(qū)域大、范圍廣，系統(tǒng)布置傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋一個(gè)幾千平方米連棟溫室，也可以覆蓋大面積的園區(qū)溫室群，在每個(gè)溫室中可以采集諸如空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度等信息。無(wú)論在農(nóng)業(yè)科研和生產(chǎn)需要方面，要求系統(tǒng)對(duì)作物環(huán)境參數(shù)和生長(zhǎng)要素的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性和及時(shí)性，本次試驗(yàn)選取兩個(gè)試驗(yàn)大棚作為試驗(yàn)點(diǎn)，遠(yuǎn)程觀察時(shí)長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月，與現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，傳送準(zhǔn)確率達(dá)到99.5%，能夠滿足準(zhǔn)確性和及時(shí)性的要求。

2）經(jīng)濟(jì)實(shí)用、成本低、節(jié)省人力

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，能以無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，具有低成本、低功耗、分布廣等特點(diǎn)。本系統(tǒng)只需極少的管理人員，節(jié)省管理人員和田間操作人員人力和費(fèi)用。

3）集成化和模塊化

水源凈化系統(tǒng)、膜下滴灌、水肥一體化和自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)集成系統(tǒng)推廣，適用于規(guī)模化設(shè)施農(nóng)業(yè)；對(duì)于小規(guī)模的設(shè)施農(nóng)業(yè)，根據(jù)農(nóng)田灌溉的實(shí)際需要，提出模塊化的產(chǎn)品。如：膜下滴灌和水肥一體化系統(tǒng)、土壤墑情采集裝置、水泵控制裝置、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)控制平臺(tái)等，因此本系統(tǒng)既可以集成化使用，也可以獨(dú)立使用。

4）開放性和穩(wěn)定性

系統(tǒng)所有模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)協(xié)議，建立智慧農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程托管中心，數(shù)據(jù)云平臺(tái)儲(chǔ)存，能實(shí)現(xiàn)第三方的鏈接，開放的優(yōu)勢(shì)是面對(duì)市場(chǎng)寬，既可以是普通用戶，也可以是系統(tǒng)集成商。由于系統(tǒng)建立以后，嵌入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定前提下，系統(tǒng)配置的各類硬件設(shè)備具有安全、穩(wěn)定、可靠，數(shù)據(jù)回傳準(zhǔn)確及時(shí)。

5）克服水質(zhì)對(duì)膜下滴灌的影響

膜下滴灌是先進(jìn)的節(jié)水灌溉方式，但水中雜質(zhì)極易造成滴頭堵塞，縮短了滴灌帶的使用壽命，節(jié)水工程成本增加，因此膜下滴灌對(duì)水質(zhì)中顆粒和懸浮物的含量要求嚴(yán)格。針對(duì)水源地的泥沙含量大的特點(diǎn)，本次項(xiàng)目采用了LWY-30型過(guò)濾器即離心+網(wǎng)式手動(dòng)過(guò)濾器凈化系統(tǒng)，過(guò)濾精度在60-200目，完全滿足了膜下滴灌灌溉方式對(duì)水質(zhì)的要求，徹底解決了沁縣基地灌溉用水和生活用水的水質(zhì)問(wèn)題。

8 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了水肥一體化和灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)集成推廣，建立了灌溉專家系統(tǒng)，通過(guò)光照、溫度、濕度等無(wú)線傳感器，對(duì)農(nóng)作物環(huán)境溫度、光照、土壤溫度、土壤含水量等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，傳輸?shù)焦?jié)水灌溉專家管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)決策，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和處理，開啟或者關(guān)閉指定設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉，實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。專家實(shí)時(shí)根據(jù)最新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)不同作物不同季節(jié)的具體生育指標(biāo)，判斷是否需要對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行干預(yù)（或設(shè)定限值進(jìn)行干預(yù)）。比如，根據(jù)溫室空氣溫濕度參數(shù)判斷是否要對(duì)溫室進(jìn)行通風(fēng)，依據(jù)土壤水分參數(shù)判斷是否需要定時(shí)定量澆灌。

在項(xiàng)目實(shí)施前，農(nóng)民在溫室大棚內(nèi)進(jìn)行大水漫灌的灌溉方式，實(shí)施膜下滴灌，單位面積灌溉用水量是原有灌溉方式的28%，原有平均用水量在900～1 200 m3/hm2，采用膜下滴灌后平均用水量在270～300 m3/hm2，平均節(jié)水量在750 m3/hm2，灌溉水利用率達(dá)到0.95以上，土壤墑情采集傳感器數(shù)據(jù)傳送準(zhǔn)確率達(dá)到100%，實(shí)時(shí)做出精準(zhǔn)灌溉決策，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)灌溉目的，以有機(jī)蔬菜辣椒為例，每公頃增產(chǎn)產(chǎn)量在2 250 kg左右，增產(chǎn)25%，增產(chǎn)效益7 496～8 996元/hm2；同時(shí)節(jié)約田間工程費(fèi)和田間操作人員的費(fèi)用，增產(chǎn)節(jié)支效益明顯。

在項(xiàng)目中節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)、水肥一體化與膜下滴灌技術(shù)的結(jié)合使用，不僅起到示范帶動(dòng)作用，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者和管理者的節(jié)水意識(shí)，同時(shí)可為山西省貧困縣沁縣周邊地區(qū)取得良好的社會(huì)效益，在山西實(shí)施節(jié)水農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略布局下，節(jié)水農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收是缺水貧困地區(qū)實(shí)現(xiàn)脫貧致富的必要途徑，因此本系統(tǒng)在節(jié)水農(nóng)業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)推廣前景廣闊。