基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化技術(shù)分析

蔡九茂，李東偉，溫季，張?；?，呂德明，賈憲武

(1.水利部農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.河南莫爾斯特農(nóng)業(yè)裝備有限公司，河南 ?？h 456261;3.河南水文水電工程有限公司,河南 林州 456261)

1 前言

水分和養(yǎng)分的合理調(diào)節(jié)與平衡供應(yīng)是作物增產(chǎn)最關(guān)鍵的因素。植物主要是通過根系和葉片進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和轉(zhuǎn)化，根系是作物的“大嘴巴”，葉片是作物的“小嘴巴”。根系吸收營(yíng)養(yǎng)元素，主要是通過擴(kuò)散和質(zhì)流兩個(gè)過程。兩個(gè)過程都必須要以水為載體。傳統(tǒng)的灌溉和施肥是分開進(jìn)行的，浪費(fèi)了大量人力，水肥的利用率也不能保證。廣義上的水肥一體化技術(shù)也稱隨水施肥，因此生產(chǎn)中的管道輸水施肥、淋施、澆施、噴施等也都屬于水肥一體化范疇。近年來(lái)發(fā)展的水肥一體化技術(shù)主要是配套高效節(jié)水灌溉技術(shù)使用，在滴灌、噴灌、微噴灌等技術(shù)較為成熟后，水的高效利用問題得到了解決后，肥料的高效利用問題就顯得更為迫切。因此，以高效節(jié)水灌溉管網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過不同的施肥模式，如壓差施肥罐、文丘里、比例施肥泵、重力施肥池等，就可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的水肥一體化。通過加壓管道實(shí)現(xiàn)水肥聯(lián)合施用，將水和肥均勻、準(zhǔn)確地輸送到作物根系附近，實(shí)現(xiàn)按量供應(yīng)、按需供應(yīng)，減少肥料深層流失，提高水肥利用效率。

2 水肥一體化技術(shù)特點(diǎn)

水肥一體化技術(shù)可以針對(duì)不同作物、不同生育期的需水需肥規(guī)律進(jìn)行精準(zhǔn)控制。尤其在當(dāng)前管灌逐漸取代渠灌技術(shù)后，為水肥一體化技術(shù)提供了基礎(chǔ)保障。由傳統(tǒng)的澆地和向土壤施肥，轉(zhuǎn)變?yōu)榱藵沧魑锖拖蜃魑锔凳┓?，由傳統(tǒng)的水肥單獨(dú)施用，轉(zhuǎn)變?yōu)榱怂蜀詈瞎喔?，技術(shù)模式更加集成化，管理更加智能化，系統(tǒng)建設(shè)更加標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。

2.1 節(jié)水效果明顯

水肥一體化技術(shù)可減少水分的下滲和蒸發(fā)，提高水分利用率。傳統(tǒng)的灌溉方式，水分利用率只有45%左右，灌溉用水的一半以上流失或浪費(fèi)了，噴灌的水分利用率約為75%，滴灌的水分利用率可達(dá)95%。在露天條件下，微灌施肥與大水漫灌相比，節(jié)水率達(dá)50%左右。保護(hù)地栽培條件下，滴灌與畦灌相比，每畝大棚一季節(jié)水80～120 m3，節(jié)水率為30%～40%。

2.2 節(jié)肥增產(chǎn)

平衡施肥和集中施肥是提高作物肥料利用率的關(guān)鍵，水肥同步可以根據(jù)不同作物的生長(zhǎng)需求，定時(shí)、定量地施用于作物的根部土壤，增加肥料利用率的同時(shí)，也可減少肥料的淋失和揮發(fā)現(xiàn)象，具有施肥均勻、及時(shí)和肥料利用率高等特點(diǎn)。經(jīng)對(duì)比試驗(yàn)，水肥同步技術(shù)與常規(guī)施肥技術(shù)相比，通常可減少化肥施用量35%～45%，作物可增產(chǎn)10%以上。

2.3 改善作物品質(zhì)

水肥一體化技術(shù)適時(shí)、適量地供給作物不同生育期生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分和水分，使作物的生長(zhǎng)環(huán)境得到明顯改善，在促進(jìn)作物增產(chǎn)的同時(shí)，也提高農(nóng)作物品質(zhì)。同時(shí)可以通過精準(zhǔn)水肥控制，控制作物生長(zhǎng)周期，實(shí)現(xiàn)提前或延后上市，提高銷售收益。

2.4 減輕病蟲害發(fā)生

水肥同步節(jié)約了灌溉用水，減少了水分蒸發(fā)，降低了土壤濕度和空氣濕度，提高土壤養(yǎng)分有效性，促進(jìn)根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收貯備，還可抑制病菌的產(chǎn)生，由于水肥同步直接作用于作物的根部，減少和抑制雜草，與常規(guī)施肥相比，水肥同步單位面積可減少農(nóng)藥施用量15%～30%。

2.5 有利于標(biāo)準(zhǔn)化栽培

標(biāo)準(zhǔn)化栽培是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)的重要措施，通過水肥一體化可以做到精確供應(yīng)，提高肥料利用率，降低微量元素肥料施用成本?？梢杂行У馗鶕?jù)作物的生長(zhǎng)期和對(duì)肥料的需求。針對(duì)性地供給作物所需要的肥料，做到需要什么肥料就精確地施用什么肥料，作物標(biāo)準(zhǔn)化栽培，水肥一體化是必不可少的一項(xiàng)灌溉和施肥措施。

2.6 省工節(jié)勞

水肥一體化技術(shù)采用管道進(jìn)行水肥輸運(yùn)，操作更加便捷，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，尤其針對(duì)規(guī)?；N植園區(qū)，人均控制面積更大，管理效率也更高。獨(dú)特的局部灌溉模式也可以減少雜草生長(zhǎng)，節(jié)約除草用工。

3 水肥一體化局限性

水肥一體化技術(shù)是一項(xiàng)新興技術(shù)，需要規(guī)范化的配套產(chǎn)品、種植模式、操作規(guī)程以及維護(hù)手段，才能真正發(fā)揮系統(tǒng)的作用。由于水肥一體化技術(shù)發(fā)展時(shí)間還不夠長(zhǎng)，在生產(chǎn)中仍存在一定的局限性。

3.1 灌水器堵塞

目前，水肥一體化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中常遇到的問題就是灌水器的堵塞，主要是由于水溶肥質(zhì)量不過關(guān)、肥料與水中金屬離子等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以及殘留肥料加速微生物生長(zhǎng)等原因造成。要加強(qiáng)水溶肥生產(chǎn)質(zhì)量把控，重視首部過濾系統(tǒng)建設(shè)，制定合理的水肥灌溉制度，沖洗管道，定期加酸灌溉，防止微生物滋生。

3.2 工程造價(jià)高，維護(hù)成本高

相較于傳統(tǒng)地面灌溉方式，水肥一體化系統(tǒng)的建設(shè)成本偏高，同時(shí)水溶肥技術(shù)尚不成熟，市場(chǎng)上水溶肥企業(yè)生產(chǎn)能力均不高，肥料價(jià)格也較高，增加了系統(tǒng)使用成本。同時(shí)，由于增加了混肥系統(tǒng)、注肥系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)的維護(hù)成本相應(yīng)增加。一般來(lái)說，大田采用水肥一體化技術(shù)每畝投資在400～1 500元，而溫室的投資比大田更高。

3.3 水肥一體化設(shè)備單一，兼容性差

市場(chǎng)上的水肥一體化設(shè)備主要是壓差施肥罐、文丘里、注肥泵以及一體式施肥機(jī)等，農(nóng)戶在選型時(shí)存在困難，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，安裝錯(cuò)誤后導(dǎo)致施肥精度難以控制，無(wú)法發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，與灌溉管網(wǎng)配套性較差，難以形成整體水肥解決方案。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化測(cè)控系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化測(cè)控系統(tǒng)是圍繞“一控兩減”目標(biāo)，重點(diǎn)關(guān)注土地規(guī)?；?jīng)營(yíng)后的水肥管理問題，尤其適用于果樹、花卉、藥材、蔬菜以及大田種植作物。該系統(tǒng)開發(fā)目的就是解決規(guī)?；?、集約化種植過程中人少地多、用工量大、管理低效、水肥利用率低、品質(zhì)不可控等問題，幫助管理員實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地控制、移動(dòng)控制和中央控制三種不同管理模式，對(duì)園區(qū)進(jìn)行全方位水肥管控，可提高水肥利用效率，降低用工成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)量和品質(zhì)。

按照灌溉系統(tǒng)輸配水的全流程，該智能灌溉水肥一體化系統(tǒng)主要由水源系統(tǒng)、首部泵房系統(tǒng)、管網(wǎng)系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)等部分組成。其中水源系統(tǒng)通常有井水、渠水、池塘水等水源。不同的水源具有不同的水質(zhì)，也就要求采取針對(duì)性的過濾方案，防止灌水器堵塞。首部泵房系統(tǒng)主要包括變頻恒壓控制柜、壓力流量監(jiān)測(cè)設(shè)備、泄壓閥持壓閥等管網(wǎng)保護(hù)設(shè)備、多級(jí)過濾系統(tǒng)以及施肥控制系統(tǒng)等模塊。管網(wǎng)系統(tǒng)主要是由主干管、支管、管網(wǎng)保護(hù)設(shè)備(排氣閥、泄水閥、減壓閥等)、田間毛管以及末端灌水器等組成，包括滴灌、噴灌、微噴灌等主要灌溉方式。物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)主要包括田間硬件測(cè)控、信息采集設(shè)備以及中央控制室、手機(jī)端軟件控制終端。其中田間控制設(shè)備包括輪灌組電磁閥、有線解碼器和無(wú)線解碼器、通訊電纜、防雷模塊、防水接頭等。為了對(duì)田間信息進(jìn)行采集，還需要配套專用的土壤、作物、天氣信息傳感器，對(duì)田間實(shí)時(shí)信息進(jìn)行全方位監(jiān)控，傳輸?shù)街锌仄脚_(tái)后，通過專業(yè)的決策模型，確定最優(yōu)的灌溉和施肥制度，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。同時(shí)，還需要配套田間作物生長(zhǎng)信息監(jiān)控設(shè)備，通過有線或無(wú)線的方式，對(duì)作物生長(zhǎng)信息以及田間農(nóng)作工作進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，并形成農(nóng)藝記錄表格，幫助園區(qū)管理員進(jìn)行園區(qū)管理。中央控制平臺(tái)及手機(jī)端可以幫助農(nóng)戶進(jìn)行集中管理，對(duì)園區(qū)內(nèi)設(shè)備信息、管網(wǎng)運(yùn)行信息以及歷史記錄進(jìn)行直觀展示，輔助農(nóng)場(chǎng)主進(jìn)行園區(qū)全方位管理。

要實(shí)現(xiàn)水肥精準(zhǔn)管控，首先需要掌握不同作物、不同生育期的需水需肥規(guī)律，確定最佳的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和肥量參數(shù)；在此基礎(chǔ)上，還要對(duì)作物的生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行全面監(jiān)控，通過先進(jìn)的傳感器技術(shù)，對(duì)氣象信息、土壤墑情信息和作物生長(zhǎng)信息進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，采用有線和無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，并通過中控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的篩選、分析和決策，確定最優(yōu)的灌溉制度和施肥制度。而田間控制器是實(shí)施灌溉和施肥自動(dòng)控制的核心設(shè)備。目前市場(chǎng)上的水肥一體機(jī)已經(jīng)將灌溉控制和施肥控制融為一體，通過人性化的觸控界面，可以制定多種灌溉和施肥方案，根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合，可以采取定時(shí)、定量、定濃度等施肥模式，真正實(shí)現(xiàn)按需施肥，提高肥料利用率。同時(shí)，智能手機(jī)等移動(dòng)終端的普及，使得萬(wàn)畝園區(qū)，一鍵管理成為現(xiàn)實(shí)，通過將中控平臺(tái)、現(xiàn)場(chǎng)控制器和手機(jī)控制終端的互聯(lián)互通，可以構(gòu)建集中控制、移動(dòng)控制和現(xiàn)地控制多種管理模式，提高了園區(qū)管理水平和管理效率。

通過對(duì)茶園、棉田、柑橘園、蔬菜基地等項(xiàng)目點(diǎn)的調(diào)研分析，采用此系統(tǒng)后，灌溉和施肥實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化、信息化管理，園區(qū)管理用工量降低65%以上，畝均用水量降低30%以上，化肥用量降低25%，人均管理面積13.33～33.33 hm2左右。同時(shí)，通過該系統(tǒng)可以精量施加多種微量元素，可顯著提升果實(shí)品質(zhì)，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益也非常可觀。同時(shí)，該系統(tǒng)的應(yīng)用，降低了農(nóng)業(yè)種植從業(yè)門檻，減少了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，通過數(shù)字化技術(shù)，幫助年輕從業(yè)人員快速入門，彌補(bǔ)了經(jīng)驗(yàn)不足的問題。

5 前景展望

水肥一體化技術(shù)是一項(xiàng)綜合農(nóng)藝措施，符合國(guó)家“一控兩減三基本”的戰(zhàn)略發(fā)展方向，同時(shí)國(guó)家不斷加強(qiáng)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，也為水肥一體化技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)?！笆奈濉逼陂g，國(guó)家將工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了鄉(xiāng)村振興上面，并且相繼出臺(tái)了多項(xiàng)數(shù)字鄉(xiāng)村、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)相關(guān)的發(fā)展綱要，明確了數(shù)字農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，為水肥一體化技術(shù)的升級(jí)換代提出了新的要求。