發(fā)展智能灌溉 破解水資源短缺難題

魏炳

我國北方水資源普遍缺乏。河南省人均水資源量僅440 m3，相當(dāng)于全國水平的1/6，屬嚴(yán)重缺水省份。一個(gè)地區(qū)的水資源是相對固定的，本質(zhì)上是無法人為增加的。近年，隨著全球變暖的加劇，年降水量明顯減少，農(nóng)業(yè)灌溉越來越依靠地下水。常年的抽水灌溉，使地下水位逐年下降，造成惡性循環(huán)，嚴(yán)重影響我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全。因此，改進(jìn)農(nóng)業(yè)灌溉方法，提高水資源利用率勢在必行。

一、國外節(jié)水經(jīng)驗(yàn)和缺點(diǎn)

（一）經(jīng)驗(yàn)

縱觀農(nóng)業(yè)灌溉史，一共經(jīng)歷了幾個(gè)階段，從看天吃飯、人力挑水，到水管、水泵、噴灌、滴灌等。水資源利用效率逐步提高，用水量不斷減少。目前，噴灌技術(shù)、滴灌技術(shù)在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)十分普及。

以以色列為例，這個(gè)國家的耕地少，沙漠占了該國土地面積的2/3，而且大多數(shù)屬于干旱和半干旱氣候地區(qū)，人均水資源占有量不足400 m3，而世界人均水資源占有量為8800 m3。以色列是全球水資源最貧乏的國家之一，干旱缺水是以色列農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最大問題。因此，“節(jié)約每一滴水”“給植物灌水，而不是給土壤灌水”成為以色列農(nóng)業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展的必要選擇。以色列是世界上最早大規(guī)模使用滴灌技術(shù)的國家。實(shí)踐證明，滴灌的效率是驚人的。自以色列建國以來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增長了12倍，而每公頃土地的用水量保持不變，滴灌技術(shù)的應(yīng)用取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，大大緩解了該國水資源短缺的情況。

（二）缺點(diǎn)

滴灌技術(shù)雖然有節(jié)水的優(yōu)勢，但是同樣也有缺點(diǎn)。如滴灌的優(yōu)點(diǎn)是可以通過布置的管網(wǎng)，把水直接輸送到農(nóng)作物根部，水不在空中、地面運(yùn)動，不打濕葉面，也沒有有效潤濕面積以外的土壤表面蒸發(fā)。故蒸發(fā)的水量少，也不產(chǎn)生地面徑流和土壤深層滲漏。但也有缺點(diǎn)，農(nóng)作物的灌溉，供水時(shí)間和供水量都需要人為操作，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效灌溉。供水少了，影響作物生長;供水多了，超過作物需求，不但浪費(fèi)，也同樣不利于作物生長。另外，滴灌布置的管網(wǎng)都是一體式的，如果是一塊面積很大的種植區(qū)域，由于光照、地勢的不同，不同區(qū)域土壤濕度會有所不同，可能會出現(xiàn)東邊需要灌溉、西邊不用灌溉的情況，如果統(tǒng)一灌溉也是不合理的。這種較為粗放的管理方式造成水資源大量浪費(fèi)。以美國為例，統(tǒng)計(jì)資料顯示，美國每年浪費(fèi)掉的水資源高達(dá)8520億m3。美國有4500萬個(gè)簡易計(jì)時(shí)裝置的灌溉系統(tǒng)，它們在時(shí)間控制上還可以，但精準(zhǔn)度不高，灌溉時(shí)間相對固定，可能剛剛下過雨，但是系統(tǒng)仍然按時(shí)運(yùn)行，這樣大量寶貴的水資源就被白白浪費(fèi)掉了。若安裝一種集成多種傳感器且可自動控制、又可遠(yuǎn)程操作的系統(tǒng)，能有效控制水量和時(shí)間，達(dá)到節(jié)水的目的。

二、推廣智能灌溉技術(shù)的必要性

在中國，農(nóng)業(yè)用水量約占全國總用水量的80%。農(nóng)業(yè)灌溉效率普遍低下，水的利用率僅為45%，而水資源利用率高的國家在70%～80%。因此，提高農(nóng)業(yè)灌溉用水的效率，對于緩解水資源的緊缺非常重要。所以，中國的智能灌溉技術(shù)在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生。智能灌溉技術(shù)是將信息技術(shù)和智能化技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)合起來的一種新型技術(shù)。該技術(shù)是目前最省水、最高效的灌溉方式。

智能灌溉就是通過物聯(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)場氣象、土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而決定農(nóng)作物灌溉的時(shí)間、灌水量。通過智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對灌溉過程的動態(tài)、分區(qū)管理，達(dá)到節(jié)水、增效的目的。研究表明，和傳統(tǒng)噴灌系統(tǒng)、滴灌系統(tǒng)相比，智能灌溉系統(tǒng)的成本雖增加不多，但能節(jié)水16%～30%。智能灌溉系統(tǒng)包括傳感器、網(wǎng)絡(luò)傳輸、云平臺、控制系統(tǒng)和自動供水等系統(tǒng)。通過部署在農(nóng)田里的傳感器、控制器和智能網(wǎng)管等設(shè)備，自動采集農(nóng)田里的土壤和空氣的溫濕度、水分和光照強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù)，并24 h進(jìn)行監(jiān)控。通過智能設(shè)備替代人工作業(yè)，大大降低了灌溉過程中對人力的依賴程度，同時(shí)提高了采集數(shù)據(jù)的精確性。傳感器采集到的各種數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆破脚_，當(dāng)土壤水分小于預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)會自動提醒，管理員可以通過控制系統(tǒng)手動打開供水設(shè)備或者設(shè)定由系統(tǒng)自動開啟。當(dāng)土壤水分達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)自動關(guān)閉閥門，防止灌溉過量造成損失。通過云平臺將控制系統(tǒng)通過APP和用戶的手機(jī)連接起來，就可以隨時(shí)查看數(shù)據(jù)報(bào)表，有利于隨時(shí)隨地掌控農(nóng)田水分變化。系統(tǒng)還可以實(shí)時(shí)獲取天氣信息，根據(jù)未來降水量預(yù)報(bào)，實(shí)時(shí)調(diào)整灌溉計(jì)劃，以達(dá)到最優(yōu)供水目的，最大程度地節(jié)約水資源。智能灌溉不僅讓農(nóng)民省水、省事，還極大地減少了因?yàn)槿斯づ袛嗍д`帶來的危害風(fēng)險(xiǎn)，讓農(nóng)作物保持在最佳生長狀態(tài)。過去，要給農(nóng)作物澆水，即使安裝了噴灌系統(tǒng)、滴灌系統(tǒng)，仍然需要人工逐個(gè)打開水泵，并且時(shí)刻關(guān)注灌溉情況，完成灌溉后，又需人工逐個(gè)關(guān)掉水泵。整個(gè)灌溉過程，不僅耗時(shí)耗力，還可能因?yàn)殛P(guān)水不及時(shí)造成水資源浪費(fèi)，嚴(yán)重的甚至造成農(nóng)作物泡根，影響農(nóng)作物的生長和品質(zhì)。運(yùn)用智能灌溉系統(tǒng)后，管理員登錄云平臺系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)對供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程智能控制。簡單說就是智能灌溉系統(tǒng)能自動檢測到什么時(shí)候需要灌溉，灌溉多長時(shí)間。智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)可以自動開啟灌溉，也可以自動關(guān)閉灌溉;可以在土壤太干時(shí)增大灌溉量，太濕時(shí)減少灌溉量;可以在不同的區(qū)域進(jìn)行不同的灌溉量。

通過智能灌溉技術(shù)還可以做好農(nóng)作物的水分管理，提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量。由農(nóng)作物需水規(guī)律可知，不同作物需水量不同，同一作物的不同生育期需水量也不同。在農(nóng)作物生長發(fā)育過程中，各個(gè)時(shí)期都需要有水分供應(yīng)，滿足各時(shí)期的水分供應(yīng)才能獲得高品質(zhì)和高產(chǎn)量的農(nóng)產(chǎn)品。按照農(nóng)作物的需水規(guī)律進(jìn)行灌溉，對于搞好水分管理非常重要。智能灌溉系統(tǒng)可以通過AI技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立農(nóng)作物不同生長周期的水分需求模型，生成農(nóng)作物整個(gè)生長周期精確化的灌溉方案。通過自動控制系統(tǒng)，在無需過多人工干預(yù)的情況下，科學(xué)、精準(zhǔn)、動態(tài)地給農(nóng)作物供應(yīng)水分，實(shí)現(xiàn)節(jié)水、增產(chǎn)、提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的三重目標(biāo)。合理設(shè)計(jì)的智能灌溉系統(tǒng)可以做到整個(gè)生長周期全天候的精準(zhǔn)控制，這些依靠傳統(tǒng)的灌溉方式都是難以完成的。

綜上所述，智能灌溉系統(tǒng)不僅可以提高水資源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，還可以增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)降低農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。因此，基于信息技術(shù)的智能灌溉系統(tǒng)是中國發(fā)展高效農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的必由之路。

三、推廣普及工作重點(diǎn)

如何做好智能灌溉技術(shù)推廣工作，筆者總結(jié)以往的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在我國，新技術(shù)進(jìn)入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，主要有3個(gè)問題：一是群眾不理解，二是水土不服，三是眼高手低。某些新技術(shù)進(jìn)入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，起效慢，不能得到廣泛認(rèn)可。部分農(nóng)民急功近利，不愿意冒險(xiǎn)采取新技術(shù)。部分科研人員不能夠真正認(rèn)識到技術(shù)應(yīng)用的前景，高新技術(shù)應(yīng)用不接地氣。在新技術(shù)推廣過程中，生搬硬套，不注意因地制宜，一哄而上。相似的問題在智能灌溉技術(shù)推廣普及的過程中一定也會遇到。筆者認(rèn)為要做好推廣普及工作，主要從3個(gè)方面著手：

（一）加強(qiáng)宣傳

首先，宣傳周口市水資源短缺的嚴(yán)峻形勢及傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉方式的低效率和不可持續(xù)性，讓廣大群眾認(rèn)識到采用新技術(shù)的必要性。其次，讓相關(guān)企業(yè)、農(nóng)民合作社、種植大戶充分了解智能灌溉系統(tǒng)省水，便于管理，可以提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，一次投資長期使用等優(yōu)點(diǎn)，幫助他們認(rèn)識該技術(shù)的應(yīng)用前景，了解現(xiàn)代灌溉技術(shù)的發(fā)展方向;幫助他們算總賬而不是看眼前，看中長期回報(bào)而不是看前期投資，最大程度地減少智能灌溉技術(shù)推廣的阻力。

（二）因地制宜

當(dāng)前，周口市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)是小農(nóng)經(jīng)濟(jì)占大頭，農(nóng)田相對細(xì)碎，很多地方暫時(shí)不適合發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)。而智能灌溉技術(shù)的特點(diǎn)是投資大、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高、技術(shù)難度大。因此，前期推廣過程中應(yīng)當(dāng)優(yōu)先發(fā)展土地經(jīng)營權(quán)流轉(zhuǎn)集中較好的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊及種糧大戶、農(nóng)民合作社、農(nóng)場和涉農(nóng)企業(yè)。依靠較大體量的單位，實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，提高經(jīng)濟(jì)效益，平衡較大的投資帶來的技術(shù)推廣壓力。優(yōu)先應(yīng)用在高附加值的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)中，如蔬菜、水果等經(jīng)濟(jì)作物，通過最終產(chǎn)品的高利潤，平衡較高的前期投入。

（三）先試點(diǎn)，后鋪開

高新技術(shù)的應(yīng)用是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，大量的新技術(shù)、新材料和新方法，都需要不斷地試驗(yàn)和實(shí)踐，這是個(gè)科學(xué)問題，一定要有耐心。具體來說，智能灌溉技術(shù)相對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀具有一定的超前性，在推廣過程中肯定會遇到各種意想不到的問題。因此，要先試點(diǎn)，后鋪開。試點(diǎn)也是為了試錯(cuò)，試點(diǎn)的范圍小一點(diǎn)，試錯(cuò)的成本也就低一點(diǎn)。如在一個(gè)縣級區(qū)域推廣，那就應(yīng)該先選一個(gè)群眾基礎(chǔ)好、政府執(zhí)行力強(qiáng)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，集中人力、物力、財(cái)力，做出精品工程，花2～3年的時(shí)間，完善系統(tǒng)設(shè)施，總結(jié)管理經(jīng)驗(yàn)，培訓(xùn)操作人員，做好后期維護(hù)，積極妥善解決建設(shè)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種問題，等待各方面條件成熟后再擴(kuò)大推廣面積，切忌急功近利。