數(shù)字化水肥管理技術(shù)在現(xiàn)代桑園中的應(yīng)用＊

徐 青，韓 斌，沈維忠

（1.江蘇蠶源種業(yè)有限公司，江蘇南通226600；2.北京市朝陽(yáng)區(qū)園林綠化局，北京100028；3.淮南市壽縣農(nóng)科所，安徽淮南232200）

傳統(tǒng)蠶桑業(yè)屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，勞動(dòng)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。在國(guó)家政策指引下，適度規(guī)模蠶桑生產(chǎn)新型主體在各地蓬勃興起。但蠶桑新型經(jīng)營(yíng)主體普遍面臨著降本增效需求，發(fā)展現(xiàn)代化蠶桑業(yè)非常迫切。桑園數(shù)字化種植與管理是蠶桑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的關(guān)鍵組成和重要體現(xiàn)形式。物聯(lián)網(wǎng)通訊、邊緣計(jì)算等新技術(shù)，傳感器、高效集成機(jī)械設(shè)備等新產(chǎn)品，可以加速蠶桑業(yè)自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化進(jìn)程。

其中，數(shù)字化水肥管理是水和肥信息化、智能化、精準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)化管理的重要技術(shù)。根據(jù)高工效巡田采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)作物生長(zhǎng)模型和專家決策系統(tǒng)運(yùn)算求解，智能水肥一體化設(shè)備可以同時(shí)將肥料和灌溉水適時(shí)適量、準(zhǔn)確地輸送到作物根部，供作物吸收。數(shù)字化水肥管理實(shí)踐是數(shù)字化農(nóng)場(chǎng)現(xiàn)階段較有現(xiàn)實(shí)意義的應(yīng)用舉措。

1 數(shù)字化水肥管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字化水肥管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：高工效巡田功能設(shè)計(jì)、作物生長(zhǎng)模型和專家決策功能設(shè)計(jì)、水肥一體化智能裝備設(shè)計(jì)。

1.1 桑園高工效巡田功能設(shè)計(jì)

隨著農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)和信息傳輸/處理技術(shù)的不斷發(fā)展，航天遙感、航空觀測(cè)、地面物聯(lián)網(wǎng)傳感器等，實(shí)時(shí)采集作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)、農(nóng)業(yè)資源要素和生產(chǎn)過(guò)程，為農(nóng)戶提供科學(xué)的作物生長(zhǎng)數(shù)字化描述和水肥決策依據(jù)，共同構(gòu)成了數(shù)字水肥管理實(shí)踐的高工效巡田單元。

高、低空遙感，可獲取及時(shí)、準(zhǔn)確的大尺度衛(wèi)星影像；高頻率采集大面積地區(qū)信息。桑園遙感監(jiān)測(cè)可大范圍、高精度的識(shí)別桑樹(shù)生育期并監(jiān)測(cè)作物長(zhǎng)勢(shì)。還可以監(jiān)測(cè)桑園種植面積、病蟲(chóng)害以及葉面積指數(shù)、含水量及水分脅迫信息、色素信息等定量遙感反演參數(shù)。

衛(wèi)星對(duì)于較大區(qū)域有著較好的監(jiān)測(cè)效果，但其易受云層影響且空間分辨率低使得監(jiān)測(cè)精度有限。無(wú)人機(jī)航拍能夠彌補(bǔ)這一缺陷。無(wú)人機(jī)攜帶的傳感器主要為數(shù)碼相機(jī)、多光譜相機(jī)和高光譜相機(jī)，可用于監(jiān)測(cè)植被指數(shù)等信息。

基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和蜂窩移動(dòng)通訊技術(shù)，利用田間土壤墑情儀、七要素氣象站、水源液位儀、視頻監(jiān)控等設(shè)備可以連續(xù)采集桑園光照、溫度、濕度、水源水位值及桑園生長(zhǎng)信息，從而遠(yuǎn)程監(jiān)控桑樹(shù)種植微環(huán)境。

1.2 桑樹(shù)作物生長(zhǎng)模型與專家決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于作物生理生化機(jī)制，將氣候、土壤、水分、營(yíng)養(yǎng)、作物品種和植保信息等影響桑樹(shù)生長(zhǎng)的因素作為整體，不僅能夠模擬單點(diǎn)尺度的作物生長(zhǎng)發(fā)育，還能系統(tǒng)分析作物生長(zhǎng)狀態(tài)與環(huán)境要素的關(guān)系。

通過(guò)氣象站、莖流儀、土壤墑情儀、植被指數(shù)檢測(cè)儀、紅外監(jiān)測(cè)儀等多種傳感器，全方位、不間斷高質(zhì)量的監(jiān)測(cè)田間情況，實(shí)時(shí)采集大田環(huán)境中的各類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。傳感器和成像模塊的連續(xù)監(jiān)測(cè)可精確反映桑樹(shù)的基本農(nóng)藝狀態(tài)特征。利用網(wǎng)絡(luò)信息渠道傳輸并融合、處理后可實(shí)現(xiàn)種植全程數(shù)據(jù)化、可視化。對(duì)高產(chǎn)桑樹(shù)種植管理經(jīng)驗(yàn)中的化學(xué)調(diào)控、水肥、農(nóng)事管理等技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)，分析各技術(shù)操作相對(duì)應(yīng)的桑樹(shù)長(zhǎng)勢(shì)和土壤水分/鹽分變化規(guī)律，從而建立以農(nóng)藝師高產(chǎn)種植經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)、傳感器采集數(shù)據(jù)輔助驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)勢(shì)數(shù)字化模型。

專家決策系統(tǒng)可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)勢(shì)模型分析氣象、墑情、水肥信息，求解水肥管理建議。作物生長(zhǎng)模型與專家決策系統(tǒng)構(gòu)成了智能水肥管理系統(tǒng)的思考與決策單元。

1.3 水肥一體化智能裝備設(shè)計(jì)

因我國(guó)常見(jiàn)液體水溶肥種類(lèi)繁多，農(nóng)場(chǎng)水肥管理工人水平參差不齊，操作難度大。具有卸肥、配肥、施肥功能的全自動(dòng)泵注肥配施肥機(jī)更受規(guī)模種植農(nóng)場(chǎng)主青睞。該配施肥機(jī)能夠模擬傳統(tǒng)農(nóng)民配肥、施肥過(guò)程，將稱肥、溶解、稀釋、施肥甚至肥料裝卸等傳統(tǒng)步驟自動(dòng)化。按設(shè)定比例將大量元素水溶肥和其他肥料桶混施入灌溉管網(wǎng)，滿足新型農(nóng)場(chǎng)主高工效、遠(yuǎn)程控制、簡(jiǎn)單操作要求。

智能水肥系統(tǒng)中，由加壓設(shè)備、過(guò)濾器、施肥（藥）裝置、量測(cè)和控制設(shè)備集成了灌溉首部。其作用是從水源取水增壓，經(jīng)過(guò)濾、混肥形成滿足作物需求的溶液送到田間管網(wǎng)中。通過(guò)液位傳感器監(jiān)測(cè)蓄水池、水井等水源豐缺情況，防止空轉(zhuǎn)對(duì)水泵產(chǎn)生損壞；監(jiān)測(cè)過(guò)濾器前后管道壓力差判斷是否啟動(dòng)反沖洗；監(jiān)測(cè)泵房?jī)?nèi)主管壓力和流量判斷整個(gè)灌溉系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。將管道壓力與變頻器關(guān)聯(lián)、變頻器與物聯(lián)網(wǎng)終端連接；將過(guò)濾前后管道壓力與自動(dòng)反沖洗啟動(dòng)條件關(guān)聯(lián)；配施肥機(jī)、管道流量計(jì)與物聯(lián)網(wǎng)終端連接；最終將灌溉首部中各種自動(dòng)化設(shè)備、量測(cè)設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)終端連接，即可完成自動(dòng)化灌溉首部設(shè)計(jì)。

自動(dòng)化控制田間首部由電動(dòng)閥門(mén)、太陽(yáng)能供電裝置及物聯(lián)網(wǎng)終端組成。電動(dòng)閥門(mén)一般可選擇隔膜式電磁閥、電動(dòng)球閥或電動(dòng)蝶閥。太陽(yáng)能供電裝置則由充電控制線路、太陽(yáng)能板、鋰電池組成。田間首部物聯(lián)網(wǎng)終端包括單片機(jī)控制線路、閥門(mén)驅(qū)動(dòng)線路、LoRa（超遠(yuǎn)距離廣域網(wǎng)，Long Range）通信線路、閥門(mén)狀態(tài)反饋線路等。

低功耗廣域網(wǎng)，一定程度上解決了通訊遠(yuǎn)距離和低功耗之間的矛盾。其主要代表技術(shù)有LoRa、NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）。其中，LoRa通信既具有很強(qiáng)穿透能力，又有抗干擾能力，且LoRa通信在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景應(yīng)用也已經(jīng)獲得了工信部授權(quán)。智能網(wǎng)關(guān)主要完成無(wú)線LoRa數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，完成多通道LoRa和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)處理。最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端與云中心數(shù)據(jù)交互。

由LoRa物聯(lián)通訊與蜂窩移動(dòng)通信組網(wǎng)、具有邊緣計(jì)算能力智能網(wǎng)關(guān)、自動(dòng)化灌溉首部和田間首部、泵注肥法智能配施肥機(jī)、輸水管網(wǎng)和灌水器，集成了數(shù)字水肥管理系統(tǒng)的執(zhí)行單元。

2 江蘇蠶源種業(yè)數(shù)字水肥一體化智能裝備的管理實(shí)踐

江蘇蠶源種業(yè)有限公司種繭育桑園位于海安市雅周現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)內(nèi)，地形平坦，高程5 m～6 m，高差1 m內(nèi)；占地28 hm2。種植湖桑、新一之瀨和育71-1等桑樹(shù)品種。采用寬窄行栽植方式，寬行3.0 m，窄行1.8 m。株距0.65 m～0.7 m。

2.1 改變桑園的灌溉傳統(tǒng)，更加節(jié)水

目前桑園灌溉主要以漫灌和噴灌為主，兩種灌溉方式不僅灌水不均勻，且耗時(shí)費(fèi)工。1 hm2桑園漫灌用水總量為150 m3，而27 hm2桑園通過(guò)數(shù)字化水肥管理系統(tǒng)用水僅為400 m3。兩種灌溉方式都能滿足桑樹(shù)需求，但滴灌比漫灌節(jié)水90%。

2.2 改變桑園的施肥模式，更加節(jié)肥

與農(nóng)戶常規(guī)灌溉施肥管理相比，數(shù)字化水肥管理實(shí)踐氮磷鉀總施肥量降低了40.6%，但肥料偏生產(chǎn)力是常規(guī)管理的1.8倍。肥料利用率得到顯著提升，用量明顯下降。

2.3 改善桑園的人工管理，更加省工

傳統(tǒng)人工撒施肥料、漫灌管理，合計(jì)耗工0.6工/667 m2（單次灌水1人每天管理6667 m2，單次施肥1人每天管理6667 m2，共3次）。應(yīng)用水肥一體化技術(shù)后，合計(jì)耗工0.03工/667 m2（1人每天管理53360 m2）。水肥一體化技術(shù)能夠降低人工投入90%以上。

2.4 種植主體降本增效效果更加明顯

種植同樣品種，通過(guò)水肥一體化處理27 hm2桑園飼養(yǎng)蠶種60張，總收繭量2572 kg，效益2685元/667 m2；而非水肥一體化條件下，效益1545元/667 m2。通過(guò)水肥一體化技術(shù)增收效益1140元/667 m2。

2.5 減少農(nóng)業(yè)源污染，促進(jìn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展

農(nóng)業(yè)源污染導(dǎo)致的化學(xué)需氧量（COD）、NH3-N排放量已經(jīng)超過(guò)了工業(yè)源污染量，成為生態(tài)環(huán)境治理不可忽視的污染源頭?；试诖龠M(jìn)糧食增產(chǎn)、保障國(guó)家糧食安全方面發(fā)揮重要作用，但也因不當(dāng)使用、揮發(fā)淋溶等影響生態(tài)環(huán)境。提高化肥利用率、減少化肥使用可緩解土壤酸化、次生鹽漬化、板結(jié)、養(yǎng)分失衡等問(wèn)題。

智能水肥設(shè)備通過(guò)“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”，可以實(shí)現(xiàn)線上標(biāo)準(zhǔn)化操作和管理。從而避免因人員技能和責(zé)任心差異導(dǎo)致的種植成本增加或減產(chǎn)。桑園數(shù)字化種植與管理在我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程中有重要現(xiàn)實(shí)意義。未來(lái)，桑園數(shù)字化種植與管理還可導(dǎo)入農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程投入與產(chǎn)出評(píng)價(jià)管理，統(tǒng)籌土地、農(nóng)機(jī)、農(nóng)業(yè)投入品等農(nóng)業(yè)要素管理。