單棟溫室的小型智能水肥一體化系統(tǒng)實(shí)踐

張傳帥，徐嵐俊，李小龍，陳 華，劉悻韜，孫夢(mèng)遙

（北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站，北京 100079)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū)中配套使用水溶肥的園區(qū)比例達(dá)到100%，但應(yīng)用智能化、自動(dòng)化水平較高的灌溉施肥設(shè)備的種植面積不足10%，仍主要采用不帶動(dòng)力或者僅配吸肥泵的各類(lèi)簡(jiǎn)易文丘里吸肥器；另外，超過(guò)95%的園區(qū)仍依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)施肥。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)溫室智能水肥一體化技術(shù)裝備的研發(fā)和應(yīng)用越來(lái)越廣泛，市場(chǎng)上涌現(xiàn)出各種各樣的智能灌溉施肥設(shè)備，為設(shè)施園區(qū)提供了更多選擇。例如，岳煥芳等針對(duì)北京派得偉業(yè)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的基于土壤濕度和回液電導(dǎo)率的智能灌溉施肥設(shè)備和北京紫藤連線(xiàn)科技有限公司生產(chǎn)的基于光輻射的智能灌溉施肥設(shè)備，進(jìn)行了溫室番茄種植試驗(yàn)；趙倩等設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的單棟溫室水肥一體化控制系統(tǒng)可基于土壤濕度和環(huán)境因子進(jìn)行智能化灌溉施肥；李友麗等設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的智能水肥一體化系統(tǒng)具有有機(jī)肥液制備、肥料配比和自動(dòng)灌溉功能，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)栽培的營(yíng)養(yǎng)液制備和控制管理一體化；以上智能灌溉施肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和相關(guān)試驗(yàn)均證明了智能灌溉施肥系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)管理方式；但是，由于諸多原因?qū)е麓笮椭悄芄喔仁┓试O(shè)備推廣應(yīng)用困難，其中包括：（1）京郊設(shè)施園區(qū)工人老齡化問(wèn)題嚴(yán)重，年齡超過(guò)50歲的占比78.3%，并且文化水平低，以初中及以下學(xué)歷為主，無(wú)法滿(mǎn)足智能灌溉施肥設(shè)備操控要求；（2）大型智能灌溉施肥設(shè)備前期投入成本較高，經(jīng)濟(jì)效益回報(bào)較慢，園區(qū)負(fù)責(zé)人不愿意投入；（3）大部分設(shè)施園區(qū)蔬菜種植品種繁多，不同溫室灌溉施肥需求不同，而且普遍采用每個(gè)工人全權(quán)負(fù)責(zé)1棟或2棟溫室的模式，園區(qū)未設(shè)置統(tǒng)一水肥管理人員。

北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站針對(duì)京郊單棟溫室對(duì)灌溉施肥的智能化需求，設(shè)計(jì)了基于ACC5型施肥機(jī)的小型智能水肥一體化系統(tǒng)，具有操控高效簡(jiǎn)便、前期經(jīng)濟(jì)投入小等特點(diǎn)，可以與大型智能灌溉施肥系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有助于推動(dòng)京郊灌溉施肥整體機(jī)械化水平。

1 小型智能水肥一體化系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

1.1 前期投入成本低，經(jīng)濟(jì)效益提升

與大型水肥一體化系統(tǒng)相比，小型智能水肥一體化系統(tǒng)不需要配套建設(shè)儲(chǔ)水池、設(shè)施管理水肥管理室等設(shè)施，不用在溫室間鋪設(shè)管道，前期經(jīng)濟(jì)投入較?。慌c簡(jiǎn)易文丘里吸肥器相比，可以為園區(qū)節(jié)省灌溉施肥環(huán)節(jié)人工成本，從而提升經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，功能完善

小型智能水肥一體化系統(tǒng)由于配套控制主機(jī)，具有較高自動(dòng)化水平，改變了傳統(tǒng)水肥管理勞作方式，不再需要頻繁攪拌、查看，操作簡(jiǎn)單易學(xué)，適用老齡工人；可以大幅提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、顯著降低勞動(dòng)強(qiáng)度；操作環(huán)境干凈整潔；園區(qū)綜合認(rèn)可度較高。

1.3 實(shí)現(xiàn)灌溉施肥精準(zhǔn)管理，生態(tài)效益突出

北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)肥料使用超標(biāo)率超過(guò)72%，而過(guò)量施肥會(huì)造成表層土壤養(yǎng)分累積、土壤酸化，引起土壤質(zhì)量退化。小型智能水肥一體化系統(tǒng)可按照設(shè)定，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉施肥，減少了過(guò)量灌溉、肥料遺撒，具有一定的生態(tài)效益，并且通過(guò)管理過(guò)程中的數(shù)據(jù)積累，有助于進(jìn)一步優(yōu)化灌溉施肥策略。

2 小型智能水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小型智能水肥一體化系統(tǒng)，包括施肥機(jī)主機(jī)、配肥桶、灌溉電磁閥及溫室內(nèi)支管道、滴灌帶，最多可控制4路電磁閥，即可控制4個(gè)區(qū)域分別灌溉（圖1）。施肥機(jī)主機(jī)型號(hào)為ACC5，由天津綠視野節(jié)能設(shè)備股份有限公司生產(chǎn)。

圖1 施肥機(jī)架構(gòu)

2.1 水源供給

水源供給方面，園區(qū)內(nèi)設(shè)有水井，水井通過(guò)水泵為園區(qū)提供灌溉用水。

2.2 施肥機(jī)主機(jī)

施肥機(jī)主機(jī)相對(duì)大型水肥一體化系統(tǒng)體積較小，規(guī)格尺寸僅為58 cm×23 cm×95 cm，可放置于溫室內(nèi)部。施肥機(jī)內(nèi)部主要包括灌溉水泵、調(diào)壓安全閥、水泵出水壓力表、吸肥器裝置、排氣閥、灌溉壓力表、施肥電磁閥、施肥機(jī)主板、操作屏等。

施肥機(jī)灌溉水泵額定功率為1.1 kW，可為灌溉增壓4 m/h，在進(jìn)水流量0～2 m/h的情況下，可提供最大灌溉水流量4～6 m/h。調(diào)壓安全閥用于調(diào)節(jié)水泵輸出的水壓，節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)吸肥量和出口水壓，最大吸肥比例為1∶10，在灌溉水流量為6 m/h的情況下，單通道施肥流量最大為600 L/h，即0.6 m/h。

2.3 配肥桶

配肥桶容積為300 L，進(jìn)水口位于配肥桶頂部，通過(guò)配肥桶進(jìn)水手動(dòng)閥控制進(jìn)水，出水口位于配肥桶側(cè)底部，且出水口處配置了小型疊片過(guò)濾器。水溶性肥料經(jīng)過(guò)投肥口倒入，在注水時(shí)，水流沖擊可以促進(jìn)水溶肥快速溶解，配肥桶底部設(shè)置有排污口，可以定期將配肥桶內(nèi)雜質(zhì)排出去。配肥桶側(cè)部設(shè)置有液位指示管，用于查看水位情況。在施肥量最大的情況下，即按照單通道施肥最大流量600 L/h，配肥桶最多可施肥30 min。

2.4 操作界面及功能

操作界面采用9.7英寸觸摸屏，主頁(yè)用來(lái)顯示閥門(mén)、運(yùn)行狀態(tài)、控制指令等狀態(tài)信息；手動(dòng)控制用來(lái)進(jìn)行手動(dòng)控制閥門(mén)、水泵、施肥；參數(shù)設(shè)置用來(lái)設(shè)置定時(shí)時(shí)間；功能自動(dòng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)切換；設(shè)備操作簡(jiǎn)單，旋鈕操作可設(shè)置10、20、30、40、50、60 min灌溉時(shí)間段；屏幕操作可實(shí)現(xiàn)分區(qū)灌溉、灌溉時(shí)間段設(shè)置、灌溉水肥開(kāi)關(guān)設(shè)置和數(shù)據(jù)查詢(xún)等功能。

3 系統(tǒng)操作方法及注意事項(xiàng)

第一，首次使用前，需設(shè)置調(diào)整灌溉水壓和水肥比例。在開(kāi)啟灌溉后，旋轉(zhuǎn)調(diào)壓安全閥，用于調(diào)節(jié)水泵輸出水壓，節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)吸肥量和出口灌溉水壓，灌溉水壓由低向高調(diào)整，直到溫室最遠(yuǎn)處滴灌帶出水壓滿(mǎn)足要求并穩(wěn)定后停止調(diào)整，最大水肥比例為1∶10，再根據(jù)水肥比例，確定配肥桶水位高度，從而調(diào)整每次施肥時(shí)長(zhǎng)。首次設(shè)置后，在種植作物不變、灌溉面積不變的情況下，無(wú)需再次設(shè)置灌溉水壓和水肥比例。

第二，配制肥液。將水溶肥從配肥桶頂部倒入，并手動(dòng)旋轉(zhuǎn)進(jìn)水手動(dòng)閥，進(jìn)水口在桶頂部，水流可促使水溶肥溶解，水量達(dá)到需求刻度后，關(guān)閉進(jìn)水手動(dòng)閥。

第三，啟動(dòng)灌溉施肥。首先設(shè)定灌溉時(shí)長(zhǎng)，可通過(guò)旋鈕或者主機(jī)操作界面按鍵進(jìn)行設(shè)置。啟動(dòng)灌溉水泵并運(yùn)行穩(wěn)定后，根據(jù)施肥要求，擇機(jī)啟動(dòng)施肥電磁閥，在僅灌溉情況下，無(wú)需開(kāi)啟施肥電磁閥。

第四，停止灌溉施肥。在啟動(dòng)灌溉施肥后，要及時(shí)巡視溫室內(nèi)滴灌帶出水情況。在遇到緊急情況時(shí)，可按設(shè)備緊急停止按鈕。在達(dá)到設(shè)定灌溉時(shí)間后，設(shè)備會(huì)自動(dòng)停止灌溉，也可以根據(jù)需要提前手動(dòng)停止灌溉。

第五，各手動(dòng)閥需要漸開(kāi)漸關(guān)，以防止水錘對(duì)輸水系統(tǒng)的破壞。調(diào)壓安全閥、節(jié)流電磁閥分別對(duì)灌溉水壓和肥水比例調(diào)整設(shè)定好后，需要定期查看是否存在異常。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

本文設(shè)計(jì)的溫室小型智能水肥一體化系統(tǒng)于2020年8月底—2021年6月初在平谷區(qū)博云益達(dá)設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū)22號(hào)溫室中進(jìn)行了草莓種植生產(chǎn)應(yīng)用。與該園區(qū)其他溫室采用的簡(jiǎn)易文丘里吸肥器相比，除了降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、減少了肥料浪費(fèi)、實(shí)現(xiàn)了水肥精準(zhǔn)調(diào)控和工作環(huán)境干凈等優(yōu)勢(shì)外，主要通過(guò)提高灌溉施肥環(huán)節(jié)勞動(dòng)生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

在溫室小型智能水肥一體化系統(tǒng)應(yīng)用后，按照該園區(qū)草莓種植期內(nèi)灌溉39次，其中灌溉施肥21次的情況計(jì)算，每棟溫室灌溉施肥環(huán)節(jié)每年節(jié)省勞動(dòng)成本425元，在配套農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼的情況下，扣除每年增加的設(shè)備投入成本325元后，仍可節(jié)省成本100元，即灌溉施肥環(huán)節(jié)降低成本12.0%。未來(lái)，通過(guò)積累灌溉施肥大數(shù)據(jù)，優(yōu)化灌溉施肥策略，可進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益。