水肥一體化技術(shù)在南豐蜜桔栽培中的應(yīng)用分析

鄧升譚淋露郭慶冰盧江海曹騰飛

(1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330029；2.江西省科學(xué)技術(shù)信息研究所，江西 南昌 330000)

引言

為深入貫徹習(xí)近平總書記節(jié)水優(yōu)先的治水方針，黨中央高度重視節(jié)水工作，國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《國家農(nóng)業(yè)節(jié)水綱要(2012—2020年)》，全面部署并推進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水工作，提出要把節(jié)水灌溉作為發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)根本性指標(biāo)，水利部、國家發(fā)展改革委按照2021年中央一號文件要求，印發(fā)了《“十四五”重大農(nóng)業(yè)節(jié)水供水工程實(shí)施方案》，明確應(yīng)大力普及并推廣節(jié)水灌溉技術(shù)。2022年，葉建春省長在江西省農(nóng)業(yè)發(fā)展大會(huì)上強(qiáng)調(diào)，為了應(yīng)對極端高溫干旱天氣帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，必須全力以赴，努力維護(hù)產(chǎn)量和供給。將深入實(shí)施現(xiàn)代種業(yè)提升工程，不斷開展優(yōu)勢特色農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)的聯(lián)合攻關(guān)，以促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)中向好。水肥一體化灌溉技術(shù)儼然成為江西省發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的重要保障。

在農(nóng)業(yè)節(jié)水領(lǐng)域，國內(nèi)外諸多研究表明，農(nóng)藝節(jié)水可以顯著降低用水成本，同時(shí)有效促進(jìn)增產(chǎn)增收[1,2]?？档驴萚3-5]從工程、農(nóng)藝、應(yīng)用等方面提出了相關(guān)的技術(shù)措施和影響因素研究，取得了較好的成效和推廣；孫仕軍等、李娜等[6,7]從標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)方面提出了農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水可持續(xù)發(fā)展提供了理論依據(jù)。本文以江西省農(nóng)村生態(tài)水利科研示范基地為例，通過基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化灌溉技術(shù)在南豐蜜桔栽培中的實(shí)際應(yīng)用效果，分析該項(xiàng)技術(shù)在南豐蜜桔的種植應(yīng)用是否可行、適應(yīng)、可推廣，以期為江西省推廣使用水肥一體化灌溉系統(tǒng)提供參考。

1 水肥一體化灌溉技術(shù)

1.1 水肥一體化

水肥一體化技術(shù)是水肥同步供應(yīng)與使用，涉及灌溉、栽培與耕種的一項(xiàng)農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)[8]。在土壤含養(yǎng)量及作物需肥量等規(guī)律基礎(chǔ)上，結(jié)合作物根系耐肥度，將肥料配制成相應(yīng)肥液，通過壓力系統(tǒng)，與水一起均衡勻速、定時(shí)定量輸送到作物根系進(jìn)行灌溉施肥[9-11]。相較于傳統(tǒng)的漫灌和畦灌等落后灌溉方式，水肥一體化的新型灌溉技術(shù)更加高效和環(huán)保，灌溉系統(tǒng)有著節(jié)水節(jié)肥、省時(shí)減工、提質(zhì)增效等優(yōu)點(diǎn)[12-14]，實(shí)施水肥一體化技術(shù)，遵循了習(xí)近平總書記提出的重點(diǎn)關(guān)注減輕土壤和水資源短缺，促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展方式改革的目標(biāo)。水肥一體化系統(tǒng)因其安裝簡單、使用便利、精度較高，在我國北方和部分南方地區(qū)的果蔬、花卉、藥材等經(jīng)濟(jì)作物栽培中得到了廣泛的應(yīng)用[15]。

1.2 水肥一體化技術(shù)優(yōu)勢

1.2.1 節(jié)約水肥資源，水肥供給均衡

傳統(tǒng)耕作灌溉模式下，灌溉及施肥均以漫灌式為主，投入了大量人力物力，效果卻難以保障。水肥一體化技術(shù)能有效達(dá)到蜜桔各生長期對水和肥的需求，又可將水肥的消耗量控制在需求區(qū)間，有效節(jié)約水肥資源。同時(shí)，水肥一體化可根據(jù)蜜桔在不同生長期的養(yǎng)分需求規(guī)律進(jìn)行適時(shí)適量施肥，實(shí)現(xiàn)按需所取的科學(xué)供給模式，更好地滿足蜜桔生長需求。

1.2.2 集約人力資源，系統(tǒng)運(yùn)作高效

水肥一體化技術(shù)使得作物灌溉和施肥過程變得更加便利、高效，且具有較高的自動(dòng)化、集約化，無需投入大量人力，僅需開閥及傾倒肥料入桶即可，單人就能實(shí)現(xiàn)整個(gè)園區(qū)的灌溉施肥工作。

1.2.3 降低病害發(fā)生，提高果實(shí)品質(zhì)

實(shí)施水肥一體化，有效提高了水肥利用率，滿足蜜桔不同時(shí)期生長需要，抗病害能力也隨之提高，滴灌灌溉可阻隔病菌傳播，降低病蟲害發(fā)生。同時(shí)，傳統(tǒng)的灌溉模式，若土壤濕度過高則可能導(dǎo)致爛根，而水肥一體化可保障土壤透氣性及相應(yīng)濕度，在果實(shí)成熟前很少出現(xiàn)爛果。

2 水肥一體化技術(shù)應(yīng)用

2.1 基本情況

江西省水利科學(xué)院農(nóng)村生態(tài)水利科研示范基地(以下簡稱“基地”)，坐落南豐縣白舍鎮(zhèn)茶亭村，距縣城20km，位于江西省撫州市南部，為南豐蜜桔主產(chǎn)區(qū)，多年平均氣溫為18.2℃，多年平均降水量1802mm·6h-1?；亟ㄓ?004年，種植面積36hm2，栽培南豐蜜桔1.8萬株，致力于通過規(guī)范化管理和集中式生產(chǎn)來打造南豐蜜橘生態(tài)示范園，成為一個(gè)規(guī)模宏大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，平均產(chǎn)量2300kg·667m-2，精品率90%以上。地形為低丘陵區(qū)，土壤為紅壤，容重約1.34g·cm-3，田間持水量為26.8%。

圖1 項(xiàng)目區(qū)總體平面圖

項(xiàng)目區(qū)(E116°9′，N26°58′)自然條件良好，交通便利，土壤豐沃，但傳統(tǒng)的灌水施肥及粗放管理方式，導(dǎo)致蜜桔水肥利用效率偏低，不合理的灌溉方式導(dǎo)致蜜桔產(chǎn)量和品質(zhì)下降，這種情況對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的長期可持續(xù)性造成了極大的阻礙。同時(shí)，因?yàn)樵擁?xiàng)目區(qū)的地形復(fù)雜，山巒陡峭，水土流失和源頭污染非常嚴(yán)重，給當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為解決灌溉難、施肥難，特別是在旱季靠天吃飯的問題，徹底改善灌溉問題，在項(xiàng)目區(qū)安裝一套基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化灌溉系統(tǒng)，在灌溉的同時(shí)隨水施肥，項(xiàng)目投入使用約2a。

2.2 系統(tǒng)布設(shè)

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，水肥一體化灌溉系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)“一控兩減”的目標(biāo)，特別適用于大規(guī)模種植作物，如水果、蔬菜和花卉。這種系統(tǒng)能夠有效地控制和管理水肥，提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。這個(gè)系統(tǒng)能夠有效地解決大規(guī)模種植和集約化管理中的一些問題，如廣闊的種植面積、人力資源匱乏、高需求的勞動(dòng)力、低效率的管理、水肥效益不佳和品質(zhì)無法控制。通過現(xiàn)場控制、移動(dòng)控制和中央控制等不同的管理模式，能夠高效協(xié)助園區(qū)管理人員對種植區(qū)域進(jìn)行全面的水肥管理，顯著提高水肥的利用效率。大幅提升產(chǎn)量和品質(zhì)。

水肥一體化灌溉系統(tǒng)主要由水源、泵房和管網(wǎng)等系統(tǒng)組成，如圖2所示。水源系統(tǒng)主要是以引河水為水源，為了避免灌水器堵塞，需要采取過濾措施。首部泵房系統(tǒng)包含變頻恒壓控制柜、壓力流量監(jiān)測設(shè)備、管網(wǎng)保護(hù)設(shè)備，如泄壓閥和持壓閥。此外，還有多級過濾系統(tǒng)和施肥控制系統(tǒng)。管網(wǎng)系統(tǒng)由主干管、支管、管網(wǎng)保護(hù)設(shè)備(如排氣閥、泄水閥和減壓閥)、田間毛管和末端灌水器組成。灌溉技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)大幅改進(jìn)，現(xiàn)在更多地使用滴灌和微噴灌等方法。

圖2 水肥一體化灌溉系統(tǒng)框架圖

2.3 項(xiàng)目建設(shè)

本系統(tǒng)建設(shè)以實(shí)現(xiàn)灌溉水肥的精準(zhǔn)管控為目標(biāo)，在掌握蜜桔各生育期的需水吸肥規(guī)律的基礎(chǔ)上，為了確定蜜桔的最佳灌溉和施肥時(shí)間，需要精確掌握灌水量和施肥量的參數(shù)。此外，還需要對蜜桔植株的生長生態(tài)環(huán)境進(jìn)行全方位監(jiān)控，并使用先進(jìn)的傳感技術(shù)來監(jiān)測氣象因子、土壤墑情和作物生長等指標(biāo)。通過遠(yuǎn)程傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以利用有線和無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選、分析和決策。通過中控平臺(tái)對蜜桔植株的生長情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并做出明智的決策，采取最佳的南豐蜜桔灌溉與施肥制度。

控制器在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，其能夠幫助農(nóng)民進(jìn)行自動(dòng)化灌溉和施肥。如今，許多人都在使用一體化水肥設(shè)備，能夠同時(shí)進(jìn)行灌溉和施肥。這些設(shè)備通常具有觸摸式界面，能夠根據(jù)需要進(jìn)行個(gè)性化操作，并且能夠?qū)崿F(xiàn)多種不同的灌溉和施肥方案。根據(jù)不同應(yīng)用需求，采取定時(shí)、定量、定濃度、定方式等不同灌溉模式，真正實(shí)現(xiàn)按需施肥，定額用水，提高水資源及化肥利用率。另外，隨著智能手機(jī)的廣泛使用，通過一個(gè)按鈕就能進(jìn)行種植管理變得越來越容易。通過連接到中央控制平臺(tái)、現(xiàn)場控制器和手機(jī)終端，可以有效構(gòu)建多種管理模式，包括集中控制、移動(dòng)控制和隨時(shí)隨地控制，極大地提高了園區(qū)的管理水平和效率。

項(xiàng)目區(qū)的水肥一體化灌溉系統(tǒng)項(xiàng)目實(shí)施主要包括以下內(nèi)容。確定灌溉方式。本次南豐蜜桔水肥一體化灌溉項(xiàng)目，是在連片種植基礎(chǔ)上，建立“管道+滴灌+微噴灌”灌溉系統(tǒng)，分區(qū)灌溉；傳統(tǒng)灌溉方式管理粗放，責(zé)任難以落實(shí)到位，效益難以有效發(fā)揮，采用水肥一體化灌溉技術(shù)能夠有效激發(fā)種植戶的積極性，并有效提高管理水平。設(shè)備安裝調(diào)試。水源充足的前提下，通過建設(shè)蓄水池及壓力泵站，安裝相應(yīng)配套管件及灌溉設(shè)施，安裝完成后進(jìn)行調(diào)試以確保實(shí)現(xiàn)水肥一體化種植要求，同時(shí)對主管道沖洗保壓，保證水壓維持在合理范圍內(nèi)，適時(shí)檢查滴頭，保障能夠正常運(yùn)作，避免出現(xiàn)爆管、漏水等現(xiàn)象。投入運(yùn)行使用。在蜜桔整個(gè)生長期，采用水費(fèi)一體化灌溉設(shè)備進(jìn)行施肥和灌水，項(xiàng)目區(qū)分為滴灌灌溉區(qū)域和微噴灌灌溉區(qū)域，設(shè)置好灌溉時(shí)長、灌水速率等參數(shù)，開啟一體化灌溉系統(tǒng)進(jìn)行工作，無需人工看守，僅需待灌溉結(jié)束，進(jìn)行設(shè)備清洗，做好相應(yīng)的維養(yǎng)和管理。

2.4 效益分析

基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化灌溉系統(tǒng)的效益十分顯著，相對于傳統(tǒng)耕作模式，主要表現(xiàn)在節(jié)約水肥資源、提高作物質(zhì)量等經(jīng)濟(jì)效益，助力規(guī)模發(fā)展、促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水等社會(huì)效益，改善生態(tài)環(huán)境、推動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展等環(huán)境效益。通過對本次基地蜜桔種植的水肥一體化應(yīng)用的分析，通過引入水肥一體化自動(dòng)控制灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對灌溉和施肥的全面自動(dòng)化，并將其納入集約化和信息化管理中，可以大幅度減少園區(qū)管理用工，使得80%以上的人力成本下降，同時(shí)還能夠?qū)⒚?67m2土地的用水量減少30%，化肥使用量也會(huì)減少25%。通過使用這個(gè)系統(tǒng)，可以添加各種有益的微量元素，從而大幅提高蜜橘果實(shí)的品質(zhì)，并且?guī)盹@著的經(jīng)濟(jì)收益。通過大力推廣這個(gè)系統(tǒng)，不僅能夠降低農(nóng)業(yè)種植者進(jìn)入市場的難度，還能夠有效地降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所面臨的風(fēng)險(xiǎn)，操作簡易、便捷的數(shù)字化技術(shù)，通過提供專業(yè)指導(dǎo)和培訓(xùn)，幫助許多初學(xué)者迅速掌握技能，并為其提供必要的經(jīng)驗(yàn)支持。

2.4.1 經(jīng)濟(jì)效益

園區(qū)采用自動(dòng)化灌溉和水肥一體化系統(tǒng)，顯著提高灌溉精度、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，原來需近10人管理，現(xiàn)只需1～2人，省工80%以上，自動(dòng)灌溉大大減少了灌溉不均勻、跑冒滴漏等現(xiàn)象，節(jié)水達(dá)30%，節(jié)肥25%以上。同時(shí)，極大改善了蜜桔生長環(huán)境，降低了病蟲害發(fā)生，增產(chǎn)了20%，提高了蜜桔品質(zhì)，帶動(dòng)了銷售利潤。

2.4.2 社會(huì)效益

實(shí)踐證明，自動(dòng)化灌溉結(jié)合水肥一體化非常適合于集中連片的蜜桔種植模式，能夠大力助推江西省土地流轉(zhuǎn)和規(guī)?；?jīng)營，信息化管理模式，能夠有效促進(jìn)從農(nóng)業(yè)大省向農(nóng)業(yè)強(qiáng)省邁進(jìn)。同時(shí)，引導(dǎo)種植戶樹立節(jié)水省肥觀念，增強(qiáng)節(jié)水意識(shí)，為深入推進(jìn)農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革提供良好環(huán)境。

2.4.3 環(huán)境效益

傳統(tǒng)“大水大肥”的管理模式，造成了水資源浪費(fèi)，破壞了農(nóng)業(yè)生態(tài)，如水位和地力下降、水土污染等，實(shí)施水肥一體化措施后，顯著減少了用水量和化肥用量，促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品綠色化和農(nóng)業(yè)發(fā)展可持續(xù)化。同時(shí)，有助于緩解農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀，改善大氣、水體、土壤等質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。

3 水肥一體化應(yīng)用前景

蜜桔園區(qū)由原粗放灌溉改造成基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化灌溉，運(yùn)行2a來，通過大幅度改進(jìn)灌溉條件，已經(jīng)大幅提升了水肥利用效率，并且采用了自動(dòng)化灌溉和水肥一體化系統(tǒng)，這個(gè)工程的效益非常顯著，并且投資成本很小，可以有效減少對耕地的占用。此外，該系統(tǒng)的運(yùn)行更為方便，維護(hù)更為簡單，管理更為便捷，成本更低，可以降低當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的勞動(dòng)成本，減輕其負(fù)擔(dān)，并增加農(nóng)民收入。雖然目前蜜桔種植水肥一體化技術(shù)依然有亟待改進(jìn)之處，如水肥一體化對于肥料種類的基本要求較高，施肥時(shí)肥料質(zhì)量不佳可能導(dǎo)致沉淀，從而導(dǎo)致管道堵塞，并且相應(yīng)的滴頭也可能因?yàn)橛晁穸挥倌喽氯?。然而，?jīng)過全面優(yōu)化和提升，可以確保水肥一體化技術(shù)得到充分應(yīng)用，并解決目前存在的問題。

由此可見，基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化灌溉系統(tǒng)先進(jìn)實(shí)用，具有廣泛的適用性，在江西省乃至全國的桔園栽培中具有可觀的應(yīng)用前景，隨著國家一控兩減戰(zhàn)略、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)、旱作節(jié)水項(xiàng)目、數(shù)字農(nóng)業(yè)等一系列現(xiàn)代農(nóng)業(yè)扶持政策的落地，首先要解決規(guī)?；恋氐乃使芾韱栴}，因此，本項(xiàng)目的推廣應(yīng)用可以作為江西省完成新增高效節(jié)水灌溉目標(biāo)任務(wù)的重要保障。