適用于丘陵荔枝果園的水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計及運維管理

譚劍鋒，羅海據(jù)，劉海峰,2，謝秋波,2，陳萬云

（1.廣州市健坤網(wǎng)絡(luò)科技發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510630 ；2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630）

0 引言

荔枝是我國著名的亞熱帶水果，我國是荔枝生產(chǎn)大國和消費大國，現(xiàn)有荔枝種植面積55 萬hm2，廣東省是我國荔枝的主要核心產(chǎn)區(qū)，種植面積約26 萬hm2，其中粵西地區(qū)的丘陵地帶為主要產(chǎn)區(qū)之一[1]。丘陵果園具有坡度大，灌溉管理操作不便、耗費人工等客觀難點，灌溉、營養(yǎng)供給是荔枝的高效豐產(chǎn)栽培關(guān)鍵要素之一[2-3]。水肥一體化技術(shù)應(yīng)用在果園上具備顯著的效益：①能明顯改善果樹的生長情況；研究表明，可明顯改善幼齡果樹的生長，對促進(jìn)新梢生長、增大短枝葉面積和幼果橫徑、提高葉綠素含量，光合速率及蒸騰速率具有顯著作用，且有利于提早果樹開花結(jié)實[4]。②作物對水分、營養(yǎng)成分是同步協(xié)同進(jìn)行，適當(dāng)?shù)乃钟欣诩涌熳魑飳︷B(yǎng)分的吸收及同化，土壤中水分過多會導(dǎo)致土壤中營養(yǎng)元素濃度降低，不利于作物對營養(yǎng)的吸收。合理的施肥濃度、用量可降低地表水分的蒸發(fā)量，提高果樹產(chǎn)量，增加果樹對肥料、水分的利用效率；在蘋果栽培上應(yīng)用，節(jié)約用水37%、節(jié)約肥料7%～15%，水分利用效率提高1.2～1.5 kg/m3，產(chǎn)量提高34.1%～45.1%[5]。③改善土壤環(huán)境，灌溉更加均勻，一定程度上可克服施加肥料造成的土壤板結(jié)；同時也可降低土壤容重，增加土壤孔隙度，有效保持土壤墑情，有利于土壤有機質(zhì)的分解以及土壤的微生物群落的多樣性[6]。④可較大幅度減少肥料施用量，降低地下水資源污染的風(fēng)險、土壤次生鹽漬化的發(fā)生以及水體的富營養(yǎng)化[7]。⑤在降低勞動力的成本投入上有顯著效果，增加荔枝果園的經(jīng)濟收益。

荔枝果樹生長較其他果樹存在一定的差異，基于廣東丘陵地區(qū)的地理特性、荔枝的農(nóng)藝等要求進(jìn)行合理化設(shè)計，建立切實可行的運維管理是水肥一體化應(yīng)用發(fā)揮“提質(zhì)增效降成本”效益的關(guān)鍵要點。

1 丘陵荔枝果園地理環(huán)境特點

優(yōu)產(chǎn)荔枝果園一般選址的氣候環(huán)境為年平均氣溫21～23 ℃，一月平均溫度13～17 ℃，冬季絕對低溫不低于-1 ℃，年降雨量1 500～2 100 mm，年日照時數(shù)1 800～2 100 h，且土壤質(zhì)量良好，疏松肥沃，土層深厚，有機質(zhì)含量豐富，pH 值為5.5～6.5，地下水位1 m 以下，保水保肥、透氣性良好。丘陵果園一般存在坡度較大、作業(yè)車輛通達(dá)率較低等特點，因此水肥一體化應(yīng)用是丘陵荔枝果園水肥供給的重要保障措施。

2 荔枝的栽培管理農(nóng)藝要求

荔枝果樹優(yōu)質(zhì)栽培管理的農(nóng)藝要求主要聚焦于需水量供給、營養(yǎng)肥料可人工調(diào)控的關(guān)鍵要點。荔枝屬于多年生果樹，為實現(xiàn)優(yōu)產(chǎn)豐產(chǎn)的目的，在其不同生長階段和生長時期作應(yīng)結(jié)合農(nóng)藝要求進(jìn)行調(diào)控管理。

2.1 荔枝需水要求

荔枝果樹灌溉管理應(yīng)根據(jù)不同的生長時間（階段）的需水量進(jìn)行灌溉調(diào)控。生長關(guān)鍵時期可分為枝梢生長期、花芽分化期和果實發(fā)育期。以上3 個時期的水分影響主要有：①枝梢生長期，高溫高濕的氣候條件，枝梢抽生整齊、生長迅速、生長量大[8]。②花芽分化期，需水量較少，花芽期、水分供給過多時，容易導(dǎo)致落花；水分妨礙昆蟲授粉活動，沖淡柱頭粘液從而影響花粉萌發(fā)，花期縮短，柱頭粘液干燥使花粉不能萌發(fā)，影響授粉受精。③果實發(fā)育期，灌溉過多則土壤中積水過多，影響作物根系吸收活動，導(dǎo)致大量而集中的落果與裂果；缺水則果實發(fā)育不良，或造成提早成熟等不良現(xiàn)象。

綜合以上，荔枝果樹營養(yǎng)生長時間需要較大灌溉量，生殖生長時期需要根據(jù)花芽分化、坐果、采收時間進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，應(yīng)盡可能少量多次的調(diào)控。

2.2 荔枝營養(yǎng)供給要求

荔枝樹生長特性可按幼齡樹、結(jié)果樹進(jìn)行劃分，且其栽種營養(yǎng)管理特點不同：幼齡樹期荔枝果樹主要以促進(jìn)營養(yǎng)生長，“培強培壯”為主要栽培管理方向，為進(jìn)入結(jié)果樹階段做好基礎(chǔ)。幼齡樹在第1 年栽種期施加氮、磷、鉀均衡型肥料為主；第2 年萌芽前和葉片轉(zhuǎn)綠前各施肥一次，以氮、磷、鉀均衡型肥料為主，并此后每4 個月施肥1 次；第3 年萌芽前和葉片轉(zhuǎn)綠前各施肥一次，施加氮、磷、鉀均衡型肥料為主，增施磷鉀肥，利于第4 年開花結(jié)果，此后每6個月施肥1 次[9]；同時，可適當(dāng)追加葉面肥噴施，促進(jìn)新梢生長[10]。

結(jié)果樹主要以促進(jìn)生殖生長為主、兼顧營養(yǎng)生長的栽培管理方式。研究結(jié)果表明，荔枝結(jié)果樹葉片養(yǎng)分含量需求氮＞鉀＞磷，且磷、鉀的需求逐步增加，需要適當(dāng)補充磷、鉀養(yǎng)分，花、葉、果實的表明花的發(fā)育需要較多的磷、鉀供給，結(jié)果樹施肥量需要根據(jù)果樹結(jié)果量來判定[11]。每株結(jié)果100 kg 的正常荔枝的用肥比例為氮:磷:鉀=3.0 : 1.0 : 2.5[9,12,13]。

通過水肥一體化技術(shù)對荔枝果樹進(jìn)行營養(yǎng)供給，能較好實現(xiàn)按需供給，根據(jù)不同時期的養(yǎng)分元素供給且能實現(xiàn)多次少量施加，提高肥料養(yǎng)分利用效率。

3 適用于丘陵荔枝果園的水肥一體化應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

3.1 基本要求

應(yīng)用于丘陵荔枝果園的水肥一體化應(yīng)用設(shè)計主要立足以下3 個方面進(jìn)行考量：①基于荔枝的生長特性、園區(qū)環(huán)境等進(jìn)行適用化、實用化設(shè)計；②充分考慮成本效益，從盡可能降低運營、運行成本的角度出發(fā)，進(jìn)行組件、設(shè)備的選型；③保證一定的智能化水平，即盡可能引入部署施肥決策系統(tǒng)，實現(xiàn)作物灌溉決策智能化[14]。

3.2 系統(tǒng)組成

如表1 所示，智能水肥一體化技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)主要由蓄水系統(tǒng)、灌溉首部、配肥系統(tǒng)、施肥系統(tǒng)、給水管網(wǎng)灌溉系統(tǒng)、智能物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)、施肥決策控制軟件（平臺）等組成[15]，各系統(tǒng)及其整體部署可參考圖1 實施部署。

圖1 水肥一體化技術(shù)整體系統(tǒng)組合應(yīng)用圖

表1 水肥一體化技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)組成

3.3 子系統(tǒng)設(shè)計細(xì)節(jié)要求

基于廣東地區(qū)丘陵地理環(huán)境的特點、荔枝生長需水要求、營養(yǎng)供給等農(nóng)藝要求，以實際需求為參考基準(zhǔn)，充分考慮系統(tǒng)升級的盈余量進(jìn)行各子系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計，以實現(xiàn)荔枝果園水肥供給的最適用解決方案。

3.3.1 蓄水系統(tǒng)

蓄水系統(tǒng)各組件的部署見圖2，蓄水系統(tǒng)應(yīng)盡可能設(shè)置在丘陵荔枝果園的頂部等自然海拔最高點，為灌溉首部提供緩沖，減少壓力損失。水源點選定應(yīng)選擇穩(wěn)定、充足、安全的水源地（深水井、河水、湖水），水源點應(yīng)按就近原則選取。蓄水池應(yīng)配備自動抽水控制模塊，能感知控制進(jìn)行自動補水，滿足園區(qū)內(nèi)所有荔枝果樹最高需水階段的用水要求，且應(yīng)設(shè)置不低于10%～20%的冗余量。

圖3 智能水肥控制系應(yīng)用圖

3.3.2 灌溉首部

灌溉首部需要根據(jù)灌溉系統(tǒng)管道對水中雜質(zhì)的要求、建設(shè)成本等綜合選定砂石過濾器、離心過濾器、自動反沖洗砂石過濾器、疊片過濾器等一種或多種過濾組合。同時，灌溉增壓、恒壓供水變頻控制器應(yīng)根據(jù)灌溉壓力需求、輸出流量需求、進(jìn)水吸程要求、灌溉管網(wǎng)距離、用電環(huán)境等要求綜合考慮部署。

3.3.3 配肥系統(tǒng)

配肥系統(tǒng)可根據(jù)灌溉用量、肥料類別等綜合考慮配肥池的配置，根據(jù)荔枝果樹的氮、磷、鉀、鈣、鎂等元素的需肥規(guī)律，選擇商品性肥料或自行配備水溶肥料母液經(jīng)稀釋后使用，肥料母液應(yīng)“現(xiàn)配現(xiàn)用”，同時應(yīng)注意各元素母液配置分配，防止因產(chǎn)生離子反應(yīng)而造成沉淀。

3.3.4 施肥系統(tǒng)

施肥系統(tǒng)根據(jù)荔枝果園的面積選擇泵吸法、泵注法、旁路文丘里注肥法、比例施肥泵注肥法、智能水肥控制器、旁路施肥機等部署，丘陵地帶大面積灌溉宜選擇智能水肥控制器（旁路式），可基于建設(shè)預(yù)算以及控制精度要求，盡可能選擇智能化水肥灌溉系統(tǒng)控制的配肥系統(tǒng)，可實現(xiàn)荔枝水肥供給的精準(zhǔn)調(diào)控。

3.3.5 給水管網(wǎng)灌溉系統(tǒng)

管網(wǎng)應(yīng)根據(jù)控制面積大小、水量分配層次可分為4 個等級，如主網(wǎng)管、支網(wǎng)管等，管網(wǎng)設(shè)計應(yīng)主要考慮管道用量盡可能少、管網(wǎng)壓力盡可能保持均勻，管道鋪設(shè)縱橫斷面盡可能平順，減少折點，有較大起伏時避免產(chǎn)生負(fù)壓，支管應(yīng)與種植方向一致且應(yīng)沿道路鋪設(shè)，在管道起伏高處應(yīng)設(shè)置排氣裝置，低處應(yīng)設(shè)置泄水裝置；閥門布置應(yīng)根據(jù)灌溉面積、灌溉次序等合理安排，應(yīng)盡可能采用太陽能供電可遠(yuǎn)程控制電磁閥門，實現(xiàn)智能化控制；終端灌溉應(yīng)根據(jù)荔枝品種的栽種特性及用途選擇壓力補充滴灌頭等，應(yīng)選擇外徑為16 mm 或20 mm 的管道為宜，使用噴頭的宜采用PVC 材質(zhì)管道安裝。

3.3.6 智能物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)

智能物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括氣象站、其他環(huán)境感知傳感器及作物，根據(jù)實際的灌溉所相關(guān)因素數(shù)據(jù)類型要求進(jìn)行部署，為施肥決策控制提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)選擇采用無線傳輸、實時在線型設(shè)備，其類型根據(jù)荔枝生長相關(guān)參數(shù)的采集可參考圖4 進(jìn)行進(jìn)行選型確認(rèn)，土壤鹽分、土壤水分、土壤pH 傳感器為常用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測應(yīng)用設(shè)備。

圖4 智能物聯(lián)網(wǎng)傳感器類型

3.3.7 施肥決策控制軟件

施肥決策控制軟件（平臺）可根據(jù)智能物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的感知環(huán)境、荔枝果樹的生長情況，結(jié)合農(nóng)藝設(shè)定技術(shù)控制，根據(jù)果樹實際需求，實現(xiàn)智能化決策控制水肥一體化灌溉。由廣州市健坤網(wǎng)絡(luò)科技發(fā)展有限公司開發(fā)并已廣泛推廣、使用的施肥決策控制應(yīng)用端軟件如圖5 所示。可實現(xiàn)水肥一體化系統(tǒng)的實時狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備運行控制、數(shù)據(jù)采集、施肥決策調(diào)控等智能化應(yīng)用。

圖5 水肥一體化智能施肥決策控制軟件（平臺）

3.4 智能化提升設(shè)計要求

智能水肥一體化技術(shù)，是在水肥一體化應(yīng)用的基礎(chǔ)上進(jìn)行智能化提升，其關(guān)鍵在于通過智能物聯(lián)網(wǎng)傳感器對作物生長情況實現(xiàn)數(shù)據(jù)化，綜合作物生長的生理學(xué)、生物學(xué)規(guī)律，以水肥一體化灌溉系統(tǒng)為終端執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)作物生長的精準(zhǔn)化調(diào)控。水肥一體化智能施肥決策系統(tǒng)應(yīng)用見圖5。其是智能化、信息化賦能農(nóng)業(yè)的重要體現(xiàn)：①根據(jù)荔枝品種生長習(xí)性而確定灌溉的頻率及灌溉用肥類別的種類，結(jié)合經(jīng)驗，設(shè)置常規(guī)灌溉策略；②根據(jù)實踐，基于作物生長變化、天氣變化調(diào)控適應(yīng)、較優(yōu)的策略，特別作物需水、需肥高峰需要密切關(guān)注，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實現(xiàn)“有依所施”；③根據(jù)種植荔枝的位置，各條帶坡度有顯著差異，不同生長期日耗水強度會有所不同，所需灌溉補給的強度與生長期間降雨量和地下水補給條件息息相關(guān)。因此，合理確定各階段的灌溉定額是十分必要的，對實現(xiàn)各生長期的精確灌溉有重要意義。

4 水肥一體化應(yīng)用系統(tǒng)的運維管理要求

荔枝果園園區(qū)的整體灌溉面積較大，完備的設(shè)施功能才能保障作物的水肥供給，因此建后的運營管理工作不可或缺，其中管網(wǎng)巡檢、電控設(shè)施巡檢等是運維管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

水肥一體化系統(tǒng)建成后應(yīng)建立可靠的運營管理制度，對設(shè)備、管道進(jìn)行定期檢查檢修，為園區(qū)內(nèi)作物的水肥灌溉提供保障。水肥一體化運營管理關(guān)鍵要求包括：①管網(wǎng)系統(tǒng)定期巡視，為保障多級管網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行，應(yīng)定期進(jìn)行檢查巡視[16]；管道應(yīng)適時沖洗管理，檢查用水水質(zhì)，并徹底清洗管網(wǎng)。果園水源大部分來源于山塘水或河水，水中的泥沙、腐蝕雜質(zhì)污物易造成管道內(nèi)污物沉積現(xiàn)象，堵塞管道出水口。沖洗時，優(yōu)先清洗不常用灌區(qū)管道，利用高壓水流依次反復(fù)沖洗過濾設(shè)備，如水泵、干管、支管和毛管的末端[17]。②對水肥一體化系統(tǒng)用電控部分定期巡檢，確保水泵、各電器元件性能良好，并做好備件的檢測，避免因雷雨天氣導(dǎo)致電氣元件損壞后造成系統(tǒng)的不可用。③提高技術(shù)人員的業(yè)務(wù)水平，水肥一體化系統(tǒng)管理者應(yīng)熟悉水肥一體化應(yīng)用的運行流程，且必須了解和熟悉所管理的灌溉系統(tǒng)的分區(qū)及其面積、種植數(shù)量和操作程序，此外需要組織學(xué)習(xí)培訓(xùn)，加強業(yè)務(wù)技能培訓(xùn)，不斷提高技術(shù)管理人員的操作水平。④園區(qū)可根據(jù)實際情況合理安排巡檢項目及周期，必須做到責(zé)任到人，做好運營管理臺賬記錄，確保工作有序開展。

5 結(jié)語

地理條件的限制給丘陵山地農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來一定的困難，但丘陵地區(qū)的生態(tài)環(huán)境好，能生產(chǎn)口感佳、營養(yǎng)豐富的荔枝，隨著荔枝產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，丘陵荔枝果園智能水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用將得到普及。果園經(jīng)營者應(yīng)該提高對水肥一體化技術(shù)的認(rèn)知水平，同時需基于水肥一體化技術(shù)應(yīng)用條件，結(jié)合荔枝果樹生長習(xí)性、季節(jié)、環(huán)境等要素調(diào)整栽培管理技術(shù)。

智能化、數(shù)字化技術(shù)已在農(nóng)業(yè)農(nóng)村領(lǐng)域得到階段性發(fā)展，未來將是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的基礎(chǔ)技術(shù)選項，農(nóng)業(yè)經(jīng)營者應(yīng)盡快提升自身的信息化素養(yǎng)，把握并在實際生產(chǎn)中應(yīng)用水肥一體化技術(shù)，發(fā)揮這類技術(shù)的作用，讓水肥一體化技術(shù)在丘陵果園中得到較好應(yīng)用，從而切實提升果園的綜合收益。