裝配式新型溫室及水資源高效利用技術(shù)

郭洪恩 李俊林 劉波 張玉浩 張文東 何青海

摘? 要：本文針對設(shè)施結(jié)構(gòu)宜機(jī)性差、水肥藥管理不科學(xué)、設(shè)施缺乏環(huán)境自動調(diào)控、灌溉水利用系數(shù)低等問題，設(shè)計(jì)建造新型可移動裝配式節(jié)能日光溫室，建立傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和精準(zhǔn)灌溉施肥智能決策機(jī)制；探究研究設(shè)施內(nèi)部的溫、光、濕、氣分布與變化規(guī)律，構(gòu)建作物和果實(shí)生長與環(huán)境要素之間的反饋控制模型，突破微咸水農(nóng)業(yè)安全與高效利用技術(shù)，最大程度減小土壤鹽害，助力設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效、提檔升級。

關(guān)鍵詞：新型溫室；裝配式建造；水肥一體化；設(shè)施環(huán)控；植物參數(shù)檢測；微咸水處理

1 引言

經(jīng)過30多年的發(fā)展，我國設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)取得了巨大成就，保障了蔬菜周年供應(yīng)，促進(jìn)了農(nóng)民增收，帶動了城鄉(xiāng)勞動力就業(yè)，提高了資源利用效率。目前設(shè)施蔬菜發(fā)展中存在一些問題，一是設(shè)施蔬菜發(fā)展的統(tǒng)籌規(guī)劃與科學(xué)引導(dǎo)不足；二是隨著設(shè)施蔬菜肥水管理不科學(xué)；三是設(shè)施缺乏環(huán)境自動調(diào)控；四是灌溉水利用系數(shù)低。新型日光溫室生產(chǎn)提質(zhì)增效技術(shù)，主要包括裝配式溫室建造、溫室水肥藥精準(zhǔn)施用、溫室環(huán)境智能控制、微咸水處理等技術(shù)。通過新型日光溫室建造技術(shù)，節(jié)約了溫室建造成本，提高了土地利用效率；通過推廣設(shè)施蔬菜水肥規(guī)律數(shù)字化及智能決策技術(shù)、智能灌溉施肥一體化精準(zhǔn)管控技術(shù)，提高了溫室水肥管理水平［1］；應(yīng)用溫室環(huán)境信息監(jiān)測與溫室環(huán)境自適應(yīng)精準(zhǔn)控制系統(tǒng)，能夠減少勞動力投入，節(jié)約人工成本；微咸水處理技術(shù)的應(yīng)用，能夠節(jié)約淡水資源，打破淡水資源短缺限制設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸。

2 裝配式可移動新型溫室建造技術(shù)

針對現(xiàn)在日光溫室建造成本高，破壞耕層結(jié)構(gòu)，土地利用率低和不便拆裝等諸多問題，設(shè)計(jì)建造新型可移動裝配式節(jié)能日光溫室。裝配式可移動新型日光溫室土地利用效率高、保溫性好、病害少產(chǎn)量高、安裝便捷可移動，建造方便，能極大降低對耕層結(jié)構(gòu)的破壞，且造價(jià)只有傳統(tǒng)溫室的50%［2］。

2.1 裝配式精制大拱棚建造技術(shù)

針對傳統(tǒng)拱圓大棚保溫性差、使用范圍窄，喜溫設(shè)施蔬菜越冬困難等問題，研究大空間節(jié)能保溫技術(shù)和模塊化結(jié)構(gòu)組裝技術(shù)，建立標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)模式，制定統(tǒng)一規(guī)范的零配件標(biāo)準(zhǔn)，研制大空間裝配式精制大拱棚（見圖1）。該技術(shù)安裝便捷、拆卸簡單，土地利用率高，空間大，既有利于機(jī)械化作業(yè)，又具有良好的保溫效果可以越冬栽培。

2.2 裝配式新型日光溫室建造技術(shù)

針對傳統(tǒng)日光溫室對土地表層結(jié)構(gòu)破壞性大、土地利用率低、建設(shè)成本高等問題，根據(jù)地質(zhì)條件和氣候特征，就地取材，采用作物秸稈作為后墻和山墻材料，優(yōu)化溫室棚體結(jié)構(gòu)，研制裝配式新型日光溫室，完善新型日光溫室建造技術(shù)體系（見圖2）。該技術(shù)不破壞土層表面結(jié)構(gòu)，降低建造成本、提高土地利用效率，易工廠化批量生產(chǎn)，且采光、保溫、蓄熱、通風(fēng)性能好。

3 溫室水肥精準(zhǔn)施用技術(shù)

粗放式的水肥施用和管理不僅造成了水資源和肥料嚴(yán)重浪費(fèi)，也影響了設(shè)施作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。因此，根據(jù)設(shè)施作物生長環(huán)境及最適宜生長條件，建立傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過采集的數(shù)據(jù)建立精準(zhǔn)灌溉施肥智能決策，包括施水肥量、施水肥時(shí)間以及施用位置，最后通過軟硬件結(jié)合設(shè)計(jì)整套設(shè)施生產(chǎn)要素（水、肥）綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素（水、肥）精準(zhǔn)施用，用最少的水、肥施用量達(dá)到最大的收益［3］。

3.1 設(shè)施蔬菜水肥規(guī)律數(shù)字化及智能決策技術(shù)

目前常規(guī)的水肥一體技術(shù)裝備難以根據(jù)設(shè)施蔬菜不同生育周期的水分、養(yǎng)分需求進(jìn)行灌溉施肥。探明作物對土壤水分和氮肥脅迫的響應(yīng)程度及對水肥脅迫環(huán)境的適應(yīng)過程和機(jī)制，揭示土壤水分養(yǎng)分—作物生理響應(yīng)之間的耦合關(guān)系，構(gòu)建基于土壤水分—作物生理實(shí)時(shí)檢測的灌溉模型，開發(fā)水肥一體化智能決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水分養(yǎng)分的定時(shí)定量按需管理。

3.2 智能灌溉施肥一體化裝備及遠(yuǎn)程云管控技術(shù)

針對目前灌溉施肥裝備智能化程度低、操作不便的問題，開展園區(qū)水肥精細(xì)化管理與溫室云端控制技術(shù)研究，研制開發(fā)水肥一體化智能調(diào)控裝備，開發(fā)基于電腦、觸摸屏、手機(jī)協(xié)同控制的水肥智能管理軟件，構(gòu)建水肥智能管理遠(yuǎn)程控制平臺，智能控制水肥裝備精量作業(yè)，達(dá)到省水、省肥、省工、高效的目的。

4 溫室環(huán)境智能精準(zhǔn)控制技術(shù)

日光溫室作為北方省份設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要形式，具有投資少、保溫好、節(jié)約能源的優(yōu)點(diǎn)，但依托人工經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的設(shè)施水肥、環(huán)境調(diào)控以及落后的生產(chǎn)管理方式導(dǎo)致其生產(chǎn)效率低下、經(jīng)濟(jì)效益下降。因此，結(jié)合現(xiàn)代日光溫室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究設(shè)施內(nèi)部的溫、光、濕、氣分布與變化規(guī)律，建立作物和果實(shí)生長與環(huán)境要素之間的反饋控制模型，研制自適應(yīng)控制系統(tǒng)是當(dāng)前日光溫室智能化生產(chǎn)的迫切需求與發(fā)展方向。

4.1 溫室環(huán)境信息監(jiān)測與種植環(huán)境參數(shù)預(yù)警技術(shù)

針對設(shè)施蔬菜生產(chǎn)過程中田間信息采集設(shè)備參數(shù)單一、集成化低的問題，開展農(nóng)田信息采集技術(shù)集成研究，篩選適用于監(jiān)測溫室環(huán)境參數(shù)的傳感器，集成研發(fā)智能環(huán)境監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對種植區(qū)域的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境信息全程實(shí)時(shí)監(jiān)測，為精準(zhǔn)灌溉、施肥提供依據(jù)，并為用戶提供信息顯示、實(shí)時(shí)提醒、報(bào)警等。

4.2 基于最優(yōu)種植的溫室環(huán)境自適應(yīng)精準(zhǔn)控制技術(shù)

研發(fā)智能環(huán)控裝備，通過傳感器精確采集溫室中光照、溫度、濕度和CO2濃度，采集數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)焦芾砥脚_進(jìn)行儲存分析，可根據(jù)設(shè)定的閾值，控制卷簾、風(fēng)機(jī)、遮陰等設(shè)備，通過遠(yuǎn)程在線平臺和手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)溫室大棚環(huán)境智能調(diào)節(jié)［4］。

5 微咸水農(nóng)業(yè)安全與高效利用技術(shù)

在鹽堿地改良與利用過程中，節(jié)約淡水資源、開發(fā)和利用非常規(guī)水資源尤為重要。微咸水（礦化度為2～5g/L）是我國重要的非常規(guī)水資源，中國地下微咸水資源量約為 2×1010m3/a，其中可開采量為1.3×1010m3/a。合理利用微咸水資源有助于節(jié)約淡水資源，增加可利用耕地面積，提高耕地產(chǎn)能。微咸水安全高效利用技術(shù)的核心是最大程度減弱微咸水灌溉造成的土壤鹽害問題，保障作物正常生長。

5.1 微咸水膜分離電滲析處理技術(shù)

電滲析技術(shù)是一種常用的膜分離技術(shù)，具有回收率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、綠色環(huán)保等優(yōu)勢。電滲析法是在外加電流的作用下，利用離子交換膜的選擇透過性使溶液中的陰、陽離子發(fā)生遷移，導(dǎo)致鹽分濃度降低。電滲析技術(shù)可以通過改變電流、電壓滿足不同鹽分濃度咸水淡化的要求，同時(shí)還能有效去除水中多余的硝酸鹽、氟化物等污染物，其節(jié)能和實(shí)用環(huán)保的特點(diǎn)符合現(xiàn)代工業(yè)要求，適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。電滲析技術(shù)處理后的微咸水可用于為農(nóng)業(yè)灌溉用水提供新的水源，打破了淡水資源短缺限制設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸［5］。微咸水電滲析處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，操作維修方便，通過調(diào)節(jié)水箱可實(shí)現(xiàn)對高鹽量廢液的高效回收利用，高濃度苦咸水回收率可達(dá)到80%以上，有利于節(jié)約淡水資源。

5.2鹽堿地改良微咸水結(jié)冰灌溉技術(shù)

利用咸水與淡水冰點(diǎn)溫度的差異進(jìn)行咸水結(jié)冰灌溉是鹽堿地改良的一項(xiàng)特色技術(shù)，對于大部分鹽漬化地區(qū)，冬季溫度可降至咸水冰點(diǎn)，在12月至翌年1月，溫度低于-5℃時(shí)可進(jìn)行咸水結(jié)冰灌溉。灌溉后表層土壤中的咸水結(jié)冰，由于咸水冰點(diǎn)低于淡水，春季氣溫回升后，咸、淡水分離入滲，表現(xiàn)為礦化度較高的咸水先融出，礦化度較低的淡水后融出，淡水冰融化后能夠淋洗前期咸水冰融化所積累的鹽分（見圖3）。

此外，咸水冰富含的 Mg2+、Ca2+水合半徑較小，且易置換出土壤膠體上的Na+，淡水冰融化后，Na+隨融水下滲而淋洗至深層土壤，減少作物根區(qū)鹽分量。土壤中Mg2+和 Ca2+的移動性弱于Na+，故咸水冰融化下滲后發(fā)生的離子交換過程可導(dǎo)致土壤SAR逐漸降低。在置換Na+、降低SAR的同時(shí)，隨水分滲入的大量陽離子使土壤總電解質(zhì)濃度升高，促進(jìn)陽離子遷移至土壤表面，土壤顆粒的絮凝作用增強(qiáng)，有益于團(tuán)聚體形成，使鹽漬化土壤團(tuán)聚性增強(qiáng)［6］。咸水結(jié)冰灌溉不僅降低了土壤（0～30cm）鹽分量，還使土壤團(tuán)聚體中Ca2+、K+、HCO3-等離子濃度提高，增加土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑，有利于土壤離子平衡、改善土壤結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)論

第一，新型可移動裝配式節(jié)能日光溫室可解決溫室建造成本高，破壞耕層結(jié)構(gòu)，土地利用率低和不便拆裝等諸多問題，具有土地利用效率高、保溫性好、安裝便捷可移動，建造方便等優(yōu)點(diǎn)，能極大降低對耕層結(jié)構(gòu)的破壞，且造價(jià)只有傳統(tǒng)溫室的50%。

第二，根據(jù)設(shè)施作物生長環(huán)境及最適宜生長條件，建立傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過采集的數(shù)據(jù)建立精準(zhǔn)灌溉施肥智能決策，最后結(jié)合整套設(shè)施系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)水肥藥智能精準(zhǔn)施用的目的。

第三，結(jié)合當(dāng)前日光溫室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究設(shè)施內(nèi)部的溫、光、濕、氣分布與變化規(guī)律，建立作物和果實(shí)生長與環(huán)境要素之間的反饋控制模型，研究溫室環(huán)境智能精準(zhǔn)控制技術(shù)，可以顯著提升設(shè)施生產(chǎn)效率，增加經(jīng)濟(jì)效益。

第四，通過微咸水電滲析技術(shù)和結(jié)冰灌溉模式，合理利用鹽堿地區(qū)龐大的微咸水資源，有助于節(jié)約淡水，增加可利用耕地面積，提高耕地產(chǎn)能，能最大程度減弱微咸水灌溉造成的土壤鹽害問題，保障作物正常生長。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：第一作者：郭洪恩，男，研究員，碩士，主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備研究工作。

*通訊作者：何青海，男，高級工程師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)智慧節(jié)水技術(shù)與裝備研究工作。