智慧時代園林植物水肥資源利用效率的提升路徑研究

摘要：隨著智慧時代的到來，云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)為園林植物生長信息的分析和利用提供了新方法，為園林植物種植和管理提供了強(qiáng)大助力。水肥管理是園林植物種植過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如何利用前沿技術(shù)提升園林植物水肥資源效率，是園林產(chǎn)業(yè)升級面臨的現(xiàn)實問題之一。首先分析智慧時代的技術(shù)特征，其次分析園林植物種類和水肥需求特性，最后根據(jù)傳統(tǒng)園林植物水肥利用效率提升模式存在的不足，提出水肥利用效率的提升路徑，以期為先進(jìn)技術(shù)更好地賦能園林植物水肥管理提供參考。

關(guān)鍵詞：水肥資源；利用效率；園林植物；智慧技術(shù)；智能裝備

中圖分類號：S275 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）10-00-05

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Research on the Improvement Path of Water and Fertilizer Resource Utilization Efficiency of Landscape Plants in the Smart Era

LIN Yiyan1， HUANG Yan1， HUANG Yanjing1， HUANG Congzheng2， ZHANG Houdong3， LIU Xinyue3， MAN Huibing3，

HOU Maomao3， JIN Qiu4

（1. College of Horticulture and Landscape Architecture， Fujian Vocational College of Agriculture;

2 International College， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350000， China;

3. College of Horticulture， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350002， China;

4. Nanjing Hydraulic Research Institute， Nanjing 210098， China）

Abstract： With the advent of the smart era， cloud computing and big data technology have provided new methods for analyzing and utilizing the growth information of garden plants， providing powerful assistance for garden plant planting and management. Water and fertilizer management is a key link in the process of planting garden plants. How to use cutting-edge technologies to improve the efficiency of water and fertilizer resources in garden plants is one of the practical problems facing the upgrading of the garden industry. This article first analyzes the technological characteristics of the smart era， followed by an analysis of the types of garden plants and their water and fertilizer demand characteristics. Finally， based on the shortcomings of the traditional model for improving water and fertilizer utilization efficiency in garden plants， a path for improving water and fertilizer utilization efficiency is proposed， in order to provide reference for advanced technology to better empower water and fertilizer management in garden plants.

Keywords： water and fertilizer resources; utilization efficiency; garden plants; intelligent technology; intelligent equipment

公園和綠地是城市的重要組成部分，為人們提供了休閑娛樂的場所，有利于改善城市環(huán)境和居民生活。然而，養(yǎng)護(hù)園林植物往往需要大量的水肥資源。如何在保證公園和綠地功能的同時，有效節(jié)約水資源，是實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要課題[1]。

信息技術(shù)的不斷進(jìn)步為園林植物種植和管理提供了強(qiáng)大助力[1]。盡管當(dāng)前智慧園林技術(shù)尚未完全成形，信息孤島問題仍將長期且普遍存在，但智慧技術(shù)在園林建設(shè)方面的滲透正逐步加強(qiáng)，如北京市在公園景區(qū)、城市綠地、野生植物保護(hù)區(qū)、病蟲害防治關(guān)鍵區(qū)域采用了可視化裝備，建立了三維實景采集系統(tǒng)，建立了數(shù)百個土層。智慧技術(shù)高速發(fā)展的背景下，園林植物水資源利用也將進(jìn)入智慧時代。通過利用大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”、人工智能及物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)，有望實現(xiàn)對園林植物水肥資源的精量供應(yīng)，對于提高水肥資源利用效率、實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義[2]。

從智能時代的技術(shù)特征、園林植物種類和水肥需求特性、傳統(tǒng)水肥利用效率提升模式、智慧時代園林植物水肥利用效率的提升路徑等4個方面進(jìn)行分析，以期為先進(jìn)技術(shù)更好地賦能園林植物水肥管理提供參考。

1 智慧時代的技術(shù)特征

智慧時代的技術(shù)特征主要包括智能控制、萬物互聯(lián)和虛擬現(xiàn)實等。智能控制時代的到來，標(biāo)志著預(yù)先計劃、集中控制即將成為歷史，自主控制將成為主流。在智能控制場景下，機(jī)器具備一定的學(xué)習(xí)能力、行動能力，通過嵌入式的信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、智能識別系統(tǒng)、實時反饋系統(tǒng)，可及時跟蹤運(yùn)行情況，自行調(diào)節(jié)運(yùn)行策略，不再需要“輸入-輸出”的口令。

多元信息深度融合的虛擬現(xiàn)實技術(shù)為人類突破時間和空間限制提供了可能。虛擬現(xiàn)實技術(shù)起步較早，在1960年便出現(xiàn)了虛擬仿真技術(shù)，廣泛應(yīng)用于能源、教育等領(lǐng)域。通過計算機(jī)圖形、三維展示技術(shù)、語言導(dǎo)入和反饋等，實現(xiàn)了虛擬世界和真實世界的融合[3]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過提供沉浸式的體驗和交互方式，為許多高難度工作提供了新的解決方案。研發(fā)的水利規(guī)劃虛擬仿真系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)包含實景仿真、水利規(guī)劃和云觀察等模塊。其中，仿真模塊通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)將農(nóng)田實景搭建于一個無縫地圖；水利規(guī)劃模塊可以實現(xiàn)規(guī)劃方案的可視化，最大限度減少試錯成本；云觀察模塊可跨越不同地域進(jìn)行云視察，實時掌握植物灌溉情況，不再受空間和距離限制，實現(xiàn)智慧水利操控。

萬物互聯(lián)指以人的思維為目標(biāo)中心和服務(wù)指向，將人與人、人與物、物與物相連，這種萬物互聯(lián)的社會關(guān)系并不僅僅是物理功能的互聯(lián)，也是思維的連接?，F(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將人、機(jī)器、數(shù)據(jù)、場景、事件等要素深度串聯(lián)，通過信息分析和轉(zhuǎn)化形成動能，使得各要素產(chǎn)生倍增、疊加、驅(qū)動效應(yīng)。

智能控制、萬物互聯(lián)和虛擬現(xiàn)實這些智慧時代的技術(shù)特征，主要通過數(shù)據(jù)驅(qū)動、“互聯(lián)網(wǎng)+”、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實現(xiàn)。作為當(dāng)前的前沿通用性技術(shù)，如何將它們高效應(yīng)用于各細(xì)分行業(yè)，是應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域不斷探索的問題。

2 園林植物種類和水肥需求特性

2.1 園林植物種類

園林植物種類可分為喬木、灌木、草本和藤本植物等，在設(shè)計和建設(shè)園林時，往往需要根據(jù)不同種類植物的特性和造景需求進(jìn)行選擇和配置，以達(dá)到最佳的效果。不同園林植物中，喬木是主體植物，通常體積大、壽命長、種類繁多，包括松樹、柏樹、樟樹等。灌木是園林中的輔助植物，體積相對較小、形態(tài)各異、色彩豐富，可以作為園林的點綴，增加園林的景觀效果，包括茶花、杜鵑、山茶等。草本植物的生命周期較短，但是花色豐富，可以為園林增加色彩和活力，通常包括菊花、牡丹、郁金香等。藤本植物是園林中較為特殊的植物種類，可以攀爬在墻壁或者構(gòu)筑物上，增加園林的立體感，包括爬山虎、喇叭花、紫藤等。

2.2 園林植物水肥需求特性

喬木通常需要大量的水分來維持生長，并且對土壤肥力有一定要求。然而，不同種類的喬木對水分和肥料的需求存在一定差異。例如，松樹更喜歡干燥環(huán)境，而楊樹則需要大量的土壤水分。因此，在灌溉和施肥時需要根據(jù)不同喬木種類調(diào)整方案。

灌木通常比喬木更耐旱，并且對土壤肥力的要求也更低，但其仍然需要一定量的水分和肥料來維持生長。例如，茶花喜歡較為濕潤的環(huán)境，并且需要富含有機(jī)質(zhì)的土壤。

草本植物對水分和肥料的需求較高，往往需要充足的水分來維持生長，并且對土壤速效養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量有較高要求。例如，菊花喜歡濕潤環(huán)境，并且需要肥力較高的土壤；薄荷也喜歡潮濕環(huán)境和疏松肥沃的土壤。

藤本植物通常對水分和肥料的需求較低，可以在較干燥的環(huán)境中生長。例如，藤本月季具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，對種植條件的要求也不高，但透水良好、疏松、腐殖質(zhì)含量豐富的土壤更有利于其開花。

不同園林植物在水肥需求方面存在較大差異。實際應(yīng)用中，需要根據(jù)不同種類的植物及其生長環(huán)境，制定合理的灌溉和施肥策略，以實現(xiàn)園林植物水資源的高效利用。

3 傳統(tǒng)園林植物水肥利用效率提升模式

3.1 土壤改良模式

我國部分區(qū)域土壤存在結(jié)構(gòu)密實、肥力低的問題，導(dǎo)致蓄水保墑能力差、養(yǎng)分供應(yīng)滯后，不利于園林植物生長。已有的土壤改良模式包括增施有機(jī)肥、覆蓋保墑、施用土壤調(diào)理劑、灌排改良等，這些技術(shù)的應(yīng)用有利于增加土壤團(tuán)聚體、改良土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，使水肥在土壤孔隙中滯留更長時間，供園林植物吸收，以提升水肥利用效率[4-5]。

3.2 節(jié)水灌溉模式

節(jié)水灌溉模式考慮了植物水分需求特點、肥料供應(yīng)量、土壤養(yǎng)分狀況等因素，能夠精準(zhǔn)調(diào)控用水量和施肥量，最終達(dá)到提升水肥資源利用效率的目的。常見的節(jié)水灌溉模式包括噴灌、滴灌、潤灌等。

3.3 水肥一體化管理模式

水肥一體化技術(shù)是采用壓力系統(tǒng)，將液體肥料或充分溶解后的固體肥料通過管道和灌水器輸送到植物根系附近，實現(xiàn)均勻、定時、定量浸潤根際環(huán)境的效果。水肥一體化管理技術(shù)充分遵循了植物水肥需求規(guī)律，水肥資源利用率較傳統(tǒng)施肥灌溉模式有大幅提升。

3.4 耐旱耐低肥新品種選育模式

針對土壤特點和氣候條件，選育耐旱耐低肥園林植物新品種，是水肥減量、提升資源利用效率的方法之一，具體包括混合選擇法、單株選擇法和無性系選擇法等。園林植物新品種篩選是一個長期工作，包括種質(zhì)資源調(diào)查和收集、引種馴化、選種、選育、試栽等工作。

4 智慧時代園林植物水肥利用效率的提升路徑

智慧技術(shù)可以在園林植物水肥利用效率提升方面發(fā)揮重要作用，具體包括智能灌溉和施肥系統(tǒng)、生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析和預(yù)測、植物水分虧缺早期診斷等方面。智能灌溉系統(tǒng)借助傳感器和自動控制技術(shù)，根據(jù)傳感器反饋機(jī)制和植物需求，調(diào)節(jié)灌溉量和頻率，避免過量灌溉和水分浪費(fèi)，確保植物得到適量的水分。研發(fā)的園林智慧灌溉系統(tǒng)如圖2所示。與傳統(tǒng)裝備相比，園林智慧灌溉系統(tǒng)采用了集成設(shè)計，一體化外觀不會破壞整體的園林景觀效果；內(nèi)部有嵌入式自動控制系統(tǒng)，根據(jù)實際需求制定灌溉方案。類似地，智能施肥系統(tǒng)也是基于植物需求和土壤分析結(jié)果，自動調(diào)節(jié)肥料類型和用量，并精確投放到植物根系所在的位置，有利于提升肥料利用效率、減少肥料浪費(fèi)和降低環(huán)境污染。

生長環(huán)境監(jiān)測技術(shù)主要指氣象監(jiān)測技術(shù)和土壤監(jiān)測技術(shù)。氣象監(jiān)測技術(shù)可以實時獲取氣溫、濕度和降雨等氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)預(yù)測植物的逐日蒸發(fā)量、需水量等關(guān)鍵信息，避免了雨季過量灌溉，減少了水資源消耗。土壤監(jiān)測技術(shù)可實時監(jiān)測土壤的養(yǎng)分含量、pH值等，了解植物所需的營養(yǎng)情況，并根據(jù)反饋結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充灌溉和施肥。值得注意的是，土壤存在異質(zhì)性，傳感器返回的數(shù)據(jù)僅代表局域范圍內(nèi)的狀況，提高傳感器布設(shè)密度雖然可以提升精確度，但是會增加建設(shè)和維護(hù)成本。因此，尋求精度和成本之間的平衡是需要考慮的重要問題。

大數(shù)據(jù)分析和預(yù)測是通過收集和分析園林植物生長、水分和養(yǎng)分利用數(shù)據(jù)，建立模型和算法，預(yù)測未來的水肥需求，進(jìn)行精細(xì)化、智能化的管理，提高水肥利用效率，降低人工管護(hù)成本[6]。

植物水分虧缺早期診斷則是利用圖像識別技術(shù)，在水肥施用裝備上搭載圖像識別系統(tǒng)，在實現(xiàn)智能灌溉的同時，對重點名貴園林植物的葉片水分虧缺進(jìn)行早期診斷，重點解決傳統(tǒng)灌溉中依靠水分傳感器導(dǎo)致的水分供應(yīng)滯后問題。

智慧技術(shù)在園林植物水肥利用效率提升中具有巨大的應(yīng)用潛力。通過智能化的監(jiān)測、控制和管理，可以精確調(diào)節(jié)水肥供應(yīng)，避免浪費(fèi)和污染，提高資源利用效率，實現(xiàn)園林植物的健康生長和園林產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)論

園林植物的水肥資源利用效率提升是較為復(fù)雜的問題，需要從多個方面進(jìn)行分析。傳統(tǒng)方法包括滴灌、微噴、雨水集蓄灌溉等節(jié)水灌溉技術(shù)，雖然能夠在一定程度上提升園林植物的水肥資源利用效率，但是效果有限。隨著智慧時代的到來，應(yīng)當(dāng)利用現(xiàn)代科技手段，如傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等，實現(xiàn)對園林植物的精準(zhǔn)水肥供應(yīng)，避免過度灌溉和施肥。

參考文獻(xiàn)

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