聚焦智能水肥一體化技術(shù)在蔬菜溫室大棚中的實(shí)踐指導(dǎo)

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的不斷推進(jìn)，蔬菜溫室大棚的種植面積不斷擴(kuò)大。傳統(tǒng)粗放的水肥管理方式很難滿足蔬菜生長(zhǎng)的精準(zhǔn)需求，容易造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題。智能水肥一體化技術(shù)的出現(xiàn)，將灌溉和施肥結(jié)合在一起，在傳感器、自動(dòng)化控制和信息技術(shù)的支持下實(shí)現(xiàn)了水肥的精準(zhǔn)供應(yīng)，這對(duì)于提高蔬菜種植效益，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。本研究聚焦智能水肥一體化技術(shù)于蔬菜溫室大棚的應(yīng)用。闡述該技術(shù)原理與系統(tǒng)構(gòu)成，分析其在精準(zhǔn)施肥澆水、提高蔬菜產(chǎn)量品質(zhì)、節(jié)約資源及降低人工成本等方面優(yōu)勢(shì)，探討應(yīng)用中面臨的問題與解決對(duì)策，為蔬菜溫室大棚種植現(xiàn)代化與高效化提供技術(shù)支撐與實(shí)踐指導(dǎo)。

一、智能水肥一體化的原理及系統(tǒng)組成

智能水肥一體化技術(shù)集傳感器技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)和農(nóng)業(yè)種植科學(xué)于一體，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技中的一項(xiàng)卓越成就，其目的是給蔬菜溫室大棚水肥管理提供準(zhǔn)確、有效的解決方案。其技術(shù)原理是建立在準(zhǔn)確掌握蔬菜整個(gè)生長(zhǎng)周期中水分、養(yǎng)分的需要規(guī)律上。通過多種傳感器對(duì)蔬菜生長(zhǎng)環(huán)境的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，主要有土壤濕度、土壤養(yǎng)分含量、空氣溫度、空氣濕度和光照強(qiáng)度。將上述數(shù)據(jù)快速傳送到中央控制系統(tǒng)中，該系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)置作物生長(zhǎng)模型及算法進(jìn)行深度分析和數(shù)據(jù)處理，以確定蔬菜目前生長(zhǎng)狀態(tài)需要的準(zhǔn)確水肥量及灌溉施肥最佳時(shí)期。例如，在傳感器探測(cè)到土壤濕度小于蔬菜適宜生長(zhǎng)閾值時(shí)，并結(jié)合快速生長(zhǎng)期作物需水大這一模型進(jìn)行評(píng)判，則系統(tǒng)開始灌溉程序；同時(shí)，根據(jù)土壤養(yǎng)分傳感器提供的氮、磷、鉀等元素的含量反饋，并與該生長(zhǎng)階段蔬菜對(duì)養(yǎng)分的標(biāo)準(zhǔn)需求進(jìn)行對(duì)比，能夠精確地計(jì)算出需要補(bǔ)充的肥料種類和數(shù)量。

本技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成包括如下關(guān)鍵組成部分。一是傳感器網(wǎng)絡(luò)——一個(gè)完整的系統(tǒng)“感知觸角”，土壤濕度傳感器大多是利用電容式或者電阻式的原理，測(cè)量土壤的介電常數(shù)或者電阻的變化來反映濕度的變化，精度可以在±1范圍內(nèi)；利用離子選擇性電極等先進(jìn)技術(shù)，土壤養(yǎng)分傳感器能夠準(zhǔn)確地測(cè)量土壤中各種主要營(yíng)養(yǎng)成分的濃度水平。環(huán)境傳感器例如溫濕度傳感器和光照傳感器能夠精確地獲得溫室大棚氣象數(shù)據(jù)。這些傳感器散布在大棚內(nèi)部不同地點(diǎn)及土壤深度處，構(gòu)成了全面覆蓋的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。還有中央控制系統(tǒng)就像一個(gè)系統(tǒng)“大腦”一樣。中央控制系統(tǒng)從傳感器網(wǎng)絡(luò)中接收大量數(shù)據(jù)并采用高級(jí)微處理器及復(fù)雜軟件算法處理數(shù)據(jù)。其內(nèi)建作物生長(zhǎng)模型建立在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)專家經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，可針對(duì)不同蔬菜品種、生長(zhǎng)階段及環(huán)境變化等因素對(duì)水肥供給策略進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。根據(jù)西紅柿開花期及結(jié)果期磷肥、鉀肥需要量發(fā)生顯著變化的特點(diǎn)，該體系可適時(shí)調(diào)整施肥配方。

二、智能水肥一體化技術(shù)在蔬菜溫室大棚中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

蔬菜溫室大棚智能水肥一體化技術(shù)的運(yùn)用給蔬菜種植帶來很多顯著優(yōu)勢(shì)，包括提高產(chǎn)量品質(zhì)、節(jié)約資源成本、促進(jìn)勞動(dòng)生產(chǎn)效率等各個(gè)方面，都促進(jìn)蔬菜種植產(chǎn)業(yè)向現(xiàn)代化方向發(fā)展。

就產(chǎn)量與品質(zhì)提升而言，這一技術(shù)優(yōu)勢(shì)格外明顯，準(zhǔn)確的水肥供應(yīng)，可保證蔬菜各生長(zhǎng)階段得到最合適的營(yíng)養(yǎng)與水分條件。種子萌發(fā)階段適當(dāng)?shù)耐寥罎穸燃吧倭炕士捎行У卮龠M(jìn)種子迅速萌發(fā)、提高發(fā)芽率及出苗整齊度。比如生菜種子通過智能水肥一體化技術(shù)進(jìn)行處理后，其發(fā)芽時(shí)間比傳統(tǒng)種植方式可減少1～2d，幼苗也更強(qiáng)壯。當(dāng)幼苗進(jìn)入生長(zhǎng)階段時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)根據(jù)幼苗的具體生長(zhǎng)情況，實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)氮、磷、鉀等肥料的配比以及灌溉的水量，以促進(jìn)根系的健康發(fā)展和莖稈的健壯。與傳統(tǒng)的種植方法相比，使用這種技術(shù)可以使蔬菜幼苗的根系數(shù)量增加20%～30%，同時(shí)莖的粗細(xì)也可以增加10%～15%。至開花結(jié)果期時(shí)，足量而準(zhǔn)確配置的磷肥、鉀肥可明顯提高坐果率及果實(shí)品質(zhì)。以西紅柿為研究對(duì)象，利用智能水肥一體化的精準(zhǔn)管理策略，在其花期可以使坐果率增加15%～20%，同時(shí)果實(shí)中的維生素C含量也可以提高10%～15%，從而使其口感更加鮮美，并顯著提高其市場(chǎng)價(jià)值。

提高資源利用效率，是智能水肥一體化技術(shù)另一大優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)漫灌、撒施等粗放式施肥方法，在灌溉、施肥等環(huán)節(jié)浪費(fèi)了大量水肥資源，傳統(tǒng)灌溉方式下水分利用率僅約30%～40%，肥料利用率不足30%。智能水肥一體化技術(shù)能夠通過精確地控制手段，將水資源的利用率提高到80%～90%，同時(shí)肥料的利用率也能提升至50%～60%。灌溉環(huán)節(jié)采用滴灌或者微噴灌的方式，使水肥直達(dá)作物根部，以避免大范圍的地表徑流及蒸發(fā)損失。例如，在一個(gè)面積為500m2的蔬菜溫室大棚內(nèi)，通過應(yīng)用智能水肥一體化的先進(jìn)技術(shù)，每年能夠減少20～30m3的灌溉用水，同時(shí)還能節(jié)約1000～1500元的肥料成本。同時(shí)，精準(zhǔn)施肥降低了肥料由于揮發(fā)和淋溶等對(duì)環(huán)境的污染，維護(hù)了土壤生態(tài)環(huán)境，利于蔬菜種植的可持續(xù)發(fā)展。

三、智能水肥一體化技術(shù)在蔬菜溫室大棚中的應(yīng)用方法

1、多源傳感器的準(zhǔn)確布設(shè)技術(shù)

多源傳感器精準(zhǔn)布設(shè)技術(shù)作為智能水肥一體化技術(shù)高效運(yùn)行的基本保障，布設(shè)是否科學(xué)合理直接影響著整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性及全面性，從而影響著水肥管理的精準(zhǔn)度。對(duì)于土壤傳感器的布設(shè)，需要考慮蔬菜溫室大棚面積、外形和種植布局。對(duì)于面積不大的大棚。例如，200m2以下的可以選擇簡(jiǎn)單的均勻分布方法。在大棚的中央以及四個(gè)角落分別設(shè)置土壤濕度傳感器和土壤養(yǎng)分傳感器，每個(gè)傳感器間隔3～5m。該布設(shè)方式基本能反映大棚土壤水分、肥力總體情況。比如在栽培葉菜類的小棚里，利用這些分布均勻的傳感器就能及時(shí)地監(jiān)測(cè)土壤濕度對(duì)蔬菜生長(zhǎng)的適宜性，以及土壤養(yǎng)分的平衡與否，以適時(shí)調(diào)整水肥供應(yīng)策略。

對(duì)于面積相對(duì)較大的大棚，如果面積超過500m2，那么應(yīng)該采取分層和分區(qū)相結(jié)合的布局策略。在垂直方向上，土壤傳感器被放置在地面以下的10cm、20cm和30cm位置。這是由于不同蔬菜根系生長(zhǎng)階段吸收不同深度土壤水分、養(yǎng)分能力的差異所致。例如，當(dāng)種植如黃瓜這樣的深層根系蔬菜時(shí)，其根系在生長(zhǎng)的早期主要分布在20cm以上的土壤中，但到了結(jié)果期，它們會(huì)深入到30cm以下的土壤中。分層布置傳感器，能夠準(zhǔn)確把握不同土層土壤狀況。從水平方向看，大棚被分割成多個(gè)區(qū)。例如，按種植行或者種植區(qū)進(jìn)行分區(qū)，每一個(gè)區(qū)都有一組土壤傳感器來關(guān)注該區(qū)土壤變化。由于棚內(nèi)接近進(jìn)出口或者邊緣位置處通風(fēng)、光照等情況不同于棚內(nèi)中央?yún)^(qū)域，因此土壤水分蒸發(fā)及溫度變化也會(huì)有所不同。采用分區(qū)布設(shè)傳感器的方法，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)上述差異，并作出相應(yīng)的調(diào)整。作物生長(zhǎng)傳感器的布設(shè)應(yīng)根據(jù)蔬菜種植品種、種植密度、生長(zhǎng)周期等特征進(jìn)行。對(duì)種植密度大的蔬菜，如小白菜和生菜，可以通過定點(diǎn)抽樣檢測(cè)。在大棚里選取多個(gè)有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝圖像采集設(shè)備及作物生理指標(biāo)傳感器。圖像捕捉設(shè)備被放置在距離農(nóng)作物頂端0.5～1m的位置，其主要功能是獲取作物冠層的清晰圖像，并對(duì)作物的株高、葉面積指數(shù)等生長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為了精確地監(jiān)測(cè)作物的生理狀況。例如，葉綠素傳感器和光合速率傳感器，建議每2～3株作物配置一個(gè)這樣的傳感器。如在生菜栽培大棚里，采用定點(diǎn)抽樣監(jiān)測(cè)的方法，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)生菜葉片黃化和生長(zhǎng)遲緩的現(xiàn)象，并與土壤傳感器的數(shù)據(jù)相結(jié)合，判斷是否由于水肥不足或病蟲害引起，以便有針對(duì)性地采取措施。

對(duì)于生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)、株型較大的蔬菜。例如，西紅柿和茄子，需要結(jié)合分布式監(jiān)測(cè)和重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的策略。將若干圖像采集設(shè)備及作物生理指標(biāo)傳感器均勻布置于大棚里，同時(shí)將西紅柿開花結(jié)果等關(guān)鍵生長(zhǎng)部位以及茄子頂部生長(zhǎng)點(diǎn)等處安裝有專用傳感器，以更加準(zhǔn)確監(jiān)控作物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程。以西紅柿大棚為例，利用西紅柿植株表面設(shè)置的傳感器可對(duì)西紅柿開花數(shù)量和果實(shí)膨大速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，精準(zhǔn)施肥澆水，保證西紅柿各生長(zhǎng)階段獲得最佳水肥供給，為增加產(chǎn)量、提升質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

2、水肥混合比例的智能化控制技術(shù)

基于多源傳感器所采集數(shù)據(jù)和蔬菜生長(zhǎng)具體要求的水肥混合比例調(diào)控技術(shù)，是智能化水肥一體化技術(shù)中最核心的一環(huán)，利用智能算法對(duì)肥料和灌溉水摻混比例進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到水肥資源有效、準(zhǔn)確供應(yīng)。這一技術(shù)關(guān)鍵是要構(gòu)建一個(gè)完整的蔬菜營(yíng)養(yǎng)需求模型，在不同的生長(zhǎng)階段，各種蔬菜品種對(duì)氮、磷、鉀等關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素以及中微量元素的需求存在明顯的差異性。以蔬菜苗期為例，通常需大量氮肥以促進(jìn)植株迅速生長(zhǎng)和葉片形成，而磷肥、鉀肥比較缺乏；但開花結(jié)果期需加大磷肥與鉀肥配比，促進(jìn)花芽分化，提高坐果率及果實(shí)品質(zhì)，氮肥需要量較為平穩(wěn)或略減。以黃瓜生長(zhǎng)階段為研究對(duì)象，其在苗期對(duì)氮、磷、鉀的需求量大約是4 ∶ 1 ∶ 3的比例；開花期配比改為3 ∶ 2 ∶ 4；結(jié)果期則按2 ∶ 3 ∶ 5的配比進(jìn)行。這些準(zhǔn)確的營(yíng)養(yǎng)需求模型為智能控制水肥混合比例提供科學(xué)依據(jù)。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，智能水肥一體化系統(tǒng)利用土壤傳感器及作物生長(zhǎng)傳感器采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并結(jié)合事先構(gòu)建好的營(yíng)養(yǎng)需求模型，采用智能算法對(duì)其進(jìn)行了復(fù)雜地計(jì)算和分析。當(dāng)土壤濕度傳感器偵測(cè)到土壤中的水分含量降低到某一特定閾值，系統(tǒng)會(huì)立即啟動(dòng)灌溉命令，并依據(jù)作物生長(zhǎng)傳感器獲取的生長(zhǎng)階段數(shù)據(jù)。例如，植株的高度和葉子的面積、有無開花結(jié)果等，并根據(jù)土壤養(yǎng)分傳感器所反映的土壤肥力狀況來推算需要補(bǔ)充氮肥、磷肥和鉀肥的具體數(shù)量。例如，若土壤肥力檢測(cè)結(jié)果表明土壤中氮多而磷鉀少，作物在開花期時(shí)，該體系降低氮肥添加量，提高磷肥、鉀肥配比，保證肥料供應(yīng)準(zhǔn)確匹配作物需求。智能水肥一體化系統(tǒng)為達(dá)到準(zhǔn)確水肥混合的目的，安裝有高精度施肥泵及先進(jìn)肥料計(jì)量裝置，施肥泵有能力根據(jù)系統(tǒng)的指令來精準(zhǔn)地控制肥料的注入量，其流量調(diào)整精度能夠達(dá)到0.1L/min，從而確保肥料和灌溉水能夠按照預(yù)定的比例進(jìn)行均勻混合。肥料計(jì)量裝置能夠?qū)ψ⑷氲姆柿狭窟M(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和反饋，它使用先進(jìn)的電磁流量計(jì)或質(zhì)量流量計(jì)，其測(cè)量精度可以達(dá)到±0.5%，可對(duì)肥料注入量進(jìn)行精確測(cè)量，避免肥料加入過多或者過少。攪拌時(shí)，該體系還設(shè)有高效攪拌裝置，使得肥料能夠完全溶于水并攪拌均勻，避免肥料沉淀或者局部濃度過高，確保每棵蔬菜收到均勻的肥料。另外，在水肥混合比例的智能控制技術(shù)中也充分考慮到環(huán)境因素對(duì)蔬菜作物需肥量變化的影響。高溫強(qiáng)光天氣情況下，蔬菜作物蒸騰作用加強(qiáng)，水分散失加速，而光合作用受到一定程度影響。這時(shí)系統(tǒng)將適當(dāng)加大灌溉水量來補(bǔ)充水分的流失，而肥料混合比例則隨光合作用所需營(yíng)養(yǎng)元素的改變而進(jìn)行調(diào)節(jié)。比如在夏季氣溫較高時(shí)，對(duì)葉菜類蔬菜來說，由于氣溫較高、光照較強(qiáng)，葉片氮代謝較快，所以系統(tǒng)增加氮肥供給，有利于葉片迅速生長(zhǎng)與恢復(fù)；在處理果菜類蔬菜時(shí)，除了確保磷和鉀的供應(yīng)外，還會(huì)適當(dāng)添加一些中微量元素肥料。例如，鈣、鎂、硼等，以提高果實(shí)的質(zhì)量和抵抗逆境的能力。智能水肥一體化技術(shù)根據(jù)環(huán)境因素進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水肥混合比例以滿足蔬菜作物不同環(huán)境狀況下的生長(zhǎng)需要，使水肥利用效率最大化，蔬菜的產(chǎn)量品質(zhì)得到改善。

3、灌溉壓力優(yōu)化技術(shù)

灌溉壓力優(yōu)化技術(shù)是智能水肥一體化系統(tǒng)中具有重要地位的技術(shù)，通過對(duì)灌溉壓力進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)節(jié)來保證水肥混合液可以均勻混合，并將其穩(wěn)定運(yùn)輸至每株蔬菜作物根部，也避免由于壓力不當(dāng)而導(dǎo)致的灌溉不均、水資源浪費(fèi)、破壞作物及灌溉設(shè)施等系列問題。

蔬菜溫室大棚內(nèi)不同灌溉方式下灌溉壓力需求不同。對(duì)滴灌系統(tǒng)而言工作壓力一般比較小，通常為0.1～0.3MPa。水肥混合液在此壓力區(qū)間內(nèi)能以較慢且平穩(wěn)的滴速由滴頭噴出，準(zhǔn)確滴入蔬菜作物根部附近土壤，并形成一個(gè)個(gè)局部潤(rùn)濕區(qū)，利于根系有效吸收水肥。如果灌溉壓力過大，則滴頭出水量將增加，這就有可能引起水在土中產(chǎn)生徑流，既浪費(fèi)水資源，又有可能使土中養(yǎng)分隨著水流而損失；如果壓力太低，滴頭就會(huì)發(fā)生阻塞或者出水量太小而不能滿足作物需水。為此，智能水肥一體化系統(tǒng)以滴灌方式為研究對(duì)象，安裝高精度壓力傳感器對(duì)灌溉管道內(nèi)部壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到中央控制系統(tǒng)。中央控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的最佳壓力值和實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速或者打開壓力調(diào)整閥門，使得灌溉壓力始終處于合適范圍。例如，在用于種植草莓的溫室大棚里，通過使用滴灌系統(tǒng)并精確地控制灌溉壓力，可以使草莓的果實(shí)尺寸更加均勻，品質(zhì)也更加優(yōu)良。與傳統(tǒng)的漫灌方法相比，這種方式還能節(jié)約50%～60%的灌溉用水。微噴灌系統(tǒng)灌溉壓力比滴灌系統(tǒng)略大，通常為0.2～0.4MPa，微噴灌噴頭可使水肥混合液均勻噴灑到作物上，呈微小水霧狀，模擬出自然降雨效果。在該壓力區(qū)間，水霧可完全覆蓋作物葉面及根部附近土壤，不僅給作物供水，還可對(duì)棚內(nèi)空氣濕度及溫度進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)。智能水肥一體化系統(tǒng)用于微噴灌時(shí)，也是借助壓力傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)控壓力的變化，通過智能控制算法動(dòng)態(tài)優(yōu)化灌溉壓力。如夏季高溫干旱期間，為使蔬菜作物冷卻增濕、補(bǔ)水，微噴灌系統(tǒng)可以適當(dāng)增加灌溉壓力、增加水霧的覆蓋范圍及噴灑量；但在潮濕或溫度偏低的天氣情況下，要減輕灌溉壓力和減少噴水，以防棚內(nèi)濕度過大造成病害。通過該靈活的灌溉壓力優(yōu)化策略使微噴灌系統(tǒng)能較好地滿足不同氣候條件及蔬菜生長(zhǎng)需要，改善灌溉效果及水資源利用率。

智能水肥一體化在蔬菜溫室大棚中的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景。盡管存在問題，但通過各方的共同努力，問題可以逐漸得到解決。隨著科技的不斷提升和普及，必將大力促進(jìn)蔬菜溫室大棚種植向著精準(zhǔn)化、智能化和高效化的方向邁進(jìn)，從而達(dá)到農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的共贏，對(duì)保證蔬菜供應(yīng)和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。

（作者單位：246003 安徽省安慶市宜秀區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心）