水肥一體化技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)

摘要：

水肥一體化技術(shù)可以有效提高農(nóng)業(yè)資源利用率、減少面源污染，是實現(xiàn)綠色農(nóng)業(yè)的重要途徑之一。為剖析水肥一體化技術(shù)在種植中面臨的實際問題，促進水肥一體化技術(shù)的研究創(chuàng)新與推廣應(yīng)用，通過闡述國內(nèi)外水肥一體化技術(shù)的發(fā)展歷程，系統(tǒng)介紹水肥一體化系統(tǒng)中水源工程、首部樞紐、施肥裝置、田間管網(wǎng)及灌水器的功能及特點，對比不同施肥器的工作原理及優(yōu)缺點，著重分析當(dāng)前水肥一體化技術(shù)在優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)、改進控制算法、建立指導(dǎo)模型、提升裝備智能水平等方面的研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)當(dāng)前水肥一體化技術(shù)存在的配套設(shè)施、灌溉施肥制度不完善，模型構(gòu)建困難且難以應(yīng)用于實際生產(chǎn)，施肥器性能還有待優(yōu)化等問題。提出后續(xù)應(yīng)加強水肥混合規(guī)律研究，通過優(yōu)化施肥器結(jié)構(gòu)以提高施肥性能，結(jié)合地域特點完善灌溉施肥制度與指導(dǎo)模型，提升農(nóng)業(yè)專用傳感器的綜合性能，加強新技術(shù)的融合與應(yīng)用，促進水肥一體化裝備的智能化升級，實現(xiàn)水肥的高效利用。

關(guān)鍵詞：水肥一體化技術(shù)；施肥器；發(fā)展動態(tài)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；控制算法；施肥灌溉制度

中圖分類號：S275

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 03-0295-10

收稿日期：2023年8月9日" 修回日期：2023年11月13日*

基金項目：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團二師鐵門關(guān)市科技計劃項目（2022KJHZ02）；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第一師阿拉爾市科技計劃項目（2022ZB06）；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團科技計劃項目（2023AB005—01）

第一作者：夏文豪，男，1998年生，河南周口人，碩士研究生；研究方向為水肥一體化技術(shù)。E-mail： 1841207264@qq.com

通訊作者：胡燦，男，1983年生，湖南益陽人，博士，副教授；研究方向為智能農(nóng)機裝備。E-mail： hucanboy1@qq.com

Research status and development trends of water and fertilizer integration technology

Xia Wenhao1， Jiang Yuan2， Wang Xufeng1， Zheng Xuan3， Hu Can1， Xing Jianfei1

（1. College of Mechanical and Electronic Engineering， Tarim University， Alar， 843300， China;

2. Agricultural Scientific Institute of 2nd Division of Xinjiang Production and Construction Corps， Tiemenguan，

841005， China； 3. Mechanical Equipment Research Institute， Xinjiang Academy of Agriculture and

Reclamation Science， Shihezi， 832000， China）

Abstract：

Water and fertilizer integration technology can effectively improve the utilization rate of agricultural resources and reduce surface pollution， which is one of the important ways to realize green agriculture. To promote the research innovation， popularization and application of water and fertilizer integration technology， and solve the actual problems. This paper describes the development history of water-fertilizer integration technology at home and abroad. It also describes the functions and characteristics of the system's water source engineering， control head， fertilizer applicators， field pipeline network. Compare the working principle and advantages and disadvantages of different fertilizer applicators. And analyzes the current research status and development dynamics of the current water-fertilizer integration equipment in terms of pipeline design， fertilizer applicator structure optimization， intelligent control algorithm improvement， enhancement of the level of intelligence， and improvement of the irrigation and fertilization system. It is found that the current supporting facilities for water-fertilizer integration technology， irrigation and fertilization system are not perfect， the model construction is difficult and cannot be used for actual production， and the performance of the fertilizer applicator still needs to be optimized. It also proposes to optimize the structure of the fertilizer applicator， strengthen the research on the water-fertilizer mixing law， and improve the performance of fertilizer application. Establish the irrigation and fertilization system and application guidance model according to the actual situation. Enhance the comprehensive performance of agricultural special sensors， apply new technologies， improve the intelligence level of water-fertilizer integration equipment， and realize the efficient use of water and fertilizer.

Keywords：

water and fertilizer integration technology; fertilizer applicator; development trends; structure optimization; control algorithm; fertilization and irrigation system

0 引言

合理施用化肥是提高作物產(chǎn)量、保障糧食安全的重要途徑。截止2022年，我國農(nóng)用化肥施用總量高達50792kt，占世界施用總量的22.22%，施用強度高達336.24kg/hm2［1］，遠超國際安全施肥水平225kg/hm2；由于缺乏科學(xué)施肥指導(dǎo)，化肥利用率不足發(fā)達國家的一半，存在嚴重的資源浪費現(xiàn)象［2］。長期過量施用化肥不僅導(dǎo)致次生土壤鹽漬化［3］、土壤酸化、硝化微生物群落的豐度和多樣性減少等一系列土壤退化問題，還加劇了土傳病害的蔓延［4］、溫室氣體的排放［5］等農(nóng)業(yè)環(huán)境問題。當(dāng)化肥施用量超過作物需求閾值后，作物產(chǎn)量、品質(zhì)還會出現(xiàn)明顯下降［6］，甚至還會引起葉菜類蔬菜的硝酸鹽積累，引發(fā)食品安全問題［7］。大量文獻均證實了過量施肥在經(jīng)濟、生態(tài)、食品安全方面存在的危害性，我國過量施肥的現(xiàn)狀亟須改變。

我國人均淡水量很少，在地理時空上分布不均，屬于嚴重缺水國家之一［8］。截止2023年，我國農(nóng)業(yè)用水量達到3.672×1011m3，占全國用水總量的62.18%，但水分利用率卻不高，有效利用系數(shù)僅為0.576。雖然在政策的長期引導(dǎo)下，節(jié)水灌溉面積已達到總耕地面積的29.5%，農(nóng)業(yè)用水量相比于1997年有了大幅度下降［1， 8］，但我國部分地區(qū)大水漫灌等粗放的灌溉管理模式仍然普遍。同時，由于農(nóng)業(yè)污染物會在大氣沉降、淋溶、降水和徑流沖刷作用下進入水體產(chǎn)生面源污染，惡化水質(zhì)，影響正常的大氣—水體傳質(zhì)過程［9］。農(nóng)業(yè)用水面臨著水體污染、有效利用率不高、灌溉管理模式粗放等問題，這些現(xiàn)象不斷加劇農(nóng)業(yè)水資源的短缺，嚴重阻礙農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

水肥一體化技術(shù)在灌溉的同時將肥料溶于水中，輸送至作物根部土壤，確保水分和養(yǎng)分均勻、準確、適時適量地供應(yīng)作物生長，為其創(chuàng)造良好的水、肥、氣、熱環(huán)境，是提高水肥利用率、減少農(nóng)業(yè)面源污染、提高作物產(chǎn)量品質(zhì)的重要技術(shù)手段，廣泛應(yīng)用于果樹、大田作物、設(shè)施農(nóng)業(yè)中。在2022年發(fā)布的《到2025年化肥減量化行動方案》［10］和2023年發(fā)布的中央一號文件［11］中均將化肥的減量增效作為一項重點任務(wù)開展，著重提出加強水肥一體化技術(shù)的推廣應(yīng)用，水肥一體化技術(shù)日益成熟。本文介紹國內(nèi)外水肥一體化技術(shù)發(fā)展歷程，闡述在優(yōu)化結(jié)構(gòu)、改進算法、構(gòu)建模型、提升智能水平等方面的研究現(xiàn)狀，結(jié)合實際生產(chǎn)需要，分析制約水肥一體化技術(shù)發(fā)展的各項因素，并對該技術(shù)未來的發(fā)展趨勢進行展望。

1 水肥一體化技術(shù)發(fā)展歷程

1.1 國外發(fā)展歷程

早在距今2800多年的古希臘時期，雅典城邦就采用城市污水進行農(nóng)業(yè)灌溉，這是人們對水肥一體化技術(shù)早期的探索，但受限于當(dāng)時的科技水平，水肥一體化技術(shù)發(fā)展的始終較為緩慢，直到1925年，隨著溫室技術(shù)的興起，逐漸開始采用營養(yǎng)液代替土壤栽培，這被學(xué)者認為是現(xiàn)代水肥一體化技術(shù)早期的雛形［12］。水肥一體化技術(shù)的發(fā)展離不開滴灌技術(shù)的興起，1933年Robey嘗試用帆布管系統(tǒng)進行地下滴灌，但由于材質(zhì)等原因，水分損耗較大，并未能夠推廣應(yīng)用。20世紀50年代，隨著塑料工業(yè)的快速發(fā)展，以塑料為原材料的滴灌和微噴灌系統(tǒng)逐漸發(fā)展起來，1960年，以色列研發(fā)出世界上第一套滴灌系統(tǒng)［13］，早期的滴灌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用孔或微管代替復(fù)雜的灌水器，主要用于小果園、花卉園和蔬菜園種植。由于設(shè)計不完善，使用滴灌技術(shù)施肥灌溉時，易發(fā)生堵塞問題，當(dāng)時的研究人員主要從優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)以及探索滴頭堵塞原因著手，其中包括以色列研制出TurbolentTM流道結(jié)構(gòu)，隨著研究的不斷深入，滴頭性能得到大幅度改善，直至20世紀70年代中期，滴灌施肥技術(shù)已逐步應(yīng)用于澳大利亞、以色列、墨西哥、新西蘭和南非六個國家的大田作物管理中［14］。早期采用混合罐將水和肥料進行混合，但灌溉施肥均勻性較差，為解決這一問題，研究人員發(fā)明了文丘里施肥器和水壓驅(qū)動肥料注射器，極大提高了化肥施用的均勻性，而隨著信息時代的到來，各種傳感器以及微處理器的應(yīng)用，施肥均勻性和智能性也再次得到了顯著的提高，自此，水肥一體化技術(shù)整體框架也逐步發(fā)展完善。

1.2 國內(nèi)發(fā)展歷程

我國關(guān)于水肥一體化技術(shù)的研究起步較晚，自20世紀70年代我國引進滴灌設(shè)備以來，水肥一體化技術(shù)經(jīng)歷了早期探索、試點推廣和穩(wěn)定普及等多個階段。早期學(xué)者針對撒施肥料無法與滴灌模式相互結(jié)合，提出將化肥溶解于水中進行滴灌作業(yè)，這是我國早期水肥一體化的探索［15］；隨著1980年我國成功研制出第一代成套滴灌設(shè)備，水肥一體化技術(shù)開始與噴灌、滴灌結(jié)合并進行了大量的試驗和示范，開始在全國各地推廣應(yīng)用；1996年，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團將水肥一體化技術(shù)應(yīng)用于較大規(guī)模棉花種植中［16］。

2000年前后，水肥一體化技術(shù)逐漸步入快速推廣階段，廣泛應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)種植中，有效提高了作物的產(chǎn)量［17］。隨著我國水溶肥產(chǎn)業(yè)體系的逐漸形成［18］，水肥一體化設(shè)備相關(guān)配套產(chǎn)品的完善，水肥一體化設(shè)備逐漸形成初步的產(chǎn)業(yè)鏈條。后續(xù)在一系列節(jié)水、減量施肥的政策引導(dǎo)下，水肥一體化技術(shù)逐漸在全國各地開始普及。

2 水肥一體化系統(tǒng)組成

按照實現(xiàn)功能可以將水肥一體化系統(tǒng)分為水源工程、首部樞紐、施肥裝置、田間管網(wǎng)及灌水器等部分［19， 20］，其系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

水源工程為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的灌溉水源，以河流、湖泊、地下水為主。首部樞紐通過供水泵加壓，將過濾后的水源運送至施肥系統(tǒng)中，注入肥液，并將混合液體輸送至田間管網(wǎng)，主要由過濾裝置、施肥系統(tǒng)、壓力與流量監(jiān)測保護系統(tǒng)及自動化控制系統(tǒng)4部分組成，擔(dān)負著整個系統(tǒng)的驅(qū)動、量測和調(diào)控功能，是整個系統(tǒng)的控制中心；其中施肥系統(tǒng)根據(jù)其自身特征及灌溉施肥要求安裝在首部或灌水器前端，實現(xiàn)肥液注入的功能；監(jiān)測控制系統(tǒng)主要保障系統(tǒng)的安全運行與控制施肥灌溉作業(yè)。

田間管網(wǎng)主要由干管、支管、毛管組成，通過管道的連接將有壓水流按照要求輸送至每個灌水器。根據(jù)灌水器結(jié)構(gòu)和出水方式主要分為噴灌、微噴灌、滴灌和滲灌等，灌水器的選擇是影響灌溉效率的主要方式之一，其中噴灌易受風(fēng)影響、蒸發(fā)損失大，易造成雜草叢生和病蟲害［21］，主要應(yīng)用于氣候濕潤地區(qū)的大田灌溉，滲灌由于滴頭易堵塞，在實際生產(chǎn)中使用較少，當(dāng)前滴灌是水肥一體化使用較為廣泛的灌溉方式，主要應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、大田旱作經(jīng)濟作物栽培中。在實際生產(chǎn)中，田間管網(wǎng)以及灌水器的布置要結(jié)合地勢地形、種植方案、自然環(huán)境等因素。

3 水肥一體化技術(shù)研究動態(tài)

近幾年，我國水肥一體化技術(shù)發(fā)展迅速，推廣應(yīng)用面積顯著增加，但也逐漸凸顯出設(shè)備控制精度低、混肥均勻性差，操作不方便等諸多問題。為提高水肥一體化設(shè)備的工作性能，當(dāng)前研究主要圍繞優(yōu)化施肥器結(jié)構(gòu)、改進控制算法、構(gòu)建指導(dǎo)模型、完善施肥灌溉制度、提升裝備智能化等方面開展。

3.1 管路布置和施肥器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

不同的管路布置，會影響系統(tǒng)吸肥的效率和混肥均勻性。其中，有學(xué)者通過流體仿真發(fā)現(xiàn)，將管道彎折4次能夠基本實現(xiàn)肥液的均勻混合，還有部分學(xué)者通過設(shè)計混肥裝置來提高混肥均勻性［22］；王永濤等［23］研究發(fā)現(xiàn)，不同的施肥器布置會影響系統(tǒng)吸肥效率，其中采用旁路吸肥的方式時吸肥效率最高；李堅等［24］研究發(fā)現(xiàn)，并聯(lián)施肥器穩(wěn)定性高于串聯(lián)。除了改變施肥器位置，還有學(xué)者探索了不同的管道數(shù)量對吸肥性能的影響，其中采用三通道旁路吸肥方式時，系統(tǒng)工作效果最佳［25］，如圖2所示。由于固體肥料不能完全溶解，需要在肥料桶中加裝濾網(wǎng)桶，隨著過濾網(wǎng)直徑的減小，施肥均勻性得到明顯改善［26］。

不同的施肥器具有不同的特點，按吸肥原理主要分為壓差式、吸入式、注入式，其特點如表1所示。范興科［27］、韓啟彪［27］等為提高文丘里的施肥器工作性能，分析了該施肥器壓力損失過大的原因和進出口壓力和流量的關(guān)系；而嚴海軍［29-31］、劉永華［32］等則針對文丘里施肥器壓力損失較大以及施肥效率較低等問題，對傳統(tǒng)文丘里施肥器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并確定了最佳工作參數(shù)；也有學(xué)者在現(xiàn)有的文丘里施肥器的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)改裝，設(shè)計了一種多個吸肥管組合的復(fù)合吸肥裝置，大幅度提高了系統(tǒng)吸肥量［33］。在比例施肥器的研究方面，楊大森等［34］介紹了比例施肥器的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，對比了國內(nèi)外兩種施肥器的工作性能，并在此基礎(chǔ)上建立比例施肥器的吸肥量模型；劉俊萍［35］發(fā)現(xiàn)蠕動泵四輥子結(jié)構(gòu)為水肥一體化動力源較優(yōu)結(jié)構(gòu)；當(dāng)文丘里管和隔膜泵相結(jié)合后，可以有效改善文丘里施肥器吸肥量不穩(wěn)定、混肥均勻性差的問題。Ma等［36］針對軟管泵在施肥時因脈動現(xiàn)象產(chǎn)生的壓力不穩(wěn)定問題，通過流固耦合分析，優(yōu)化軟管施肥泵外殼形狀，有效減少流量脈動，降低壓力波動范圍。

3.2 控制算法改進

水肥一體化技術(shù)的核心是實現(xiàn)水肥濃度和pH值的精準調(diào)控，但由于在水肥一體化控制過程中，兩種流體的混合是一個典型的非線性變化過程［37］，控制器發(fā)出控制命令到系統(tǒng)響應(yīng)存在一定的滯后性［38］，導(dǎo)致傳統(tǒng)的水肥一體化控制策略無法將水肥濃度和pH值快速、精準和穩(wěn)定地調(diào)整到設(shè)定值，難以滿足精量施肥的作業(yè)要求。

針對水肥濃度調(diào)節(jié)非線性的特點，學(xué)者首先將模糊控制應(yīng)用于水肥濃度調(diào)節(jié)過程中［39］；模糊控制器本質(zhì)上是插值器，在進行邏輯判斷時，不需要依賴精確的數(shù)學(xué)模型，能夠解決水肥非線性變化的特點，魯棒性強，但對于高精度的控制，控制效果不理想，穩(wěn)態(tài)誤差較大［40］，因此，其他學(xué)者后續(xù)針對該問題設(shè)計了變論域模糊PID控制策略，其論域可以隨著系統(tǒng)誤差變小而縮小，論域收縮相當(dāng)于規(guī)則增加，進而提高了控制精度，與模糊PID控制策略仿真對比發(fā)現(xiàn)，該策略超調(diào)量減少16.9%，穩(wěn)態(tài)誤差減小0.68%。由于模糊控制存在穩(wěn)定性低、學(xué)習(xí)能力差的缺點，為此有學(xué)者設(shè)計了基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正的PID控制算法［42， 43］；反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以逼近非線性函數(shù)［44］，但該函數(shù)需要大量的訓(xùn)練樣本，訓(xùn)練時間較長，不能很好地解決傳感器的交叉敏感［45］，且該函數(shù)為靜態(tài)函數(shù)，不適合控制動態(tài)系統(tǒng)，皇甫立群［46］利用B樣條函數(shù)改進了該控制算法。李頎針等［47］對水肥EC值和pH值之間存在的交叉耦合現(xiàn)象，設(shè)計了自抗擾解耦控制策略，試驗表明該控制策略具有良好的響應(yīng)速度和魯棒性。

針對水肥濃度變化過程中存在的滯后性，學(xué)者主要通過對滯后量進行預(yù)測補償。張育斌［48， 49］通過引入灰色預(yù)測控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對作物需水量的預(yù)測；而將Smith控制器與控制算法結(jié)合，可以有效解決調(diào)節(jié)水肥濃度和pH值時存在的滯后性［50， 51］；通過建立作物蒸騰模型，也能實現(xiàn)對作物需水的預(yù)測灌溉［52］;后續(xù)學(xué)者將遺傳算法、人群搜索算法、混合蟻群算法、粒子群優(yōu)化算法用于傳統(tǒng)算法的優(yōu)化，并應(yīng)用于水肥一體化系統(tǒng)中，取得了較好的控制效果；不同調(diào)節(jié)算法特點，將多種算法結(jié)合，通過分級策略，也可以有效調(diào)控水肥濃度。

3.3 施肥灌溉制度完善

由于各地氣候、種植條件、管理模式存在差異，施肥灌溉管理制度相差也較大。研究人員發(fā)現(xiàn)，在溫暖濕潤地區(qū)，作物對養(yǎng)分吸收率較高，肥料的投入需要適當(dāng)增加；在干旱缺水地區(qū)，由于缺乏水分，肥料利用率較差，因此，需要增加基肥用量，減少追肥量［53］；在寒冷地區(qū)，提前施用氮肥可以提高豐產(chǎn)性，適當(dāng)增施磷肥可以提高植物抗寒能力［54］。因此，諸多學(xué)者結(jié)合區(qū)域特點，建立了適宜當(dāng)?shù)氐墓喔仁┓手贫?，其中高翔照等?6］總結(jié)了4種適宜不同區(qū)域及作物的水肥一體化灌溉施肥制度。科學(xué)施肥灌溉制度的建立是水肥一體化技術(shù)能夠推廣應(yīng)用的前提。

不同作物在不同生長期對水肥需求不同，隨著精準農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)的發(fā)展，精準高效的灌溉施肥需求是水肥一體化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。研究人員結(jié)合作物不同物候期生長特點，通過大量田間試驗建立適宜當(dāng)?shù)刈魑锷L的水肥需求模型，其中鄧慶玲等［55］考慮灌溉量、施肥量對作物的影響，建立了W×F—Minhas灌溉施肥模型用于指導(dǎo)果園臍橙生產(chǎn)；馬霄［56］則結(jié)合土壤類型，以產(chǎn)量為指標建立棉花的灌溉施肥模型，水肥需求模型的建立為水肥一體裝備施肥灌溉提供決策依據(jù)。

在水肥施用決策模型的研究方面，研究人員將施肥灌溉處方圖、專家決策系統(tǒng)、水肥耦合模型與物聯(lián)網(wǎng)、計算機、遙感、機器學(xué)習(xí)等先進技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)水肥施用智能決策。張海秀［57］將多種水肥需求模型匯集到?jīng)Q策模型庫中，根據(jù)不同地區(qū)不同作物在不同生育期的施肥需求，智能調(diào)用模型決策施肥灌溉；陳紹民［58］基于遙感技術(shù)采集田間果樹信息圖片，經(jīng)過光譜分析后判斷當(dāng)前果樹水肥盈缺情況，建立水肥一體化水氮供應(yīng)決策模型。孫一鑫等［59］則針對蒸騰和各環(huán)境因子間存在一定滯后，設(shè)計了一款基于蒸騰模型的超前決策灌溉施肥系統(tǒng)。還有學(xué)者針對不同作物根系分布存在差異，研究構(gòu)建了根系預(yù)測模型，根據(jù)根系密度決策施肥灌溉［60］。

3.4 智能化水平提升

隨著農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的快速發(fā)展，學(xué)者提出將農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、空間地理信息、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，現(xiàn)代水肥一體化裝備通過利用傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息采集與處理技術(shù)，結(jié)合微處理器，實現(xiàn)對施肥過程中的施肥濃度、施肥比例及施肥量進行精確控制。部分學(xué)者基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了能夠?qū)崿F(xiàn)遠程灌溉施肥、實時監(jiān)測系統(tǒng)、環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)［61］，其遠程控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，主要由傳感器和無線傳輸技術(shù)組成。在傳感器的研究方面，趙燕東等［62］設(shè)計了一種復(fù)合傳感器，實現(xiàn)了土壤多種信息的同時采集功能；還有學(xué)者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和微型傳感器的結(jié)合，設(shè)計了一種能夠準確識別硝酸根、磷酸根以及鉀離子的新型傳感器，有效提高了農(nóng)業(yè)傳感器的識別精度［63］。當(dāng)前主流無線傳輸技術(shù)主要包括GPRS、4G、WIFI、ZigBee、藍牙、LoRa等技術(shù)，不同的無線傳輸技術(shù)的適用場合不同，需要因地制宜根據(jù)需求選用，其中熊欽等［64］以ZigBee節(jié)點為基礎(chǔ)，組建了傳感器信息采集網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了將多種傳感器采集信息傳輸至處理器中；石瑩［65］通過LoRa技術(shù)實現(xiàn)了傳感器采集信息與控制系統(tǒng)之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，不同無線傳輸技術(shù)特點如表2所示。

還有學(xué)者將遙感技術(shù)、地理信息技術(shù)、專家知識決策庫與水肥一體化設(shè)備相結(jié)合，設(shè)計了智能一體化水肥控制系統(tǒng)人機交互平臺、微信小程序等［66］；江新蘭等［67］將云計算技術(shù)與水肥一體化相結(jié)合，設(shè)計了一款智能云灌溉系統(tǒng)，通過云集群的計算和分析能力，實現(xiàn)了對采集信息的高效處理；許澍［68］將空間地理信息技術(shù)與水肥一體化技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)對大田水肥信息的分區(qū)監(jiān)測。還有學(xué)者針對遙感圖像不清晰等問題，采用圖像降尺度方法提高每日蒸散量地圖的空間分辨率，進而提高估算作物需水量的準確性［69］。Perea等［70］研發(fā)了一款決策支持系統(tǒng)FERTI—DRIP，通過分析灌水器的大小和形狀對灌溉施肥過程的影響，幫助用戶選擇合適的施肥裝置，該決策支持系統(tǒng)集成了施肥、灌溉以及沖洗等功能。

4 存在問題及發(fā)展趨勢

4.1 存在問題

4.1.1 灌溉施肥制度不完善

灌溉施肥制度的確定是保障水肥一體化應(yīng)用的前提。由于水肥一體化技術(shù)作業(yè)模式與傳統(tǒng)施肥灌溉區(qū)別很大，導(dǎo)致傳統(tǒng)的施肥灌溉頻次、周期、水肥濃度、化肥種類的選擇，并不適宜水肥一體化裝備的使用要求。雖然目前已有學(xué)者研究建立了相關(guān)灌溉施肥制度，但由于不同地區(qū)環(huán)境氣候、土壤理化性質(zhì)、灌溉水源、作物在不同生長時期對養(yǎng)分需求、根系分布存在差異，導(dǎo)致灌溉施肥制度的通用性較差，只能適應(yīng)部分場合；以庫爾勒市英下鄉(xiāng)設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園為例，當(dāng)?shù)毓喔人措妼?dǎo)率為1.5mS/cm，當(dāng)加入不同種類肥料后，電導(dǎo)率變化差異較大，以某一地區(qū)的電導(dǎo)率濃度為生產(chǎn)標準，并不適宜當(dāng)?shù)氐膶嶋H種植。此外，水肥一體條件下的灌溉施肥制度中還缺乏規(guī)范的操作技術(shù)流程，盲目使用大幅增加了水肥設(shè)備的故障率。

4.1.2 模型的構(gòu)建與應(yīng)用困難

水肥耦合模型、作物生長模型、蒸騰模型和光譜預(yù)測等大量模型為水肥一體化施肥灌溉決策提供依據(jù)，而模型的建立需要經(jīng)過長時間的試驗和大量數(shù)據(jù)處理，在實際生產(chǎn)中檢驗并不斷優(yōu)化，由于不同種植區(qū)域氣候特點不同，往往發(fā)展成熟的模型在新環(huán)境中誤差較大，大量干擾因素導(dǎo)致模型構(gòu)建較為困難；此外，水肥一體化技術(shù)涉及多學(xué)科的交叉融合，由于研究過程中農(nóng)機與農(nóng)藝之間聯(lián)系不緊密，最終只有少數(shù)模型能夠應(yīng)用于水肥一體化裝備中，決策施肥灌溉。

4.1.3 施肥性能有待優(yōu)化

施肥器的結(jié)構(gòu)和控制算法是決定施肥灌溉性能的關(guān)鍵因素，而當(dāng)前廣泛應(yīng)用的文丘里施肥器吸肥性能易受結(jié)構(gòu)參數(shù)和壓力波動的影響，存在壓力損失較大、肥液倒吸等問題；國產(chǎn)比例施肥泵則因設(shè)計不合理，導(dǎo)致施肥精度不高，運行不穩(wěn)定；柱塞泵由于流量脈動與管道阻抗作用產(chǎn)生壓力脈動，造成肥液流量不連續(xù)，影響施肥均勻性。在設(shè)計水肥一體化裝備時，缺乏根據(jù)現(xiàn)場條件制定的設(shè)備選型優(yōu)化方案，管路配置不合理，施肥器不適宜當(dāng)?shù)氐墓ぷ鳁l件，影響最終的工作性能。

水肥濃度控制算法主要目的是提高混肥速度、均勻性和精度，然而水肥混合是一個非線性、時滯性的復(fù)雜過程，當(dāng)前的控制算法大都只針對其中一方面研究，缺乏統(tǒng)籌兼顧，也制約水肥一體化設(shè)備施肥性能的提升。

4.1.4 配套設(shè)施不完善，傳感器誤差較大

水肥一體化作為一項系統(tǒng)工程，配套設(shè)施是保障水肥一體化穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，然而在實際生產(chǎn)過程中，種植戶大都只注重施肥設(shè)備的配備，往往忽視了配套設(shè)施的重要性，以新疆為例，由于該區(qū)域灌溉水源礦化度較高，且缺乏相應(yīng)的水質(zhì)處理設(shè)備，導(dǎo)致未經(jīng)處理的灌溉水源在施肥滴灌過程中，易形成礦物沉積引發(fā)堵塞。

我國水肥一體化技術(shù)發(fā)展較晚，與之配套的農(nóng)業(yè)傳感器主要以引進和吸收為主，缺乏自主研發(fā)能力，導(dǎo)致當(dāng)前農(nóng)業(yè)傳感器在濕度大、光照強、植被茂密的工作環(huán)境下，使用壽命、數(shù)據(jù)傳輸速率均出現(xiàn)大幅度下降，測量誤差增大，影響實際工作質(zhì)量；而當(dāng)前廣泛用于測量土壤養(yǎng)分的電導(dǎo)率傳感器，由于易受非目標離子的干擾，導(dǎo)致測量值與真實數(shù)據(jù)存在偏差，加之傳感器售價較貴，實際生產(chǎn)中傳感器放置較少，且布置不規(guī)則，不斷增大系統(tǒng)誤差。

4.2 發(fā)展趨勢

4.2.1 完善灌溉施肥制度，加強模型構(gòu)建與應(yīng)用

根據(jù)地域氣候特點、水源條件、土壤理化性質(zhì)、作物根系分布及長勢特點，明確水肥一體化條件最佳的灌溉施肥頻次、周期、肥液濃度，根據(jù)管理模式，規(guī)范施肥灌溉流程，建立因地制宜的施肥灌溉制度；結(jié)合不同作物在不同生長階段對水肥的需求規(guī)律，以最終產(chǎn)量和品質(zhì)為評價指標，建立適宜當(dāng)?shù)刈魑锷L的水肥耦合模型，結(jié)合植物生理學(xué)、作物栽培學(xué)、土壤學(xué)、建立能夠精準描述作物生理生態(tài)過程的作物生長模型。加強多學(xué)科的交叉融合，將水肥耦合模型、作物生長模型，應(yīng)用于水肥一體化裝備中，開展集成研究，根據(jù)多種模型和外界環(huán)境因素，制定合理的灌溉施肥決策模型，實現(xiàn)農(nóng)機與農(nóng)藝的高度融合。

4.2.2 加強技術(shù)研究，提升施肥性能

針對肥液在管道內(nèi)混合不均勻問題，加強基礎(chǔ)研究，通過試驗及仿真分析水肥在田間管網(wǎng)中的遷移規(guī)律；針對壓力損失較大問題，不斷優(yōu)化文丘里施肥器結(jié)構(gòu)，減少施肥器壓力損失，提升管道布局合理性，開發(fā)低壓灌溉裝置；優(yōu)化比例施肥器的設(shè)計，提升施肥精度和效率；加強水肥濃度控制算法研究融合，增加控制系統(tǒng)魯棒性、減少系統(tǒng)誤差和超調(diào)量，最終實現(xiàn)提升水肥一體化裝備的施肥灌溉性能。

4.2.3 提升農(nóng)業(yè)傳感器綜合性能

根據(jù)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具體的應(yīng)用需求，研發(fā)出針對特定應(yīng)用場景的農(nóng)業(yè)高精度專用傳感器，通過傳感器校準、標定、合理布置傳感器、多種傳感器集成等方式提高傳感器采集數(shù)據(jù)精度；以算法優(yōu)化、提高采樣頻率等方法來避免被非目標離子干擾。制定相關(guān)行業(yè)標準與規(guī)范，保證傳感器在不同農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的互通性和兼容性。

4.2.4 提升智能化信息化

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)水肥濃度、土壤墑情、環(huán)境信息的實時監(jiān)測，結(jié)合自動控制和優(yōu)化算法技術(shù)，實現(xiàn)水肥濃度的精準調(diào)控；提升設(shè)備的信息化能力，通過加強云網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息傳輸技術(shù)在水肥一體化設(shè)備上的應(yīng)用，實現(xiàn)設(shè)備的遠程監(jiān)測控制和數(shù)據(jù)的云處理；根據(jù)建立的水肥耦合、作物生長等模型，結(jié)合人工智能、遙感、計算機、物聯(lián)網(wǎng)、機電一體化等技術(shù)，建立相關(guān)的專家決策模型，提升設(shè)備的智能化水平，最終實現(xiàn)設(shè)備能夠根據(jù)土壤養(yǎng)分墑情、作物長勢、氣候變化等多方面因素，合理科學(xué)、智能精準地將水肥按需供給作物生長。

5 結(jié)語

水肥一體化技術(shù)能夠充分緩解我國化肥利用率不高、灌溉模式粗放等問題，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要途徑?；趯λ室惑w化技術(shù)發(fā)展動態(tài)的文獻研究和實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前我國水肥一體化技術(shù)缺乏結(jié)合地域特點建立的施肥灌溉制度，由于涉及多學(xué)科交叉，水肥耦合模型、作物生長模型難以應(yīng)用于水肥一體化裝備；在實際生產(chǎn)中還普遍存在配套設(shè)施不完善、系統(tǒng)能耗大、智能化水平低等問題。

因此，未來應(yīng)著手加強不同化肥溶解于不同水質(zhì)后電導(dǎo)率變化規(guī)律研究，加強水肥溶液在田間管網(wǎng)中的運輸規(guī)律研究，通過優(yōu)化施肥器結(jié)構(gòu)、改進混合肥液控制算法以及合理布置灌溉管路提升施肥性能；加快研發(fā)低壓灌溉裝置，減少系統(tǒng)壓力損失；通過加快農(nóng)用傳感器的研發(fā)，提高信息采集的精度；將水肥一體化技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、自動控制、計算機、3S、人工智能等多種技術(shù)的融合，著重加強多種模型的構(gòu)建與應(yīng)用，提升設(shè)備的智能化和信息化水平。

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