溫室水肥一體化自控裝備及其應用

李銀坤+李友麗+趙倩+郭文忠+賈冬冬+田野

【摘要】針對中國設施蔬菜生產過程中灌溉不合理、肥效差、智能化水平低、勞動強度大等問題，開發了一種適用于溫室大棚蔬菜生產的水肥一體化自控裝備，并通過田間應用與對比，初步驗證了裝備系統的可靠性及穩定性，且具有穩產節水高效等優點。

背景

滴灌施肥是目前節水、節肥效果最好，發展最快的灌溉技術之一，在中國溫室蔬菜生產中被廣泛應用。但灌溉施肥過程仍以人工參與為主，根據經驗灌溉，依據長勢施肥；可溶性肥料的溶解也主要依靠人工攪拌，隨機性強，費工費時，若攪拌不充分，還容易產生沉淀，不僅未能達到應有的肥效，且易造成滴灌系統的堵塞。可見，水肥管理的智能化水平低、水肥不協調、施用時間不適宜以及水肥利用效率低是設施蔬菜生產過程中存在的主要問題。如今，國內外的自動灌溉施肥系統均已取得了很大發展，市場上出現了不同類型和功能的水肥一體化設備。但這些設備的體型一般較大、結構復雜、安裝和維修的難度高，且價格昂貴，應用操作的專業性較強，在中國以日光溫室為主體的設施農業發展中推廣難度較大。日光溫室作為具有典型中國特色，并且生產規模巨大的設施類型，一直是中國溫室園藝裝備升級的重點。因此，中國設施農業對一種結構簡單、安裝便捷、功能實用，且價格低廉、自動控制程度較高的灌溉施肥系統需求較為迫切。

水肥自控裝備及系統

裝備簡介

針對上述問題，北京農業智能裝備技術研究中心開發了一種水肥一體化自控裝備（圖1），可適用于日光溫室、塑料大棚及連棟溫室等設施。裝備具有人工和自動2種控制模式，通過液晶觸摸屏和模塊化灌溉施肥控制器，實現人機界面顯示、數據采集儲存和設備智能控制等功能。系統既能在自動控制模式下根據作物種類、生長階段、光照強度和土壤條件實現智能化灌溉施肥，也可在人為參與下實施隨機干擾式的灌溉施肥。該裝備具有結構簡單、占地面積小、安裝簡易、功能實用等特點。

裝備結構

裝備結構一體化設計（圖2），體積小，安裝簡易，并方便移動。在屏幕上方有可以左右滑動的蓋子，用于保護屏幕及電子按鈕。在肥液桶內不僅安裝有攪拌器用于加速肥料的溶解，且安裝了液位傳感器，當桶內液位降至液位控制下限時，自動啟動加水控制閥為肥液桶供水，液位到達控制上限時加水控制閥門關閉。另外，在裝備的管理面積大或與傳感器距離較遠時，可以利用無線通訊獲取土壤含水率、溫濕度等參數。

功能特點

水肥一體化自控裝備具有以下功能特點：

（1）采用旁路式安裝在已有供水主管道上或自帶水泵供壓，并對灌溉水或肥液進行過濾；

（2）配有環境采集系統，可實時獲取環境溫度、濕度及光照強度等參數，將環境參數作為啟動灌溉的條件之一；

（3）依據土體含水量變化、模型計算灌溉量，確保灌溉水的按需供給。也可通過控制界面設定灌溉施肥控制參數，實施定時定量的灌溉施肥；

（4）具有自動攪拌功能，施肥程序啟動后將自動運行，使可溶性肥料的溶解更徹底，防止滴灌系統堵塞，保證施肥效果；

（5）安裝有流量計和EC傳感器，實時顯示檢測數據，定量灌溉并自動調整施肥頻率，使肥液以適宜濃度供給作物；

（6）具備對灌水量、灌溉次數、土體含水量、光照強度以及空氣溫濕度等信息的監測和采集功能，并可查詢和下載；

（7）擁有自動預警系統，設備運行中出現異常，系統將自動停止并報警。

控制系統及流程

該裝備系統硬件（圖3）采用模塊化設計理念，以可編程控制器（PLC）為核心，包括電源模塊、AD模擬量采集模塊、傳感器模塊和上位觸摸屏模塊。

系統軟件采用基于土體含水量的模型控制方法，利用水分傳感器實時采集土體含水量，推算土壤實際耗水量，從而根據作物的實際吸收進行必要的水分補充。系統上電后，由管理者通過人機交互上位觸摸屏模塊設置控制參數，包括：灌溉面積、土壤濕潤比、灌水計劃層、水分控制上下限等。當自動模式置位后，AD模擬量采集模塊通過與外圍傳感器的實時通訊，獲取溫室溫度、濕度、光照強度信息及土體濕度信息，并發送數據至PLC。PLC內置基于土體濕度的模型控制算法，包括條件啟動算法及電導率PI調節算法。在每天設定的啟動時刻決策當天是否需要灌溉，進而啟動閥門和水泵，并實時監控實際灌溉流量，當實際灌溉流量達到決策的計算灌溉量時，停止灌溉。上位機實時監控系統運行狀態，并連接數據庫上傳環境參數和灌溉參數，供管理者查詢和下載，實現栽培過程中水肥的自動管控。

應用試驗

試驗方法

試驗于2016年4～9月在北京市大興區長子營鎮河津營村合作社開展。設常規水肥管理（CK）和水肥一體化智能裝備自動管理（WF），布置在均為南北走向的2棟塑料大棚中（面積均為60 m2）。其中處理CK為當地農民習慣的水肥管理模式，主要依據管理者生產經驗判斷灌水和施肥的時間及用量；處理WF由水肥一體化設備自控管理，主要通過在可編程序中設定對應的控制參數，將可溶性復合肥溶解在肥液桶中，灌溉模式切換至自動狀態而進行的水肥自動管理模式。處理CK和處理WF均采用相同的滴灌系統。處理CK所在大棚的0～20 cm土壤有機質含量22.1 g/kg、全氮1.43 g/kg、速效磷326.3 mg/kg、速效鉀170.9 mg/kg；處理WF所在大棚0～20 cm土壤有機質含量23.7 g/kg、全氮1.35 g/kg、速效磷297.4 mg/kg、速效鉀183.4 mg/kg，田間持水量26.5%，土壤容重

1.36 g/cm3。由此可見，2棟塑料大棚的0～20 cm土壤化學性質無明顯差異。試驗中處理WF具體布置及實施情況為：大棚內均勻布置土壤水分傳感器2組，每組監測土層深度為20、40 cm，距地面1.5 m高處布置光照溫濕度傳感器1個；土體含水量、光照強度、溫度、濕度每30 min記錄并存儲1次；水肥一體化裝備系統安裝有流量計監測和顯示瞬時流量、累積灌溉量；系統設定每天10：00進行分析判斷和灌溉。

2016年4月19日～9月24日進行種植生菜試驗，共進行了3茬試驗。其中第1茬生菜定植于4月19日，5月24日收獲；第2茬7月3日定植，8月9日收獲；第3茬8月22日定植，9月24日收獲。生菜的株距和行距均為30 cm，在第1茬生菜定植前，各處理均施底肥（商品有機肥）10 t/667 m2，其他所有農事操作保持一致。其中處理CK追肥時，將沖施肥溶解在水中，通過簡易吸肥器與灌溉水混合，隨滴灌施到作物根系土壤中。

結果與分析

由圖4可以看出，水肥一體化自控裝備在10：00準時啟動了灌溉。裝備的儲存數據顯示，當天的氣溫和空氣濕度變化范圍分別為15.7～34.7℃和28.9%～96.5%，氣溫和濕度峰值分別出現在12：30和6：00，灌溉啟動時的氣溫和空氣濕度分別為31.5℃和36.5%，光照強度為43652 lx。灌溉前的土體含水率隨時間的推進呈下降趨勢，并在10：00時降至19.2%。裝備自動灌溉0.819 m3，灌溉后的土體含水率有明顯的上升，增長至25.6%。說明水肥一體化自控裝備能夠保證生菜生長的合理土壤水分條件。

由圖5可知，試驗期間的生菜產量有較大波動，其中第1茬的生菜產量最高，第2茬與第1茬相比較，處理CK和WF的生菜產量分別降低了63.6%和54.9%，說明處理WF更有利于生菜穩產。處理WF的3茬生菜產量均高于處理CK，增加幅度為11.8%～54.7%，說明了水肥一體化自控裝備相對于常規水肥管理模式具有更高的產量收益。由圖6可知，與處理CK相比，處理WF的灌溉水利用效率在第1茬至第3茬分別提高了96.7%、134.9%和96.8%。

綜合分析，水肥一體化自控裝備控制下，土壤水分保持在較為適宜的范圍內，不僅降低了年際的產量波動，增加了產量，且大幅度提高了灌溉水利用效率，具有較高的經濟效益。同時，自控裝備實現了水肥一體的自動管理，降低了勞動強度，并可將一部分人力釋放出來，有效降低了勞動成本，提高了勞動效率，促進了設施農業現代化發展。