中國水肥一體化裝備的分類及發展方向

趙春江+郭文忠

【摘要】詳細論述了中國水肥一體化裝備的特點，從設備的肥料通道、回液模式、水肥配比方式、控制決策、設備運行方式、肥料形式以及管理規模等方面對水肥一體化裝備進行了分類，并根據中國農業生產特點及現代信息技術發展，提出了物聯網+水肥一體化的未來發展方向和建議。

引言

中國農業生產中過量灌溉施肥導致水肥資源浪費、土壤酸化和水體環境污染問題突出，對農業可持續發展和糧食安全生產帶來嚴峻的挑戰。據統計，中國用約占世界6%的淡水資源和9%的耕地，以及30%左右的化肥，生產出了占世界26%的農產品，養活了世界近20%的人口[1]。可見水肥在中國農業生產中的重要作用，但肥料用量巨大，缺水比缺地更嚴峻，是中國農業發展一個不可回避的現實問題。目前，中國農業年用水總量約3600億m3，僅灌溉區每年缺水就在300億m3左右，而中國農業灌溉用水利用系數只有0.3～0.4，水分生產率不足1 kg/m3，僅為美國、以色列等世界發達國家的1/2左右[2-3]。中國農業化肥年施用量已超過6000萬t，約占世界總消費量的1/3，單位面積施肥量是世界平均水平的3倍左右；為獲得高產而盲目大量施肥，我國肥料的當季有效利用率平均只有30%左右，比發達國家低20%左右[4-5]。這種高耗低效的生產方式帶來了資源浪費、生態退化和環境污染等系列問題，已經成為制約中國農業可持續發展的瓶頸[1]。水肥一體化是當今世界公認的一項高效節水節肥農業新技術，主要根據土壤特性和作物生長規律，利用灌溉設備同時把水分和養分均勻、準確、定時定量地供應給作物。發達國家農業生產的經驗表明，推廣水肥一體化技術是實現農業可持續發展的關鍵。因此，水肥一體化技術是發展高產、優質、高效、生態、安全現代農業的重大技術，是建設資源節約型、環境友好型現代農業的“一號技術”[6]。多年實踐證明，水肥一體化是“控水減肥”的重要途徑。然而，我國當前的水肥一體化技術推廣仍面臨著技術產品不夠配套、政策支持不夠全面等現實難題[7]。

自20世紀60年代，發達國家已大范圍推廣應用灌溉施肥技術，并借助于控制技術與傳感器技術的發展，研發了具有報警功能的MICRO-WASTER系列灌溉控制器以及HYDRA灌溉管理專家系統等一系列產品。荷蘭、以色列和日本等發達國家自20世紀60年代開始推廣應用水肥一體化技術，如今技術已相當成熟。中國的水肥一體化技術自1974年由墨西哥引進滴灌設備算起，已有40多年的發展歷史。中國現代化設施栽培中采用的先進灌溉設備幾乎都引自農業發達國家，系統設備成本較高，以作物生長模型為設備的控制策略，不能適應中國作物的種類、品種、栽培模式、區域、季節多樣化的復雜生長特點，在實際應用時將控制策略更改為時序控制或環境參數控制。

中國也自主開發了一些自動化灌溉與施肥控制系統。例如，國家節水灌溉北京工程技術研究中心開發的田間閘管灌溉系統，北京農業信息技術研究中心基于Geen-AM可編程控制器研發的肥能達施肥裝備，中國農業機械化研究院研制的2000型溫室自動灌溉施肥系統，以及天津市水利科學研究所研制的FICS-1和FICS-2型滴灌施肥智能化控制系統等均對我國水肥一體化設備開發及推廣發揮了積極的作用。但是，目前國內應用的眾多灌溉施肥裝備由于缺乏水肥的智能決策及配套系統技術，且基于時間控制策略與作物環境相關性不強，水肥決策的智能水平低，普及性并不樂觀，尤其針對規模化生產的水肥管理，尚缺少大型園區或基地水肥綜合管理系統。可見，我國在水肥一體化方面急需一套成熟實用、普及廣、功能穩定以及配套齊全的科學產品，特別是針對大規模生產基地多作物水肥管理的裝備及配套系統需求迫切。為推進水肥一體化技術的發展，國家近年來相繼出臺了一系列政策：國務院印發了《國家農業節水綱要（2012-2020）》，提出加強水肥一體化的集成應用；農業部下發《關于推進農田節水工作的意見》，將水肥一體化列為主推技術，要求強化技術集成與示范推廣；尤其是2013年和2016年農業部辦公廳連續印發了《水肥一體化技術指導意見》和《推進水肥一體化實施方案（2016-2020年）》，對中國水肥一體化的發展做出了戰略部署，著力推進水肥一體化技術的本土化、輕型化和產業化。水肥一體化最近幾年受國家政策和經費的大力支持，全國各地得到了廣泛的應用。

隨著科學技術的發展，水肥一體化的研究也得到了進一步地發展。目前對水肥一體化技術及其配套裝備也有不同的認識和分類。

水肥一體化的定義和設備的分類

根據認識來分類

傳統水肥一體化技術 將可溶肥料溶解到水里，棍棒或機械攪拌，通過田間放水灌溉或田間管道，更進一步的還通過滴灌或微噴灌等裝置均勻的進入田間土壤中，被作物吸收利用的技術。

現代水肥一體化技術 通過實時自動采集作物生長環境參數和作物生育信息參數，通過模型構建耦合作物與環境信息，智能決策作物的水肥需求，通過配套施肥系統，實現水肥一體精準施入，大大提高灌水和肥料的利用效率。

根據設備肥料通道來分類

單通道水肥一體化設備 該種設備主要是針對作物需肥簡單，用于單一肥料來源設計開發的小型自動或智能灌溉施肥機，只有一個吸肥通道，結構緊湊、便于拆卸、操作簡便、價格低廉、故障率低，可滿足單體溫室或大田作物的應用，農戶易掌握，推廣面積大（圖1）。

多通道水肥一體化設備 該種設備針對作物在不同生育期需肥不同，能夠及時調整肥料成分而開發的大中型灌溉施肥機。由多個吸肥通道，可設定配比比例，啟動程序和系統自動配比。肥料來源都是可溶解的，各組分配制溶解液儲存在儲液桶，通過管道連接對應吸肥通道，進入灌溉施肥機配肥，隨水進入到田間。這種設備需要專業技術人員操作，根據不同的控制策略自動或智能運行（圖2）。

根據回液是否處理來分類

開放式水肥一體化設備 該種設備是針對于溶解肥料或營養液不回收的水肥一體化系統開發的灌溉施肥機。多用于土壤栽培或不做回收系統的基質栽培，無回收系統和過濾消毒凈化系統。

封閉式水肥一體化設備 該種設備是針對溶解肥料或營養液可回收的水肥一體化系統開發的灌溉施肥機。多用于水培、霧培或有回收系統的基質栽培，需要做回收系統和過濾消毒凈化系統。過濾消毒凈化系統由慢砂過濾、紫外消毒、臭氧消毒、加熱消毒等功能選配組成，水肥利用率高，是一種可以實現零排放的水肥一體化系統。

根據肥料和水源的配比方式來分類

機械注入式 該方法是指在灌溉時，采用人工、泵、壓差式施肥罐或文丘里吸肥等裝置將肥料倒入或注入直接灌溉田間的小水渠或水管中，隨灌溉水使用肥料的一種措施（圖3）。

自動配肥式 該方法是指在灌溉配肥時，根據作物的灌溉施肥指標或閾值，設定肥料配比程序，通過文丘里或施肥泵，采用工業化控制程序，控制電磁閥，實現肥料的自動配比，是目前常用的自動化配比方式。

智能配肥式 這種方法是根據作物生育期不同的施肥需水特征，耦合生產區環境因素構建智能決策模型，經過電腦運行計算，智能判斷控制系統執行水肥一體化設備系統完成灌溉施肥。近年來，采用養分原位監測技術采集到的作物土壤的養分水分信息，對決策模型的參數進行適時修正已經成為重要的研究方向，也是將來水肥一體化系統智能化程度的重要評判依據和未來水肥一體化應用的重要方向。

根據灌溉施肥機的控制決策來分類

經驗決策法 該方法完全憑借生產者或管理者在長期工作中積累的經驗以及解決問題所形成的慣性思維方式，對具體作物生產過程中水肥施用時間和用量進行決策判斷。

時序控制法 該方法一般根據當地的土壤類型、氣候及作物的生長狀況等實際情況，由管理者或用戶對灌溉和施肥的啟動及關閉時間進行提前設定，從時間尺度上控制水肥用量。

環境參數法 該方法通過采集環境信息，主要是光照輻射積累量或者土壤含水量，主要依據對作物生長具有重要影響的某一環境參數控制水肥的施用時間及用量，在控制程序中設定閾值，也有將多個關鍵環境參數進行耦合而實現水肥控制的方法。

模型決策法 該方法根據不同作物的水肥需求特征，構建基于物聯網技術的灌溉施肥模型，采集田間作物生長信息和環境信息，經過運算形成水肥管理決策，智能控制灌溉施肥機運行配肥和田間灌溉動作，這是最高級的控制決策方法，也是智能水肥一體化設備的重要體現（圖4）。

根據灌溉施肥的運行方式來分類

固定式施肥機 將灌溉施肥機安裝在固定的地點，專門建造設備房，配套安裝砂石過濾、反沖洗過濾系統，對水質要求高的還可以安裝凈化水裝置，通過管道網進入田間。

移動式施肥機 將灌溉施肥機安裝在大型移動噴灌機上，隨著噴灌機的移動進行灌溉施肥。也有將灌溉施肥機安裝在卡車上，分片區操作，可減少管道的鋪設或減少安裝施肥機的數量。陸紹德等[8]開發的HJYDS-1型移動式水肥藥一體化施肥車，主要由輪式拖卡車、水肥箱（高低各1個）、加壓設備等組成。該施肥機適合于面積較大的種植作物，一次性可灌溉面積更大，工效更高，可利用的范圍更廣，實用性更強，具有節約成本的特點，更適合于規模化種植基地。

根據肥料形式來分類

無機水肥一體化系統 該種設備是針對化學合成方法生產的單一型或復合型水溶性肥料的施用設計開發的水肥一體化系統，用于土壤栽培和無土栽培的非有機生產。該系統可配備單一吸肥通道或多個吸肥通道，分別用于復合型無機肥施用，及氮、磷、鉀等多種單一型無機肥源的配比混合施用。這種設備有利于提高勞動效率，實現水肥自動化、智能化管理，已在生產中推廣應用（圖5）。

有機水肥一體化系統 該種設備是針對液態有機肥源的制備和施用設計開發的，它（圖6）由有機液肥發酵子系統和有機灌溉液肥管理子系統兩部分組成，與微灌灌溉系統結合，在有機農業生產的水肥管理中應用。有機液肥發酵子系統主要包括發酵罐體、循環系統、供氧系統和多級過濾系統等，用于制備有機液肥；有機灌溉液肥管理子系統包括有機灌溉液濃度控制系統和灌溉管理系統，根據灌溉策略可實現有機生產的水肥一體化、精細化和自動化管理[9]。

根據管理規模來分類

單體或小規模水肥一體化管理系統 這種設備主要是針對單體溫室或小面積的作物生產而開發的小規模灌溉施肥管理系統，作物種類單一，需肥簡單，可以通過吸肥泵或文丘里自動吸取生產人員在作物不同生育階段準備的水溶肥料，在自動控制模式下根據作物生長階段、光照強度和土壤條件等實現實時、適量、自動、智能灌溉施肥。

大規模水肥一體化管理系統 該種設備主要是針對大面積的多種作物生產而開發的大規模灌溉施肥智能管理系統（圖7），多用于農業園區和生產基地的水肥管理，需要做配肥站、儲肥罐和多個分區監測站。可設定作物種類、啟動程序自動實現不同作物的肥料配比、溶解、混勻和輸送等。基于不同作物生長規律和環境條件融合的灌溉施肥決策模型，實現整個農業園區或生產基地水肥綜合管理。

中國作物水肥一體化設備的發展方向

由于中國地域廣闊，種植的作物種類多、栽培方式多樣、栽培季節差異大、田間配套設施條件不同、管理水平高低不同，各地科研工作者或企業相繼開發了多種形式的國產灌溉施肥機，對水肥一體化的推廣起到了積極的作用。因此，無論從國家政策要求，還是國內實際市場需求，研發適合中國國情的水肥一體化裝備及配套系統體系非常必要，這對于大力推進中國現代農業智能化發展具有重要意義。

進入21世紀，隨著網絡傳輸技術、信息感知技術、數據處理技術與現代控制技術急速發展，也使得“物聯網”技術逐漸發展起來，它綜合了多種現代電子信息技術，并將其綜合、完善和發展，它正以前所未有的速度應用于社會、經濟和人類生活各個領域，被稱為一場新的產業技術革命。物聯網技術為現代農業智能化水肥管理提供了一種有效手段。由于美國、以色列、日本、法國、加拿大等一些國家信息技術發展早，基礎設施條件較好，而且從事農業的人口少，因此農業現代化與精細化程度較高，在大田糧食作物種植精準作業、設施農業環境監測和灌溉施肥控制、果園生產的信息采集和灌溉控制、畜禽水產精細化養殖監測網絡和精細養殖等方面應用廣泛。例如：法國在2008年就已建立了較為完備的農業區域監測網絡系統，用于指導農業生產中的施肥、施藥、收獲等過程；荷蘭開發的Velos智能化母豬管理系統，已在荷蘭及歐美許多國家得到廣泛應用，該系統具有自動管理、自動供料、自動報警和傳輸等功能特點[10]。美國Crossbow公司在2007年就推出了一款稱為eKo的無線環境監測系統，主要應用在精準農業管理和環境監測等領域，不僅能夠實現農業環境的實時監測，而且具有農田智能灌溉、施肥驅蟲及霜凍監測等功能[11]。國家農業智能裝備工程技術研究中心在農業應用物聯網技術研究開發方面，在田間環境土壤信息獲取、變量施肥、聯合收獲機自動測產、農業機械作業監控、自動導航、作物水肥一體化綜合管理系統、農科城建設、云平臺建設等方面已經開發成功并推廣應用，對我國農業信息化和智能化的發展做出了積極的努力和貢獻。因此，在農業生產活動中，通過物聯網+水肥綜合管理系統（圖8），實時自動采集作物生產區環境參數和作物生育信息參數，并通過指標決策或模型決策控制系統進行智能灌溉施肥，通過對土壤水肥的精確控制實現水肥一體精準施入，大大提高灌水和肥料的利用效率。探索大型園區或基地高效節約低耗的水肥管理模式，具有覆蓋生產示范園區和生產基地的能力，最終實現作物生產基地水肥管理的互聯互通，管理所有的“物聯網”精準灌溉控制系統，建立區域性或全國性水肥管理網絡，實現農業生產基地的少人化管理，降低生產成本，減少肥料投入，節約農業用水，提高作物的產量和品質，提高生產區綜合經濟效益，促進中國農業的信息化和智能化發展。由此可見，基于物聯網技術的作物水肥綜合管理在我國農業現代化發展中具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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