智能化潮汐式灌溉系統的研究

吳國娟

摘 要：智能化潮汐式灌溉是一種高效、節水、先進的新型灌溉技術，已成為溫室花卉種植和蔬菜育苗的重要灌溉方式之一。文章介紹了智能化潮汐式灌溉的原理和應用現狀，分析和總結了利用智能設備進行潮汐灌溉條件下水肥利用和植物病蟲害2個方面的研究現狀，并討論了智能化潮汐灌溉技術存在的問題和發展趨勢。

關鍵詞：智能化；潮汐灌溉；發展趨勢

中圖分類號：TP278 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2018.04.013

Research on Intelligent Ebb-and-flow Irrigation System

WU Guojuan

（Tianjin Aimin Network Technology Company Limited， Tianjin 300040， China）

Abstract： Intelligent ebb-and-flow irrigation was a kind of high-efficient， water-saving and advanced irrigation system. Intelligent ebb-and-flow Irrigation has become one of the main irrigation ways in flower planting and vegetable seeding in greenhouse. In this paper， the principle of intelligent ebb-and-flow irrigation and its application status were introduced， two aspects including water and fertilizer saving， plant diseases and pests under intelligent ebb-and-flow irrigation were analyzed and summarized， the existing problems and future research direction in intelligent ebb-and-flow irrigation were discussed.

Key words： intelligent； ebb-and-flow irrigation； research direction

隨著世界淡水資源日益緊缺，發展智能化節水型農業顯得越來越重要。目前，除了采用渠道防滲、低壓管灌、噴灌、微灌等節水灌溉技術外，智能化潮汐式灌溉系統也逐漸受到重視，即采用先進的智能化控制技術，根據植物生長不同階段需水量，實施定時、定量的精準澆灌，這種澆灌方式不僅提高了澆灌水的利用率，而且使植物始終保持在適宜生長條件下，有助于植物生長。

1 智能化潮汐式灌溉系統

1.1 智能化控制系統

隨著智能手機的普及，智能化控制系統逐步推出了基于智能手機的灌溉系統——智能農業物聯網控制系統[1]。智能農業物聯網系統通過在生產現場部署傳感器、控制器、攝像頭等多種物聯網設備，借助個人電腦、智能手機，實現對農業生產現場環境指數實時監測展示、自動報警提醒，同時實現遠程自動控制生產現場的灌溉、通風、降溫、增溫等設施設備[2]，該系統的使用可減少人工成本，實現精準調控，有效規避生產風險。

農業物聯網分為感知層、傳輸層和應用層3個層次，傳感器是感知層的重要組成部分，是獲取信息的終端裝置，也是智能農業信息技術的重要基礎，通過對作物生長環境參數（如空氣溫濕度、土壤溫濕度、總輻射、光合有效輻射、凈輻射、光量子、降雨量CO2濃度、pH值等）需求的定制，集成應用于多重農業控制系統[3]。另外，在智能農業物聯網平臺中匯聚了大量的農業專家資源，搭建了涵蓋蔬菜、瓜果等主要作物的農學知識庫。用戶可在云平臺上通過圖片、文字、語音等方式向專家進行遠程技術咨詢，以獲取專家的遠程指導；用戶還可以在平臺上進行自助咨詢，快速獲取由系統智能應答的農技指導；同時在云平臺上，用戶可以添加專家或其他生產者為好友，或者在云平臺交流中心進行交流，以獲得更多農技指導信息。

智能化澆灌系統在一些缺水的發達國家發展相對較快，他們運用先進的電子技術、計算機和控制技術，使澆灌系統配備智能化控制設備，澆灌技術日趨成熟。美國是世界上最早將計算機應用到溫室環境監測中的國家，而以色列是世界上智能化澆灌技術發展最具有代表性的國家，他們最早利用電腦控制溫室內植物的澆灌。目前隨著計算機和物聯網技術的發展，以色列全國農業土地基本實現了灌溉管理智能化，普遍推行智能控制系統，根據控制系統設置的參數將營養液直接澆灌作物供其吸收利用，提高了水資源利用率。

我國智能化澆灌研究相比于發達國家起步較晚，自動化程度低，智能控制研究處于起步階段，開發的智能灌溉控制系統多處于試用階段。早在20世紀80年代，中國農業大學利用8031單片機研制了一套智能化灌溉系統，該系統可以采集多路土壤水分指標數據，實現了對多路系統進行自動灌溉控制的功能，但是該系統在實際運行中的穩定性有待提高[4]。福建省水利建設技術中心研制的智能化澆灌控制系統，應用了計算機技術、遙感技術、自動控制技術等進行集成與優化配置，對大田作物除了采取人工澆灌外，還可以進行定時澆灌和恒濕澆灌[5]。吳尚潤等[6]利用PLC完成了一個智能灌溉系統，該系統可以人工設置澆灌參數，實際的水量與設置的參數不符時，經過PLC智能澆灌系統驅動電機模塊，然后電機啟動進行澆灌，PLC智能澆灌系統克服了許多傳統澆灌的缺點，在實際應用中能夠準確、快速地做出澆灌指令。李星恕[7]根據設施大棚內溫度、光照等條件相互影響、相互制約的特點，將模糊控制理論應用于溫室內溫、濕度的智能調控，設計模糊控制軟件、編制模糊控制軟件程序，在改善溫室智能控制方面取得了良好的效果。陳教料等[8]利用在浙江省農業高科技示范園區內智能溫室中采集的試驗數據，以能量和物質守恒為理論基礎，提出了溫室智能澆灌控制的新建模思路，該思路研究了溫室環境中影響溫度和濕度的對流、通風以及植物蒸騰作用等各項數據指標，結合溫室環境實際運行中小氣候變化，建立了澆灌系統中溫度和濕度的模型。郎文秀等[9]研究的智能溫室控制系統通過PLC控制器控制植物生長的營養液的pH值和電導率值，實現對營養液調配和參數的設置；通過無線通信技術，將來自PLC的數據打包后通過GPRS網絡傳輸到網絡，管理中心通過網絡實現設備到監控系統之間的無線、雙向數據傳輸，然后對獲取的數據進行處理，實現栽培區的集中控制。王紀章[10]根據在智能溫室內部與外部采集到的各種環境參數的變化以及溫室內部溫、濕度等指標的調控方法，提出了可以在多個模塊下進行智能切換的環境控制模型。對于在智能溫室內植物生長量與溫度、濕度等環境指標變化的短尺度不協調等問題，提出了溫室內部各種環境指標相結合的調控方法，實現溫室環境參數的優化調控，通過實際種植生產表明，該方法可有效地增加植物積溫，實現了智能溫室內部作物的高產高效生產。

1.2 潮汐式灌溉系統

潮汐式灌溉系統是根據潮水漲落形成落差的原理設計的一種灌溉系統，該系統適用于盆栽植物的營養液栽培和容器育苗的種植及管理，相比于傳統澆灌方式，可有效提高水資源的利用效率。潮汐式灌溉主要分為地面式和苗床式2類，其中，地面式潮汐灌溉是指在地面上砌一個可以裝盆栽植物或者育苗容器的蓄水池，蓄水池有進水口和回水口；苗床式潮汐灌溉指利用栽培苗床進行潮汐灌溉，苗床上設有專門的進水口和回水口[11]。

在使用時，潮汐式灌溉均由進水口將澆灌水或者配置好的營養液注入潮汐苗床或者蓄水池，當苗床或者蓄水池的水位達到設定的液位高度后，使苗床中的盆栽植物或栽培苗在液位中保持大約10 min，水分因毛細作用而上升至盆中介質的表面，從而使作物根系充分吸收水分，而后打開回水口，將營養液回流到儲液池中，待另一栽培床需水時再將營養液送出。潮汐灌溉系統具有調整營養液pH值和各種養分濃度的作用，為避免營養液過度污濁，增加介質的過濾系統和消毒系統[12]。在潮汐式灌溉系統中，基質孔隙度和孔隙類型顯著影響潮汐式灌溉的效率及效果，其基本組成和工作原理如圖1所示。

為了達到理想的灌溉效果，潮汐式灌溉系統要求栽培床必須水平，從而保證澆灌水能在栽培床上自由地流動；同時，當灌溉結束后，栽培容器內多余的澆灌水利用重力作用必須回收到水平的栽培床上，然后從栽培床再回收到回液池中，從而保證澆灌水的循環利用。栽培床表面必須水平才能確保澆灌水在栽培床的良好澆灌——使所有栽培容器中的基質在同一時間加濕，多余的水分在同一時間回流[13]。

經過幾十年的發展、改進和完善，潮汐式灌溉在融合了自動化技術、NFT 營養液水培技術和營養液消毒技術基礎上，逐步發展成包含動力、施肥、灌溉、儲存、過濾消毒和智能監控等設備的完整、高效、節能和環保灌溉系統。一套完整的智能化潮汐式灌溉系統包括動力系統、智能灌溉系統、儲存系統、過濾消毒系統和智能監控系統5個部分，其中，動力系統是基礎，由變電設施和電器元件組成，為整個灌溉系統提供動力，保障系統正常運行；智能灌溉系統是核心，由給水泵、栽培池或床、給回水管道和控制閥等部分組成，在該系統中依據營養液配方將大量元素和微量元素按比例注入儲存有潔凈水的混合池中，形成適宜濃度的營養液，然后將營養液輸入栽培池或栽植床浸潤基質后，引導剩余營養液回流到儲存系統；過濾消毒系統是關鍵環節，同時又是系統的最薄弱部分，一般由過濾裝置、紫外消毒裝置等組成，主要對給水和回流液進行過濾消毒處理，減少根系病害和水生病菌的滋生；儲存系統是在灌溉間隙儲存營養液的設備或池，一般與混合池合二為一；智能監控系統是中樞，由傳感系統、傳輸系統、數據統計分析及處理系統組成，對種植環境內的空氣溫濕度、二氧化碳濃度、營養液的溶解氧、pH 值、電導率、離子濃度、配比等進行監測 [12]。

2 智能化潮汐式灌溉系統的應用現狀

2.1 智能化潮汐式灌溉條件下水肥利用的研究情況

智能化潮汐式灌溉是一項先進的農業灌溉技術，具有提高作物生長速度、節水高效、降低管理成本等優點。胡靜等[14]研究發現，與人工澆水栽培相比，潮汐式灌溉可有效促進生菜生長，顯著增加產量，同時大幅降低用水量、耗電量和用工量，節約用水、電費和人工成本分別達32%、25%和75%，大幅度降低了管理成本。甘小虎等[15]研究發現，辣椒潮汐式灌溉育苗能夠保持基質的透氣性，不板結，并且營養供應及時，達到供水供肥均勻、幼苗長勢整齊的效果。青菜營養豐富，生長迅速，廣泛栽培于我國各地，在設施條件下可實現周年生產，李梅玲 [16]對穴盤小青菜潮汐式灌溉栽培研究發現，潮汐灌溉的小青菜生長狀況最佳，產量最大，葉綠素含量最高，并能大幅減少人工成本、耗電量和耗水量。在蔬菜育苗方面，柳紅等[17]研究發現，黃瓜潮汐灌溉育苗更能提高黃瓜苗的壯苗指數和G值（全株干質量與育苗天數之比），且育苗長勢整齊，抗病性強，能夠大幅度降低管理成本。

由此可見，智能化農業栽培控制系統可以實時監測基質濕度、空氣溫濕度和二氧化碳濃度的變化等，然后通過計算機系統進行處理分析，再根據植物生長過程中的需水量，實現植物灌溉用水精準化調控，從而大幅度提高作物灌溉用水的有效利用率，并降低管理成本。

2.2 智能化潮汐式灌溉條件下植物病蟲害的研究情況

智能化潮汐灌溉是通過虹吸的原理從底部進行澆灌，與常規的灌溉方式相比，能夠在植物葉片保持干燥的同時為植物提供充足的水分和營養，為植物創造相對濕度較低的生長環境，從而降低植物病蟲害發生概率。1999年，LATIMER等[18]在藿香種植過程中發現，與常規噴灌方式相比，潮汐式灌溉可以明顯降低病蟲害發生概率、病原菌和害蟲的生物數量和傳播速率，分析其原因可能是由于潮汐式灌溉所形成的相對干燥的生長環境有效破壞了病蟲害的生長和繁殖環境，切斷了病蟲害的傳播途徑，從而降低了病蟲害的數量。STANGHELLINI等[19]在研究植物使用潮汐式灌溉進行澆灌營養液時發現，如果在營養液中加入一種活性劑后，植物在生長過程中疫霉屬病菌的發生明顯減少。牛慶偉等[20]研究發現，傳統噴灌方式使葉面濕度增大，從而提高了細菌性果斑病發生概率，而潮汐式灌溉則能明顯降低細菌性果斑病的發病率。潮汐式灌溉的這種集中浸透澆灌的方式決定了防治病蟲害的重要性，在這種澆灌方式中要堅決避免交叉傳播，但人們對潮汐式灌溉條件下各種病原菌和病蟲害發生和傳播的研究相對較少，僅有的部分研究只是證明潮汐灌溉可以降低幾種作物病害的傳播，許多植物在潮汐式灌溉條件下病蟲害的發生規律與防治方法還有待深入研究。

3 智能化潮汐式灌溉技術的問題和發展趨勢

目前，智能控制系統研究相對較多，但是應用于潮汐式灌溉的智能化控制系統研究尚有不足。首先，智能化控制中監測設備直接關系到控制設備的響應，其精確度和敏感度有待提高；其次，目前智能化控制仍然停留在單個環境因子調控技術的研究階段，而實際上光照強度、空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、土壤溫度、二氧化碳濃度等環境因素，是在相互影響、相互制約中對作物生長產生作用，環境因素的空間變化和時間變化都很復雜，需綜合考慮；再次，現在智能化潮汐式灌溉缺少作物產量與需水量、施肥量之間定量關系的研究，可以通過綜合考慮土壤水分、土壤養分、肥料利用率、最高產量及經濟效益等指標，分析氮、磷、鉀等養分及灌溉對作物產量的影響，建立作物需肥模型及作物需水模型[21]。在我國，智能化控制技術的實際應用也存在一些問題：一是許多智能化技術尚處在研究和試驗小試階段，要使智能化技術在實際生產中發揮作用還需要進一步研究，并做好相關配套技術的研究；二是雖然研究者在植物生長信息感應方面做了大量研究，但在實時獲取植物水分指標、養分指標等生長的各項指標方面還需要做更細致的研究，并將其與生物傳感信息技術進行合理的結合；三是智能化管理技術比較專業化，對于多數生產一線的使用者來說操作過于復雜，限制了相關技術的普及。

智能化高效率農業管理技術是我們國家現代農業的發展方向，是科技含量最高、集成綜合性最強的現代農業生產管理技術之一，它將使人類充分挖掘作物生產潛力、合理利用水肥資源、減少環境污染、大幅度提高農產品產量和品質成為可能，也是解決我國農業由傳統農業向現代農業發展過程中所面臨的農產品總量減少、農業產業結構不合理、農產品品質下降、水資源利用率低、環境污染等問題的有效方式，智能化技術的應用是精確農業發展的必然趨勢及基本保證，也是發展高效節水農業的有效途徑[22-23]。

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