設(shè)施蔬菜固液混合水肥管理系統(tǒng)建設(shè)實踐及思考

張傳帥

（北京市農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定推廣站，北京 100079）

設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中，水肥管理是耗費人工最大的環(huán)節(jié)之一，對作物品質(zhì)、產(chǎn)量也有較大影響。目前，北京市設(shè)施蔬菜水肥管理已經(jīng)普及水肥一體化技術(shù)，形式包括依靠水壓的文丘里吸肥器和自動化水平較高的水肥管理設(shè)備。2017年北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)播種總面積為3.6萬hm2，以蔬菜和食用菌為主，配套自動化水肥管理設(shè)備的比例不足10%，仍然主要依靠文丘里吸肥器進(jìn)行水肥管理，灌溉施肥機械化水平僅為37.2%，處于較低水平[1]。傳統(tǒng)的文丘里吸肥器操作落后，勞動效率低，水肥混合后施肥效果差。而水肥管理裝備通過遠(yuǎn)程控制、水肥監(jiān)測和灌溉施肥量統(tǒng)計等功能，可實現(xiàn)水肥管理調(diào)控的自動化、數(shù)據(jù)化、精準(zhǔn)化，提高勞動生產(chǎn)率及水資源和肥料利用率，并改善作物品質(zhì)，減少肥料使用和土壤污染，具有較高的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益[2-3]。目前，國內(nèi)自動化水肥管理設(shè)備及相關(guān)技術(shù)發(fā)展較為成熟，生產(chǎn)廠家及設(shè)備型號均較多，但是由于農(nóng)機補貼政策配套缺乏、示范推廣力度不夠等，前期經(jīng)濟投入成本高，園區(qū)負(fù)責(zé)人對新技術(shù)不了解、不認(rèn)可，阻礙了水肥管理裝備技術(shù)的普及與推廣應(yīng)用。

本文介紹的固液混合水肥管理系統(tǒng)由北京市農(nóng)機鑒定推廣站、昌平區(qū)農(nóng)機推廣站以及冀雨科技公司共同建設(shè)，其中主機型號為FERTISPARK，由冀雨科技研發(fā)。該系統(tǒng)配套遠(yuǎn)程管理云平臺和手機APP，可現(xiàn)場或者遠(yuǎn)程對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，實現(xiàn)精準(zhǔn)配肥和定時定量灌溉施肥，并實時統(tǒng)計灌溉施肥相關(guān)數(shù)據(jù)。

1 固液混合水肥管理系統(tǒng)的特點及優(yōu)勢

以往各園區(qū)曾采用的文丘里吸肥器，利用水流壓差將肥料桶內(nèi)肥料吸入管道進(jìn)行灌溉施肥，不需要機械化動力，雖然成本較低，但是水壓損失大，不適宜大面積灌溉施肥，且肥料均勻性和可控性較差，生產(chǎn)方式落后，工作效率和工作舒適性低，不適宜基質(zhì)栽培等要求較高的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。固液混合水肥管理系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下3個方面。

1.1 提高勞動生產(chǎn)力

系統(tǒng)通過現(xiàn)場或者遠(yuǎn)程設(shè)置，可提前設(shè)置多個時間段，進(jìn)行定時定量灌溉或施肥，不再需要人工前往現(xiàn)場開關(guān)水閥和查看灌溉情況。系統(tǒng)配套了容納液體水溶肥和固體水溶肥2種肥料的容器及吸肥裝置，可滿足園區(qū)不同的需求或不同肥料配合施用，不再需要人工頻繁取肥、倒肥和攪拌等工作，自動化管理設(shè)備大幅度減少了人工往返和操作時間，提高了勞動生產(chǎn)率和勞動舒適度。

1.2 實現(xiàn)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)積累

系統(tǒng)配套了流量監(jiān)測、水肥稱量等裝置，通過對水、肥分別稱量，實現(xiàn)精準(zhǔn)配比，實現(xiàn)生產(chǎn)期間全部灌溉量、施肥量、灌溉施肥時間等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，并存儲在遠(yuǎn)程管理云平臺。通過對積累數(shù)據(jù)的研究，可優(yōu)化水肥管理措施，減少經(jīng)驗不足或更換管理人員對生產(chǎn)的影響。

1.3 推動精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展

北京市設(shè)施蔬菜生產(chǎn)逐步向標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)模化方向發(fā)展，對水肥管理等設(shè)備提出了更高的要求。基質(zhì)栽培等高端生產(chǎn)方式，對水肥供應(yīng)依賴性較高，水肥的不足或過量都會對作物生長造成嚴(yán)重?fù)p害，肥料施用不當(dāng)，也會造成肥料的浪費或者環(huán)境污染。該系統(tǒng)減少了隨意性灌溉施肥，以及因工作遺忘造成灌溉過量等問題，一定程度上減少了對作物造成的損害。自動化水肥管理系統(tǒng)是設(shè)施蔬菜生產(chǎn)實現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的必要基礎(chǔ)。

2 固液混合水肥管理系統(tǒng)的構(gòu)架

固液混合水肥管理系統(tǒng)主要包括灌溉水源供給、灌溉施肥控制、灌溉生產(chǎn)區(qū)3大部分（圖1）。

2.1 灌溉水源供給

灌溉水源供給部分包括泵房、水井、水井水泵和儲水桶。泵房建設(shè)在水井上部，水井水泵功率為1.75 kW，揚程為15 m，用于往儲水桶注水，通常不用于直接灌溉供水。儲水桶容量5 000 L，放置在泵房上部，中心距離地面高度3.5 m，可利用水源重力對園區(qū)進(jìn)行灌溉。園區(qū)灌溉管道與園區(qū)生活用水管道相通，通過閥門進(jìn)行控制關(guān)閉，在水井水源故障時應(yīng)急使用。

2.2 灌溉施肥控制

灌溉施肥控制部分包括灌溉增壓水泵、過濾器、肥料容納裝置和施肥主機，均安裝在溫室耳房內(nèi)，由專人操作。增壓水泵為灌溉提供主要動力，額定功率1.1 kW，揚程12.5 m，最大流量12.5 m3/h，當(dāng)灌溉面積較大時，可提高灌溉水壓力。過濾器采用小型疊片過濾器，并配有反沖洗功能，可定期清除沉積雜質(zhì)，體積較小，可過濾水中雜質(zhì)，防止雜質(zhì)在管道中沉積，堵塞滴灌帶和微噴帶。由于園區(qū)地下水泥沙較少，可以滿足灌溉需求。

目前京郊水肥一體化使用的肥料主要為粉狀水溶肥和液體水溶肥，常見肥料容器為肥料桶，人工加入肥料后，攪拌待用。本系統(tǒng)中肥料容納裝置包括液體肥桶和固體肥箱，液體肥桶設(shè)置2個，容量均為250 L，固體肥箱可盛放固體水溶肥，通過各自配套吸肥泵吸肥。施肥主機內(nèi)包括液體肥吸肥泵、固體肥吸肥泵、稱量裝置、肥水混合桶、攪拌電機、肥料泵和電子流量計等部件。液體肥吸肥泵吸程3 m，流量0.5 m3/h，固體肥吸肥泵額定功率1.75 kW，可容納100 kg固體肥料，稱量裝置可對肥料和水分別稱量，并放入肥水混合桶，攪拌電機將肥水?dāng)嚢杈鶆蚝螅煞柿媳米⑷牍喔戎鞴艿溃娮恿髁坑嬘糜诒O(jiān)測水肥流量，量程為0.4～14.0 m3/h。

2.3 灌溉生產(chǎn)區(qū)

灌溉生產(chǎn)區(qū)主要包括灌溉管道、電動球閥和滴灌帶或微噴帶等，電動球閥采用遠(yuǎn)程控制形式，可控制灌溉的通斷，額定功率為3 W，每棟溫室安裝1個，并聯(lián)設(shè)置手動閥門，在設(shè)備出現(xiàn)故障時應(yīng)急。

3 園區(qū)應(yīng)用案例分析

設(shè)備安裝地點為北京市昌平區(qū)藍(lán)天綠都設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū)，位于40°19′N，116°16′E，年平均氣溫11.8 ℃，冬季最低氣溫－10 ℃以下，系統(tǒng)覆蓋范圍為13棟日光溫室，單棟溫室面積600 m2，種植蔬菜主要為越冬果菜和葉菜。

該系統(tǒng)建設(shè)總成本14萬元，覆蓋溫室13棟，每年維修維護(hù)及用電費用按照系統(tǒng)成本2%計算，預(yù)計使用壽命10年，忽略殘值，每667 m2設(shè)施蔬菜水肥管理每年系統(tǒng)成本1 436元。以園區(qū)溫室草莓生產(chǎn)為例，9月初定植，5月中旬拉秧，生長期8.5個月，需要灌溉58次，每次灌溉時間平均30 min，系統(tǒng)操作時間5 min，灌溉用水量119 m3，施用水溶肥132 kg。相比傳統(tǒng)灌溉方式，每棟溫室每次灌溉施肥節(jié)約時間1 h，按每天工作8 h，每天人工成本150元計算，每667 m2可節(jié)省人工成本1 087元；在水肥成本方面，節(jié)肥10%，每667 m2節(jié)省化肥成本192元，節(jié)水20%以上，灌溉用水為地下水，暫時不需要繳納費用；在產(chǎn)量方面，平均年增產(chǎn)10%以上，按照每棟溫室平均產(chǎn)值2萬元計算，每667 m2提高銷售收入2 223元；綜上，每年每667 m2設(shè)施蔬菜提高經(jīng)濟效益2 066元；因此，固液混合施肥系統(tǒng)的建設(shè)在技術(shù)上和經(jīng)濟上均有可行性。此外，系統(tǒng)建設(shè)完成后，組織北京市多個區(qū)的農(nóng)機推廣部門和設(shè)施蔬菜園區(qū)技術(shù)人員進(jìn)行了現(xiàn)場參觀和技術(shù)培訓(xùn)，普及自動化水肥管理技術(shù)，獲得了認(rèn)可，為下一步技術(shù)的普及奠定了基礎(chǔ)。

4 實踐與思考

4.1 水源供給設(shè)計

水源供給是實現(xiàn)水肥管理的基礎(chǔ)，水源供給需要重點解決的問題是水源雜質(zhì)過濾和保障水量和水壓穩(wěn)定性。北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)中灌溉用水主要采用地下水，水中雜質(zhì)較多，而灌溉主管道沉積雜質(zhì)后較難清理，因設(shè)施農(nóng)業(yè)采用的滴灌帶、微噴帶對水質(zhì)要求較高，雜質(zhì)會造成堵塞，嚴(yán)重影響灌溉。目前，常用措施：一是將地下水用大功率水泵抽取到蓄水池或儲水桶內(nèi)，再作為水源進(jìn)行灌溉，可減少雜質(zhì)，穩(wěn)定水源；二是采用砂石過濾器、疊片過濾器進(jìn)行多級過濾，并配有反沖洗功能，并定時清洗沉積雜質(zhì)。

4.2 防凍設(shè)計

北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)以越冬蔬菜生產(chǎn)為主，保障在元旦和春節(jié)前后上市，獲取較高經(jīng)濟效益。冬季溫度較低時會造成管道凍裂等問題，因此水肥管理系統(tǒng)需要采取防凍措施。溫室外部主管道盡量埋在距離地面1 m以下，并采用保護(hù)套包裹；儲水桶或者輸水管道盡量設(shè)置在溫室生產(chǎn)區(qū)內(nèi)，設(shè)置在耳房內(nèi)的管道需要在用完之后，將水排盡或者增加增溫設(shè)備，防止溫度過低造成管道凍裂。

4.3 維修維護(hù)服務(wù)

水肥管理裝備設(shè)施應(yīng)用大量電子和計算機技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測和自動化控制，由于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，電磁閥、主機等零部件容易損壞；因此，設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū)在建設(shè)水肥管理系統(tǒng)前，需要注意企業(yè)服務(wù)和設(shè)備的選型，一是要確認(rèn)在設(shè)備出現(xiàn)故障時，企業(yè)能及時前往園區(qū)維修，最好在當(dāng)?shù)伛v有維修人員；二是企業(yè)能保障設(shè)備后續(xù)服務(wù)，每年定時檢修，及時為園區(qū)進(jìn)行設(shè)備硬件、軟件的升級服務(wù)，并確認(rèn)后續(xù)服務(wù)費用承擔(dān)問題。

5 前景分析

目前，歐美發(fā)達(dá)國家設(shè)施蔬菜生產(chǎn)已經(jīng)普遍應(yīng)用了自動化的水肥管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了水肥的精準(zhǔn)管理。雖然我國設(shè)施蔬菜水肥管理整體自動化水平相對較低，但是生產(chǎn)廠家、設(shè)備型號逐漸增多，技術(shù)迭代更新加速，適用性逐步完善。隨著社會發(fā)展，人工成本不斷升高，市場對蔬菜品質(zhì)和安全的要求不斷提高，設(shè)施蔬菜園區(qū)對降低生產(chǎn)成本的需求，均推動了設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中自動化水肥管理系統(tǒng)的應(yīng)用。基于水肥一體化技術(shù)的固液混合水肥管理系統(tǒng)除帶來可觀的經(jīng)濟效益外，生態(tài)效益和社會效益同樣不可忽視。節(jié)水、節(jié)肥有助于推動循環(huán)農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，勞動強度的降低和勞動環(huán)境的改善有助于解決目前設(shè)施農(nóng)業(yè)存在的招工難的問題。從長遠(yuǎn)看，水肥管理系統(tǒng)對推動設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。