茶園智慧水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

張冬菊 夏鴿飛 朱登平 蔣亭亭 張中華 呂名禮

摘 要 我國(guó)茶園大多分布在丘陵或山區(qū)坡地，茶葉的生產(chǎn)管理多依賴經(jīng)驗(yàn)，管理粗放、標(biāo)準(zhǔn)化程度低、品質(zhì)參差不齊、整體經(jīng)濟(jì)效益較低，急需提高茶園的生產(chǎn)管理水平。隨著水肥一體化系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在茶園中的集成應(yīng)用，茶園的智能化水肥管理、病蟲(chóng)害預(yù)防監(jiān)測(cè)、環(huán)境因子實(shí)時(shí)監(jiān)控、質(zhì)量溯源等技術(shù)逐步應(yīng)用并取得良好的成效，有效提高了茶葉生產(chǎn)效率，促進(jìn)了茶葉產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。基于此，對(duì)安徽省祁門(mén)縣天之紅茶園20 hm2基地基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的水肥一體化系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行調(diào)研，分析其具體設(shè)計(jì)以及應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞 茶園;水肥一體化;物聯(lián)網(wǎng);噴灌

我國(guó)有著悠久的茶葉種植歷史，茶產(chǎn)業(yè)已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的重要組成部分。我國(guó)茶葉種植具有明顯的區(qū)域性，主要分布在江南、江北、西南及華南四大區(qū)域，多為丘陵或山區(qū)坡地種植[1]。目前，人們對(duì)茶葉的需求量和品質(zhì)要求越來(lái)越高，為滿足市場(chǎng)需求，茶葉種植面積也在急劇增加[2]。

傳統(tǒng)的茶葉種植中，茶農(nóng)主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行管理，種植技術(shù)水平較低，管理技術(shù)不完善，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，茶葉品質(zhì)參差不齊，且傳統(tǒng)種植方式用工量大、成本高，導(dǎo)致茶種植業(yè)整體經(jīng)濟(jì)效益低，制約了我國(guó)茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[3-5]。另外，由于缺乏及時(shí)準(zhǔn)確的氣象災(zāi)害與病蟲(chóng)害預(yù)警，茶葉在春季萌芽期或幼葉期常常遭遇霜凍災(zāi)害和病害，產(chǎn)量和質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。

近幾年，水肥一體化技術(shù)逐步應(yīng)用于茶業(yè)種植中，但在實(shí)際應(yīng)用中，水肥一體化集成技術(shù)模式還不夠成熟，缺乏精準(zhǔn)科學(xué)的灌溉策略[6]。隨著物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和水肥一體化系統(tǒng)的集成應(yīng)用，茶園逐步實(shí)現(xiàn)了智能化水肥管理、“四情”預(yù)防監(jiān)測(cè)、環(huán)境因子實(shí)時(shí)監(jiān)控、質(zhì)量溯源等，茶園實(shí)現(xiàn)了智能化生產(chǎn)與信息化管理，茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)得到提高，同時(shí)提高了茶葉生產(chǎn)效率，促進(jìn)茶葉產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，促使茶葉產(chǎn)業(yè)優(yōu)質(zhì)快速發(fā)展[7]。基于此，對(duì)安徽省祁門(mén)縣天之紅茶園基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的水肥一體化系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行調(diào)研。

1 基地概況及智慧水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基地概況

項(xiàng)目基地位于安徽省黃山市祁門(mén)縣的天之紅茶園，基地有20 hm2的有機(jī)生態(tài)茶園。祁山縣是紅茶之鄉(xiāng)，地貌以山地丘陵為主，地勢(shì)北高南低，氣候溫和，日照較少，雨量充沛，四季分明。春季冷暖變化大，光照不足，陰雨多;夏季氣溫高，濕度大，降水集中，易成洪災(zāi);秋季偶有夾秋旱，白天氣溫高，早晚涼;冬季寒冷濕度小，多晴少雨易干旱。

1.2 水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 灌水器選擇

灌溉方式對(duì)茶樹(shù)的生長(zhǎng)尤為重要，結(jié)合南北方氣候差異，相關(guān)專(zhuān)家也提出了不同的茶園水肥一體化應(yīng)用方案，噴灌和滴灌是大多數(shù)茶園的灌溉方式[4]。天之紅茶園采用的是華維雙噴嘴霧化噴頭，流量330 L·h-1，射程5～8 m，可實(shí)現(xiàn)60～300 μm霧化效果，噴頭間距6 m×6 m，安裝示意圖見(jiàn)圖1。噴灌灌溉面積大，可控制噴水量和均勻性，能起到調(diào)節(jié)小氣候的作用。另外，在春季“倒春寒”來(lái)臨時(shí)，噴灌結(jié)合防凍劑使用，可有效降低茶葉萌芽或嫩葉期突然低溫對(duì)茶葉造成的凍害，起到一定的防護(hù)作用，減少損失。

1.2.2 田間管網(wǎng)設(shè)置

茶園水肥一體化田間管網(wǎng)見(jiàn)圖2。主要根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦巍⑺磯毫肮喔葏^(qū)域面積設(shè)計(jì)田間管網(wǎng)，主要包括主干管、支管和輔管。主干管采用華維HDPE熱熔直管，韌性好，耐沖擊，使用壽命長(zhǎng)，不滋生藻類(lèi)，埋地鋪設(shè);支管及輔管采用華維LDPE盤(pán)管，韌性強(qiáng)，抗老化能力強(qiáng)。

1.2.3 首部樞紐選擇

首部樞紐是智慧水肥一體化系統(tǒng)中的重要組成部分，包括加壓系統(tǒng)（離心泵）、變頻控制系統(tǒng)、過(guò)濾系統(tǒng)（砂石過(guò)濾器、疊片過(guò)濾器等）、施肥設(shè)備（智慧施肥機(jī)）等，見(jiàn)圖3。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，離心泵將灌溉水加壓后，輸送至過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)濾，再借助輸水管網(wǎng)輸送至灌水器，進(jìn)行噴灌灌溉。水泵采用華維變頻恒壓控制系統(tǒng)，具有隨開(kāi)隨用的功能，最大限度的降低了人工和系統(tǒng)能耗。首部配置的過(guò)濾系統(tǒng)，可對(duì)水源進(jìn)行有效過(guò)濾，避免堵塞的發(fā)生，保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期有效運(yùn)行。施肥機(jī)可根據(jù)茶葉生長(zhǎng)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)Ec、pH，滿足精準(zhǔn)、精量、按需施肥的需求，實(shí)現(xiàn)高效水肥一體化灌溉。

1.2.4 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成應(yīng)用

基于基地實(shí)際需求設(shè)計(jì)并配置了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括農(nóng)抬頭物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)系統(tǒng)、智能灌溉控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)、“四情監(jiān)測(cè)”系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)信息采集系統(tǒng)、中控設(shè)備及數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)等，可對(duì)基地茶樹(shù)生長(zhǎng)的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照、風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境因子進(jìn)行采集和監(jiān)測(cè)，對(duì)茶樹(shù)各生長(zhǎng)階段的長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并對(duì)病蟲(chóng)害、降雨量及氣象災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警。系統(tǒng)可在PC端和手機(jī)端使用，定時(shí)將采集到的各種數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)測(cè)平臺(tái)或者管理人員的手機(jī)上，可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地對(duì)茶園任何一個(gè)區(qū)域灌溉、施肥、作物長(zhǎng)勢(shì)及病蟲(chóng)害等方面的管控和監(jiān)測(cè)，大大提高茶園生產(chǎn)管理效率。

2 智慧水肥一體化系統(tǒng)在茶園上的應(yīng)用效果

2.1 智慧水肥一體化系統(tǒng)使用效果

項(xiàng)目基地20 hm2的天之紅茶園采用水肥一體化系統(tǒng)后，可根據(jù)茶園土壤養(yǎng)分含量、茶樹(shù)生長(zhǎng)特點(diǎn)及需求規(guī)律進(jìn)行田間管理。華維喜耕田智慧施肥機(jī)根據(jù)田間傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行適時(shí)、適量、精準(zhǔn)施肥灌溉，無(wú)需人工便可實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定量灌溉。采用高壓霧化噴頭噴灌，可使土壤始終保持疏松和適宜的含水量。通過(guò)系統(tǒng)應(yīng)用，目前茶園實(shí)現(xiàn)了“兩減一增”目標(biāo)，即減少了肥料使用量，減輕了特殊氣候如倒春寒、夏秋干旱對(duì)茶園的不利影響，最大限度地提高了茶園產(chǎn)量。

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成應(yīng)用，茶園管理人員通過(guò)手機(jī)APP即可隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)茶園管理情況，節(jié)省了大量勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了茶園科學(xué)化、現(xiàn)代化、自動(dòng)化、智能化管理。

春季是茶園管理的關(guān)鍵時(shí)期，在用工極度短缺的情況下，園區(qū)利用物聯(lián)網(wǎng)及水肥一體化系統(tǒng)由之前需要十幾名工人管理到現(xiàn)在只需1人，省工35%以上，既減少了人員聚集，又保證了茶樹(shù)的正常生長(zhǎng)需要，保證了茶園水肥按時(shí)按需供應(yīng)，為春茶生產(chǎn)打下了良好基礎(chǔ)。

2.2 效益分析

茶園未使用智慧水肥一體化系統(tǒng)時(shí)，祁紅只采摘春茶，即只在谷雨節(jié)氣前進(jìn)行采摘，其余季節(jié)由于天氣變化、灌溉不充分等原因，茶葉品質(zhì)難以保障，基本不采，浪費(fèi)了大量高山茶葉資源，再加上傳統(tǒng)茶農(nóng)習(xí)慣于對(duì)茶園進(jìn)行粗放管理，種植不科學(xué)，導(dǎo)致茶葉效益未得到充分體現(xiàn)。

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)系統(tǒng)及水肥一體化技術(shù)后，茶園管理實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)灌溉、精準(zhǔn)施肥，有效解決了缺水問(wèn)題，灌溉水利用率充分提高，每667 m2可以節(jié)水40%，茶葉的生長(zhǎng)不再受干旱天氣影響，提高了茶葉產(chǎn)量，茶葉采摘次數(shù)增多。項(xiàng)目實(shí)施以來(lái)，基地茶園的采摘總量比之前增加了15%以上，茶葉產(chǎn)量顯著提高。

2.3 品牌效應(yīng)

項(xiàng)目基地天之紅茶園集成應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)系統(tǒng)和水肥一體化系統(tǒng)，啟動(dòng)茶園數(shù)據(jù)化、智能化管理工作，通過(guò)“物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化云平臺(tái)”建設(shè)，實(shí)現(xiàn)茶園智慧管理“一指控”。項(xiàng)目基地應(yīng)用智慧化云平臺(tái)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化智慧茶園管理，茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)顯著提升，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和品牌影響力顯著提升。

3 結(jié)語(yǔ)

天之紅20 hm2茶園地處丘陵山地，集成應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)與水肥一體化系統(tǒng)后，根據(jù)茶樹(shù)生長(zhǎng)特性與水肥需求規(guī)律，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境，對(duì)茶園各環(huán)境因子、茶樹(shù)生長(zhǎng)特性、病蟲(chóng)害等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測(cè)，茶園實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)灌溉、精準(zhǔn)施肥、智能管控，建成了標(biāo)準(zhǔn)化智慧茶園，實(shí)現(xiàn)節(jié)水40%，省工35%，增產(chǎn)15%，茶葉品質(zhì)顯著提高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和品牌影響力顯著提升，綜合效益顯著。

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（責(zé)任編輯：趙中正）