智能灌溉系統的研究進展

任玉潔，郭洪恩

(山東省蠶業研究所，山東 煙臺 264002)

我國是世界上水資源短缺的國家之一，中國水資源公報顯示，2018年全國水資源總量27 462.5億m3。其中，地表水資源量26 323.2億m3，地下水資源量8 246.5億m3，人均占有量僅為1 961 m3 [1]。淡水資源的短缺和地下水資源的超負荷消耗，使得地下水位線不斷下降甚至達到了國際嚴重缺水警戒線。據預測，至2030年，中國人口將達到16億，在降水量不變的情況下，人均水資源占有量將減少到1 760 m3 [2]。我國在水資源極度短缺的情況下，又面臨化肥和農藥的過度使用問題。化肥的使用量居全球第一，農藥使用量是世界平均水平的2.5倍，而農藥和化肥的實際利用率不到30%[3-5]。化肥農藥的過度使用不僅造成資源的極大浪費，而且嚴重污染了環境，導致土壤中有益菌群大量減少，土壤板結和次生鹽漬化嚴重，甚至造成重金屬污染，這些污染物在人體內積累最終危害人身體健康。因此，如何利用科學合理的舉措來提高水、肥、藥資源利用率，對解決目前我國面臨的資源短缺、環境污染等問題意義重大，這不僅是中國經濟和社會綠色發展的需要，亦是我國現代農業發展的必然趨勢。

1 研究現狀

目前，國內許多研究所和高校已經研究開發智能化灌溉控制系統[6]，但多數還停留在試驗階段。常見的智能灌溉控制系統是WSN+GSM的智能灌溉控制系統、PLC和物聯網感應的智能灌溉節水系統[7-9]。精準化WSN+GSM灌溉系統由上位機控制平臺、無線通訊平臺、下位機控制平臺、信息采集平臺構成，同時配置小型氣象站和土壤溫濕度傳感器，可以實時監測土壤溫濕度、光照、風速等因素，并將數據傳輸到控制系統[10-11]。PLC和物聯網感應的智能灌溉節水系統主要由PLC控制系統、zigbee傳輸網絡、傳感器網絡、執行設備、水泵組成[12-13]。智能灌溉技術結合氣候數據和信息化綜合管控系統，可以監測作物生長要素信息，計算出作物實際用水需求量[14]，實現水資源的優化配置。采用智能灌溉設備解決了灌溉實踐中面臨的大多數問題[15-16]。但是，由于我國智能化灌溉技術歷史較短、起步晚，導致我國現代化農業經驗不足，環境監測不到位，農業灌溉整體水平較低，條件較差。

國外智能灌溉技術起步較早，發展較為完善。隨著傳感器和計算機技術的日趨成熟，以及灌溉用水管理軟件的開發和應用，智能灌溉得到了較大程度的發展[17]。美國是世界上機械化程度最高的國家，農業機械技術一直處于世界領先地位[18]，其在施肥機中安裝了技術比較成熟的裝置，如控制器主要采用PDA或車載式計算機。根據GIS土壤養分或肥料使用的GIS圖層信息實現變量施肥，提高了施肥的精準化程度[19]。圍繞精準農業的發展，國外噴藥機采用大量電子技術和計算機控制技術，例如澳大利亞研制了一種基于傳感器的雜草識別精度控制系統，美國公司研制了一種精準噴頭控制器，提高了噴灑的精準化，同時減少了人為操作。精準農業發展模式日益完善，水肥藥技術不斷創新發展，這些技術的發展對我國技術的研發有很大的借鑒意義，給我國水肥藥精準化的發展帶來了諸多啟示。

2 水肥一體化技術優勢

2.1 節約資源

我國淡水資源的短缺和地下水資源的超負荷消耗，使得地下水位線不斷下降[20-24]，智能灌溉技術將氣象數據和信息化綜合管控系統融合在一起，可以根據作物生長信息、氣象條件波動、植株不同生長階段蒸散量的變化等[25]，智能做出灌溉決策，實時調整灌溉量以達到按需灌溉的目的。將農藥的施用融入滴灌中，對土壤害蟲、線蟲、根部病害有較好的防治作用[26]。在作物產量相近或相同的情況下，與傳統施肥技術相比，水肥一體化技術可節省化肥50%左右[27]。

我國多數設施農業的灌溉施肥水平相對較低，部分地區甚至仍采用傳統大水漫灌，且過量施用化肥，導致水肥利用效率低，引發土壤次生鹽漬化、退化甚至荒漠化等問題，嚴重制約了設施農業的可持續發展[28]。與傳統灌溉施肥模式相比，水肥一體化技術可以顯著提高水肥利用效率和作物產量，改善果蔬品質、改良土壤環境等[29-30]。科學的水肥一體化管理，可在設施農業中定量利用有限的水分和養分，實現精準灌溉，促進水肥利用[31-33]。

2.2 增產增收

作物定植后，應用水肥一體化技術能夠在較短時間內度過緩苗期，明顯延長蔬菜收獲期，實現增產增收的同時還能夠進一步提高設施蔬菜品質，增加農戶收入[34]。張燁[35]的研究表明，溫室大棚水肥一體化技術不僅實現了節水節肥、增產增收，而且氮肥利用率也顯著提高。目前，智能滴灌技術已由原來僅限于在果樹、設施農業等高附加值作物推廣到大田經濟作物，近年來又延伸到大田糧食作物，其增產、增收效果顯著[36-37]。

3 水肥一體化智能控制系統構成

目前，我國應用最為普遍的水肥一體化智能控制系統采用系統首部供肥+肥料濃度恒定系統、恒壓管道傳輸+棚內小首部智能比例調控方式。其中，系統首部由水泵間、水處理間、混肥間、控制間和肥料庫房組成。經微咸水處理系統凈化的水由主管、支管向混肥間和各溫室進行恒壓、穩定供水，肥液經自混肥間由3根PE管道恒壓、恒濃度向棚內供肥(圖1)。每個棚內的小首部由各種類型的注肥通道、加壓泵、控制器、外部設備和配件等組成，可以精準智能控制電磁閥、流量計等。根據用戶在可編程控制器上設置的灌溉施肥程序和電導率等信息，機器可自行將肥料通過肥料泵吸入桶中調配，將調配好的肥料養分準確地注入灌溉管網中，連同灌溉水一起適時適量地澆灌作物，在解放勞動力的同時提高了水肥利用效率。棚內小首部還可通過小型便攜式施肥機根據作物微量元素和灌溉肥液pH值調節需要，利用該施肥機向棚內灌溉主管網中注入微量元素或酸液，從而達到精準灌溉。從農業灌溉用水角度出發，將恒壓恒流技術應用于農業節水灌溉工程中，根據作物和所需營養元素的不同，科學合理地灌溉施肥，為作物提供及時、精確的水分和養分供應。

圖1 水肥恒壓的灌溉系統

4 研究展望

如果將移動互聯網、物聯網、自動化技術和其他信息技術完全適用于農業生產管理[38-39]，比如將信息監測、專家決策、智能管理、綜合灌溉系統基礎數據、精準天氣預報、作物耗水歷史記錄，以及耗水趨勢模型等融為一體[40-41]，立足于農業灌溉，構建完善的灌溉用水決策支持系統，自動監測作物生理生態信息，根據不同作物需水情況，融合降水、地勢等多因素的影響，以及作物自身指標所反映的水分虧缺狀況，自動調節灌溉時間、灌水量和灌溉頻次，智能作出灌溉決策和預測。那么，相信在不久的將來，農業信息技術的應用將步入大發展時期，未來農業全自動化技術將趨向于農田信息的獲取更加智能化、精細化，其角度將更加微觀，數據將更加準確，與未來科技的發展趨勢將更加契合。