基于物聯網的水肥一體化技術分析

蔡九茂，李東偉，溫季，張海慧，呂德明，賈憲武

(1.水利部農田灌溉研究所，河南 新鄉 453002；2.河南莫爾斯特農業裝備有限公司，河南 浚縣 456261;3.河南水文水電工程有限公司,河南 林州 456261)

1 前言

水分和養分的合理調節與平衡供應是作物增產最關鍵的因素。植物主要是通過根系和葉片進行營養物質的吸收和轉化，根系是作物的“大嘴巴”，葉片是作物的“小嘴巴”。根系吸收營養元素，主要是通過擴散和質流兩個過程。兩個過程都必須要以水為載體。傳統的灌溉和施肥是分開進行的，浪費了大量人力，水肥的利用率也不能保證。廣義上的水肥一體化技術也稱隨水施肥，因此生產中的管道輸水施肥、淋施、澆施、噴施等也都屬于水肥一體化范疇。近年來發展的水肥一體化技術主要是配套高效節水灌溉技術使用，在滴灌、噴灌、微噴灌等技術較為成熟后，水的高效利用問題得到了解決后，肥料的高效利用問題就顯得更為迫切。因此，以高效節水灌溉管網為基礎，通過不同的施肥模式，如壓差施肥罐、文丘里、比例施肥泵、重力施肥池等，就可以實現簡單的水肥一體化。通過加壓管道實現水肥聯合施用，將水和肥均勻、準確地輸送到作物根系附近，實現按量供應、按需供應，減少肥料深層流失，提高水肥利用效率。

2 水肥一體化技術特點

水肥一體化技術可以針對不同作物、不同生育期的需水需肥規律進行精準控制。尤其在當前管灌逐漸取代渠灌技術后，為水肥一體化技術提供了基礎保障。由傳統的澆地和向土壤施肥，轉變為了澆作物和向作物根系施肥，由傳統的水肥單獨施用，轉變為了水肥耦合灌溉，技術模式更加集成化，管理更加智能化，系統建設更加標準化和規范化。

2.1 節水效果明顯

水肥一體化技術可減少水分的下滲和蒸發，提高水分利用率。傳統的灌溉方式，水分利用率只有45%左右，灌溉用水的一半以上流失或浪費了，噴灌的水分利用率約為75%，滴灌的水分利用率可達95%。在露天條件下，微灌施肥與大水漫灌相比，節水率達50%左右。保護地栽培條件下，滴灌與畦灌相比，每畝大棚一季節水80～120 m3，節水率為30%～40%。

2.2 節肥增產

平衡施肥和集中施肥是提高作物肥料利用率的關鍵，水肥同步可以根據不同作物的生長需求，定時、定量地施用于作物的根部土壤，增加肥料利用率的同時，也可減少肥料的淋失和揮發現象，具有施肥均勻、及時和肥料利用率高等特點。經對比試驗，水肥同步技術與常規施肥技術相比，通常可減少化肥施用量35%～45%，作物可增產10%以上。

2.3 改善作物品質

水肥一體化技術適時、適量地供給作物不同生育期生長所需的養分和水分，使作物的生長環境得到明顯改善，在促進作物增產的同時，也提高農作物品質。同時可以通過精準水肥控制，控制作物生長周期，實現提前或延后上市，提高銷售收益。

2.4 減輕病蟲害發生

水肥同步節約了灌溉用水，減少了水分蒸發，降低了土壤濕度和空氣濕度，提高土壤養分有效性，促進根系對營養的吸收貯備，還可抑制病菌的產生，由于水肥同步直接作用于作物的根部，減少和抑制雜草，與常規施肥相比，水肥同步單位面積可減少農藥施用量15%～30%。

2.5 有利于標準化栽培

標準化栽培是現代化農業技術的重要措施，通過水肥一體化可以做到精確供應，提高肥料利用率，降低微量元素肥料施用成本。可以有效地根據作物的生長期和對肥料的需求。針對性地供給作物所需要的肥料，做到需要什么肥料就精確地施用什么肥料，作物標準化栽培，水肥一體化是必不可少的一項灌溉和施肥措施。

2.6 省工節勞

水肥一體化技術采用管道進行水肥輸運，操作更加便捷，易于實現自動控制，尤其針對規模化種植園區，人均控制面積更大，管理效率也更高。獨特的局部灌溉模式也可以減少雜草生長，節約除草用工。

3 水肥一體化局限性

水肥一體化技術是一項新興技術，需要規范化的配套產品、種植模式、操作規程以及維護手段，才能真正發揮系統的作用。由于水肥一體化技術發展時間還不夠長，在生產中仍存在一定的局限性。

3.1 灌水器堵塞

目前，水肥一體化技術在實際應用中常遇到的問題就是灌水器的堵塞，主要是由于水溶肥質量不過關、肥料與水中金屬離子等發生化學反應以及殘留肥料加速微生物生長等原因造成。要加強水溶肥生產質量把控，重視首部過濾系統建設，制定合理的水肥灌溉制度，沖洗管道，定期加酸灌溉，防止微生物滋生。

3.2 工程造價高，維護成本高

相較于傳統地面灌溉方式，水肥一體化系統的建設成本偏高，同時水溶肥技術尚不成熟，市場上水溶肥企業生產能力均不高，肥料價格也較高，增加了系統使用成本。同時，由于增加了混肥系統、注肥系統以及控制系統，使得系統的維護成本相應增加。一般來說，大田采用水肥一體化技術每畝投資在400～1 500元，而溫室的投資比大田更高。

3.3 水肥一體化設備單一，兼容性差

市場上的水肥一體化設備主要是壓差施肥罐、文丘里、注肥泵以及一體式施肥機等，農戶在選型時存在困難，沒有統一標準，安裝錯誤后導致施肥精度難以控制，無法發揮系統優勢。同時，與灌溉管網配套性較差，難以形成整體水肥解決方案。

4 基于物聯網的水肥一體化測控系統

基于物聯網的水肥一體化測控系統是圍繞“一控兩減”目標，重點關注土地規模化經營后的水肥管理問題，尤其適用于果樹、花卉、藥材、蔬菜以及大田種植作物。該系統開發目的就是解決規模化、集約化種植過程中人少地多、用工量大、管理低效、水肥利用率低、品質不可控等問題，幫助管理員實現現地控制、移動控制和中央控制三種不同管理模式，對園區進行全方位水肥管控，可提高水肥利用效率，降低用工成本和勞動強度，提高產量和品質。

按照灌溉系統輸配水的全流程，該智能灌溉水肥一體化系統主要由水源系統、首部泵房系統、管網系統和物聯網測控系統等部分組成。其中水源系統通常有井水、渠水、池塘水等水源。不同的水源具有不同的水質，也就要求采取針對性的過濾方案，防止灌水器堵塞。首部泵房系統主要包括變頻恒壓控制柜、壓力流量監測設備、泄壓閥持壓閥等管網保護設備、多級過濾系統以及施肥控制系統等模塊。管網系統主要是由主干管、支管、管網保護設備(排氣閥、泄水閥、減壓閥等)、田間毛管以及末端灌水器等組成，包括滴灌、噴灌、微噴灌等主要灌溉方式。物聯網測控系統主要包括田間硬件測控、信息采集設備以及中央控制室、手機端軟件控制終端。其中田間控制設備包括輪灌組電磁閥、有線解碼器和無線解碼器、通訊電纜、防雷模塊、防水接頭等。為了對田間信息進行采集，還需要配套專用的土壤、作物、天氣信息傳感器，對田間實時信息進行全方位監控，傳輸到中控平臺后，通過專業的決策模型，確定最優的灌溉和施肥制度，指導農業生產。同時，還需要配套田間作物生長信息監控設備，通過有線或無線的方式，對作物生長信息以及田間農作工作進行實時遠程監控，并形成農藝記錄表格，幫助園區管理員進行園區管理。中央控制平臺及手機端可以幫助農戶進行集中管理，對園區內設備信息、管網運行信息以及歷史記錄進行直觀展示，輔助農場主進行園區全方位管理。

要實現水肥精準管控，首先需要掌握不同作物、不同生育期的需水需肥規律，確定最佳的時間節點和肥量參數；在此基礎上，還要對作物的生長環境進行全面監控，通過先進的傳感器技術，對氣象信息、土壤墑情信息和作物生長信息進行精準監測，采用有線和無線通信技術相結合，將實時數據進行遠程傳輸，并通過中控平臺進行數據的篩選、分析和決策，確定最優的灌溉制度和施肥制度。而田間控制器是實施灌溉和施肥自動控制的核心設備。目前市場上的水肥一體機已經將灌溉控制和施肥控制融為一體，通過人性化的觸控界面，可以制定多種灌溉和施肥方案，根據不同應用場合，可以采取定時、定量、定濃度等施肥模式，真正實現按需施肥，提高肥料利用率。同時，智能手機等移動終端的普及，使得萬畝園區，一鍵管理成為現實，通過將中控平臺、現場控制器和手機控制終端的互聯互通，可以構建集中控制、移動控制和現地控制多種管理模式，提高了園區管理水平和管理效率。

通過對茶園、棉田、柑橘園、蔬菜基地等項目點的調研分析，采用此系統后，灌溉和施肥實現了全自動化、信息化管理，園區管理用工量降低65%以上，畝均用水量降低30%以上，化肥用量降低25%，人均管理面積13.33～33.33 hm2左右。同時，通過該系統可以精量施加多種微量元素，可顯著提升果實品質，帶來的經濟效益也非常可觀。同時，該系統的應用，降低了農業種植從業門檻，減少了農業生產的風險，通過數字化技術，幫助年輕從業人員快速入門，彌補了經驗不足的問題。

5 前景展望

水肥一體化技術是一項綜合農藝措施，符合國家“一控兩減三基本”的戰略發展方向，同時國家不斷加強高標準農田建設項目的實施，也為水肥一體化技術的發展奠定了基礎。“十四五”期間，國家將工作重點轉移到了鄉村振興上面，并且相繼出臺了多項數字鄉村、現代農業相關的發展綱要，明確了數字農業的發展方向，為水肥一體化技術的升級換代提出了新的要求。