水肥一體化系統首部研究現狀與展望*

何青海，鄭磊，褚幼輝，竇青青，慈文亮，孫宜田

(1. 山東省農業機械科學研究院，濟南市，250100； 2. 農業農村部華東都市農業重點實驗室，濟南市，250100； 3. 金正大生態工程集團股份有限公司，山東臨沭，276700)

0 引言

據統計，我國用約占世界6%的淡水資源和9%的耕地以及30%左右的化肥，生產出了占世界26%的農產品，養活了世界近20%的人口[1-2]。然而大水漫灌和過量施肥導致了水肥資源浪費、水體污染、土壤酸化等問題，嚴重影響了農業可持續發展和糧食安全生產。

水肥一體化技術與傳統灌溉和施肥模式相比，實現了水肥管理的革命性轉變，即渠道輸水向管道輸水轉變、澆地向澆莊稼轉變、土壤施肥向作物施肥轉變、水肥分開向水肥一體轉變[3]。為推進水肥一體化技術的發展，國家近年來相繼出臺了一系列政策：其中2016年農業部辦公廳連續印發了《推進水肥一體化實施方案(2016—2020年)》，對中國水肥一體化的發展做出了戰略部署，著力推進水肥一體化技術的本土化、輕型化和產業化；2017年中央1號文件指出加快開發種類齊全、系列配套、性能可靠的節水灌溉技術和產品，大力普及噴灌、滴灌等節水灌溉技術，加大水肥一體化等農藝節水推廣力度。

水肥一體化系統首部(以下簡稱系統首部)，又稱灌溉首部，是水肥一體化裝備的主體核心設備，主要包括增壓設備、過濾裝置、施肥裝置、量測和控制設備等。本文主要分析國內外常見系統首部的發展現狀，不包括過濾裝置與河水處理設備[4]，重點分析其結構、原理、控制方式以及新興技術與裝備等應用現狀，指出存在問題，探討其發展方向，為水肥一體化系統及相關設備的發展提供了良好借鑒。

1 系統首部發展現狀

1.1 水肥一體化系統

國外水肥一體化技術發展得較早，在發達國家早已大量投入到實際農業生產之中[5]。我國自1974年由墨西哥引進滴灌設備，逐漸開始應用該技術，但一直未在全國大面積推廣應用。近年來，隨著科學技術的發展，國家政策和經費的大力支持，水肥一體化的研究與應用也得到了進一步的發展。目前對水肥一體化技術及其配套裝備也有不同的認識和分類，趙春江等[1]論述了中國水肥一體化裝備的特點，從設備的肥料通道、回液模式、水肥配比方式、控制決策、設備運行方式、肥料形式以及管理規模等方面對水肥一體化裝備進行了分類，如表1所示。

表1 水肥一體化系統及設備的分類

1.2 系統首部

整個系統首部的核心是施肥機，國內外市場上不同灌溉施肥機生產廠家的型號各不相同，如以色列的Cakon和Netafim、荷蘭的Priva Nutriline、意大利的Irritec、北京農業信息技術研究中心、中國農業大學、山東省農業機械科學研究院等施肥機生產企業和研究機構均根據不同作業環境和作業對象推出了不同種類的施肥機，按照機身外形和運行特點大致可分為兩類，一類是混合腔式混肥，一類是開放桶式混肥，國內簡稱為管混式施肥機和罐混式施肥機[6]，施肥機結構決定了系統首部的總體的組合方式，可根據施肥機與灌溉主管路的連接方式，分為支管路注肥旁通式系統首部(管混式)和主管路肥料預混式系統首部(罐混式)。

1.2.1 支管路注肥旁通式

支管路注肥旁通式系統首部結構如圖1所示，優點在于主管路流量大，適合大規模種植或大田作物的水肥一體化作業，由于該類系統結構簡單，成本較低，國外的入門級機型以及國內的大多設備均采用該種結構，如FERTIKIT系列，山東省農業機械科學研究院研制的果園水肥藥一體化系統。

國內其他企業與科研機構也設計了各自的支管路注肥旁通式系統首部，方金虎等[7]設計了一種PLC控制施肥裝置，能夠實時、動態的采集農業信息，實現農業田的智能灌溉、智能施肥與智能噴霧等自動控制；藺素麗等[8]設計了一種注入式比例調節自動施肥機，能夠實現自動補水、自動混肥、自動施肥，且施肥濃度和流量穩定、可調，自動化程度高；李堅等[9]設計了一種基于吸肥器的小型灌溉施肥機，建立了小型水肥一體灌溉機的優化結構，實現了肥料和水的兩次混合，達到提高混肥效率，減少水肥混合時間的目的；王利源等設計了包含井房控制終端、田間控制終端、氣象站監測終端和系統平臺的高效的水肥一體化自動控制系統；詹宇等設計了一個基于PLC的果園水肥一體化控制系統，通過支持Modbus通訊協議的壓力傳感器、液位傳感器、pH值傳感器、EC值傳感器和土壤濕度傳感器來檢測系統運行參數和土壤濕度；李繼學等通過改變主管道長度和射流泵間距對吸肥器結構進行優化并分析每條射流泵吸肥量，吸肥器結構優化后，每條射流泵的吸肥量趨于相同。綜上所述，支管路注肥旁通式系統首部結構簡單，省去了混合罐、攪拌器等設備，節約了設備成本，但提升了控制難度，在管路直徑較大的情況下，容易產生混合不均勻的情況，可在主管路中加入混合腔提高均勻性，但該問題的研究較少。

圖1 支管路注肥旁通式水肥一體化裝備

1.2.2 主管路肥料預混式

主管路肥料預混式系統首部如圖2所示，最明顯的特征在于有一個混合灌，能夠更精準地控制營養液的濃度和PH值，該種結構適用于對營養液濃度要求較高的作物，特別是設施栽培。常見的產品有Fertimix系列、Sharker Pro系列、中國農業大學研制的日光溫室封閉室栽培水肥智能調控系統等。

國內的相關院校和科研院所同樣做了大量的研究，何青海等采用主管路肥料預混式結構設計了一種智能水肥藥一體化系統，該系統不但能夠實現獨立灌溉，還能實現灌溉施肥、灌溉施藥及水肥藥一體化；施戰備[10]設計了一種灌溉施肥機，采用主管路肥料預混式結構，由混合灌、灌溉管路、回流去路、灌溉泵、流量計、過濾器等組成，結構緊湊，灌溉施肥兩用；王麗光等[11]設計了一種主管路肥料預混式水肥一體化施肥機，包括控制系統、主管路系統、注肥系統、檢測系統和漫液系統，實現了按需配置水肥。田莉等[12]設計了一款三通道旁路吸肥式水肥一體化自動施肥機，其中混肥系統基于射流器并聯，實現對多種單元素液肥的獨立吸取。李愷等[13]通過PIPENET軟件對設計管路進行仿真，提出優化設計方案，選擇合適水泵，以供給文丘里管合適的流量和壓力，提升設備吸肥效率和穩定性。綜上所述，主管路肥料預混式灌溉首部增設了混合罐，部分系統首部配備了攪拌裝置，降低了對肥液濃度的控制難度，適用灌溉區域較小和對肥液濃度敏感的作物，但是對于不同作物的不同濃度定量化控制的研究較少。

圖2 主管路肥料預混式水肥一體化裝備

2 系統首部的控制方式

施肥機(又稱灌溉施肥機、水肥一體機)是系統首部核心，根據施肥機對水泵、電磁閥等執行機構控制方式可分為單體灌溉施肥機和大規模水肥一體化裝備，其應用場合和控制方式也各有特點，主要有2種控制方式。

2.1 單機控制系統首部

單機控制系統首部主要是面向小面積地塊或單體溫室大棚的作物，種植作物的種類單一，需肥規律簡單，結合環境參數，根據作物不同的生長階段實時控制水肥一體化的適量、自動、智能灌溉施肥。

在中國市面上常見的施肥機多為單體灌溉施肥機，大多國外設備的通信協議自成體系不對外開放，很難與國內的其它設備進行組網，國內對單體灌溉施肥機的研究已較為成熟，該類設備應用廣泛。寧玉偉等[14]研制了基于單片機控制的定量灌溉系統，可實現自動與手動2種灌溉模式的切換，并可對電磁閥啟閉時間進行設定；李偉等采用PLC控制技術，進行了自動化灌溉施肥系統的設計開發，為將PLC技術引入到灌溉施肥控制系統的后續研究提供了借鑒；么麗麗等[15]設計了基于PLC和MB+的灌溉施肥模糊控制系統，實現自動灌溉施肥；俞衛東等[16]設計了一種基于PLC的智能灌溉施肥機，能實現不同營養液濃度、不同灌溉模式的自動控制；張慧等[17]設計了一種基于PLC和MCGS的水肥一體化系統，同時使用變頻器達到恒壓灌溉的目的；孟莎莎等[18]利用傳感器采集數據控制農田按需灌溉、按量施肥，實現自動灌溉施肥和監控管理；曾文果等[19]基于可編程控制器設計的柑橘根部灌溉施肥控制系統，可以實現全自動的根部灌溉和施肥。李帥帥等[20]建立了描述二次混肥特性的數學模型，設計開發了一套具有二次混肥特性的以MSP430單片機為主控的營養液pH值控制系統。黃語燕等[21]設計的水肥一體化施肥系統能根據不同作物需求設置施肥、灌溉策略，且能夠實現分區域灌溉，不同區域水肥參數可單獨設置，自動完成水肥一體化灌溉。成金海等[22]使用以ESP8266為主控芯片的集成板卡實時采集農田溫濕度數據、光照強度，定期采集土壤的pH值和電導率，并模擬水肥系統的啟動和報警狀態。李繼學等設計了一套水肥一體化遠程自動控制系統，通過觸摸屏對施肥機實現本地控制，借助手機APP或電腦網站可以遠距離控制施肥機完成相關指令。目前單機控制系統首部占據了主流市場，該類控制方式能實現基本的邏輯控制和自動化功能，對于采用工業觸摸屏+PLC的控制系統，能夠通過組態軟件實現簡單的配方操作，滿足常規的灌溉施肥需求。

圖3 單體灌溉施肥控制系統

2.2 大規模水肥一體化裝備

大規模水肥一體化裝備主要是針對大面積的多種作物生產而開發的大規模灌溉施肥智能管理系統，多用于農業園區和大規模農業生產基地的水肥管理，一般需要做配肥站、儲肥罐和多個分區監測站。灌溉施肥智能管理系統可設定作物種類、啟動程序自動實現不同作物的肥料配比、溶解、混勻和輸送等。基于不同作物生長規律和環境條件融合的灌溉施肥決策模型，實現整個農業園區或生產基地水肥綜合管理。

國外大規模水肥一體化已得到廣泛的應用，但僅有部分產品進口到中國，以色列的Galileo控制網是其中的代表，近年來該項技術成為國內研究的熱點。鄧曉棟等[23]設計了基于ZigBee的水肥一體化智能灌溉系統，用戶在服務器端控制水池、肥料池或者混合池電磁閥的打開，進而用滴灌的方式對農田進行水或者水肥的灌溉；江新蘭等[24]設計了基于兩線解碼技術和云計算的設施農業水肥一體化智能云灌溉系統，該系統通過兩線解碼技術，確定設施農業中不同環境條件下作物生長的水肥需求和灌溉施肥制度；翟晶等[25]在設施大棚條件下，對基于物聯網技術的水肥一體化系統在草莓種植上的應用效果進行了研究；孔德志等[26]設計了一種基于模糊控制的灌溉施肥系統，運用物聯網技術構建無線傳感器網絡，實現不同營養液濃度、不同灌溉模式的灌溉施肥所需營養液的精準調配；趙興杰等[27]設計了一種基于物聯網的水肥一體化系統，完成土肥信息采集、傳輸、分析、施肥灌溉方案設計及自動控制，進一步簡化操作程序、提高水肥利用效率；師志剛等[28]以物聯網技術為支撐，對水肥一體化智能灌溉系統進行設計及效益分析，該系統主要包括智慧平臺、田間灌溉控制系統、智能施肥系統等8個組成部分。李鳳芝等[29]按照傳統物聯網系統的體系結構，設計了基于物聯網的水肥一體化系統的數據采集、數據傳輸、應用控制三部分。

圖4 網絡水肥一體化裝備控制系統

石瑩[30]設計了基于物聯網技術的水肥一體化服務云平臺，水肥一體機的設計、區域環境數據監測采集設備的設計、數據處理、分析及預測。張賓賓等給出了智能水肥一體化云控制體系的概念，按照多層化、對象化、并行化、數據服務化思路，設計出一種具備云計算思想與特點的智能水肥一體化控制體系框架。隨著信息技術與物聯網的發展，云計算、大數據已經應用到水肥一體化的控制系統，現場控制器的通訊功能、智能網關的計算功能不斷提升，以云服務器+智能終端的控制模式已經有大規模的應用。該類控制方式能夠實現多種信息的采集與可視化管理，同時也為智能算法在水肥自動決策系統中得以應用，但目前成本較高，普通用戶難以應用。

3 系統首部的新結構

水肥一體化系統終端設備的技術模式主要包括滴灌式、循環式、噴灌/微噴灌式等[31]，常規的技術模式對系統首部的結構影響不大。隨著水肥一體化技術的發展多樣化，系統首部的結構也有了新的變化。

3.1 水肥機+傳統裝備

3.1.1 水肥機+噴灌溉類裝備

鄒露陽等[32]為研究豫北地區噴灌水肥一體化條件下不同種植密度和施氮頻次對土壤水分、硝態氮含量及冬小麥產量的影響，在傳統的噴灌機上配備水肥機，發現在相應種植密度和施氮頻次為當地冬小麥生育期的最優措施。高效灌溉技術的發展以及便宜的塑料管道大量生產，水肥一體化技術應用于各種農田的灌溉施肥中，而水肥一體化裝備也發展多樣化，從傳統的與滴灌、噴灌等設備結合發展到與灑水車、噴霧機等移動式灌溉施肥一體式裝備。滴灌機和噴灌機將傳統滴灌系統和噴灌系統首部樞紐各項設備功能進行集成，無需拆卸和安裝，可獨立完成作業；在多種水源條件下均可進行灌溉作業，實現移動便攜式滴灌，適用范圍廣泛，尤其適合應急抗旱時使用。

3.1.2 水肥機+移動式滴灌裝備

王雅云等[33]提出了適合丘陵山區的移動式滴灌水肥一體化模式，即采用滴灌設備和移動式拖拉機，使用增壓泵將注入施肥罐的肥液和水箱中的水從滴灌設備按照水肥兼顧的原則滴灌到作物根部，以達到水肥高效利用。趙亞麗等[34]對移動式滴灌在齊齊哈爾市抗旱灌溉中的應用與推廣進行了研究，提出了適合丘陵山區的移動式滴灌水肥一體化模式，即采用滴灌設備和移動式拖拉機，使用增壓泵將注入施肥罐的肥液和水箱中的水從滴灌設備按照水肥兼顧的原則滴灌到作物根部，以達到水肥高效利用。

3.2 水肥機+新技術

3.2.1 水肥機+信息檢測系統

農業物聯網為當今現代農業技術研發的熱點之一，將水肥一體化技術和物聯網技術結合起來應用于農業生產，水肥一體化系統及裝備按照環境參數及作物的需水需肥規律，結合農藝專家數據庫，給出合理的水肥實施方案，使傳統農業生產中的灌溉、施肥、噴藥，不再依靠農民經驗與感覺。陳滿等[35]設計了基于多傳感器的變量施肥控制系統，結合采集的多源傳感信息，實現實時變量施肥控制。高菊等[36]設計了一種基于MBus的水肥一體化灌溉系統，采用MBus總線，提供基于電力線的載波通訊，可以同時完成節點供電和通訊功能。盧超等[37]設計了一種分布式無線自動澆灌系統，采用NRF905模塊進行無線通信，構成“一對多”的通信網絡。

3.2.2 水肥機+智能專家系統

農機農藝融合是整個農業機械行業的發展方向，水肥一體化技術及裝備也將走農機農藝的道路，不同作物不同生長周期的需水規律、需肥規律以智能專家系統的方式與水肥一體化裝備結合，“指導”裝備的自動運行，實現水肥一體化系統及裝備的自動化，并且先進智能專家系統帶有自學習功能，能夠自動更新系統專家數據庫，從而擁有更廣泛的適用性和更高的可靠性，進而推進水肥一體化系統向真正的智能化方向發展。

吳景來等[38]將模糊控制技術應用到水肥一體化控制設備，提高水肥一體化灌溉施肥機的水肥利用效率，實現水肥一體化自動精準灌溉施肥。王麗娟等[39]將模糊控制應用于水肥一體化控制設備，設計二維模糊控制系統，用Matlab軟件對此系統進行仿真，并和傳統的PID控制系統進行對比，效果理想。李莉等[40]采用土壤水分傳感器對草莓果期基質含水率進行實時監測，通過對基質含水率隨時間變化的規律分析，并結合日平均溫度進行K-means聚類分析，提出一種草莓優化灌溉策略。

4 存在問題

綜上分析，水肥一體化系統首部硬件結構較為完善，控制系統中尚存在兩大類問題：“短板問題”和“難點問題”。短板問題主要包括：控制邏輯的不優、自動化功能程度不高；難點問題主要包括：土壤與作物生理信息檢測系統不完善、水肥智能決策系統缺失。

4.1 短板問題

系統首部控制系統的控制邏輯難以與現代的灌溉工藝相適應，比如水肥一體化灌溉時，施肥會帶入大量陽離子，而灌溉水在過濾后仍有泥沙顆粒，施肥與細小泥沙顆粒相互作用加劇了滴頭堵塞問題；另外灌水均勻度低的問題嚴重，尤其是在地勢落差較大的地區，灌水均勻度低已成為微灌技術推廣的瓶頸。市場上的灌溉首部尚沒有針對該問題的自動控制方案，目前常規設備中的控制邏輯單一，難以滿足控制系統的需求。

市場上常見水肥一體化裝備，自動化水平低，仍需要人工手動操作，常規的自動控制技術，比如：通過設定不同的土壤水分閾值自動啟停灌溉系統，通過設定不同的EC值的上下限自動關閉施肥系統(在目前技術條件下不建議自動啟動施肥系統)等。該類技術是工業自動化中的常規技術，然則在系統首部的控制系統中鮮有應用，建議相關技術人員將工業自動技術引入到農業工程中來，提升水肥一體化系統首部的技術短板。

4.2 難點問題

土壤與作物生理信息是水肥精準施用的重要依據，如不知土壤中的營養狀況，莊稼是不是“渴了”“餓了”，水肥的精準施用無從談起。土壤與作物生理信息原位在線檢測技術，是制約水肥一體化發展的卡脖子技術，信息的快速獲取是制約水肥一體化系統首部技術水平的難點問題。

如果莊稼“渴了”“餓了”，應該提供多少水、多少肥？眾多農藝專家已經針對不同的作物進行了大量研究，探明不同作物的需水需肥規律，但目前的系統首部大多是依靠人力進行判斷，缺少水肥智能決策系統。如何根據環境信息參數、作物長勢與營養情況以及水肥需求規律，開發水肥智能決策系統，進行定時定量按需灌溉施肥，是目前的技術難點。目前的一些研究已經將關注的焦點從土壤轉移到植物本體上來，通過光譜技術、顯微技術等快速檢測植物的生命體征與營養狀況，但該類技術的成本高、實時性差，對技術人員要求較高，難以推廣應用。

5 系統首部發展趨勢

5.1 控制終端型系統首部

隨著電子與信息技術的發展，終端控制設備帶有網絡傳輸功能，同時網絡傳輸設備(網關)的邊緣計算功能也越來越強。在不需要復計算的場合，如系統首部電磁閥、水泵的控制，帶有邊緣計算功能的網關即可實現基本的控制功能，如研華科技的物聯網智能終端RTU：ADAM-3600，如需復雜計算，該設備將數據上傳上云端，由云服務器負責計算。該模式一方面由網關負責控制，減少了終端控制器(如單片機、PLC等)投入，降低了成本；另一方面網關設備進行了前期的數據處理，減輕了云服務器的計算壓力。采用該模式的系統首部設備結構簡單，投入少，是小型農場和種植大戶的首選，具有較大的發展潛力。

5.2 控制中心型系統首部

水肥一體化的目標是解決莊稼的溫飽問題，讓莊稼“吃好”“喝好”，有一個適宜的生長環境并能夠高產高質。針對大型農場和規模化的合作社開發系統首部控制系統，功能越來越全面，除了管理灌溉施肥的田間作業外，實現了對整個園區的環境信息、作物信息、農機信息、人員信息進行統一管理和調配，逐步形成了一個以水肥施用為核心，以高產高質為目標的田園管理系統。中心控制器也由常規的單片機、PLC變成的計算機、服務器，配置越來越好，功能越來越全，能夠全面的滿足用戶對種植區域數字化管理的需求，也是目前研究的重要方向之一。在操作系統方面，基于云服務集成是該類系統首部的核心，操作界面也由常規的觸控按鈕向虛擬場景轉變，未來的系統首部在操作上更直觀、更便捷。

5.3 系統首部智能化控制系統發展

目前市場上所謂的“智能化裝備”遠遠沒有達到智能的水平，只能稱其為“自動化的初級階段”，距離全面實現自動化還有很長的路要走。眾多生產廠家，把觸摸屏、手機、電腦控制定義為智能化控制是不恰當的，本質還是手動操作，與智能控制和自動控制有本質的區別。由田間信息采集系統和智能決策系統組成的水肥一體化系統首部實現無需人手動操作，系統自動化運行，是目前一個主要的發展方向。

關于系統首部的智能技術提升方面，也不能太悲觀，2019年中國灌溉發展大會上各種新裝備也陸續涌現，如：雙控制系統的系統首部，可針對大田作物、設施蔬菜等不同種植模式的選擇不同的控制模式；恒濃度施肥系統首部，采用比例閥精準控制肥液體濃度的施肥系統，將恒定濃度營養液精準施用；具有自動灌溉功能的系統首部，可根據土壤水分自動啟停的灌溉系統等等。特別是一些小企業，在系統首部控制系統上做的諸多改進可圈可點。雖然智能化技術的全面應用仍然遙遠，但不遠的前方有好多工作要做。

6 結論

綜上所述，水肥一體化系統首部得到了廣泛的關注和應用，學者們對水肥一體化技術的理論研究和實際意義方面做出了大量研究，特別是在控制系統方面有了較大的變革，并且系統首部在與常規裝備的結合過程中出現了很多新模式、新技術、新裝備。然而這些已有的研究結論和新興的技術裝備尚處于起步階段，存在大量的短板問題和難點問題。對于系統首部存在的問題和發展方向，筆者主要從控制系統方面提出了一些建議和思考，希望在行業內能起到拋磚引玉的作用，為專家學者們今后的研究功能齊全、系統穩定、農民愛用的產品提供些許借鑒。