農業灌溉用時序控制裝置研發及其在基質栽培小西瓜上的應用

岳煥芳，胡瀟怡，孟范玉，安順偉，胡 瓚，周孝秋，許鶴鳴，王克武*

（1.北京市農業技術推廣站，北京 100029；2.北京市弘科農場，北京 102446）

隨著農業從業人員老齡化的加劇，自動控制設備具有減少勞動量，提高工作效率等優勢，使用需求日益增加。水肥管理是一項重要的農事管理技術，實現自動化管理有利于提高生產效率，科學化的水肥管理可提高作物產量和品質[1]。灌溉決策是自動灌溉控制系統的核心，其優質性和廣適性決定了自動控制系統的應用價值，相關研究已成為農業灌溉節水的熱點。目前常用的自動灌溉決策為時序控制法[2]，需要根據經驗設定啟動時間和灌溉量（灌溉時長），該方法簡單易推廣，技術門檻低。時序控制器目前主要有國外進口的控制器和國內簡易的時序開關，國外控制器價格較高，功能復雜，很多控制功能在國內農業生產中使用率較低。國內簡易的時序控制開關主要應用場景并不是農業生產，只能實現單個閥門控制，設備功能與農業生產需求存在脫節等問題。為了更便捷地實現時序灌溉自動控制，筆者于2020年集成研發了農業灌溉用時序控制裝置[3]，界面由旋鈕和按鍵組成，操作簡單，可以實現4個閥門綜合控制，成本低廉，有利于推動農業自動化的發展。

小西瓜具有口感好，營養豐富，經濟價值高等優點，已成為北京郊區設施農業的主栽作物之一[4]。基質栽培可以有效減少土傳病害的發生，已成為主要的栽培模式。西瓜需水量較大[5]，基質栽培采用少量多次的水肥管理策略，利用自動灌溉控制裝置，可以減少用工，提高勞動效率。為了檢驗農業灌溉用時序控制裝置的田間應用效果，同時摸索出基質栽培條件下，小西瓜的適宜灌溉定額，本試驗設置了不同的灌溉量處理，通過對比小西瓜的生長指標、產量和品質，最終得出了適宜的田間應用參數，為基質栽培小西瓜的水肥管理提供數據支撐。

1 農業灌溉用時序控制裝置研發

農業灌溉用時序控制裝置可以實現4組通道綜合控制，裝置體積小，方便懸掛。控制面板設計簡單，主要包括顯示屏幕、旋鈕和按鍵3個主功能區。第一，屏幕可以顯示系統實時時間、電磁閥目前的狀態（ON/OFF）以及設置過程中的數據顯示。第二，旋鈕功能區主要包括4個旋鈕：第1個旋鈕設置啟動時間的時，第2個旋鈕設置啟動時間的分，第3個旋鈕設置單次的工作時長，第4個旋鈕選擇管理通道。第三，按鍵功能區主要包括4個按鍵：第1個按鍵為功能選擇，共包括10個功能選擇，第1～7為設置每天啟動的時間段，8為手動/自動啟動選擇，9為設置系統時間，10為格式化系統；第2個按鍵為移位功能，在設置系統時間時，進行移位分別設置時、分；第3個按鍵為加/減功能，可以選擇1～10功能中的其中1個，在設置系統時間時，可以上下加減數字；第4個按鍵為確認鍵（圖1）。該設備覆蓋了時序控制法的技術需求，技術門檻低，性價比高，適合小規模生產基地的自動化灌溉使用，可減少灌溉用工。

圖1 農業灌溉用時序控制裝置控制界面設計示意（單位：mm）

2 農業灌溉用時序控制裝置在基質栽培小西瓜上的應用

2018年在北京市房山區弘科農場日光溫室內開展農業灌溉用時序控制裝置在基質栽培小西瓜上的應用試驗，試驗地點位于北緯N39°37′33.53″、東經E115°57′49.64″，供試小西瓜品種為“超越夢想”，栽培方式為槽式混配基質栽培，2018年8月15日定植，10月17日拉秧，單行種植，667 m2定植976株。利用滴箭進行灌溉，灌水器流量為2 L/h。

2.1 農業灌溉用時序控制裝置的應用方法

田間應用期間，為了實現灌溉自動控制，利用自主研發的農業灌溉用時序控制裝置控制抽水泵和電磁閥的啟閉，例如，使用者想要設置每天09：00灌溉10 min，首先按第1個按鍵進入功能1，旋轉第1個旋鈕到時間9，第2個旋鈕旋轉到00，第3個旋鈕旋轉到10 min，最后按確認鍵即可，步驟簡單，抽水泵和電磁閥到達09：00則開始工作，進行田間灌溉，09：10則停止工作，灌溉停止，配合文丘里或者比例施肥器，實現水肥一體化。整個生育期運行正常，沒有出現故障，基地技術員反饋該設備操作簡便，容易掌握使用流程，省時、省工，適合在京郊地區推廣應用。

2.2 農業灌溉用時序控制裝置灌溉量的確定

水分管理對于作物生長具有重要意義，合理的灌溉制度是實現高產優質的必要條件，根據作物不同生育階段水分需求，合理供應水分，可以實現高產高效的目的。為了確定農業灌溉用時序控制裝置在小西瓜栽培中的最佳灌溉量，設計了3個不同的灌溉量處理，采用農業灌溉用時序控制裝置設置灌溉參數，進行自動灌溉。每天均灌溉2次，單次灌溉時長不同，即灌水定額不同，具體試驗設計見表1。采用營養液施肥，苗期EC值控制在1.5～1.8 mS/cm，開花期EC值控制在1.8～2.0 mS/cm，結瓜期EC值控制在2.0～2.5 mS/cm，整個生育期營養液pH值控制在5.5～6.0。

表1 試驗設計

2.2.1 不同灌水定額對小西瓜生長指標的影響

圖2為不同灌水定額對小西瓜株高和莖粗的影響，從圖中可以看出，T3的株高大于其他處理，9月10日T3的株高為175.2 cm，比T1和T2分別增加28.7%和3.3%。小西瓜莖粗呈現先增加后下降再上升的趨勢，8月30日是小西瓜莖粗為整個生育期最大值，T3為4.698 mm，比T1和T2增加了8.6%和4.4%。

圖2 不同灌水定額對小西瓜株高和莖粗的影響

2.2.2 不同灌水定額對小西瓜品質的影響

表2為不同灌水定額對小西瓜品質的影響，從表中可以看出，T1處理的瓜長為17.06 cm，為3個處理中最高。T1處理的小西瓜心糖含量為12.06%，比T2和T3分別提高了1.82和2.02個百分點，T1的邊糖含量為8.52%，比T2和T3分別提高了0.20和0.34個百分點，T1處理的小西瓜品質最佳。

表2 不同灌水定額對小西瓜品質的影響

2.2.3 不同灌水定額對小西瓜產量的影響

圖3為不同灌水定額對小西瓜產量的影響，T2處理667 m2用水為145.8 m3，667 m2產量為1 527.6 kg，水分生產效率為10.5 kg/m3，T1和T3的667 m2產量分別為1 086.3 kg和1 162.2 kg，水分生產效率分別為9.2 kg/m3和6.5 kg/m3，T2的667 m2產量分別比T1和T3增加了40.6%和31.4%，水分生產效率分別提高了13.4%和60.4%。

圖3 不同灌水定額對小西瓜產量的影響

2.2.4 小結

試驗結果表明，不同灌溉制度可以影響小西瓜生長、產量和品質，與前人研究結果一致[6]，T1處理667 m2用水117.6 m3，水分生產效率為9.2 kg/m3，小西瓜心糖含量為12.06%，邊糖含量為8.52%，品質最佳。由于近年來追求高品質農產品成為發展趨勢，以高糖度小西瓜為生產目標、推薦T1處理用于小西瓜水分管理。