水肥一體化系統(tǒng)關鍵技術研究進展

謝佩軍

（浙江紡織服裝職業(yè)技術學院機電與軌道交通學院，浙江寧波 315211）

2019 年中央一號文件提出推動智慧農(nóng)業(yè)領域的自主創(chuàng)新，2020 年中央一號文件強調(diào)加快物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能、第五代移動通信網(wǎng)絡、智慧氣象等現(xiàn)代信息技術在農(nóng)業(yè)領域的應用[1]，都表明我國高度重視智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。智慧農(nóng)業(yè)將人工智能技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、5G技術等現(xiàn)代信息技術融入農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈，其中水肥一體化系統(tǒng)是智慧農(nóng)業(yè)的核心系統(tǒng)[2]。水肥一體化系統(tǒng)的水肥設備和方案選擇需要適應各管理階段的需求，水肥一體化管理鏈包括灌溉儲水管理、作物灌溉管理、作物營養(yǎng)管理、胃液回收管理等。水肥一體化系統(tǒng)關鍵技術包括水質(zhì)優(yōu)化技術、優(yōu)化灌溉技術、養(yǎng)分回收再利用技術、養(yǎng)分利用和鹽分控制技術等。研究水肥一體化關鍵技術對于大力推進智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展、實現(xiàn)水肥智能管理與精準控制、有效提高農(nóng)業(yè)資源利用效率具有重要意義。

1 水肥一體化系統(tǒng)研究應用現(xiàn)狀

水肥一體化系統(tǒng)采用計算機控制各子系統(tǒng)，根據(jù)不同作物的灌溉需求，向多個施肥罐注入合理比例的水溶濃縮肥料，通過計算機決策支持系統(tǒng)，智能控制作物所需的全養(yǎng)分、特定濃度的水肥營養(yǎng)液。應用水肥一體化系統(tǒng)能夠提高水肥利用率，改良作物生長環(huán)境，提升作物的產(chǎn)量實現(xiàn)經(jīng)濟效益。隨著國家對智慧農(nóng)業(yè)及水肥一體化技術的重視，越來越多的專家、學者開展水肥一體化技術相關研究，取得了一系列成果。

郭辰昊等分析了智能水肥一體化系統(tǒng)的優(yōu)點，剖析國內(nèi)水肥一體化系統(tǒng)存在普及度不高、設備局限性、技術推廣難等問題，并預測了水肥一體化技術未來發(fā)展趨勢[3]。馬宏秀等研究了果樹水肥一體化發(fā)展現(xiàn)狀和關鍵技術，分析其提高果樹產(chǎn)量、改善作物生態(tài)環(huán)境等應用效果，并根據(jù)相關技術當前的局限性提出了針對性建議[4]。苗羽等從水肥一體化技術推廣的必要性入手，分析我國農(nóng)業(yè)領域水肥一體化存在灌溉技術和施肥技術脫離、管理水平低、技術研發(fā)與培訓不足等問題，規(guī)劃農(nóng)業(yè)水肥一體化技術的科學化、標準化發(fā)展方向[5]。

水肥一體化系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應用于各類作物的灌溉施肥，如龍祖華分析了柑橘種植的水肥一體化技術應用，能夠大幅減少勞動力、省水節(jié)肥，有效提升肥料利用率和提高柑橘產(chǎn)量[6]；趙海設計了溫室葡萄的水肥一體化系統(tǒng)，研究表明系統(tǒng)能夠滿足葡萄各生長期的養(yǎng)分需求，大大提高葡萄品質(zhì)和產(chǎn)量，并能夠減少各種生產(chǎn)成本[7]；郭戰(zhàn)玲等研究了麥套朝天椒的水肥一體化系統(tǒng)，深入探討灌溉系統(tǒng)配置、生長期灌溉管理、平衡施肥管理等技術，通過水肥聯(lián)合管理有效實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)肥、增產(chǎn)[8]；楊興字研究了設施蔬菜的水肥一體化技術要點，包括基地選址、規(guī)劃設施、施肥設備、施肥管理等，優(yōu)化了設施蔬菜的水肥灌溉效率，有效減少農(nóng)業(yè)污染[9]；楊振針對馬鈴薯種植的水肥一體化管理技術進行剖析，重點結(jié)合馬鈴薯的特點、習性、生長規(guī)律等，設計灌溉實施與管理方案，為提升馬鈴薯種植的綜合經(jīng)濟效益提供保障[10]。

2 水肥一體化系統(tǒng)關鍵技術

2.1 水質(zhì)優(yōu)化技術

水肥一體化系統(tǒng)實現(xiàn)水質(zhì)優(yōu)化的關鍵技術主要有4類：改進化學成分、去除顆粒物、去除藻類和消毒。灌溉水的化學成分優(yōu)化應確保灌溉水中鹽分、化學元素、化合物含量等滿足作物生長需求。反滲透技術是鹽水（海水）淡化技術，克服水中溶解的鹽量產(chǎn)生的滲透壓力，通過半透膜去除水中溶解性物質(zhì)和懸浮顆粒。膜蒸餾技術綜合蒸餾和膜過濾兩者的技術優(yōu)勢，實現(xiàn)不同水源灌溉水的清潔化，逐步發(fā)展成各種個性化膜結(jié)構(gòu)：直接接觸膜蒸餾、氣隙膜蒸餾、吹掃氣體膜蒸餾和真空膜蒸餾；納米過濾技術能夠從灌溉水中去除大分子、膠體顆粒和多價離子，同時進行水體消毒，并行（或串聯(lián)）模塊化設計可快速實現(xiàn)系統(tǒng)擴展。解決灌溉水中顆粒物問題的技術有比濾、粗濾和精細過濾，比濾（弧形篩過濾）是基于重力的物理作用過濾較大顆粒，粗濾（水力旋流過濾）利用向心力快速分離灌溉水中的砂粒和重顆粒物，精細過濾包括反沖洗精細過濾和無反沖洗精細過濾，利用重力、水流、真空泵有效去除細小顆粒、細菌和真菌等。灌溉水中的藻類是水肥一體化設備堵塞的重要原因，控制藻類生長是確保灌溉系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵技術，去除藻類主要有水蚤、細菌、酶等生物方法，磷固定、溶解銅、降低pH 等化學方法和利用超聲波、水體運動等物理方法。灌溉水的有害生物去除技術能夠?qū)崿F(xiàn)灌溉水和尾液的消毒，避免作物被水生病原體污染，有效提高水肥資源的利用率。化學氧化技術是通過添加氧化劑、催化劑等進行有效消毒，物理處理技術主要依靠光或熱殺滅灌溉水中微生物，生物處理技術是利用拮抗微生物和生物膜的作用控制病原體。

2.2 優(yōu)化灌溉技術

水肥一體化管理應綜合考慮實際氣候條件、土壤狀況、作物不同生長階段等因素，實現(xiàn)優(yōu)化灌溉，其中水分平衡估算和作物蒸散量（ETc）用于估算作物需水量，不同作物采用不同的灌溉策略。決策支持系統(tǒng)（DSS）依托復雜的智能仿真模型，根據(jù)具體情況綜合分析灌溉時間、水肥用量等，提供灌溉和施肥建議，有利于提高水肥利用率，大幅減少養(yǎng)分排放對環(huán)境的影響。灌溉管理系統(tǒng)的作物測量技術包括作物生長平衡分析系統(tǒng)、熱紅外傳感器、干徑測量儀、葉膨壓傳感器等，作物生長平衡分析系統(tǒng)監(jiān)控作物生長情況，分析生長模式與氣候、水肥數(shù)據(jù)間的關系，對比分析不同作物、不同種植方式的差異，全方位跟蹤精準分析作物的生長狀況。灌溉管理系統(tǒng)的土壤測定技術包括作物水勢測定儀、復合傳感器、時域反射儀、電容探測器、數(shù)字探地雷達等，數(shù)字探地雷達通過測量電磁波在土壤中的傳播與放射來測算土壤濕度，發(fā)射天線產(chǎn)生無線電波，接收器檢測放射信號實現(xiàn)地下電磁波變化的判斷。氣象傳感器能夠測定溫度、濕度、太陽輻射、風速、大氣壓等基本氣候參數(shù)，基本氣候數(shù)據(jù)可用于計算作物蒸散量及估算作物需水量，有效提高灌溉水的利用效率。氣象傳感器的測試數(shù)據(jù)可用于建立預測模型實現(xiàn)作物生理病害和蟲害風險的預測，也能夠為溫室氣候控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 養(yǎng)分利用和鹽分控制技術

傳統(tǒng)水肥管理方式存在大量未被作物吸收的氮肥，從土壤流失到環(huán)境中導致系列環(huán)境污染問題，主要包括：地表徑流導致地表水體富營養(yǎng)化，作物根區(qū)流失的硝酸鹽對地下水的污染，氨氣和氧化亞氮排放導致溫室氣體濃度升高等。養(yǎng)分高效利用和鹽分控制關鍵技術包括采用推薦施肥方案，土壤測試、土壤溶液分析、土壤導電率測定、基質(zhì)尾液電導率測定等土壤和基質(zhì)測量技術，尾液營養(yǎng)分析、葉綠素測定、冠層反射率、植物組織分析等作物監(jiān)測技術，養(yǎng)分吸收模型、養(yǎng)分淋溶模型等養(yǎng)分管理模型和支持養(yǎng)分管理的決策支持系統(tǒng)。土壤溶液分析技術主要實現(xiàn)作物氮素管理，適用于水肥養(yǎng)分持續(xù)供應至植物根系土壤的水肥一體化系統(tǒng)，周期性采集分析土壤溶液數(shù)據(jù)可動態(tài)監(jiān)測根區(qū)土壤溶液的三氧化氮濃度，相應地調(diào)整水肥用量達到最佳氮素供應。電導率傳感器技術用于測定影響作物生長的可溶性鹽濃度，適時調(diào)整灌溉水肥量確保土壤鹽度保持在合理濃度范圍，可用于測量土壤電導率的傳感器測定方法主要有電阻率法、電磁感應法、時域反射法、頻域反射法和幅域反射法等。葉綠素儀采用可見光和近紅外光透過率測量作物葉片的透射光，間接測定葉片的葉綠素含量，進而評估作物氮素和分析作物生長狀態(tài)。養(yǎng)分管理的決策支持系統(tǒng)綜合傳感器、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能算法等技術，根據(jù)各種傳感器采集的作物生長信息，結(jié)合氣候條件、土壤狀況和作物生育期等，建立決策模型計算作物所需養(yǎng)分，確保水肥施用量與作物需求相匹配，避免水肥過度施用，盡量減少養(yǎng)分流失對環(huán)境的影響。

2.4 養(yǎng)分回收再利用技術

水肥尾液排放引起的環(huán)境污染問題主要有含水層的富營養(yǎng)化和硝酸鹽污染，相關解決方案是從排水中回收利用特定營養(yǎng)物質(zhì)，提高養(yǎng)分回收率。養(yǎng)分回收再利用關鍵技術主要包括磷吸附介質(zhì)、電化學磷沉淀、移動床生物膜反應器、改性離子交換等理化方法和浮萍利用、人工濕地去除等生物方法。電化學磷沉淀技術將被處理液置于反應槽內(nèi)，電解反應過程中陰極發(fā)生還原反應，pH值升高，產(chǎn)生氫氣，陽極鎂發(fā)生氧化反應，產(chǎn)生磷-鹽經(jīng)重力作用得以分離出來，實現(xiàn)廢液中的磷回收，降低養(yǎng)分排放對環(huán)境的影響。移動床生物膜反應器技術的生物膜生長于塑料載體，好氧系統(tǒng)的鼓風噴射或厭氧系統(tǒng)的攪拌確保載體持續(xù)運動，促進生物膜有效降低水中雜質(zhì)。人工濕地技術是模仿自然濕地利用土壤和生物的自然功能處理不同水流的生態(tài)工程系統(tǒng)，通過水平床實現(xiàn)收集、過濾和回收，能夠有效去除污水中多余的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，可用于各種污水的凈化。

3 水肥一體化系統(tǒng)關鍵設備

水肥一體化系統(tǒng)將肥料與灌溉水制成營養(yǎng)液，實時監(jiān)測EC 值（電導率）和pH 值，通過各種施肥設備注入灌溉系統(tǒng)，最終為作物提供濃度適宜的養(yǎng)分。水肥一體化關鍵設備主要包括文丘里施肥器、注入泵、文丘里自動注入設備等養(yǎng)分注入設備，無土栽培系統(tǒng)中的排水再利用自動混合系統(tǒng)、潮汐灌溉系統(tǒng)等，以及營養(yǎng)液膜技術、深夜流技術相關設備等。

養(yǎng)分注入設備包括存儲設備、手動控制設備和自動控制設備。濃縮營養(yǎng)液的配置關鍵技術包括檢測灌溉水的pH 值和礦物質(zhì)成分，根據(jù)作物生長期配置營養(yǎng)液成分比例，計算營養(yǎng)液的電導率，根據(jù)作物所需養(yǎng)分計算肥料用量。密閉式壓力罐、開放式施肥罐和文丘里施肥器等手動控制設備具有成本低、技術簡單等特點，適用于小型農(nóng)場。基于EC 和pH 傳感器的文丘里自動注入設備使用多個施肥罐，罐中肥料通過文丘里注入設備輸送至主灌溉系統(tǒng)，采用電磁閥控制每次脈沖的肥料注入量，確保營養(yǎng)液保持穩(wěn)定的濃度、EC 值和pH 值。基于EC 和pH 傳感器的混合罐自動注入設備可以實現(xiàn)罐內(nèi)自動配置營養(yǎng)液，非加壓罐通過攪拌和循環(huán)灌溉水實現(xiàn)水肥均勻混合的營養(yǎng)液，磁力驅(qū)動泵持續(xù)從存儲罐中吸取營養(yǎng)液驅(qū)送至電磁閥，控制器周期性發(fā)送電磁閥噴射信號從而讓營養(yǎng)液進入混合罐。

4 小結(jié)

水肥一體化技術是利用灌溉系統(tǒng)對作物進行施肥和灌溉的相關技術，水肥一體化系統(tǒng)與智能灌溉系統(tǒng)的集成應用能夠按需精準施用水肥，提高作物品質(zhì)產(chǎn)量，加強作物營養(yǎng)管理，提高水肥利用率等，有效提升農(nóng)業(yè)信息化、智慧化水平。研究水肥一體化系統(tǒng)關鍵技術，借鑒成熟的水肥一體化系統(tǒng)建設經(jīng)驗，分析先進的水肥一體化技術特點與適用性，對于我國全面推進智慧農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)具有重要作用。根據(jù)區(qū)域氣候水土資源實際情況，合理選用水肥一體化技術，科學設計水肥一體化系統(tǒng)，確保作物全生育期的精準化水肥智能控制，有效提高水肥利用率，降低環(huán)境污染，實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級與可持續(xù)發(fā)展。