水肥一體化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

鐘　峰，唐東成

水肥一體化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

鐘峰，唐東成

(懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 懷化 418000)

水肥是農(nóng)作物生長必不可缺的要素，水肥一體化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)了對作物土壤中的氮、磷、鉀等養(yǎng)分和水分的實時檢測，并可根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對作物土壤的養(yǎng)分、水分進行及時控制，達到節(jié)本增效的目的。通過分析水肥一體化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、研究進展、應(yīng)用案例，以充分發(fā)揮其在節(jié)約人力成本，減少資源浪費，高效精準化種植等方面的優(yōu)勢，探索其未來研究與應(yīng)用的方向，推動現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

水肥一體化；節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)；發(fā)展現(xiàn)狀；應(yīng)用

應(yīng)用水肥一體化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)可以完成對作物土壤中水、肥等多種元素的在線監(jiān)測，結(jié)合作物的生長情況和土壤情況，進行綜合調(diào)控，幫助管理人員實現(xiàn)半自動化乃至全自動化的水肥一體化管理。管理人員通過控制系統(tǒng)完成指令編寫、數(shù)據(jù)采集、環(huán)境分析、水肥配比、灌溉控制等操作，以土壤養(yǎng)分、水分以及作物施肥規(guī)律為根本依據(jù)，與系統(tǒng)終端組成控制循環(huán)，設(shè)置周期性的水肥計劃實施輪灌。施肥機會按照管理人員設(shè)定的配方、灌溉參數(shù)，自動控制灌溉量、吸肥量、肥液濃度、酸堿度等重要參數(shù)，實現(xiàn)對作物土壤灌溉和施肥的定時、定量控制，充分提高水肥利用率，達到節(jié)水、節(jié)肥、改善土壤環(huán)境、提高作物品質(zhì)的目的。目前，水肥一體化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于大田、旱田、溫室、大棚、果園環(huán)境中作物的種植灌溉作業(yè)。

1 水肥一體化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國地域遼闊，氣候多樣，半干旱和干旱土地面積約占50%，現(xiàn)有約50%的耕地沒有任何灌溉設(shè)施。我國雖然是一個農(nóng)業(yè)大國，但農(nóng)業(yè)用水的效率不高，且隨著人口數(shù)量不斷增加，如何在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中實現(xiàn)高效灌溉、施肥已然成為當今農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重要課題。國外對于高效灌溉與施肥技術(shù)的研究起步較早，以色列因為地處沙漠地區(qū)干旱少雨，20世紀60年代就開始針對水源及灌溉方面的問題，展開了水肥一體化研究，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已從“沙漠之國”變?yōu)椤稗r(nóng)業(yè)強國”[1]。我國自1974年引入水肥一體化技術(shù)后便建立了試驗研究基地，不久后便掌握了水肥一體化控制系統(tǒng)的核心技術(shù)。近年來，我國部分水肥一體化試驗基地從以色列引入開放桶式施肥機，以傳統(tǒng)作物為對象進行了試驗，并獲得了成功。目前，我國水肥一體化節(jié)水灌溉控制技術(shù)的相關(guān)研究已初步成熟，通過將理論與實踐充分結(jié)合，最初的水肥一體化控制系統(tǒng)已成功升級為水肥一體化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，其應(yīng)用范圍也擴大到內(nèi)蒙古、西北、華北等諸多地區(qū)。實踐表明，目前應(yīng)用了水肥一體化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的地區(qū)用水量僅占以往灌溉用水的14%，水利用率與化肥利用率均提升了50%以上，隨著推廣范圍的擴大和技術(shù)的升級，后續(xù)將進一步提升農(nóng)業(yè)土壤水和化肥的利用率[2-3]。

2 水肥一體化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的研究進展與應(yīng)用案例分析

2.1 水肥一體化節(jié)水灌溉系統(tǒng)的類型

應(yīng)用水肥一體化節(jié)水灌溉系統(tǒng)的主要目的是提高灌溉用水利用率和化肥利用率，其中水利用率是指作物實際需求用水量與灌溉用水量的比值，在作物實際的生長過程中灌溉水不可能全部被農(nóng)作物吸收，其中產(chǎn)生的損耗越大，水利用率便也越低，反之產(chǎn)生的損耗越小，水利用率就越高，化肥利用率也是同理。目前，我國水肥一體化節(jié)水灌溉的方式有噴灌、微噴灌、滴灌3種，施肥方式有水肥一體施肥、重力自壓施肥、壓差式施肥等。水肥一體化節(jié)水灌溉系統(tǒng)的構(gòu)建，要根據(jù)作物的類型和生長周期，綜合種植土壤的灌溉與施肥需求，靈活選擇節(jié)水灌溉技術(shù)和施肥方式，不管選擇哪種組合，系統(tǒng)一般都是由水源工程、施肥過濾裝置、管道等組成[4]。

2.1.1水肥一體化節(jié)水灌溉系統(tǒng)水資源利用率的研究進展

水肥一體化節(jié)水灌溉系統(tǒng)研究的重要參數(shù)是水資源和肥料的利用率，它是系統(tǒng)功效的直接反映，也是技術(shù)發(fā)展和系統(tǒng)升級的重要參考依據(jù)。在目前常用的三類灌溉方法中，“滴灌”能夠最大程度保證土壤結(jié)構(gòu)的完整性，具有不易破壞土壤性質(zhì)和成分的絕對優(yōu)勢，水利用率能達到90%以上，且該方法在減少灌溉水蒸發(fā)量方面優(yōu)勢明顯，在我國西北部，例如新疆等地區(qū)的棉花種植中應(yīng)用比較廣[5]。相較而言，“微噴灌”雖然在水利用率方面比不上“滴灌”，但是由于其發(fā)展時間較長，相較于其他技術(shù)與灌溉控制系統(tǒng)的匹配更為成熟，是目前我國應(yīng)用范圍最廣的一類灌溉方法。“微噴灌”與“噴灌”模式相比，能夠提升近30%的水利用率。

2.1.2水肥一體化節(jié)水灌溉系統(tǒng)化肥利用率的研究進展

目前我國排名前三的糧食作物為水稻、玉米、小麥，其中水稻對氮、磷、鉀三種肥料的利用率分別約為40%、25%、35%；玉米對氮、磷、鉀三種肥料的利用率分別約為43%、25%、43%；小麥對氮、磷、鉀三類肥料的利用率分別約為45%、20%、33%。由此可見，我國各地區(qū)在廣泛推廣和應(yīng)用水肥一體化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)之后，三大糧食農(nóng)作物的化肥利用率已達到國際平均水平，處于國際認可的數(shù)值區(qū)域內(nèi)[6]。

2.2 水肥一體化節(jié)水灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用案例分析

以某地區(qū)的種植示范田為例，該地區(qū)的水肥一體化節(jié)水灌溉系統(tǒng)規(guī)劃部署如圖1所示。在該工程中應(yīng)用的水肥一體化節(jié)水灌溉系統(tǒng)采用半自動工作模式，管理人員依據(jù)作物水肥需求規(guī)律制定灌溉施肥計劃，并通過控制器將灌溉施肥計劃傳輸至系統(tǒng)服務(wù)器內(nèi)，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)分析后執(zhí)行灌溉作業(yè)。

圖1　某地區(qū)示范田水肥一體化節(jié)水灌溉系統(tǒng)部署圖

該示范田屬于丘陵地貌，在應(yīng)用水肥一體化節(jié)水灌溉系統(tǒng)前主要采取大水漫灌和人工開溝施肥，每年灌溉水需求量約為45 t/hm2，化肥需求量約為100 kg/hm2[7]。在水肥一體化節(jié)水灌溉系統(tǒng)工程建設(shè)完成投入應(yīng)用后，該示范田每年灌溉水需求量約為15.75 t/hm2、化肥需求量約為33.33 kg/hm2。以往該示范田一般需要10名以上種植人員才能完成灌溉施肥作業(yè)，在應(yīng)用水肥一體化節(jié)水灌溉系統(tǒng)后僅需1名種植人員便可完灌溉施肥作業(yè)，不但大幅度提高了水肥的利用率，還在一定程度上節(jié)省人力投入，并有效提高了經(jīng)濟效益。

3 水肥一體化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢

水肥一體化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)能夠有效提高作物的水利用率與肥料利用率，其應(yīng)用和推廣與我國提出的生態(tài)文明建設(shè)、可持續(xù)發(fā)展理念高度吻合，有利于推動我國農(nóng)業(yè)向智能化和精細化轉(zhuǎn)型。經(jīng)過多年發(fā)展，我國針對的水肥一體化技術(shù)的研究已取得巨大進步，水肥一體化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)應(yīng)用的作物種類和區(qū)域也越來越廣泛，但是并未在全國范圍普及，技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)的升級還面臨著挑戰(zhàn)，其未來發(fā)展的趨勢，可關(guān)注以下方向。

(1)針對不同地區(qū)的作物類型進行水肥機理研究。目前，我國在水肥一體化節(jié)水灌溉系統(tǒng)應(yīng)用中仍存在灌溉施肥不均、中耕管理不到位等問題，而針對不同地區(qū)作物進行水肥機理研究，可從技術(shù)上有效避免以上問題的發(fā)生，進一步提高水肥一體化節(jié)水灌溉系統(tǒng)的工作效率，這也是進步一對系統(tǒng)進行優(yōu)化和升級的基礎(chǔ)。

(2)注重CFD數(shù)值模擬技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用。目前，我國在水肥一體化節(jié)水灌溉系統(tǒng)中所使用的各類裝置主要以國外引進后再做出一定本土適應(yīng)性改進為主。其在作業(yè)精度及可靠性方面仍然有所欠缺，而CFD數(shù)值模擬技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用可對整個作業(yè)過程開展有效監(jiān)測，在保證作業(yè)精度和效率的同時，也方便后續(xù)及時完成系統(tǒng)功能的拓展和創(chuàng)新[8]。

(3)注重模糊控制技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用。模糊控制技術(shù)是基于模糊數(shù)學(xué)理論發(fā)展而來的一種新型控制技術(shù)，其通過高度模擬人類的推理過程后，再進行綜合決策的選擇和執(zhí)行，具有很強的適應(yīng)性、合理性、穩(wěn)定性。將模糊控制技術(shù)應(yīng)于水肥一體化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中，可有效解決系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型不穩(wěn)定等問題。結(jié)合傳感技術(shù)可快速將混肥濃度調(diào)整至作物需求濃度，其應(yīng)用對于水肥一體化節(jié)水灌溉系統(tǒng)的智能化和精細化發(fā)展具有切實而深遠的意義。

4　結(jié)語

水肥一體化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)能夠有效提高作物種植過程中水資源和肥料的利用率，與我國提出的生態(tài)文明建設(shè)、可持續(xù)發(fā)展理念高度吻合。近年來，隨著社會的發(fā)展和科技的進步，對水肥一體化節(jié)水灌溉控制技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)的升級也提出了新的挑戰(zhàn)。未來，從業(yè)人員要針對不同地區(qū)的作物類型展開水肥機理研究，并以此為基礎(chǔ)，高度重視CFD數(shù)值模擬技術(shù)和模糊控制技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用，進一步提升水肥一體化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、智能性、精密性，拓展其應(yīng)用范圍和適用區(qū)域，推動我國農(nóng)業(yè)向智能化和精細化轉(zhuǎn)型。

[1] 郭凱,劉小京,封曉輝,等.冬季咸水結(jié)冰灌溉對河套重鹽堿地改良效果研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文),2021, 29(4):640-648.

[2] 林兵,武勝利,葛歡歡,等.灌溉量對不同林齡胡楊光合特性和水分利用效率的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2021,49(3): 125-132.

[3] 任清盛,杜巖,李貴篤,等.吊噴與滴灌水肥一體化對早春嫩姜促成生長及產(chǎn)量的影響[J].農(nóng)業(yè)科技通訊,2021(4): 183-186.

[4] 張艷艷,李文金,康濤,等.覆蓋地膜和水肥一體化技術(shù)對花生生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響[J].山東農(nóng)業(yè)科學(xué),2021,53 (1):52-56.

[5] 吉福鑫,金迪.水肥一體化技術(shù)在和靜縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的示范及推廣應(yīng)用[J].農(nóng)村科學(xué)實驗,2021(7):53-54.

[6] 張麗霞,楊永輝,尹鈞,等.水肥一體化對小麥干物質(zhì)和氮素積累轉(zhuǎn)運及產(chǎn)量的影響[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2021,52 (2):275-282.

[7] 張麗霞,尹鈞,武繼承,等.滴灌水肥一體化對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)及水肥利用的影響[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2021,55 (2):206-213.

[8] 趙蕊,毛濤,付忠衛(wèi),等.“水肥一體化+有機替減無機”模式對河西灌區(qū)制種玉米產(chǎn)量及耕地基礎(chǔ)地力的影響[J].農(nóng)業(yè)科技通訊,2021(1):106-111.

Research and application of water and fertilizer integrated water-saving irrigation control system

ZHONG Feng, TANG Dongcheng

(Huaihua Vocational and Technical College, Huaihua, Hunan 418000, China)

Water and fertilizer are indispensable elements for crop growth. The water and fertilizer integrated water-saving irrigation control system combines the advantages of things internet technology and sensor technology to achieve real-time detection of nitrogen, phosphorus, potassium and other nutrients and water in crop soil, and can timely control the nutrients and water in crop soil according to the monitoring results, so as to achieve the goal of cost saving and benefit increasing. By analyzing the development status, research progress and application cases of water fertilizer integrated water-saving irrigation control system, it can give full play to its advantages in saving labor costs, reducing resource waste, efficient and accurate planting, explore the direction of its future research and application, and promote the development of modern smart agriculture.

water and fertilizer integration; water-saving irrigation control system; development status; application

S365

A

2096–8736(2022)05–0011–03

鐘峰(1982—)，男，湖南沅陵人，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向為電子信息技術(shù)、智能農(nóng)業(yè)。

責(zé)任編輯：陽湘暉

英文編輯：吳志立