水肥氣一體化智能栽培技術在玉米生產中的應用

玉米不僅是中國重要的糧食作物，且兼有經濟、飼料、能量等多重重要屬性，是不可或缺的一大戰略資源；玉米秸稈能夠用作加工飼料，秸稈還田還可用作土壤肥料，秸稈加工亦能用于燃料制作等。但目前不僅存在于中國、也是全世界共同的一個現狀是：水資源非常短缺，傳統的如溝灌、漫灌和噴灌等方式易造成水資源浪費，灌水后也易造成作物根系的短暫性缺氧、對其根系呼吸造成抑制。為改善傳統灌溉施肥的生產模式、解決上述弊端，本文以玉米為試驗對象，提出水肥氣一體化智能栽培技術的應用，并在傳統農業模式的對照比較下，進行試驗研究，進一步明確水肥氣一體化智能栽培技術在應用上凸顯出的優勢，并以此為主要方向探索栽培技術的創新和完善，探索提高作物產量、改善作物形狀的有力途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗選擇在河南省永城市某個試驗農田，試驗所在地氣候為暖溫帶季風氣候，該地有分明的四季和充足的光照，日照時間年平均在2 049 h、氣溫年平均在14.3℃、降水量年平均在871.3 mm，全年無霜期是209 d。該試驗農田土壤物理性質：含有機質20 g/kg、有效磷1.2 mg/kg、全氮1.2 g/kg。

1.2 試驗設計

供試玉米品種為“鄭單958”。2021年5月進行穴播，收獲時間為2021年10月。設置2個試驗小組，各試驗小組以1 m為間隔，以防相互造成影響。其余田間管理方法各小組均相同，并于試驗田周圍設計有保護行。

2個試驗小組分別為傳統農業模式和水肥氣一體化智能栽培模式，區別在于施肥的方式和是否對土壤進行通氣處理。在單因素隨機區組設計的前提下展開試驗研究；傳統農業模式小組采取的處理方法為：不通氣與常規施肥；水肥氣一體化智能栽培試驗小組為通氣+液肥。

傳統農業模式試驗小組在全部玉米生育周期中進行12次灌水（并不做通氣處理），進行5次施肥，分別在：玉米苗期時施肥1次、喇叭口期時施肥2次，其余2次分別在孕穗期與灌漿期。

智能化技術試驗研究組則全程以水肥氣一體化智能設備來栽種玉米，包括灌溉系統、施肥系統、通氣系統以及過濾系統；分析其工作原理：（1）進行作物的初始灌溉時，開啟供水泵（為恒壓狀態），促使水流進入過濾器進行過濾，使過濾之后的水分經滲灌管運輸至田間，這一流程能夠基于PLC實現自動控制，系統根據實際所需進行灌水，并自主調節在灌溉上需要花費的時間。（2）當對作物進行施肥時，將供水泵打開，合理調配施肥用量，注入水分，注入量以施肥罐中預設液位最高值為標準，可超過該液位，或正處于該液位時，暫停注水，受壓力影響，施肥罐便可以將液肥注入至滲灌管并作用于試驗田。該系統基于自主控制系統，相應實現了對施肥在用量上與時間上的把控與調節，促進養分有效性的提高，由于滲灌管是經地下埋設，所以可以實現水分、養分直接對作物根部產生作用，促進水分、養分的應用效率，并有利于作物根系充分吸收這些水分和養分，避免浪費；基于養分的轉移，為作物生長提供有利基礎。（3）通氣設備連接供水管、再連接田間滲灌管，當完成灌溉、關閉水泵之后，通氣設備隨之開啟，即開始管道的通氣增氧，實現對玉米根系土壤的通氣作用、提高土壤中的含氧量。

在本系統中，考慮到玉米無論是在進行能量轉換時還是物質合成時，都不能缺少水分加持的這一關鍵條件，且又要考量到防止灌水量太多而帶來呼吸困難的問題、解決水分與養分的難以吸收，盡量避免發生無消耗水的問題；另外還需要注意，不能由于減少灌水量而導致不足的問題，滿足不了玉米基本的生長發育需求，以防作物發生籽粒缺陷、產量降低等后果。同時，考慮到從肥料施用量上的良好把控能夠在很大程度上促進增產增效，保證玉米對氮、磷等養分的有效吸收，但也要考慮到若肥料投入較大、會在一定程度上降低肥料養分利用率，所以，要在確保化肥利用效率的基礎上，設計適宜的施肥量。另外，土壤中的氣體和水分兼具重要性，土壤的通氣處理有利于改善作物根系因灌水而導致發生的缺氧問題。綜上所述，在本次試驗的水肥氣一體化智能系統中，施肥量為650 kg/hm2、通氣量為 2 000 m3/hm2時，灌水量設計為3 600 m3/hm2。

1.3 測試指標

主要的農藝性狀監測指標有：玉米株高、莖粗以及玉米產量；通過統計這些指標數據，目的是反映玉米生長發育情況和物質積累量；統計根長、干重的指標數據，目的是反映作物吸收土壤中水分和養分的能力。

1.3.1 關于農藝性狀相關指標的測定

玉米進入成熟期，在不同試驗處理小組隨機則取10株典型玉米，使用游標卡尺對玉米的莖粗進行測定，莖粗的界定為：取玉米根系在土壤上部的第二、第三節中間處測量直徑。卷尺測量玉米株高：保持植株和地面的垂直度，對植株最高值進行測量，計算平均數據值；收獲后，測量各小區選定玉米的單穗重量，10株植株相加之和則是玉米產量。

1.3.2 根系指標

取各處理小區有代表性的10株玉米，剪除根系上方氣根至莖基部后獲得根系，處理好伴隨土壤；均勻烘干即可。基于105℃的溫度要求，持續殺青30 min，并烘干到恒重，稱量根系干物質重，用于計算根干重。

1.4 數據處理

采取SPSS25.0統計學軟件做數據處理，測試指標統一表達形式為：均數±標準差，數據之間的差異值使用t檢驗方法，測得結果P＜0.05表示差異性大、符合統計學意義。

2 結果與分析

2個試驗組的玉米農藝性狀與根系生長數據對照結果見表1所示，由數據可知，相較于傳統農業模式，采取水肥氣一體化智能栽培技術的試驗小組玉米株高平均值提高了1.93%、莖粗平均值提高了7.12%、產量平均值提高了9.18%、根長提高了1.21%、根干重提高了18.55%。提示采用水肥氣一體化智能栽培技術能夠顯著提高玉米的株高、莖粗、產量、根長和根干重，特別是比較產量、根長和根干重數據差異可見，數據有明顯差異性（P＜0.05）。提示在玉米栽培中采取水肥氣一體化智能栽培技術，既能促進玉米的生長發育、又有利于產量提高。

表1 測得玉米農藝性狀指標和產量數據/（±s）

3 結論與討論

3.1 關于水肥氣一體化智能栽培技術的概述

（1）該設備于試驗田的應用運行平穩可行，對玉米栽培提出的合理灌水、適宜施肥和有效通氣要求均可滿足；設計旁通閥用于田間滲灌，能精準的對作物進行供水、供肥與通氣。（2）該設備各組成系統各司其職、運行良好、互不造成干擾，以供水管網用于田間主管道使用，經濟性強、適用性高。（3）優化通氣系統的設計，風機和田間主管道是相連的，完成灌水之后便可自動進行通氣，可以提高土壤的通氣效率。（4）過濾系統在該設備組成中有較高的穩定性、較強的過濾能力，能夠自主清洗，以防造成田間滲灌管的堵塞，保證作物對水分、養分的充分吸收。（5）充分使用計算機技術進一步實現了智能化、自動化種植技術，并基于設備的精準性為作物提供適宜的水分、肥料與氣體，減小勞動力浪費。

3.2 關于該技術設備的結構組成

在該技術設備組成中包括灌溉、過濾、施肥和通氣幾大主要系統，以及田間滲灌管等。

灌溉系統中設計有供水泵，這一設計目的是向試驗田高效疏松作物所需水分，始終保持土壤中適宜的含水量；并在自動化控制的前提下，實現灌溉管控，科學、規范調節適宜灌水量。

施肥系統的作用設置是把液肥通過管道直接運輸到作物根系土壤，最大程度上提高養分吸收率。

通氣系統則通過與管道的連接，實現對土壤的通氣和增氧，由風機產生氣體后，順著供水管運輸至田間地下的滲灌管，并直接到達土壤，針對土壤存在的含水、含氣體不均衡問題進行改善。

于過濾系統中設計自動砂石過濾器的裝備，設置過濾頻次為3～4次灌水間隔，特別是在灌溉液肥之后，可以負責過濾系統的清洗，繼而提高該系統的使用壽命和效率。

3.3 智能化栽培技術可促進玉米生產水平提高

在水肥氣一體化智能栽培技術中，系統中的水分是從滲灌管出水口朝著土壤四周擴散，促使水分能夠在土壤中得到均勻的分布和浸散，從而保證玉米作物有充足的水分獲得，基于水分基礎的奠定使其得到良好生長。

在水肥氣一體化智能栽培技術當中，通常是結束了灌水之后自動開始通氣，保證氣體于土壤孔隙間的填充和擴散，促使其均勻分布在土壤中，提高土壤透氣性。無論是作物根系呼吸還是土壤微生物呼吸，都離不開氧氣，而且氧氣也是能量轉化的關鍵原料；這種設計目的是對玉米根部氧供環境進行改善。加之氣體的有效運動還可以使水分伴隨于此做出運動與擴散，促使水分在土壤中的分布更為均勻，也能使根系與水分充分接觸、吸收，并助力于作物的良好發育。處于發育早期階段時，植株的水、氧消耗量都不高；至定植期至苗期階段，植株尚小，根系呼吸弱，不易于產生氧氣，因此導致土壤含氧度不足；進行通氣后，則會改善土壤中的含氧量。玉米進入生長后期，根系越來越發達，呼吸作用增強、植株蒸騰作用的強化，都對土壤氧氣含量提出很高要求，必須要有充分的氧氣供應才能滿足玉米此時的生長需求，這時土壤中的氧氣被急劇消耗，但在水肥氣一體化智能栽培技術當中，氧氣不足、不穩定的問題被提前預估到，所以基于通氣系統來為玉米生長發育過程提供有效處理，在通氣下，土壤中含氧量始終維持穩定，為各個時期玉米需氧都提供了保障，因此有利于植株的生長發育。

另外，水肥氣一體化系統在土壤中的分布趨勢其優勢在于，保證液肥和水適當配比之后進入到土壤中的運動軌跡和水分大致是相同的，從而確保養分能夠均勻地分布在土壤當中，為玉米作物根系提供充足養分，促進玉米作物根系的良好成長發育，以此促進玉米產量的提高。

綜上所述，由試驗結果可見，玉米生產中積極采用水肥氣一體化智能栽培技術，能確切提高玉米株高、莖粗、產量、根長和根干重，尤其是在產量、根長與根干重數據上，與傳統農業重視模式相比數據差異顯著。提示水肥氣一體化智能栽培技術從設備的技術要求、結構設計等方面著手，合理且均勻地提供水分、養分與氣體，營造玉米良好的生長基礎與發育環境，提高玉米的生長與產量。