IoT 在封閉車(chē)間蔬菜水肥一體化種植中的應(yīng)用研究

李燦彬，植柯霖，禤東樺

（廣州城建職業(yè)學(xué)院 信息工程學(xué)院，廣州 510925）

書(shū)名：水肥一體化實(shí)用問(wèn)答及技術(shù)模式、案例分析作者：梁飛ISBN：9787109235984出版社：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社出版時(shí)間：2018-02定價(jià)：25 元

農(nóng)業(yè)是中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，農(nóng)作物是國(guó)民日常生活必需的重要基礎(chǔ)性物資。在農(nóng)作物培育與生長(zhǎng)過(guò)程中，通常會(huì)采用水肥一體化的灌溉施肥措施來(lái)促進(jìn)作物生長(zhǎng)。水肥管理是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，是保證農(nóng)作物正常生長(zhǎng)發(fā)育、糧食增收的主要手段之一。水肥一體化技術(shù)是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的先進(jìn)技術(shù)之一，能夠?qū)崿F(xiàn)高效灌溉與精準(zhǔn)施肥。

由梁飛主編，中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社出版的《水肥一體化 實(shí)用問(wèn)答及技術(shù)模式、案例分析》一書(shū)，對(duì)水肥一體化技術(shù)的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，并深入探討了水肥一體化技術(shù)與IoT 技術(shù)（Internet of Things，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）相結(jié)合對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的潛力。

該書(shū)共分為8 章。第一章介紹了水肥一體化技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，包括理論基礎(chǔ)、技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以及作物生長(zhǎng)與水肥一體化之間的關(guān)系。第二章敘述了作物的水肥需求，對(duì)土壤性質(zhì)、作物需水規(guī)律、養(yǎng)分需求、灌溉、施肥周期等方面進(jìn)行了闡述。第三章介紹了土壤水肥監(jiān)測(cè)與控制的相關(guān)知識(shí)。第四章則說(shuō)明了水肥一體化中的肥料，詳細(xì)介紹了水溶肥、液體肥和滴灌肥等肥料，并對(duì)磷肥、氮肥等肥料在水肥一體化技術(shù)中的具體應(yīng)用進(jìn)行了說(shuō)明。第五章介紹了灌溉技術(shù)與設(shè)備。第六章則介紹了農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝融合與水肥一體化的應(yīng)用。第七章針對(duì)不同農(nóng)作物介紹了相應(yīng)的水肥一體化技術(shù)。第八章對(duì)水肥一體化的實(shí)際應(yīng)用案例進(jìn)行了分析。

一、水肥一體化技術(shù)與IoT 技術(shù)的基本概念

1）水肥一體化技術(shù)

水肥一體化技術(shù)是指利用管道灌溉系統(tǒng)，將肥料溶于水中，使得灌溉與施肥能夠同步進(jìn)行的一種農(nóng)業(yè)種植技術(shù)，可提高農(nóng)作物灌溉與施肥效率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的節(jié)水、節(jié)肥。對(duì)農(nóng)作物來(lái)說(shuō)，水分與養(yǎng)分是保證作物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵要素，可通過(guò)人為調(diào)控的方式來(lái)進(jìn)行控制。灌溉與施肥并不是相互獨(dú)立的過(guò)程，二者相互影響。單一的灌溉或施肥會(huì)降低水分或養(yǎng)分的效果，導(dǎo)致灌溉施肥效率低下。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)考慮將水分與肥料的施用過(guò)程融合在一起，以實(shí)現(xiàn)灌溉與施肥同步進(jìn)行，既能提高農(nóng)作物種植效率，也能提高水肥利用率，避免出現(xiàn)水肥虧缺或浪費(fèi)問(wèn)題。

根據(jù)農(nóng)作物性質(zhì)的不同，水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用范圍包括大田作物、設(shè)施蔬菜、果樹(shù)等；而根據(jù)灌溉方式的不同，又可分為滴灌、噴灌、淋施、膜下噴灌、集雨補(bǔ)灌等。在實(shí)際灌溉過(guò)程中，人們通常根據(jù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)階段及農(nóng)作物對(duì)水分、養(yǎng)分的需求來(lái)選擇合適的水肥一體化灌溉方式。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大多根據(jù)農(nóng)作物類(lèi)型來(lái)確定水肥一體化技術(shù)方式。例如，對(duì)于西瓜、蘋(píng)果以及大棗等對(duì)水分需求較高的農(nóng)作物，人們常采用滴灌的方式，將鉀肥、磷肥、氮肥等肥料溶于管道灌溉系統(tǒng)，使水、肥能夠順著管道被準(zhǔn)確滴注至農(nóng)作物根部區(qū)域，這種施肥方式能夠有效提高水資源利用效率，為農(nóng)作物生長(zhǎng)提供充足的水分和養(yǎng)分條件。對(duì)于紫花苜蓿等需水量較大但不耐澇的植物，可采取噴灌等方式進(jìn)行水肥一體化種植，利用管道進(jìn)行噴灑，使水肥均勻落在農(nóng)作物葉面或根部土壤。根據(jù)不同植物的水肥需求，可選擇合適的水肥灌溉方式。

2）IoT 技術(shù)

IoT 技術(shù)是指利用信息傳感器、紅外感應(yīng)器及掃描儀等裝置，以及射頻識(shí)別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)等技術(shù)，采集聲、光、電、生物、化學(xué)及位置等諸多信息，并利用互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信技術(shù)等將不同物質(zhì)相連接，實(shí)現(xiàn)信息智能感知、識(shí)別及共享，使相對(duì)獨(dú)立的物體形成互通的網(wǎng)絡(luò)。IoT 技術(shù)是當(dāng)前最為先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)手段，可以幫助人類(lèi)突破時(shí)間與地點(diǎn)的限制，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物三者的互通。近年來(lái)，IoT 技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)及各類(lèi)機(jī)械設(shè)備與智能產(chǎn)品，只要與互聯(lián)網(wǎng)相連接，人們便可對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行智能控制，并自動(dòng)采集物品信息，能夠更加精準(zhǔn)地識(shí)別物品。

二、蔬菜種植的影響因素分析

當(dāng)前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用已十分廣泛。在蔬菜作物的種植中，眾多廠商廣泛應(yīng)用此技術(shù)來(lái)進(jìn)行灌溉與施肥，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的水肥高效利用。在對(duì)蔬菜作物進(jìn)行水肥一體化種植時(shí)，需要清楚作物生長(zhǎng)各階段對(duì)光照、溫度、水分、營(yíng)養(yǎng)成分的需求，從而對(duì)蔬菜作物成長(zhǎng)空間進(jìn)行人工改造，并制定科學(xué)合理的水肥灌溉方案，提高蔬菜作物的生長(zhǎng)效率，為種植商創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

1）水分在蔬菜生長(zhǎng)中的作用

水分是蔬菜生長(zhǎng)所需的主要物質(zhì)，能夠影響植物的光合作用及根系吸收養(yǎng)分的能力。不同蔬菜種植所需要的水分條件不同，如綠色蔬菜的生長(zhǎng)需要消耗大量水分，這是因?yàn)檫@類(lèi)蔬菜根系較淺，水分吸收能力較弱，但其葉面較大，光合能力較強(qiáng)，因此在種植過(guò)程中，此類(lèi)蔬菜的種植空間應(yīng)保持較高的濕度與溫度，確保蔬菜生長(zhǎng)的水分需求易被滿(mǎn)足。在大棚或封閉車(chē)間種植此類(lèi)蔬菜時(shí)，要求空氣中濕度保持在85%以上，并采取噴灌或滴灌的方式進(jìn)行灌溉與施肥。茄果類(lèi)、瓜類(lèi)蔬菜對(duì)空氣濕度要求相對(duì)較低，且在播種初期、開(kāi)花等不同階段對(duì)水分的需求也不同，蔬菜種植需根據(jù)作物生長(zhǎng)狀況來(lái)進(jìn)行水肥調(diào)控。

2）肥料在蔬菜生長(zhǎng)中的作用

蔬菜在生長(zhǎng)發(fā)育階段要通過(guò)外界補(bǔ)充肥料來(lái)獲取生長(zhǎng)動(dòng)力。不同蔬菜所需要的肥料種類(lèi)大不相同，同種蔬菜在不同生長(zhǎng)階段所需的肥料也不同。例如，白菜是一種對(duì)養(yǎng)分需求較高的蔬菜，平均每生產(chǎn)1 t 的白菜需要施加約2.5 kg 的氮肥、3.5 kg 的鉀肥及1.0 kg 的磷肥。在不同生長(zhǎng)階段，白菜對(duì)肥料的吸收能力也不同，如苗期僅能吸收約6%的氮肥與5%的鉀肥和磷肥；蓮座期養(yǎng)分吸收能力大大增強(qiáng)；成球期對(duì)肥料的吸收能力也較強(qiáng)。因此，需根據(jù)特定作物的生長(zhǎng)階段來(lái)進(jìn)行科學(xué)施肥，促進(jìn)蔬菜更好地吸收肥料。

除了水分與肥料外，種植空間的溫度、光照時(shí)間等也會(huì)影響蔬菜生長(zhǎng)。蔬菜種植應(yīng)根據(jù)蔬菜習(xí)性，設(shè)置最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，提高蔬菜產(chǎn)量。

三、IoT 技術(shù)在封閉車(chē)間蔬菜水肥一體化種植中的應(yīng)用

當(dāng)前，中國(guó)對(duì)水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用并未大范圍普及。對(duì)引入水肥一體化種植技術(shù)的蔬菜種植廠家進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，種植效果受多種因素影響。首先，肥料類(lèi)型會(huì)對(duì)蔬菜生長(zhǎng)造成影響。常見(jiàn)的肥料包括水溶性肥料、生物肥料及有機(jī)肥料等，這些肥料價(jià)格并不統(tǒng)一，對(duì)不同植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響程度也不同。其次，水肥一體化技術(shù)會(huì)影響蔬菜產(chǎn)量與品質(zhì)，噴灌、滴灌及膜下滴灌等灌溉方式具有不同的優(yōu)勢(shì)，會(huì)直接影響蔬菜對(duì)水分、肥料的吸收，影響蔬菜產(chǎn)量。為此，中國(guó)農(nóng)作物種植業(yè)應(yīng)致力于研究提高水肥一體化種植效果的設(shè)備與技術(shù)，促進(jìn)中國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)水平的進(jìn)一步提高。針對(duì)封閉車(chē)間的蔬菜水肥一體化種植，中國(guó)引入了IoT 技術(shù)來(lái)提高蔬菜種植效率。

1）利用IoT 技術(shù)對(duì)封閉車(chē)間蔬菜水肥一體化種植進(jìn)行智能控制

蔬菜種植廠家在進(jìn)行大規(guī)模種植時(shí)，為提高水肥利用效率，會(huì)引入水肥一體化種植技術(shù)與設(shè)備，構(gòu)建貫徹全車(chē)間的管道灌溉系統(tǒng)，并將IoT 技術(shù)引入封閉車(chē)間，利用計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)將水肥灌溉設(shè)備與蔬菜相連接，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)水肥施用模式進(jìn)行智能控制。

2）利用IoT 技術(shù)對(duì)封閉車(chē)間蔬菜信息進(jìn)行采集

在進(jìn)行水肥一體化種植后，廠家可利用IoT 技術(shù)對(duì)封閉車(chē)間內(nèi)蔬菜的生長(zhǎng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。如車(chē)間內(nèi)安裝的智能監(jiān)控設(shè)備與紅外感應(yīng)設(shè)備會(huì)對(duì)種植蔬菜的大小、形狀以及植物的水分、營(yíng)養(yǎng)元素等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)圖像處理、化學(xué)分析等技術(shù)對(duì)植物的具體生長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定，技術(shù)人員根據(jù)此類(lèi)數(shù)據(jù)即可判定蔬菜的生長(zhǎng)狀況，并針對(duì)后續(xù)水肥施用提出科學(xué)合理的方案與計(jì)劃。另外，蔬菜種植廠家還可利用IoT 技術(shù)實(shí)現(xiàn)與其他農(nóng)業(yè)專(zhuān)家的聯(lián)系，專(zhuān)家或技術(shù)人員可根據(jù)采集的蔬菜信息對(duì)種植廠商的車(chē)間管理進(jìn)行指導(dǎo)，確保蔬菜的生長(zhǎng)發(fā)育處于正常狀態(tài)。此外，IoT 技術(shù)在封閉車(chē)間蔬菜水肥一體化種植中，還可用于監(jiān)測(cè)車(chē)間內(nèi)用電、用水情況，為廠家提高水電利用效率。IoT 技術(shù)與水肥一體化種植的結(jié)合使中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平更加智能化、現(xiàn)代化。未來(lái)，中國(guó)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)IoT 技術(shù)與水肥一體化種植綜合應(yīng)用的大范圍普及。