水肥一體化節水灌溉控制系統的研究與應用

王啟芳

（山西省農業機械發展中心，山西太原 030031）

0 引言

目前，水資源短缺、地區分布不均，嚴重地限制了農業發展。要大力發展節水農業、實施化肥零增長、水肥結合等節水技術。提高農業水肥綜合利用水平，提高農業含水量和肥料利用率，是保證國家糧食安全、發展節水型農業、推動農業可持續發展的關鍵措施。水肥一體化技術的關鍵在于使灌溉與施肥同時進行，無需人工作業，就能實現自動灌溉。要想使其發揮出最大的作用，必須進行科學的規劃和設計。就水肥一體化的實施而言，要做好充分的調查，了解農田的生態狀況，并結合農田周邊的水源、地形、作物等情況，進行合理的設計，以節省安裝費用。而水肥結合的灌溉系統，正是符合當前市場需要的。

1 水肥一體化節水灌溉控制系統發展現狀

我國是一個農業大國，水資源是發展農業的重要因素。近年來，隨著國民經濟的發展，節水灌溉項目的規模逐漸增大，其中低壓灌、微灌、噴灌等項目也在逐年增加。在我們國家，水肥一體化灌溉體系從一開始只是小規模的試驗和示范，逐步發展為大規模的水肥一體化節水灌溉體系，同時，它的應用范圍遍及西北、華北、東北等廣闊的區域，在果樹、花卉、蔬菜種植等領域得到了廣泛的應用。比如，采用水肥一體化技術，適時對果樹根系進行定量、直接灌溉，顯著減少土地的水分蒸發，地表水分流失，有效解決水分浪費問題。通過水肥一體化技術，將溶肥精準傳送至果樹根部附近的土壤，使根系快速吸收養分，從而減少肥料用量，以實現高效的施用。試驗結果顯示，采用環狀滴灌技術可提高蘋果產量。可以提高灌溉效率，在灌溉水37%、肥料7%～15%的情況下，其產量提高13%～15%，提高土壤含水量1.2～1.5 kg/m2。水肥一體化節水灌溉技術正逐步向規模化、分區域推廣，相信在未來的幾年里，這一技術在我國的農業生產中有很大的推廣前景。

2 水肥藥一體化系統工作原理分析

水肥藥集成系統，由澆水系統、施肥系統、施藥系統、注酸系統、混合系統以及控制系統等構成。通過對該系統的多種方式的應用，既可以完成單獨的澆水、灌溉、施肥、施藥作業，也可以進行水肥藥的一體化操作。可按要求采取多種運作模式，以適應各種條件下對農作物的水、肥、藥劑的要求。因為整體的水、肥、藥集成體系具有較強的控制能力，所以可以根據具體的條件來分別進行控制，從而降低了系統的運行困難。對肥料與酸性溶液的混配，可以使用模糊控制，其他的控制系統通常都是使用邏輯控制的方法。如果系統只能夠完成單一的水灌溉功能，那么，灌溉泵會將灌溉水壓入灌溉管道，并經過控制閥、流量表，壓力表、止回閥，集液器等設備，最終流入到混合罐中，并通過管道進行灌溉。水力儀表、流量儀表、閥門等，分別與控制盒和單片機聯接，并與現場的CAN總線聯接。通過這種方式，觸摸屏可以控制管道中的壓力、流量和開關的狀況，從而完成對整臺噴灌設備的控制。

在完成灌水、施肥料后，將酸化裝置與灌水裝置同時進行。灌溉水、酸液、肥料，通過灌溉泵、注酸泵以及注肥泵，流入了攪拌罐中，各個壓力表、流量表、控制閥等都被單獨地連接到了控制盒中，并將這些數據在觸摸屏幕上進行顯示。操作員可根據觸摸屏幕設置各個管路的流速。因為澆水、肥料的控制系統比簡單的澆水功能更為繁復，所以在注酸量及注肥量上采取了邏輯控制，其實施要通過注酸及注肥管道上的電磁閥來完成。對于酸堿性和肥料溶液的含量，可以通過模糊的方法來進行，它的實現是由一個驅動的噴酸和肥料溶液的馬達來完成的。在該體系完成了澆灌和施用藥劑的作用后，該體系的啟動和灌水器的作用與澆灌肥料的作用類似。因為藥液與水的兼容性比較高，所以不存在遲滯現象，可以用一種邏輯控制的方法來對注藥系統進行控制，在系統實現灌溉、施肥和施藥的同步運轉工作的時候，可以對注水泵、注酸泵、注肥泵、注藥泵進行同步運轉，對井口進行水肥藥的集成控制。

3 水肥一體化節水灌溉控制系統的研究

3.1 水肥一體化節水灌溉控制系統對提高水利用率的作用

灌溉水的利用率，是指在特定的生長時期，水利用水與灌溉用水的比值。灌溉用水可以很好地反映農作物在灌溉過程中的需求。水肥一體化節水灌溉控制系統采用的重要灌溉方式有以下三種類型：膜下滴灌水肥一體化節水灌溉控制系統，微噴灌水肥一體化節水灌溉控制系統，滴灌水肥一體化節水灌溉控制系統。其中滴灌水肥一體化節水技術是一種既不會對作物的土壤特性產生影響，也不會破壞作物的營養成分，并且在實施水分滲透時，水分損失相對較少，水資源利用率可達90%左右。微噴灌水肥一體化技術是我國農業生產中較為成熟的一種新型節水灌溉技術，該系統在蘋果種植中廣泛應用。通過對試驗資料的調研，結果顯示，采用微噴灌水肥一體化節水灌溉技術，不但節水率提高31.6%，而且使蘋果的總產量增加5.6%。膜下滴灌式水肥一體化節水灌溉系統是我國新疆棉區普遍采用的一種新型節水灌溉系統。該系統可以減少水分的整體蒸發量，而且灌溉水的利用率亦可以得到大幅度的提高。

3.2 水肥一體化節水灌溉控制系統對提高肥料利用率的作用

化肥利用率，一般用生產力，農學效率，如生理學效率的標志。在我們國家，肥料用量一般是指作物所需的肥料。據有關資料顯示，在三大主要糧食品種中，K、P、N的利用率分別為42%、24%和33%。結果表明，小麥、磷、氮的利用率分別為44%、19%和32%。三大作物的化肥利用率均達到了世界公認水平[1]。

3.3 濕度傳感器的選擇

一個土壤水分感應器用來測定土壤中的體積水分含量。因為，在直接的重力作用下，自由水的測定需要除去、烘干，并對樣品進行重量，而在土壤水分的感應器，可以利用一些其他性質來間接測定水。測定的特性與土地水分的相關性，是需要標定的，它可能依賴于諸如土質、氣溫、電導率等條件。由于受水分的作用，可將微波反射到地表，并可應用于水文學及農業領域。這種輕便的檢測工具可以被農夫和園藝工人利用。在農業種植、園林灌溉、科研、園藝等領域，都需要使用到土壤水分的傳感器。在農田中，測定土地水分對提高農田的效率具有非常重要的意義。了解當地特定的土壤含水量，不但可以減少用水，而且還可以提高農田含水量。連接到市區及郊外園林及家庭草地上的土壤濕度感應器及灌水器，把土壤含水量感應器與一個簡易的洪水鐘相連，它就會變成一個“智能”的灌水器，在土壤含水量達標后，就會阻止持續的灌水。在高爾夫場地上采用了一種可以改善灌溉體系的濕度感應器，從而避免了過量的水導致肥料和其他化學藥品從泥土中滲透出來。目前，我國已有大量的土壤濕度傳感器被廣泛地應用于農田、園林、氣象等生態系統領域。無需電力的裝置比較廉價，也比較簡便，可以用來檢測植物的含水量和生長狀況。當把一個探測器放進土里60 s之后，儀器就會顯示出對于植株來說，這片地是太干的還是太濕的。

4 水肥一體化節水灌溉控制系統應用

4.1 實施蘋果水肥一體化節水工程概況

2011年，根據大寧縣太德鄉美垣村蘋果家庭農場的部署和需要，大寧縣太德鄉美垣村蘋果家庭農場在傳統的節水技術基礎上，采用先進的滴灌技術，在此基礎上結合該技術，開展了果樹水肥一體化節水項目。該項目當年共投資244.5萬元，其中，政府投入125 000元，農業投資232萬元；蘋果樹節水灌溉設備611 576套，包括609.338 hm2的地面滴灌設施和2.238 hm2的微型噴灑設備。

4.2 蘋果水肥一體化灌溉技術及配套措施

所謂“水肥一體化”，它是一項把肥水和灌溉結合在一起的農業技術，采用高壓式灌溉系統，按照土壤中的營養物質和作物的需求將可溶性固體肥料或液體肥料與灌溉水混合，然后將肥水和灌溉水注入水肥灌溉設備中，最后將水肥輸送到植物的根上。利用水肥一體化技術，可以根據不同作物的需肥特性、土壤環境、養分含量狀況與不同生長周期和需肥規律定量供應肥料。

4.2.1 技術路線。目前大寧縣太德鄉美垣村蘋果家庭農場采用的是蘋果樹滴灌技術，也就是通過HJYDS-1型移動水肥一體化肥料車，將水、肥輸送到滴灌設備中進行灌溉和施肥。具體的操作方法是：在場地四周安裝一套管道，將水源與施肥車的入水口相連，經過20 min的機械澆灌，然后將肥料倒入水槽中，攪拌均勻；再用壓力裝置澆灌到田里，澆水20 min，完成水、肥混合施肥，整個過程約1 h，灌溉1.67 hm2；在拆卸了連接到機器上的水管后，再用原來的灌水裝置澆灌蘋果樹3 h，全部工作結束（完成條件：滴灌管出水口直徑15 cm，深度25 cm，耗水量為90 m3/hm2）。

4.2.2 灌溉施肥量。在農業生產中，常規的追肥方式是在5、7、11月份各追肥一次，8～9月份各追肥2次，在追肥期間，尿素共施12～15 kg，鉀肥共施15～20 kg，復合肥料共施40～50 kg。

4.2.3 用水管理制度。按井位分為若干主要灌溉區，每一個灌溉區均由一個小組的主道開關進行控制，每隔1.0 hm2～1.7 hm2劃分一個小區進行灌溉。為了防止出現水壓短缺和用水混亂的情況，同一灌區每次灌溉只能有一個小區進行灌溉，其他小區不得用水，按分區依次進行輪灌。為保證使用的公正、透明，灌溉工作人員要對灌溉用水有詳細的記錄，包括使用地號、面積、使用時間，并在記錄簿上簽字，以確定用水狀況[3]。

4.3 存在的問題與建議

4.3.1 存在的問題。采用蘋果水肥一體化節水技術后，蘋果樹的單位面積產量有了顯著提高，既節省了勞力，也解決了長久以來靠天吃飯的問題，并為蘋果樹種植的灌溉技術積累了一些有益的經驗。但是，在實際應用中還面臨著以下問題：目前，我國還沒有專用的微灌肥料，特別是特種肥料短缺。目前，微灌化肥的水溶性差、容易沉淀、滴灌堵塞、侵蝕灌溉設備。由于滴灌設備的精度低、協作能力低，導致產品質量不穩定。在夏季炎熱和大雨的襲擊下，肥料就會出現脫粒，這是因為在制作工藝中未考慮到產品在脫模后收縮的差別。由于蘋果樹自身效益較差，加之工人收入不高，而滴灌技術是一項大規模的水肥一體化節水技術，若無政策支持，難以迅速推廣[4]。

4.3.2 建議。果園果樹水肥一體化節水技術是實現蘋果樹生產節肥、節約用水、增加化肥利用率、保護生態環境的重要措施。未來的發展趨勢：在種植蘋果樹上推廣滴水灌溉技術，爭取將滴水技術推廣到所有有水源的果園，以增加其效益。果園繼續增加設備，加快購置和安裝低壓槽（塔）加壓裝置，以增加滴灌的效果。要加快建設項目，尤其是小規模的農田水利，要充分發揮政府的財力，加速實施，減輕農民負擔，使農民獲益。加快推進農業節水、化肥、農藥一體化的試點和示范，重點研究推廣移動式水肥一體化灌溉技術，建立科學合理的施肥體系，達到增產增效的目的。

5 水肥一體化節水灌溉系統的應用展望

水肥一體化節水灌溉系統，既可節省灌溉用水，又可有效增加化肥的使用量，極大地提高了作物的產量，改善了作物的質量。水肥一體化節水灌溉技術的實施，與國家的生態文明建設和節能減排相適應，是促進可持續發展的一項重大舉措。目前，我國還沒有大規模推廣水肥一體化節水灌溉系統，政府必須在政策和資金方面予以大力扶持，加大推廣力度，以達到讓廣大農民接受和認可的目的。

6 結語

近年來，隨著科技水平的提高，水肥一體化節水灌溉控制系統的研究得到進一步的發展，應用的領域也在不斷擴大。將水肥一體化節水灌溉技術運用于農作物生產中，既可以改善作物品質，又可以增加產量；還會使水資源的利用率達到最大化，最終起到節約水資源的目的。