水肥一體化技術研究現狀與發展動態

摘要：

水肥一體化技術可以有效提高農業資源利用率、減少面源污染，是實現綠色農業的重要途徑之一。為剖析水肥一體化技術在種植中面臨的實際問題，促進水肥一體化技術的研究創新與推廣應用，通過闡述國內外水肥一體化技術的發展歷程，系統介紹水肥一體化系統中水源工程、首部樞紐、施肥裝置、田間管網及灌水器的功能及特點，對比不同施肥器的工作原理及優缺點，著重分析當前水肥一體化技術在優化裝置結構、改進控制算法、建立指導模型、提升裝備智能水平等方面的研究現狀與發展動態。在此基礎上，總結當前水肥一體化技術存在的配套設施、灌溉施肥制度不完善，模型構建困難且難以應用于實際生產，施肥器性能還有待優化等問題。提出后續應加強水肥混合規律研究，通過優化施肥器結構以提高施肥性能，結合地域特點完善灌溉施肥制度與指導模型，提升農業專用傳感器的綜合性能，加強新技術的融合與應用，促進水肥一體化裝備的智能化升級，實現水肥的高效利用。

關鍵詞：水肥一體化技術；施肥器；發展動態；結構優化；控制算法；施肥灌溉制度

中圖分類號：S275

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 03-0295-10

收稿日期：2023年8月9日" 修回日期：2023年11月13日*

基金項目：新疆生產建設兵團二師鐵門關市科技計劃項目（2022KJHZ02）；新疆生產建設兵團第一師阿拉爾市科技計劃項目（2022ZB06）；新疆生產建設兵團科技計劃項目（2023AB005—01）

第一作者：夏文豪，男，1998年生，河南周口人，碩士研究生；研究方向為水肥一體化技術。E-mail： 1841207264@qq.com

通訊作者：胡燦，男，1983年生，湖南益陽人，博士，副教授；研究方向為智能農機裝備。E-mail： hucanboy1@qq.com

Research status and development trends of water and fertilizer integration technology

Xia Wenhao1， Jiang Yuan2， Wang Xufeng1， Zheng Xuan3， Hu Can1， Xing Jianfei1

（1. College of Mechanical and Electronic Engineering， Tarim University， Alar， 843300， China;

2. Agricultural Scientific Institute of 2nd Division of Xinjiang Production and Construction Corps， Tiemenguan，

841005， China； 3. Mechanical Equipment Research Institute， Xinjiang Academy of Agriculture and

Reclamation Science， Shihezi， 832000， China）

Abstract：

Water and fertilizer integration technology can effectively improve the utilization rate of agricultural resources and reduce surface pollution， which is one of the important ways to realize green agriculture. To promote the research innovation， popularization and application of water and fertilizer integration technology， and solve the actual problems. This paper describes the development history of water-fertilizer integration technology at home and abroad. It also describes the functions and characteristics of the system's water source engineering， control head， fertilizer applicators， field pipeline network. Compare the working principle and advantages and disadvantages of different fertilizer applicators. And analyzes the current research status and development dynamics of the current water-fertilizer integration equipment in terms of pipeline design， fertilizer applicator structure optimization， intelligent control algorithm improvement， enhancement of the level of intelligence， and improvement of the irrigation and fertilization system. It is found that the current supporting facilities for water-fertilizer integration technology， irrigation and fertilization system are not perfect， the model construction is difficult and cannot be used for actual production， and the performance of the fertilizer applicator still needs to be optimized. It also proposes to optimize the structure of the fertilizer applicator， strengthen the research on the water-fertilizer mixing law， and improve the performance of fertilizer application. Establish the irrigation and fertilization system and application guidance model according to the actual situation. Enhance the comprehensive performance of agricultural special sensors， apply new technologies， improve the intelligence level of water-fertilizer integration equipment， and realize the efficient use of water and fertilizer.

Keywords：

water and fertilizer integration technology; fertilizer applicator; development trends; structure optimization; control algorithm; fertilization and irrigation system

0 引言

合理施用化肥是提高作物產量、保障糧食安全的重要途徑。截止2022年，我國農用化肥施用總量高達50792kt，占世界施用總量的22.22%，施用強度高達336.24kg/hm2［1］，遠超國際安全施肥水平225kg/hm2；由于缺乏科學施肥指導，化肥利用率不足發達國家的一半，存在嚴重的資源浪費現象［2］。長期過量施用化肥不僅導致次生土壤鹽漬化［3］、土壤酸化、硝化微生物群落的豐度和多樣性減少等一系列土壤退化問題，還加劇了土傳病害的蔓延［4］、溫室氣體的排放［5］等農業環境問題。當化肥施用量超過作物需求閾值后，作物產量、品質還會出現明顯下降［6］，甚至還會引起葉菜類蔬菜的硝酸鹽積累，引發食品安全問題［7］。大量文獻均證實了過量施肥在經濟、生態、食品安全方面存在的危害性，我國過量施肥的現狀亟須改變。

我國人均淡水量很少，在地理時空上分布不均，屬于嚴重缺水國家之一［8］。截止2023年，我國農業用水量達到3.672×1011m3，占全國用水總量的62.18%，但水分利用率卻不高，有效利用系數僅為0.576。雖然在政策的長期引導下，節水灌溉面積已達到總耕地面積的29.5%，農業用水量相比于1997年有了大幅度下降［1， 8］，但我國部分地區大水漫灌等粗放的灌溉管理模式仍然普遍。同時，由于農業污染物會在大氣沉降、淋溶、降水和徑流沖刷作用下進入水體產生面源污染，惡化水質，影響正常的大氣—水體傳質過程［9］。農業用水面臨著水體污染、有效利用率不高、灌溉管理模式粗放等問題，這些現象不斷加劇農業水資源的短缺，嚴重阻礙農業的可持續發展。

水肥一體化技術在灌溉的同時將肥料溶于水中，輸送至作物根部土壤，確保水分和養分均勻、準確、適時適量地供應作物生長，為其創造良好的水、肥、氣、熱環境，是提高水肥利用率、減少農業面源污染、提高作物產量品質的重要技術手段，廣泛應用于果樹、大田作物、設施農業中。在2022年發布的《到2025年化肥減量化行動方案》［10］和2023年發布的中央一號文件［11］中均將化肥的減量增效作為一項重點任務開展，著重提出加強水肥一體化技術的推廣應用，水肥一體化技術日益成熟。本文介紹國內外水肥一體化技術發展歷程，闡述在優化結構、改進算法、構建模型、提升智能水平等方面的研究現狀，結合實際生產需要，分析制約水肥一體化技術發展的各項因素，并對該技術未來的發展趨勢進行展望。

1 水肥一體化技術發展歷程

1.1 國外發展歷程

早在距今2800多年的古希臘時期，雅典城邦就采用城市污水進行農業灌溉，這是人們對水肥一體化技術早期的探索，但受限于當時的科技水平，水肥一體化技術發展的始終較為緩慢，直到1925年，隨著溫室技術的興起，逐漸開始采用營養液代替土壤栽培，這被學者認為是現代水肥一體化技術早期的雛形［12］。水肥一體化技術的發展離不開滴灌技術的興起，1933年Robey嘗試用帆布管系統進行地下滴灌，但由于材質等原因，水分損耗較大，并未能夠推廣應用。20世紀50年代，隨著塑料工業的快速發展，以塑料為原材料的滴灌和微噴灌系統逐漸發展起來，1960年，以色列研發出世界上第一套滴灌系統［13］，早期的滴灌系統結構簡單，使用孔或微管代替復雜的灌水器，主要用于小果園、花卉園和蔬菜園種植。由于設計不完善，使用滴灌技術施肥灌溉時，易發生堵塞問題，當時的研究人員主要從優化流道結構以及探索滴頭堵塞原因著手，其中包括以色列研制出TurbolentTM流道結構，隨著研究的不斷深入，滴頭性能得到大幅度改善，直至20世紀70年代中期，滴灌施肥技術已逐步應用于澳大利亞、以色列、墨西哥、新西蘭和南非六個國家的大田作物管理中［14］。早期采用混合罐將水和肥料進行混合，但灌溉施肥均勻性較差，為解決這一問題，研究人員發明了文丘里施肥器和水壓驅動肥料注射器，極大提高了化肥施用的均勻性，而隨著信息時代的到來，各種傳感器以及微處理器的應用，施肥均勻性和智能性也再次得到了顯著的提高，自此，水肥一體化技術整體框架也逐步發展完善。

1.2 國內發展歷程

我國關于水肥一體化技術的研究起步較晚，自20世紀70年代我國引進滴灌設備以來，水肥一體化技術經歷了早期探索、試點推廣和穩定普及等多個階段。早期學者針對撒施肥料無法與滴灌模式相互結合，提出將化肥溶解于水中進行滴灌作業，這是我國早期水肥一體化的探索［15］；隨著1980年我國成功研制出第一代成套滴灌設備，水肥一體化技術開始與噴灌、滴灌結合并進行了大量的試驗和示范，開始在全國各地推廣應用；1996年，新疆生產建設兵團將水肥一體化技術應用于較大規模棉花種植中［16］。

2000年前后，水肥一體化技術逐漸步入快速推廣階段，廣泛應用于設施農業種植中，有效提高了作物的產量［17］。隨著我國水溶肥產業體系的逐漸形成［18］，水肥一體化設備相關配套產品的完善，水肥一體化設備逐漸形成初步的產業鏈條。后續在一系列節水、減量施肥的政策引導下，水肥一體化技術逐漸在全國各地開始普及。

2 水肥一體化系統組成

按照實現功能可以將水肥一體化系統分為水源工程、首部樞紐、施肥裝置、田間管網及灌水器等部分［19， 20］，其系統簡圖如圖1所示。

水源工程為系統提供穩定的灌溉水源，以河流、湖泊、地下水為主。首部樞紐通過供水泵加壓，將過濾后的水源運送至施肥系統中，注入肥液，并將混合液體輸送至田間管網，主要由過濾裝置、施肥系統、壓力與流量監測保護系統及自動化控制系統4部分組成，擔負著整個系統的驅動、量測和調控功能，是整個系統的控制中心；其中施肥系統根據其自身特征及灌溉施肥要求安裝在首部或灌水器前端，實現肥液注入的功能；監測控制系統主要保障系統的安全運行與控制施肥灌溉作業。

田間管網主要由干管、支管、毛管組成，通過管道的連接將有壓水流按照要求輸送至每個灌水器。根據灌水器結構和出水方式主要分為噴灌、微噴灌、滴灌和滲灌等，灌水器的選擇是影響灌溉效率的主要方式之一，其中噴灌易受風影響、蒸發損失大，易造成雜草叢生和病蟲害［21］，主要應用于氣候濕潤地區的大田灌溉，滲灌由于滴頭易堵塞，在實際生產中使用較少，當前滴灌是水肥一體化使用較為廣泛的灌溉方式，主要應用于設施農業生產、大田旱作經濟作物栽培中。在實際生產中，田間管網以及灌水器的布置要結合地勢地形、種植方案、自然環境等因素。

3 水肥一體化技術研究動態

近幾年，我國水肥一體化技術發展迅速，推廣應用面積顯著增加，但也逐漸凸顯出設備控制精度低、混肥均勻性差，操作不方便等諸多問題。為提高水肥一體化設備的工作性能，當前研究主要圍繞優化施肥器結構、改進控制算法、構建指導模型、完善施肥灌溉制度、提升裝備智能化等方面開展。

3.1 管路布置和施肥器結構優化

不同的管路布置，會影響系統吸肥的效率和混肥均勻性。其中，有學者通過流體仿真發現，將管道彎折4次能夠基本實現肥液的均勻混合，還有部分學者通過設計混肥裝置來提高混肥均勻性［22］；王永濤等［23］研究發現，不同的施肥器布置會影響系統吸肥效率，其中采用旁路吸肥的方式時吸肥效率最高；李堅等［24］研究發現，并聯施肥器穩定性高于串聯。除了改變施肥器位置，還有學者探索了不同的管道數量對吸肥性能的影響，其中采用三通道旁路吸肥方式時，系統工作效果最佳［25］，如圖2所示。由于固體肥料不能完全溶解，需要在肥料桶中加裝濾網桶，隨著過濾網直徑的減小，施肥均勻性得到明顯改善［26］。

不同的施肥器具有不同的特點，按吸肥原理主要分為壓差式、吸入式、注入式，其特點如表1所示。范興科［27］、韓啟彪［27］等為提高文丘里的施肥器工作性能，分析了該施肥器壓力損失過大的原因和進出口壓力和流量的關系；而嚴海軍［29-31］、劉永華［32］等則針對文丘里施肥器壓力損失較大以及施肥效率較低等問題，對傳統文丘里施肥器結構進行優化，并確定了最佳工作參數；也有學者在現有的文丘里施肥器的基礎上進行結構改裝，設計了一種多個吸肥管組合的復合吸肥裝置，大幅度提高了系統吸肥量［33］。在比例施肥器的研究方面，楊大森等［34］介紹了比例施肥器的結構特點和工作原理，對比了國內外兩種施肥器的工作性能，并在此基礎上建立比例施肥器的吸肥量模型；劉俊萍［35］發現蠕動泵四輥子結構為水肥一體化動力源較優結構；當文丘里管和隔膜泵相結合后，可以有效改善文丘里施肥器吸肥量不穩定、混肥均勻性差的問題。Ma等［36］針對軟管泵在施肥時因脈動現象產生的壓力不穩定問題，通過流固耦合分析，優化軟管施肥泵外殼形狀，有效減少流量脈動，降低壓力波動范圍。

3.2 控制算法改進

水肥一體化技術的核心是實現水肥濃度和pH值的精準調控，但由于在水肥一體化控制過程中，兩種流體的混合是一個典型的非線性變化過程［37］，控制器發出控制命令到系統響應存在一定的滯后性［38］，導致傳統的水肥一體化控制策略無法將水肥濃度和pH值快速、精準和穩定地調整到設定值，難以滿足精量施肥的作業要求。

針對水肥濃度調節非線性的特點，學者首先將模糊控制應用于水肥濃度調節過程中［39］；模糊控制器本質上是插值器，在進行邏輯判斷時，不需要依賴精確的數學模型，能夠解決水肥非線性變化的特點，魯棒性強，但對于高精度的控制，控制效果不理想，穩態誤差較大［40］，因此，其他學者后續針對該問題設計了變論域模糊PID控制策略，其論域可以隨著系統誤差變小而縮小，論域收縮相當于規則增加，進而提高了控制精度，與模糊PID控制策略仿真對比發現，該策略超調量減少16.9%，穩態誤差減小0.68%。由于模糊控制存在穩定性低、學習能力差的缺點，為此有學者設計了基于反向傳播神經網絡和徑向基神經網絡修正的PID控制算法［42， 43］；反向傳播神經網絡可以逼近非線性函數［44］，但該函數需要大量的訓練樣本，訓練時間較長，不能很好地解決傳感器的交叉敏感［45］，且該函數為靜態函數，不適合控制動態系統，皇甫立群［46］利用B樣條函數改進了該控制算法。李頎針等［47］對水肥EC值和pH值之間存在的交叉耦合現象，設計了自抗擾解耦控制策略，試驗表明該控制策略具有良好的響應速度和魯棒性。

針對水肥濃度變化過程中存在的滯后性，學者主要通過對滯后量進行預測補償。張育斌［48， 49］通過引入灰色預測控制，能夠實現對作物需水量的預測；而將Smith控制器與控制算法結合，可以有效解決調節水肥濃度和pH值時存在的滯后性［50， 51］；通過建立作物蒸騰模型，也能實現對作物需水的預測灌溉［52］;后續學者將遺傳算法、人群搜索算法、混合蟻群算法、粒子群優化算法用于傳統算法的優化，并應用于水肥一體化系統中，取得了較好的控制效果；不同調節算法特點，將多種算法結合，通過分級策略，也可以有效調控水肥濃度。

3.3 施肥灌溉制度完善

由于各地氣候、種植條件、管理模式存在差異，施肥灌溉管理制度相差也較大。研究人員發現，在溫暖濕潤地區，作物對養分吸收率較高，肥料的投入需要適當增加；在干旱缺水地區，由于缺乏水分，肥料利用率較差，因此，需要增加基肥用量，減少追肥量［53］；在寒冷地區，提前施用氮肥可以提高豐產性，適當增施磷肥可以提高植物抗寒能力［54］。因此，諸多學者結合區域特點，建立了適宜當地的灌溉施肥制度，其中高翔照等［16］總結了4種適宜不同區域及作物的水肥一體化灌溉施肥制度。科學施肥灌溉制度的建立是水肥一體化技術能夠推廣應用的前提。

不同作物在不同生長期對水肥需求不同，隨著精準農業、數字農業的發展，精準高效的灌溉施肥需求是水肥一體化技術發展的必然趨勢。研究人員結合作物不同物候期生長特點，通過大量田間試驗建立適宜當地作物生長的水肥需求模型，其中鄧慶玲等［55］考慮灌溉量、施肥量對作物的影響，建立了W×F—Minhas灌溉施肥模型用于指導果園臍橙生產；馬霄［56］則結合土壤類型，以產量為指標建立棉花的灌溉施肥模型，水肥需求模型的建立為水肥一體裝備施肥灌溉提供決策依據。

在水肥施用決策模型的研究方面，研究人員將施肥灌溉處方圖、專家決策系統、水肥耦合模型與物聯網、計算機、遙感、機器學習等先進技術結合，實現水肥施用智能決策。張海秀［57］將多種水肥需求模型匯集到決策模型庫中，根據不同地區不同作物在不同生育期的施肥需求，智能調用模型決策施肥灌溉；陳紹民［58］基于遙感技術采集田間果樹信息圖片，經過光譜分析后判斷當前果樹水肥盈缺情況，建立水肥一體化水氮供應決策模型。孫一鑫等［59］則針對蒸騰和各環境因子間存在一定滯后，設計了一款基于蒸騰模型的超前決策灌溉施肥系統。還有學者針對不同作物根系分布存在差異，研究構建了根系預測模型，根據根系密度決策施肥灌溉［60］。

3.4 智能化水平提升

隨著農業信息技術的快速發展，學者提出將農業大數據、空間地理信息、農業物聯網等技術應用于農業生產中，現代水肥一體化裝備通過利用傳感器技術、自動控制技術、信息采集與處理技術，結合微處理器，實現對施肥過程中的施肥濃度、施肥比例及施肥量進行精確控制。部分學者基于物聯網技術，設計了能夠實現遠程灌溉施肥、實時監測系統、環境參數控制系統［61］，其遠程控制系統架構如圖3所示。

無線傳感器網絡是物聯網的重要組成部分，主要由傳感器和無線傳輸技術組成。在傳感器的研究方面，趙燕東等［62］設計了一種復合傳感器，實現了土壤多種信息的同時采集功能；還有學者將神經網絡和微型傳感器的結合，設計了一種能夠準確識別硝酸根、磷酸根以及鉀離子的新型傳感器，有效提高了農業傳感器的識別精度［63］。當前主流無線傳輸技術主要包括GPRS、4G、WIFI、ZigBee、藍牙、LoRa等技術，不同的無線傳輸技術的適用場合不同，需要因地制宜根據需求選用，其中熊欽等［64］以ZigBee節點為基礎，組建了傳感器信息采集網絡，實現了將多種傳感器采集信息傳輸至處理器中；石瑩［65］通過LoRa技術實現了傳感器采集信息與控制系統之間的雙向數據傳輸，不同無線傳輸技術特點如表2所示。

還有學者將遙感技術、地理信息技術、專家知識決策庫與水肥一體化設備相結合，設計了智能一體化水肥控制系統人機交互平臺、微信小程序等［66］；江新蘭等［67］將云計算技術與水肥一體化相結合，設計了一款智能云灌溉系統，通過云集群的計算和分析能力，實現了對采集信息的高效處理；許澍［68］將空間地理信息技術與水肥一體化技術相結合，實現對大田水肥信息的分區監測。還有學者針對遙感圖像不清晰等問題，采用圖像降尺度方法提高每日蒸散量地圖的空間分辨率，進而提高估算作物需水量的準確性［69］。Perea等［70］研發了一款決策支持系統FERTI—DRIP，通過分析灌水器的大小和形狀對灌溉施肥過程的影響，幫助用戶選擇合適的施肥裝置，該決策支持系統集成了施肥、灌溉以及沖洗等功能。

4 存在問題及發展趨勢

4.1 存在問題

4.1.1 灌溉施肥制度不完善

灌溉施肥制度的確定是保障水肥一體化應用的前提。由于水肥一體化技術作業模式與傳統施肥灌溉區別很大，導致傳統的施肥灌溉頻次、周期、水肥濃度、化肥種類的選擇，并不適宜水肥一體化裝備的使用要求。雖然目前已有學者研究建立了相關灌溉施肥制度，但由于不同地區環境氣候、土壤理化性質、灌溉水源、作物在不同生長時期對養分需求、根系分布存在差異，導致灌溉施肥制度的通用性較差，只能適應部分場合；以庫爾勒市英下鄉設施農業產業園為例，當地灌溉水源電導率為1.5mS/cm，當加入不同種類肥料后，電導率變化差異較大，以某一地區的電導率濃度為生產標準，并不適宜當地的實際種植。此外，水肥一體條件下的灌溉施肥制度中還缺乏規范的操作技術流程，盲目使用大幅增加了水肥設備的故障率。

4.1.2 模型的構建與應用困難

水肥耦合模型、作物生長模型、蒸騰模型和光譜預測等大量模型為水肥一體化施肥灌溉決策提供依據，而模型的建立需要經過長時間的試驗和大量數據處理，在實際生產中檢驗并不斷優化，由于不同種植區域氣候特點不同，往往發展成熟的模型在新環境中誤差較大，大量干擾因素導致模型構建較為困難；此外，水肥一體化技術涉及多學科的交叉融合，由于研究過程中農機與農藝之間聯系不緊密，最終只有少數模型能夠應用于水肥一體化裝備中，決策施肥灌溉。

4.1.3 施肥性能有待優化

施肥器的結構和控制算法是決定施肥灌溉性能的關鍵因素，而當前廣泛應用的文丘里施肥器吸肥性能易受結構參數和壓力波動的影響，存在壓力損失較大、肥液倒吸等問題；國產比例施肥泵則因設計不合理，導致施肥精度不高，運行不穩定；柱塞泵由于流量脈動與管道阻抗作用產生壓力脈動，造成肥液流量不連續，影響施肥均勻性。在設計水肥一體化裝備時，缺乏根據現場條件制定的設備選型優化方案，管路配置不合理，施肥器不適宜當地的工作條件，影響最終的工作性能。

水肥濃度控制算法主要目的是提高混肥速度、均勻性和精度，然而水肥混合是一個非線性、時滯性的復雜過程，當前的控制算法大都只針對其中一方面研究，缺乏統籌兼顧，也制約水肥一體化設備施肥性能的提升。

4.1.4 配套設施不完善，傳感器誤差較大

水肥一體化作為一項系統工程，配套設施是保障水肥一體化穩定運行的關鍵，然而在實際生產過程中，種植戶大都只注重施肥設備的配備，往往忽視了配套設施的重要性，以新疆為例，由于該區域灌溉水源礦化度較高，且缺乏相應的水質處理設備，導致未經處理的灌溉水源在施肥滴灌過程中，易形成礦物沉積引發堵塞。

我國水肥一體化技術發展較晚，與之配套的農業傳感器主要以引進和吸收為主，缺乏自主研發能力，導致當前農業傳感器在濕度大、光照強、植被茂密的工作環境下，使用壽命、數據傳輸速率均出現大幅度下降，測量誤差增大，影響實際工作質量；而當前廣泛用于測量土壤養分的電導率傳感器，由于易受非目標離子的干擾，導致測量值與真實數據存在偏差，加之傳感器售價較貴，實際生產中傳感器放置較少，且布置不規則，不斷增大系統誤差。

4.2 發展趨勢

4.2.1 完善灌溉施肥制度，加強模型構建與應用

根據地域氣候特點、水源條件、土壤理化性質、作物根系分布及長勢特點，明確水肥一體化條件最佳的灌溉施肥頻次、周期、肥液濃度，根據管理模式，規范施肥灌溉流程，建立因地制宜的施肥灌溉制度；結合不同作物在不同生長階段對水肥的需求規律，以最終產量和品質為評價指標，建立適宜當地作物生長的水肥耦合模型，結合植物生理學、作物栽培學、土壤學、建立能夠精準描述作物生理生態過程的作物生長模型。加強多學科的交叉融合，將水肥耦合模型、作物生長模型，應用于水肥一體化裝備中，開展集成研究，根據多種模型和外界環境因素，制定合理的灌溉施肥決策模型，實現農機與農藝的高度融合。

4.2.2 加強技術研究，提升施肥性能

針對肥液在管道內混合不均勻問題，加強基礎研究，通過試驗及仿真分析水肥在田間管網中的遷移規律；針對壓力損失較大問題，不斷優化文丘里施肥器結構，減少施肥器壓力損失，提升管道布局合理性，開發低壓灌溉裝置；優化比例施肥器的設計，提升施肥精度和效率；加強水肥濃度控制算法研究融合，增加控制系統魯棒性、減少系統誤差和超調量，最終實現提升水肥一體化裝備的施肥灌溉性能。

4.2.3 提升農業傳感器綜合性能

根據農業領域具體的應用需求，研發出針對特定應用場景的農業高精度專用傳感器，通過傳感器校準、標定、合理布置傳感器、多種傳感器集成等方式提高傳感器采集數據精度；以算法優化、提高采樣頻率等方法來避免被非目標離子干擾。制定相關行業標準與規范，保證傳感器在不同農業領域的互通性和兼容性。

4.2.4 提升智能化信息化

利用物聯網技術，實現水肥濃度、土壤墑情、環境信息的實時監測，結合自動控制和優化算法技術，實現水肥濃度的精準調控；提升設備的信息化能力，通過加強云網絡技術和信息傳輸技術在水肥一體化設備上的應用，實現設備的遠程監測控制和數據的云處理；根據建立的水肥耦合、作物生長等模型，結合人工智能、遙感、計算機、物聯網、機電一體化等技術，建立相關的專家決策模型，提升設備的智能化水平，最終實現設備能夠根據土壤養分墑情、作物長勢、氣候變化等多方面因素，合理科學、智能精準地將水肥按需供給作物生長。

5 結語

水肥一體化技術能夠充分緩解我國化肥利用率不高、灌溉模式粗放等問題，是實現農業綠色可持續發展的重要途徑。基于對水肥一體化技術發展動態的文獻研究和實地調研發現，當前我國水肥一體化技術缺乏結合地域特點建立的施肥灌溉制度，由于涉及多學科交叉，水肥耦合模型、作物生長模型難以應用于水肥一體化裝備；在實際生產中還普遍存在配套設施不完善、系統能耗大、智能化水平低等問題。

因此，未來應著手加強不同化肥溶解于不同水質后電導率變化規律研究，加強水肥溶液在田間管網中的運輸規律研究，通過優化施肥器結構、改進混合肥液控制算法以及合理布置灌溉管路提升施肥性能；加快研發低壓灌溉裝置，減少系統壓力損失；通過加快農用傳感器的研發，提高信息采集的精度；將水肥一體化技術與物聯網、自動控制、計算機、3S、人工智能等多種技術的融合，著重加強多種模型的構建與應用，提升設備的智能化和信息化水平。

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