節水灌溉設備及自動控制系統在果樹水肥一體化中的集成應用

闕寧磊 顧小小 （上海市農業機械研究所，上海市閔行區 201106）

水肥一體化是將灌溉與施肥融為一體的技術，具有肥效快、肥料利用率高、節肥省力等優點，可有效減少水傳播病害的幾率，是未來高效、安全農業的必然選擇。水肥一體化是一個技術鏈，必須以適宜果樹栽培實際的節水灌溉設備為保障，以適用于高效水肥一體化技術的自動控制設備為依托，才能滿足果樹生產的需求和水肥一體化的技術要求。本文通過介紹節水灌溉設備及自動控制系統在上海市設施葡萄、露地桃樹等果樹水肥一體化中的集成和應用，以期提供一種各項技術相互協調、省工省肥、具有示范推廣作用的果樹水肥一體化栽培模式，從而為上海市果樹生產的可持續發展提供新思路。

1 節水灌溉設備及自動控制系統在上海市果樹水肥一體化中的集成應用

1.1 概 況

本文結合上海市浦東新區大團鎮露地栽培桃樹及金山區廊下鎮設施栽培葡萄的水肥一體化應用實際，介紹了灌溉設備及其自動控制情況。其中浦東新區桃樹基地露地栽培面積達3.67 hm2，桃樹樹齡較大，其一般行距為4m、株距為3m，2015年4月起安裝地噴及上噴系統；金山區葡萄基地設施栽培面積達5.33 hm2，葡萄設施栽培的株距、行距因設施情況不同各有差異，2015年3月起安裝地埋滴灌管。

1.2 節水灌溉設備配置

1.2.1 浦東新區桃樹基地

桃樹基地安裝首部一套，首部配有一用一備兩臺水泵、比例施肥器、疊片過濾器、砂石過濾器、各種閥、變頻恒壓控制柜等。水泵功率11 kW，流量40 m3/h，揚程50 m，備用水泵功率5.5 kW，流量30 m3/h；比例施肥器串聯安裝，將母液按設定比例吸入施肥器，送到下游管路；疊片過濾器過濾較小雜質，砂石過濾器過濾較大雜物，截獲污物能力強；變頻恒壓控制柜利用遠程壓力表輸送壓力信號至變頻器，以控制水泵運行、保持設定供水壓力。

采用地面微灌及頂部噴淋兩套灌溉模式相結合的方式，種植區域設11個地噴輪灌組與上噴輪灌組，各輪灌組由獨立電磁閥和手動閥進行控制。每棵桃樹樹干處均勻布置4個地面微噴頭，每棵桃樹頂上設置1個上掛式微噴灌水器。地噴頭選取流量0～50 L/h、射程0.6 m、工作壓力0.1～0.25 MPa的果樹灌水器，噴頭的灌水量及射程可調；上噴頭選取流量40 L/h、射程3 m、工作壓力0.2～0.3 MPa的旋轉微噴頭。露地栽培桃樹地噴及上噴灌溉系統示意見圖1、圖2。

圖1 桃樹地噴灌溉系統示意

圖2 桃樹上噴灌溉系統示意

1.2.2 金山區葡萄基地

葡萄基地安裝首部二套，首部配有一用一備兩臺水泵、自動定時反沖網式過濾器、變頻恒壓控制柜等。水泵功率4 kW，流量35 m3/h，揚程21 m。葡萄基地全自動變頻恒壓灌溉系統首部示意見圖3。

采用地埋滴灌管方式灌溉，共設 6個輪灌組，每組由獨立電磁閥和手動閥進行控制，各組設有獨立環形兩端恒壓緩釋注肥器，并在泵房首部設有大型兩端恒壓緩釋注肥器。每行葡萄設置一條反濾防堵地埋滴灌管，入土埋深約200 mm。滴灌管內設有內鑲管柱式反濾滴頭，能有效防堵。

1.3 自動控制系統配置

兩個基地均采用群控無線太陽能土壤濕度控制自動灌溉系統，控制系統由控制主機、室外子域控制器組成，主機與子域控制器之間通過無線通訊模塊通訊。每個灌溉區可設置3種工作模式：（1）土壤濕度自動控制灌溉；（2）用土壤濕度控制+限制灌溉時間；（3）定時灌溉。所有設置信息都由用戶在主機設置完成后發送到子域控制器。主控制器連接電腦后，由電腦軟件控制主機，可保存濕度、灌溉、報錯等歷史信息，還可實現對泵的自動控制。通過瀏覽器登陸，能隨時隨地查看、設置、控制系統。主機具有3G通訊功能，用戶還可通過手機查詢各個灌溉區域當前的工作狀態或控制各個灌溉區域閥門啟閉。主機放置在室內。系統可配備各輪灌分區單獨的土壤溫濕度傳感器、管道壓力傳感器或流量傳感器，傳感器設置在典型位置，實時采集、傳輸數據。

圖3 葡萄基地全自動變頻恒壓灌溉系統首部示意

各輪灌組設有獨立的子域控制器，它與主控制器之間通訊距離為500 m。子域控制器及大容量蓄電池安裝于控制箱內，控制箱外配裝大面積太陽能板，保證高效充電。子域控制器與脈沖式電磁閥相連接，控制其啟閉。其中，葡萄基地因各輪灌組采用獨立的施肥裝置，故室外控制箱內裝有緩釋施肥器，見圖4。

圖4 葡萄基地子域控制箱內部構造

2 應用節水灌溉設備及自動控制系統的優勢分析

2.1 節水灌溉設備

節水灌溉設備可將帶有肥料的灌溉水高效、均勻、緩慢、穩定、及時、可控、準確地輸送到果樹根部土壤；而采用基于物聯網的管理、實時監控技術，可實現無人值守和可追溯。因此，節水灌溉設備和自動控制系統在果樹水肥一體化技術上的集成應用，具有顯著的提質、省水、省肥、省工等效果，有一定的經濟、生態和社會效益。具體優勢為：（1）提高水肥利用率。由于是直接向果樹根部供水，大幅度減少了水分蒸發，提高了水分利用率；同時，將溶解后的肥料近乎等量地輸送到果樹根系附近土壤區域，保證了根系對營養成分的迅速吸收，實現了肥料的高效利用[1]。（2）節省人工。減輕了灌溉、施肥的勞動強度，降低了勞動力成本，有利于果園標準化生產[2]。（3）提高土壤利用率，改善土壤環境。能有效保持土壤濕度，有利于土壤微生物群落的多樣性、土壤有機質的分解、植物營養的礦化及養分循環[3]；還可減少肥料用量，減少土壤次生鹽漬化和對地下水的污染[4]。（4）提高果實品質和產量。解決了土壤水氣矛盾，進而影響樹體根系分布，有利于果樹生長和高產[5]。除以上共同優點外，兩個基地應用的技術還有各自的特點。

2.1.1 葡萄基地的反濾防堵地下埋設滴灌管灌溉施肥技術

該技術具有以下優勢：（1）水源過濾要求低。可有效防止物理堵塞、化學堵塞和生物堵塞，從而降低對灌溉水質的要求，一般過濾器濾網采用80目以上即可，極大地減少了首部過濾壓力，降低了過濾器的配置成本及清洗過濾器的人工成本。（2）肥料選取面廣。降低了對肥料水溶性的要求，拓寬了肥料選擇范圍，節省成本，便于操作。（3）既可埋入土壤進行地下滴灌施肥，又可用于地表滴灌施肥，且灌溉和施肥緩慢、均勻、穩定。（4）減少了地表雜草生長。將灌溉水直接供往果樹根系，既保證了植物生長需水，又保持了地表土干燥，抑制了地表雜草的生長，減少了果園病蟲害的發生。

2.1.2 桃樹基地的地面微噴系統

桃樹的根系分布范圍基本與樹冠直徑相同，根系有明顯的向水性、向肥性，不宜采用點狀或線狀濕潤的灌溉施肥方式。因此，桃樹基地采用了地面微噴系統。具有以下優勢：（1）可在桃樹根部形成范圍可控的圓形濕潤圈。（2）灌水強度適中，可實現無級調節，保證了桃樹不同生育階段的水肥供給。（3）低強度灌水在冬季可緩慢提升地溫，在夏季可有效降低局部溫度，改善局部小氣候，為桃樹營造適宜的生長環境（溫度、濕度等），促進冠層上下氣流交換，從而減少落果、裂果等現象，保證了豐產，改善了果實品質。

2.1.3 桃樹基地的頂部噴淋系統

結合水蜜桃種植經驗，桃樹基地配套采用了頂部噴淋系統。具有以下優勢：（1）采用均勻的噴淋灌水器，在樹冠上部形成細密的旋轉雨簾來模擬降雨，減輕了早春桃樹芽發育前遇霜凍及干旱高溫季節補水量不及時等情況對果樹生長造成的損害。（2）直接給植株枝葉補充水分，配合地面微噴灌溉對果樹根系的補水作用，為桃樹共同營造了最適宜的立體水、肥、氣、熱生長環境。（3）可有效噴灑葉面肥，補充果實生長所需營養。（4）可實現及時、均勻、便捷噴藥，有效進行病蟲害防控。

2.2 自動控制系統

基于物聯網和傳感器的自動控制系統在運行過程中，通過對土壤濕度、環境信息、管道壓力等數據的實時采集和分析，結合果樹的生長階段、需水規律和測土施肥配方來指導灌溉施肥，可實現適量、精準、便捷的管理控制。兩個基地均采用太陽能供電的無線控制方式，解決了線路鋪設施工不便、成本過高、大面積管理不便等問題，為實現自動控制提供了簡單易行的技術參考。

3 實行水肥一體化技術存在的問題

針對兩個基地實行水肥一體化技術的現實情況，上海地區推廣果樹水肥一體化技術還存在不少困難和問題，主要表現在果農缺乏節水節肥意識、盲目過量灌溉施肥現象嚴重、系統的一次性投入較大（桃樹露地栽培的地噴加上噴系統投入費用約為15元/m2）、國產灌溉器材的可靠性不高、關鍵技術與設施設備不完全配套、缺少智能專家系統技術、技術集成示范力度不夠等。

此外，還存在以下問題：（1）與世界發達國家相比，我國水肥一體化技術在果樹上的應用仍十分有限，遠遠落后于發達國家[4]，迫切需要大力推廣示范。（2）上海地區大部分果農的果樹種植區域分散、面積小且果樹栽培行株距不規范，集中經營的合作社或家庭農場少，不利于推廣使用一次性投入較高的成套設備[6]。（3）桃樹露地栽培設置的上噴系統的性價比不高。（4）葡萄基地采用地埋滴灌管方式，地表無法直觀觀測土壤濕潤情況，影響了果農的使用積極性。（5）應用水肥一體化技術可能影響果樹根系生長。對葡萄而言，長期使用地埋滴灌管模式進行灌溉施肥，可能會造成濕潤區域邊緣的鹽分累積，會對葡萄根系生長造成一定程度的限根效應[7]；對桃樹而言，地噴灌溉器附近的根系密度增加，而非濕潤區根系生長受到抑制，少量多次的灌溉方式會導致桃樹根系分布變淺[8]。（6）新建灌溉首部用泵房的設置、灌溉用水的水源水質，特別是灌溉用原水蓄水池的設置，對果樹水肥一體化技術的實施及正常使用影響較大。（7）果農文化水平低，且因其主要工作偏重于田間管理、銷售，往往做不到真正的專人管理，忽略了對水肥一體化系統裝置的日常維護保養；且果園面積較大時，對灌溉施肥時的水肥一體化田間設施的巡檢及維修工作跟不上，對系統的正常安全使用影響較大。

4 進一步應用水肥一體化技術的建議

（1）節水灌溉、水肥一體化、自動化控制是未來農林業發展的必然趨勢，政府部門要加強政策引導，各級相關單位要增大宣傳力度，選派專業技術人員深入果樹種植第一線進行培訓和指導，進一步促進相關技術的推廣應用。（2）水肥一體化技術涉及到農田水利、農業機械、栽培管理、土壤營養、自動控制、信息管理、農業經營管理等眾多學科，應增強學科間的學術交流，彼此促進，共同提高，形成水肥一體化技術集成，為果樹種植的高效、高質、高產提供有力的技術支撐。（3）為了全面推動水肥一體化技術的普及和應用，須研發更多性能優良、安裝方便、操作簡易、成本低廉、適應性強、穩定可靠的高性價比成套灌溉設備、施肥設備和自動控制設備。（4）由于相關設備和控制系統的使用需要一定的操作管理水平，須加強對相關人員的技術指導和培訓，培養一批能獨立操作和使用該項技術的專業人員，切實完成系統的日常維護保養工作。（5）加強對不同果樹水肥耦合下高效機理的研究，不斷優化灌溉施肥方式，全面提升農田水肥利用效率；編制成熟的專家系統及自動控制應用程序，為果樹的生長提供合理、精準的灌溉、施肥標準。（6）研究適合大面積露地栽培情況下使用的太陽能供電的WIFI或3G果園監控圖像、視頻采集傳輸、報警裝置系統及無人機田間巡檢系統等。（7）探尋適應果樹栽培的新型生產方式，進一步研究或推廣適用于果園機械化作業的水肥一體化模式。

［1］杜曉東,程玉豆,陳光榮,等.果樹水肥一體化研究進展[J].河北農業科學,2016,20(2)：23-26.

［2］許娥.果園水肥一體化高效節水灌溉技術試驗[J].中國果菜,2011(4)：34-37.

［3］鐘爽,臧小平,曾會才,等.水肥耦合對香蕉園土壤線蟲群落結構及多樣性的影響[J].農業工程學報,2013,29(23)：130-139.

［4］高鵬,簡紅忠,魏樣,等.水肥一體化技術的應用現狀與發展前景[J].現代農業科技,2012(8)：250,257.

［5］Sokalska DI,Haman DZ,Szewczuk A, et al. Spatial root distribution of mature apple trees underdrip irrigation system[J].Agricultural Water Management.2009,96(6)：917-924.

［6］鄭育鎖,劉志杰,陳子學,等.天津市水肥一體化技術推廣存在問題與建議[J].天津農林科技,2015(4)：40-43.

［7］關泉杰.概論水肥一體化技術[J].黑龍江水利科技,2013,41(5)：44-46.

［8］趙吉紅.水肥一體化技術應用中存在的問題及解決對策[D].楊凌：西北農林科技大學,2015.