農業氣象物聯網+水肥一體化在復式日光溫棚中試驗探索效益評估

陳金龍 趙麗麗 吳德根 李俊松

導讀：在安徽和縣試點開展3.3 hm2針對復式日光溫棚二代棚體的農業氣象物聯網水肥一體化試驗探索，為復式日光溫棚二代棚體實施物聯網水肥一體化工作提供典型示范，同時指出試驗需要改進的地方，對農業氣象物聯網發展也提出了相應的參考建議。

安徽和縣是傳統蔬菜生產大縣，常年蔬菜種植面積達28 681 hm2，其中大棚蔬菜約13 340 hm2，被譽為“中國蔬菜之鄉”、長江中下游地區“最大的菜園子”。目前，蔬菜種植棚體大致可分為老百姓常用的簡易竹架大棚、蔬菜種植大戶采用的鋼架大棚和連棟大棚3種，為帶動典型示范，做到以點帶面，選擇復式日光溫棚二代棚體開展“農業氣象物聯網+水肥一體化”探索，該棚體是一種能實現高架越冬栽培的新型棚體，建造成本低、保溫性能好、透光性和抗逆性強，其已通過安徽省科技成果鑒定并成功申請專利，目前該棚體廣泛應用于和縣及周邊蔬菜種植大戶的蔬菜生產中。

1 試驗情況

1.1 試驗背景介紹

為了適應現代農業發展需要，著力發展“互聯網+”，安徽省氣象局2015年初在全省布設農業氣象物聯網試點，為發揮當地農業特色作用，農業氣象物聯網落戶和縣自然而然就應用于蔬菜大棚。

蔬菜大棚傳統灌溉方式還是以噴灌為主，施肥以基地人員按照日?；逝浔冗M行，人工手搖卷簾卷膜進行大棚通風。為改變這一現狀，提高蔬菜大棚的精準自動灌溉施肥，智能開關卷簾卷膜實現大棚通風，和縣氣象蔬菜專家聯盟專家多次召開研討會，就新時期農業氣象物聯網如何在蔬菜生產過程中更好地發揮作用進行了深入探討，一致認為可以通過實施農業氣象物聯網試點，與蔬菜生產結合的方式延伸開展“農業氣象物聯網+水肥一體化”復式日光溫棚試驗，徹底改變大棚蔬菜的灌溉施肥方式，解放人工勞力，由單純的人工開啟設備到通過物聯網智能化開啟設備，切實提高智慧農業的含金量，彰顯農業氣象物聯網科技內涵。

圖1 鋪設滴灌管（帶）

圖2 水肥一體化自動灌溉系統

圖3 安裝電動卷膜

圖4 “農業氣象物聯網+水肥一體化”試驗平臺展示

和縣歷陽鎮綠源蔬菜種植基地坐落于城西勝利村，離縣城8 km的路程，交通便捷?；毓灿写笈锝?3.3 hm2，采用三方合作方式共建，即氣象局、蔬菜局和歷陽鎮政府合作共建，選取其中一處有代表性地塊，37個大棚，約3.3 hm2作為“農業氣象物聯網+水肥一體化”復式日光溫棚試驗地。

1.2 試驗目的

該“農業氣象物聯網+水肥一體化”復式日光溫棚試驗，通過物聯網主機分析來自氣象站與傳感器系統捕捉到的土壤墑情信息、大氣信息和其他氣象信息，控制泵房和水肥一體化施肥機的啟閉和大棚自動卷膜系統的啟閉，整個過程可由物聯網系統智能控制；也可通過手機終端或PC終端遠程監視控制，通過遠程控制，結合植物生長的水肥需求，做出補水施肥決策，啟動灌溉和施肥設備，將水分和肥料滲透植物根部，實現“物聯網+水肥一體化”智能自動灌溉，同時結合大棚內溫度探測數據，開關大棚卷膜，實現大棚實時通風，真正實現以網連物、以物聯網；根據大棚不同作物品種設定氣象要素閾值，實現蔬菜大棚灌溉自動化、精準化，節約勞動力成本和生產成本，從而實施“精準農業”工程。

1.3 試驗用蔬菜大棚結構

本次試驗用的復式日光溫棚二代棚體為雙坡面塑料薄膜溫室，棚體采用雙層鋼架，2層覆蓋保溫，跨度5.8 m，頂高3.5 m，長度60 m，在蔬菜基地具有較好的代表性。

1.4 試驗開展情況

農業氣象物聯網建設試驗試點布設在試驗地中的2個復式日光溫棚內，分別安裝了大棚溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、3層（15 cm、30 cm、45 cm）土壤溫濕度傳感器，1套植物生長高清監控設備。

該試驗分3期進行。

第一期為和縣農業氣象物聯網水肥一體化項目，主要完成試驗的水肥一體化灌溉施肥系統、2個復式日光溫棚的電動卷膜系統以及項目的平臺展示。實現了水肥一體化自動化灌溉泵房安裝，相應的輸水管道、過濾系統、水肥一體化系統、灌水器的安裝調試和應用；實現2個復式日光溫棚的滴灌管帶和電動卷膜系統的鋪設和應用（圖1～4）。

第二期和縣農業氣象物聯網水肥一體化項目二期工程，主要完成試驗的其他35個復式日光溫棚的電動卷膜系統和所有控制系統板房。

第三期物聯網水肥一體化項目提升工程，主要完成灌溉、施肥、卷膜的自動控制系統軟硬件建設，實現物聯網、水肥一體化灌溉施肥系統、電動卷膜系統智能控制和互聯互通（圖5、6）。

該試驗通過三期建設，采用水肥一體化自控、物聯網監控及膜下滴灌等先進技術，完成了“農業氣象物聯網+水肥一體化”自動灌溉系統，通過該系統用戶可實現：電腦和手機實時遠程登錄，視頻查看現場實況；無線傳感，種植區實時墑情監測；預警系統，根據數據分析及時灌溉施肥。

2 試驗應用效益

2.1 社會效益

和縣復式日光溫棚的“互聯網+”，即“物聯網+水肥一體化”，只是和縣氣象為農服務的縮影。氣象為農服務工作首當其沖應該是指導農業生產，尤其是通過項目來帶動農業氣象服務工作，以部門深入合作為依托，繼續創新氣象為農服務的方式和手段，而且能夠直接指導農業生產，此舉不僅降低了企業勞動力成本，還有效提高了蔬菜質量安全監管水平和科技含量，使氣象為農服務更加接地氣。

①促進政府重視新技術推廣應用，建成和縣蔬菜物聯網控制中心 和縣 “農業氣象物聯網+水肥一體化”復式日光溫棚試驗，得到縣政府支持和高度重視，作為縣政府2015年蔬菜博覽會期間新技術推廣應用；并以此為基點，縣政府投資建成蔬菜物聯網控制中心并投入使用，推廣物聯網水肥一體化自動灌溉系統。2016年縣政府工作報告中提出“蔬菜物聯網控制中心和物聯網示范點建成運行”。以和縣物聯網示范點建成，促成和縣蔬菜物聯網控制中心的建設，該蔬菜物聯網控制中心不僅能節約大量人力物力，更有效提升全縣蔬菜質量安全監管水平和蔬菜生產科技水平。物聯網示范點建成，開創了馬鞍山物聯網與蔬菜大棚聯姻的先河。

②拓寬“互聯網+”工作內涵，提升和縣蔬菜產業發展科技含量“互聯網+”在和縣就是“互聯網+蔬菜”，本試驗中為“農業氣象物聯網+蔬菜”，和縣一直在思考怎樣將基于農業氣象物聯網技術的“智慧農業云平臺”應用于蔬菜生產，怎樣將蔬菜日常生產過程中的澆水、施肥自動化與物聯網結合，實現自動開啟或關閉遮陽網、水簾風機和水泵等指定設備，本試驗拓寬了“互聯網+”的內涵，種植大戶對勞動力的需求大大降低，是新時期蔬菜產業發展面臨的主要發展趨勢。

③強化部門合作新機制，提升和縣蔬菜產業知名度 為加強蔬菜產業的指導和技術支持，和縣成立蔬菜產業發展局。和縣氣象蔬菜專家聯盟以該試驗試點為契機，通過了氣象為農服務合作框架協議，在協議中明確提出要加強部門間的信息共享和技術資源優勢互補；通過專家聯盟等形式定期進行技術交流和服務會商，拓展合作領域、深化合作內容、完善合作機制等。之后以該試驗試點為基礎，發揮專家把脈的作用，緊緊圍繞和縣特色蔬菜產業及經常性的天氣會商，提供精細化、針對性的氣象服務和蔬菜技術指導；深入蔬菜園區調研風災情況；突出蔬菜產業發展“十三五”規劃技術支撐和部門合作新機制，互通人員交流學習，聯合開展蔬菜大棚測溫試驗研究等。

圖5 農業氣象物聯網與灌溉、施肥、卷膜連接的自動控制系統

圖6 “農業氣象物聯網+水肥一體化”手機集成應用系統

圖7 省人大、市縣人大代表參觀

圖8 2015年10月28日安徽新聞聯播播放：全省首個蔬菜大棚“物聯網+水肥一體化”應用系統投用

在2015年和縣第九屆蔬菜博覽會期間將該試驗成果作為“三新”技術成果展示，據不完全統計共計有50批2 000人次到此參觀考察（圖7），大大提高了和縣政府應用“互聯網+”成果的科技含量；新聞媒體競相報道：中國氣象報的《氣象物聯網助推和縣特色農業發展》，安徽新聞聯播的《全省首個蔬菜大棚“物聯網+水肥一體化”應用系統投用》（圖8）、市場星報的《馬鞍山和縣蔬菜引入“物聯網”技術可節成本達八成》，大大提高了和縣蔬菜產業的知名度。

④延伸和縣氣象防災減災平臺，拓展氣象服務新模式 結合中央“三農”專項實施，為在決策服務和專業服務中做出新亮點，拓展氣象服務新模式，加強氣象防災減災和氣象災害預警信息發布向縣區、鄉鎮和園區延伸，開發了“和縣氣象防災減災平臺”，在3個鄉鎮、1個園區共計布設6個氣象防災減災平臺展示和服務點；結合在綠源蔬菜種植基地布設的農業氣象物聯網+水肥一體化復式日光溫棚試驗建成的物聯網水肥一體化灌溉系統，開發了和縣“智慧農業，智慧氣象”示范平臺（圖9），通過該展示平臺，能實時收集和監控大棚內氣溫、濕度、土壤溫濕度和二氧化碳濃度等要素的數據，方便對大棚進行通風、灌溉等操作，同時參觀人員能深入大棚內參觀，還有一個直觀展示和匯報的場所，此舉獲得縣委、縣政府領導的表揚和稱贊，認為氣象服務無所不在，氣象就在身邊。

⑤試驗試點獲省級農業部門肯定，主導編寫《復式日光溫棚物聯網水肥一體化標準》 和縣“農業氣象物聯網+水肥一體化”項目試驗試點也引起了省級農業部門的高度重視，浙江省農業部門領導專題調研 “物聯網+水肥一體化”項目的實施情況（圖10），他指出“物聯網+水肥一體化”是智慧農業在現代農業中的最好體現，它的應用和蔬菜園區聯產聯銷，是新事物、好東西，值得推廣，希望和縣蔬菜局要認真總結經驗，不斷加大宣傳推廣的力度，同時要繼續加強政策的扶持和引導，盡快普及，力爭更上一層樓。和縣蔬菜局和氣象局按照現有“物聯網+水肥一體化”試驗試點，主導編寫了《復式日光溫棚物聯網水肥一體化標準手冊》，以期對后期發展的物聯網與水肥一體化結合提供示范和標準。

圖9 “農業氣象物聯網+水肥一體化”灌溉系統棚內數據展示和監控

圖10 省農業農村廳副主任周世其調研“物聯網+水肥一體化”項目

2.2 經濟效益

①復式日光溫棚信息采集和控制 通過實時測量棚內溫濕度、二氧化碳濃度等環境參數，以及控制閥門和按鈕進行自動化調節，節省了勞動力成本，也達到增加了作物產量、改善品質、調節生長周期、提高經濟效益的目的。

據調查，棚內的測溫設備，會實時監測棚內溫度，如果白天溫度過高，管理員不用下田，直接通過手機就能操作，打開棚簾降溫；夜間溫度低，在家點點手機，棚簾就搖上去了。這一流程如果通過人工完成，1個蔬菜大棚的卷簾操作就需20 min。物聯網技術應用到復式日光溫棚，可節省人工成本60%～70%。

②復式日光溫棚施肥節水灌溉系統 利用傳感器感應土壤的水分，控制灌溉系統的閥門打開、關閉，從而達到自動節水灌溉的目的。試驗地給每個大棚配置1臺4通道4單元施肥機，每1 h最大施肥量200 L，最大流量為5 000 L，比例可根據需要設定，配置2臺混肥罐，1臺電動攪拌機，4個灌溉單元分別控制1壟作物，灌水器選擇直徑×管厚×滴灌頭間距=16 mm×0.2 mm×330 mm的貼片式滴灌帶。結合物聯網的管理系統實現通過溫度、濕度、時間智能開啟關閉灌溉通道，肥料比例精準，自動化程度高。

滴灌試驗，選取2處滴灌帶取水，6 min后測量2處流量，一處 250 mL，另一處 240 mL，換算為1 h流量，即1個滴灌孔1 h可以出水2.5 L，改造后節約人工近80%?！栋不帐袌鲂菆蟆穲蟮肋^此項技術，并在全縣范圍內進行推廣。

3 試驗需改進之處

3.1 試驗監測數據的獲取

本試驗在2個復式日光溫棚內安裝了氣象要素監測傳感器，以2個棚內傳感器監測的數據代表37個大棚監測數據，其實每個棚面積大小、棚內環境、土壤環境都不一樣，用其他棚內的數據代替存在一定的誤差。后期應該在每個棚內布設能夠監測數據的傳感器包，這樣監測的數據更準確、更有代表性。

3.2 試驗控制閾值的設定

本次試驗，未能積累有效時間長度的觀測數據，因此在農業氣象物聯網采集的數據中，大棚溫濕度開關溫棚卷簾、土壤濕度開關灌溉系統的閾值數據都是通過氣象蔬菜專家聯盟專家結合天氣情況通過會商提供的。后期應加強棚內外的溫濕度、棚內土壤溫濕度等要素的長時間觀測，分析不同天氣條件下不同作物的生長狀態，控制溫棚卷簾的溫濕度閾值數據，控制自動澆水施肥的土壤溫濕度閾值數據。

4 結語

本試驗發現，發展農業氣象物聯網對提升氣象行業服務社會的能力和水平具有十分重要而深遠的意義。氣象作為物聯網應用起步較早的行業，應進一步增強發展農業氣象物聯網的緊迫性和必要性。

①切實做好農業氣象物聯網智能應用的頂層設計 以集約化、標準化為原則，設計同一技術體系的存儲和共享系統，實現農業氣象物聯網農業現代化的發展目標，豐富氣象現代化內涵。

②農業氣象物聯網建設與應用示范應有區域性和典型性 結合當地農業特色實際情況，尋找交通方便、基礎設施完善、規模經營高附加值的新型農業生產經營主體，結合地方農業部門的規劃發展或者在省氣象局農網中心指導下開展研究性的有效示范作用，不能盲目跟進。

③示范點對設備和解決方案要實行統一采購和集約部署 物聯網設備在使用過程中的損壞、維護和維修成本偏高，因此應選擇具有雄厚的技術實力公司承建，以便降低成本、可靠運行，分化風險、提升效益。

④建議浙江省氣象局物聯網中心與地方政府物聯網中心實現融合發展，通過物聯網等新興技術切實發揮氣象在精準扶貧和鄉村振興的作用。