設施蔬菜固液混合水肥管理系統建設實踐及思考

張傳帥

（北京市農業機械試驗鑒定推廣站，北京 100079）

設施蔬菜生產中，水肥管理是耗費人工最大的環節之一，對作物品質、產量也有較大影響。目前，北京市設施蔬菜水肥管理已經普及水肥一體化技術，形式包括依靠水壓的文丘里吸肥器和自動化水平較高的水肥管理設備。2017年北京市設施農業播種總面積為3.6萬hm2，以蔬菜和食用菌為主，配套自動化水肥管理設備的比例不足10%，仍然主要依靠文丘里吸肥器進行水肥管理，灌溉施肥機械化水平僅為37.2%，處于較低水平[1]。傳統的文丘里吸肥器操作落后，勞動效率低，水肥混合后施肥效果差。而水肥管理裝備通過遠程控制、水肥監測和灌溉施肥量統計等功能，可實現水肥管理調控的自動化、數據化、精準化，提高勞動生產率及水資源和肥料利用率，并改善作物品質，減少肥料使用和土壤污染，具有較高的經濟效益和生態效益[2-3]。目前，國內自動化水肥管理設備及相關技術發展較為成熟，生產廠家及設備型號均較多，但是由于農機補貼政策配套缺乏、示范推廣力度不夠等，前期經濟投入成本高，園區負責人對新技術不了解、不認可，阻礙了水肥管理裝備技術的普及與推廣應用。

本文介紹的固液混合水肥管理系統由北京市農機鑒定推廣站、昌平區農機推廣站以及冀雨科技公司共同建設，其中主機型號為FERTISPARK，由冀雨科技研發。該系統配套遠程管理云平臺和手機APP，可現場或者遠程對系統進行設置，實現精準配肥和定時定量灌溉施肥，并實時統計灌溉施肥相關數據。

1 固液混合水肥管理系統的特點及優勢

以往各園區曾采用的文丘里吸肥器，利用水流壓差將肥料桶內肥料吸入管道進行灌溉施肥，不需要機械化動力，雖然成本較低，但是水壓損失大，不適宜大面積灌溉施肥，且肥料均勻性和可控性較差，生產方式落后，工作效率和工作舒適性低，不適宜基質栽培等要求較高的現代農業生產方式。固液混合水肥管理系統的特點和優勢主要體現在以下3個方面。

1.1 提高勞動生產力

系統通過現場或者遠程設置，可提前設置多個時間段，進行定時定量灌溉或施肥，不再需要人工前往現場開關水閥和查看灌溉情況。系統配套了容納液體水溶肥和固體水溶肥2種肥料的容器及吸肥裝置，可滿足園區不同的需求或不同肥料配合施用，不再需要人工頻繁取肥、倒肥和攪拌等工作，自動化管理設備大幅度減少了人工往返和操作時間，提高了勞動生產率和勞動舒適度。

1.2 實現農業大數據積累

系統配套了流量監測、水肥稱量等裝置，通過對水、肥分別稱量，實現精準配比，實現生產期間全部灌溉量、施肥量、灌溉施肥時間等數據的統計，并存儲在遠程管理云平臺。通過對積累數據的研究，可優化水肥管理措施，減少經驗不足或更換管理人員對生產的影響。

1.3 推動精準農業發展

北京市設施蔬菜生產逐步向標準化和規模化方向發展，對水肥管理等設備提出了更高的要求。基質栽培等高端生產方式，對水肥供應依賴性較高，水肥的不足或過量都會對作物生長造成嚴重損害，肥料施用不當，也會造成肥料的浪費或者環境污染。該系統減少了隨意性灌溉施肥，以及因工作遺忘造成灌溉過量等問題，一定程度上減少了對作物造成的損害。自動化水肥管理系統是設施蔬菜生產實現精準農業的必要基礎。

2 固液混合水肥管理系統的構架

固液混合水肥管理系統主要包括灌溉水源供給、灌溉施肥控制、灌溉生產區3大部分（圖1）。

2.1 灌溉水源供給

灌溉水源供給部分包括泵房、水井、水井水泵和儲水桶。泵房建設在水井上部，水井水泵功率為1.75 kW，揚程為15 m，用于往儲水桶注水，通常不用于直接灌溉供水。儲水桶容量5 000 L，放置在泵房上部，中心距離地面高度3.5 m，可利用水源重力對園區進行灌溉。園區灌溉管道與園區生活用水管道相通，通過閥門進行控制關閉，在水井水源故障時應急使用。

2.2 灌溉施肥控制

灌溉施肥控制部分包括灌溉增壓水泵、過濾器、肥料容納裝置和施肥主機，均安裝在溫室耳房內，由專人操作。增壓水泵為灌溉提供主要動力，額定功率1.1 kW，揚程12.5 m，最大流量12.5 m3/h，當灌溉面積較大時，可提高灌溉水壓力。過濾器采用小型疊片過濾器，并配有反沖洗功能，可定期清除沉積雜質，體積較小，可過濾水中雜質，防止雜質在管道中沉積，堵塞滴灌帶和微噴帶。由于園區地下水泥沙較少，可以滿足灌溉需求。

目前京郊水肥一體化使用的肥料主要為粉狀水溶肥和液體水溶肥，常見肥料容器為肥料桶，人工加入肥料后，攪拌待用。本系統中肥料容納裝置包括液體肥桶和固體肥箱，液體肥桶設置2個，容量均為250 L，固體肥箱可盛放固體水溶肥，通過各自配套吸肥泵吸肥。施肥主機內包括液體肥吸肥泵、固體肥吸肥泵、稱量裝置、肥水混合桶、攪拌電機、肥料泵和電子流量計等部件。液體肥吸肥泵吸程3 m，流量0.5 m3/h，固體肥吸肥泵額定功率1.75 kW，可容納100 kg固體肥料，稱量裝置可對肥料和水分別稱量，并放入肥水混合桶，攪拌電機將肥水攪拌均勻后，由肥料泵注入灌溉主管道，電子流量計用于監測水肥流量，量程為0.4～14.0 m3/h。

2.3 灌溉生產區

灌溉生產區主要包括灌溉管道、電動球閥和滴灌帶或微噴帶等，電動球閥采用遠程控制形式，可控制灌溉的通斷，額定功率為3 W，每棟溫室安裝1個，并聯設置手動閥門，在設備出現故障時應急。

3 園區應用案例分析

設備安裝地點為北京市昌平區藍天綠都設施農業園區，位于40°19′N，116°16′E，年平均氣溫11.8 ℃，冬季最低氣溫－10 ℃以下，系統覆蓋范圍為13棟日光溫室，單棟溫室面積600 m2，種植蔬菜主要為越冬果菜和葉菜。

該系統建設總成本14萬元，覆蓋溫室13棟，每年維修維護及用電費用按照系統成本2%計算，預計使用壽命10年，忽略殘值，每667 m2設施蔬菜水肥管理每年系統成本1 436元。以園區溫室草莓生產為例，9月初定植，5月中旬拉秧，生長期8.5個月，需要灌溉58次，每次灌溉時間平均30 min，系統操作時間5 min，灌溉用水量119 m3，施用水溶肥132 kg。相比傳統灌溉方式，每棟溫室每次灌溉施肥節約時間1 h，按每天工作8 h，每天人工成本150元計算，每667 m2可節省人工成本1 087元；在水肥成本方面，節肥10%，每667 m2節省化肥成本192元，節水20%以上，灌溉用水為地下水，暫時不需要繳納費用；在產量方面，平均年增產10%以上，按照每棟溫室平均產值2萬元計算，每667 m2提高銷售收入2 223元；綜上，每年每667 m2設施蔬菜提高經濟效益2 066元；因此，固液混合施肥系統的建設在技術上和經濟上均有可行性。此外，系統建設完成后，組織北京市多個區的農機推廣部門和設施蔬菜園區技術人員進行了現場參觀和技術培訓，普及自動化水肥管理技術，獲得了認可，為下一步技術的普及奠定了基礎。

4 實踐與思考

4.1 水源供給設計

水源供給是實現水肥管理的基礎，水源供給需要重點解決的問題是水源雜質過濾和保障水量和水壓穩定性。北京市設施農業中灌溉用水主要采用地下水，水中雜質較多，而灌溉主管道沉積雜質后較難清理，因設施農業采用的滴灌帶、微噴帶對水質要求較高，雜質會造成堵塞，嚴重影響灌溉。目前，常用措施：一是將地下水用大功率水泵抽取到蓄水池或儲水桶內，再作為水源進行灌溉，可減少雜質，穩定水源；二是采用砂石過濾器、疊片過濾器進行多級過濾，并配有反沖洗功能，并定時清洗沉積雜質。

4.2 防凍設計

北京市設施農業以越冬蔬菜生產為主，保障在元旦和春節前后上市，獲取較高經濟效益。冬季溫度較低時會造成管道凍裂等問題，因此水肥管理系統需要采取防凍措施。溫室外部主管道盡量埋在距離地面1 m以下，并采用保護套包裹；儲水桶或者輸水管道盡量設置在溫室生產區內，設置在耳房內的管道需要在用完之后，將水排盡或者增加增溫設備，防止溫度過低造成管道凍裂。

4.3 維修維護服務

水肥管理裝備設施應用大量電子和計算機技術實現數據監測和自動化控制，由于設施農業生產環境較為惡劣，電磁閥、主機等零部件容易損壞；因此，設施農業園區在建設水肥管理系統前，需要注意企業服務和設備的選型，一是要確認在設備出現故障時，企業能及時前往園區維修，最好在當地駐有維修人員；二是企業能保障設備后續服務，每年定時檢修，及時為園區進行設備硬件、軟件的升級服務，并確認后續服務費用承擔問題。

5 前景分析

目前，歐美發達國家設施蔬菜生產已經普遍應用了自動化的水肥管理系統，實現了水肥的精準管理。雖然我國設施蔬菜水肥管理整體自動化水平相對較低，但是生產廠家、設備型號逐漸增多，技術迭代更新加速，適用性逐步完善。隨著社會發展，人工成本不斷升高，市場對蔬菜品質和安全的要求不斷提高，設施蔬菜園區對降低生產成本的需求，均推動了設施蔬菜生產中自動化水肥管理系統的應用。基于水肥一體化技術的固液混合水肥管理系統除帶來可觀的經濟效益外，生態效益和社會效益同樣不可忽視。節水、節肥有助于推動循環農業、生態農業的發展，勞動強度的降低和勞動環境的改善有助于解決目前設施農業存在的招工難的問題。從長遠看，水肥管理系統對推動設施蔬菜產業的發展具有重要意義。