茶園智慧水肥一體化系統設計與應用分析

張冬菊 夏鴿飛 朱登平 蔣亭亭 張中華 呂名禮

摘 要 我國茶園大多分布在丘陵或山區坡地，茶葉的生產管理多依賴經驗，管理粗放、標準化程度低、品質參差不齊、整體經濟效益較低，急需提高茶園的生產管理水平。隨著水肥一體化系統及物聯網系統在茶園中的集成應用，茶園的智能化水肥管理、病蟲害預防監測、環境因子實時監控、質量溯源等技術逐步應用并取得良好的成效，有效提高了茶葉生產效率，促進了茶葉產業轉型升級。基于此，對安徽省祁門縣天之紅茶園20 hm2基地基于物聯網平臺的水肥一體化系統應用進行調研，分析其具體設計以及應用效果。

關鍵詞 茶園;水肥一體化;物聯網;噴灌

我國有著悠久的茶葉種植歷史，茶產業已成為我國農業產業化的重要組成部分。我國茶葉種植具有明顯的區域性，主要分布在江南、江北、西南及華南四大區域，多為丘陵或山區坡地種植[1]。目前，人們對茶葉的需求量和品質要求越來越高，為滿足市場需求，茶葉種植面積也在急劇增加[2]。

傳統的茶葉種植中，茶農主要依靠經驗進行管理，種植技術水平較低，管理技術不完善，標準化程度低，茶葉品質參差不齊，且傳統種植方式用工量大、成本高，導致茶種植業整體經濟效益低，制約了我國茶產業的發展[3-5]。另外，由于缺乏及時準確的氣象災害與病蟲害預警，茶葉在春季萌芽期或幼葉期常常遭遇霜凍災害和病害，產量和質量受到嚴重影響。

近幾年，水肥一體化技術逐步應用于茶業種植中，但在實際應用中，水肥一體化集成技術模式還不夠成熟，缺乏精準科學的灌溉策略[6]。隨著物聯網系統和水肥一體化系統的集成應用，茶園逐步實現了智能化水肥管理、“四情”預防監測、環境因子實時監控、質量溯源等，茶園實現了智能化生產與信息化管理，茶葉的產量和品質得到提高，同時提高了茶葉生產效率，促進茶葉產業轉型升級，促使茶葉產業優質快速發展[7]。基于此，對安徽省祁門縣天之紅茶園基于物聯網平臺的水肥一體化系統應用進行調研。

1 基地概況及智慧水肥一體化系統設計

1.1 基地概況

項目基地位于安徽省黃山市祁門縣的天之紅茶園，基地有20 hm2的有機生態茶園。祁山縣是紅茶之鄉，地貌以山地丘陵為主，地勢北高南低，氣候溫和，日照較少，雨量充沛，四季分明。春季冷暖變化大，光照不足，陰雨多;夏季氣溫高，濕度大，降水集中，易成洪災;秋季偶有夾秋旱，白天氣溫高，早晚涼;冬季寒冷濕度小，多晴少雨易干旱。

1.2 水肥一體化系統設計

1.2.1 灌水器選擇

灌溉方式對茶樹的生長尤為重要，結合南北方氣候差異，相關專家也提出了不同的茶園水肥一體化應用方案，噴灌和滴灌是大多數茶園的灌溉方式[4]。天之紅茶園采用的是華維雙噴嘴霧化噴頭，流量330 L·h-1，射程5～8 m，可實現60～300 μm霧化效果，噴頭間距6 m×6 m，安裝示意圖見圖1。噴灌灌溉面積大，可控制噴水量和均勻性，能起到調節小氣候的作用。另外，在春季“倒春寒”來臨時，噴灌結合防凍劑使用，可有效降低茶葉萌芽或嫩葉期突然低溫對茶葉造成的凍害，起到一定的防護作用，減少損失。

1.2.2 田間管網設置

茶園水肥一體化田間管網見圖2。主要根據當地地形、水源壓力及灌溉區域面積設計田間管網，主要包括主干管、支管和輔管。主干管采用華維HDPE熱熔直管，韌性好，耐沖擊，使用壽命長，不滋生藻類，埋地鋪設;支管及輔管采用華維LDPE盤管，韌性強，抗老化能力強。

1.2.3 首部樞紐選擇

首部樞紐是智慧水肥一體化系統中的重要組成部分，包括加壓系統（離心泵）、變頻控制系統、過濾系統（砂石過濾器、疊片過濾器等）、施肥設備（智慧施肥機）等，見圖3。

系統運行時，離心泵將灌溉水加壓后，輸送至過濾系統進行過濾，再借助輸水管網輸送至灌水器，進行噴灌灌溉。水泵采用華維變頻恒壓控制系統，具有隨開隨用的功能，最大限度的降低了人工和系統能耗。首部配置的過濾系統，可對水源進行有效過濾，避免堵塞的發生，保證系統的長期有效運行。施肥機可根據茶葉生長需要進行實時動態調節Ec、pH，滿足精準、精量、按需施肥的需求，實現高效水肥一體化灌溉。

1.2.4 物聯網系統設計與集成應用

基于基地實際需求設計并配置了物聯網系統。該系統包括農抬頭物聯網云平臺系統、智能灌溉控制系統、視頻監控系統、農產品溯源系統、“四情監測”系統、物聯網信息采集系統、中控設備及數據顯示系統等，可對基地茶樹生長的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照、風速、風向等環境因子進行采集和監測，對茶樹各生長階段的長勢進行動態監測，并對病蟲害、降雨量及氣象災害進行預測預警。系統可在PC端和手機端使用，定時將采集到的各種數據通過無線網絡發送到監測平臺或者管理人員的手機上，可實現隨時隨地對茶園任何一個區域灌溉、施肥、作物長勢及病蟲害等方面的管控和監測，大大提高茶園生產管理效率。

2 智慧水肥一體化系統在茶園上的應用效果

2.1 智慧水肥一體化系統使用效果

項目基地20 hm2的天之紅茶園采用水肥一體化系統后，可根據茶園土壤養分含量、茶樹生長特點及需求規律進行田間管理。華維喜耕田智慧施肥機根據田間傳感器監測的數據進行適時、適量、精準施肥灌溉，無需人工便可實現定時、定量灌溉。采用高壓霧化噴頭噴灌，可使土壤始終保持疏松和適宜的含水量。通過系統應用，目前茶園實現了“兩減一增”目標，即減少了肥料使用量，減輕了特殊氣候如倒春寒、夏秋干旱對茶園的不利影響，最大限度地提高了茶園產量。

通過物聯網系統集成應用，茶園管理人員通過手機APP即可隨時隨地遠程監測茶園管理情況，節省了大量勞動力，實現了茶園科學化、現代化、自動化、智能化管理。

春季是茶園管理的關鍵時期，在用工極度短缺的情況下，園區利用物聯網及水肥一體化系統由之前需要十幾名工人管理到現在只需1人，省工35%以上，既減少了人員聚集，又保證了茶樹的正常生長需要，保證了茶園水肥按時按需供應，為春茶生產打下了良好基礎。

2.2 效益分析

茶園未使用智慧水肥一體化系統時，祁紅只采摘春茶，即只在谷雨節氣前進行采摘，其余季節由于天氣變化、灌溉不充分等原因，茶葉品質難以保障，基本不采，浪費了大量高山茶葉資源，再加上傳統茶農習慣于對茶園進行粗放管理，種植不科學，導致茶葉效益未得到充分體現。

應用物聯網平臺系統及水肥一體化技術后，茶園管理實現了精準灌溉、精準施肥，有效解決了缺水問題，灌溉水利用率充分提高，每667 m2可以節水40%，茶葉的生長不再受干旱天氣影響，提高了茶葉產量，茶葉采摘次數增多。項目實施以來，基地茶園的采摘總量比之前增加了15%以上，茶葉產量顯著提高。

2.3 品牌效應

項目基地天之紅茶園集成應用物聯網云平臺系統和水肥一體化系統，啟動茶園數據化、智能化管理工作，通過“物聯網+水肥一體化云平臺”建設，實現茶園智慧管理“一指控”。項目基地應用智慧化云平臺管理系統，實現了標準化智慧茶園管理，茶葉產量和品質顯著提升，市場競爭力和品牌影響力顯著提升。

3 結語

天之紅20 hm2茶園地處丘陵山地，集成應用物聯網云平臺與水肥一體化系統后，根據茶樹生長特性與水肥需求規律，結合當地氣候環境，對茶園各環境因子、茶樹生長特性、病蟲害等進行實時采集與監測，茶園實現了精準灌溉、精準施肥、智能管控，建成了標準化智慧茶園，實現節水40%，省工35%，增產15%，茶葉品質顯著提高，市場競爭力和品牌影響力顯著提升，綜合效益顯著。

參考文獻：

[1] 蘇火貴，鄭靖雅，吳月德，等.茶園水肥一體化技術應用及發展前景[J].廣東茶業，2015（Z1）：38-40.

[2] 孫紅嚴，馬德新.茶園水肥一體化研究進展[J].陜西農業科學，2019，65（7）：87-90.

[3] 孫海偉，馮殿齊，曹德航.泰山茶優質豐產高效栽培技術[M].濟南：山東科學技術出版社，2015.

[4] 孫海偉，張虹，高紅，等.北方茶園專用水肥噴、滴灌一體化技術[J].山東林業科技，2017，47（5）：79-81.

[5] 韓沙，馬德新.基于物聯網的茶園水肥一體化技術推廣及應用前景分析[J].農業與技術，2019，39（11）：12-13.

[6] 楊清霖，楊向德，石元值，等.茶園滴灌與水肥一體化技術研究[J].茶葉學報，2019，60（1）：32-37.

[7] 邵維孝.建設標準化生態茶園的技術措施[J].鄉村科技，2019（11）：119-120.

（責任編輯：趙中正）