智能灌溉系統(tǒng)的研究進(jìn)展

任玉潔，郭洪恩

(山東省蠶業(yè)研究所，山東 煙臺(tái) 264002)

我國(guó)是世界上水資源短缺的國(guó)家之一，中國(guó)水資源公報(bào)顯示，2018年全國(guó)水資源總量27 462.5億m3。其中，地表水資源量26 323.2億m3，地下水資源量8 246.5億m3，人均占有量?jī)H為1 961 m3 [1]。淡水資源的短缺和地下水資源的超負(fù)荷消耗，使得地下水位線不斷下降甚至達(dá)到了國(guó)際嚴(yán)重缺水警戒線。據(jù)預(yù)測(cè)，至2030年，中國(guó)人口將達(dá)到16億，在降水量不變的情況下，人均水資源占有量將減少到1 760 m3 [2]。我國(guó)在水資源極度短缺的情況下，又面臨化肥和農(nóng)藥的過度使用問題。化肥的使用量居全球第一，農(nóng)藥使用量是世界平均水平的2.5倍，而農(nóng)藥和化肥的實(shí)際利用率不到30%[3-5]。化肥農(nóng)藥的過度使用不僅造成資源的極大浪費(fèi)，而且嚴(yán)重污染了環(huán)境，導(dǎo)致土壤中有益菌群大量減少，土壤板結(jié)和次生鹽漬化嚴(yán)重，甚至造成重金屬污染，這些污染物在人體內(nèi)積累最終危害人身體健康。因此，如何利用科學(xué)合理的舉措來提高水、肥、藥資源利用率，對(duì)解決目前我國(guó)面臨的資源短缺、環(huán)境污染等問題意義重大，這不僅是中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)綠色發(fā)展的需要，亦是我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)許多研究所和高校已經(jīng)研究開發(fā)智能化灌溉控制系統(tǒng)[6]，但多數(shù)還停留在試驗(yàn)階段。常見的智能灌溉控制系統(tǒng)是WSN+GSM的智能灌溉控制系統(tǒng)、PLC和物聯(lián)網(wǎng)感應(yīng)的智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)[7-9]。精準(zhǔn)化WSN+GSM灌溉系統(tǒng)由上位機(jī)控制平臺(tái)、無線通訊平臺(tái)、下位機(jī)控制平臺(tái)、信息采集平臺(tái)構(gòu)成，同時(shí)配置小型氣象站和土壤溫濕度傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤溫濕度、光照、風(fēng)速等因素，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)[10-11]。PLC和物聯(lián)網(wǎng)感應(yīng)的智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)主要由PLC控制系統(tǒng)、zigbee傳輸網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、執(zhí)行設(shè)備、水泵組成[12-13]。智能灌溉技術(shù)結(jié)合氣候數(shù)據(jù)和信息化綜合管控系統(tǒng)，可以監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)要素信息，計(jì)算出作物實(shí)際用水需求量[14]，實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置。采用智能灌溉設(shè)備解決了灌溉實(shí)踐中面臨的大多數(shù)問題[15-16]。但是，由于我國(guó)智能化灌溉技術(shù)歷史較短、起步晚，導(dǎo)致我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)經(jīng)驗(yàn)不足，環(huán)境監(jiān)測(cè)不到位，農(nóng)業(yè)灌溉整體水平較低，條件較差。

國(guó)外智能灌溉技術(shù)起步較早，發(fā)展較為完善。隨著傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日趨成熟，以及灌溉用水管理軟件的開發(fā)和應(yīng)用，智能灌溉得到了較大程度的發(fā)展[17]。美國(guó)是世界上機(jī)械化程度最高的國(guó)家，農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先地位[18]，其在施肥機(jī)中安裝了技術(shù)比較成熟的裝置，如控制器主要采用PDA或車載式計(jì)算機(jī)。根據(jù)GIS土壤養(yǎng)分或肥料使用的GIS圖層信息實(shí)現(xiàn)變量施肥，提高了施肥的精準(zhǔn)化程度[19]。圍繞精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，國(guó)外噴藥機(jī)采用大量電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，例如澳大利亞研制了一種基于傳感器的雜草識(shí)別精度控制系統(tǒng)，美國(guó)公司研制了一種精準(zhǔn)噴頭控制器，提高了噴灑的精準(zhǔn)化，同時(shí)減少了人為操作。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式日益完善，水肥藥技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，這些技術(shù)的發(fā)展對(duì)我國(guó)技術(shù)的研發(fā)有很大的借鑒意義，給我國(guó)水肥藥精準(zhǔn)化的發(fā)展帶來了諸多啟示。

2 水肥一體化技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.1 節(jié)約資源

我國(guó)淡水資源的短缺和地下水資源的超負(fù)荷消耗，使得地下水位線不斷下降[20-24]，智能灌溉技術(shù)將氣象數(shù)據(jù)和信息化綜合管控系統(tǒng)融合在一起，可以根據(jù)作物生長(zhǎng)信息、氣象條件波動(dòng)、植株不同生長(zhǎng)階段蒸散量的變化等[25]，智能做出灌溉決策，實(shí)時(shí)調(diào)整灌溉量以達(dá)到按需灌溉的目的。將農(nóng)藥的施用融入滴灌中，對(duì)土壤害蟲、線蟲、根部病害有較好的防治作用[26]。在作物產(chǎn)量相近或相同的情況下，與傳統(tǒng)施肥技術(shù)相比，水肥一體化技術(shù)可節(jié)省化肥50%左右[27]。

我國(guó)多數(shù)設(shè)施農(nóng)業(yè)的灌溉施肥水平相對(duì)較低，部分地區(qū)甚至仍采用傳統(tǒng)大水漫灌，且過量施用化肥，導(dǎo)致水肥利用效率低，引發(fā)土壤次生鹽漬化、退化甚至荒漠化等問題，嚴(yán)重制約了設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[28]。與傳統(tǒng)灌溉施肥模式相比，水肥一體化技術(shù)可以顯著提高水肥利用效率和作物產(chǎn)量，改善果蔬品質(zhì)、改良土壤環(huán)境等[29-30]。科學(xué)的水肥一體化管理，可在設(shè)施農(nóng)業(yè)中定量利用有限的水分和養(yǎng)分，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，促進(jìn)水肥利用[31-33]。

2.2 增產(chǎn)增收

作物定植后，應(yīng)用水肥一體化技術(shù)能夠在較短時(shí)間內(nèi)度過緩苗期，明顯延長(zhǎng)蔬菜收獲期，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收的同時(shí)還能夠進(jìn)一步提高設(shè)施蔬菜品質(zhì)，增加農(nóng)戶收入[34]。張燁[35]的研究表明，溫室大棚水肥一體化技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了節(jié)水節(jié)肥、增產(chǎn)增收，而且氮肥利用率也顯著提高。目前，智能滴灌技術(shù)已由原來僅限于在果樹、設(shè)施農(nóng)業(yè)等高附加值作物推廣到大田經(jīng)濟(jì)作物，近年來又延伸到大田糧食作物，其增產(chǎn)、增收效果顯著[36-37]。

3 水肥一體化智能控制系統(tǒng)構(gòu)成

目前，我國(guó)應(yīng)用最為普遍的水肥一體化智能控制系統(tǒng)采用系統(tǒng)首部供肥+肥料濃度恒定系統(tǒng)、恒壓管道傳輸+棚內(nèi)小首部智能比例調(diào)控方式。其中，系統(tǒng)首部由水泵間、水處理間、混肥間、控制間和肥料庫(kù)房組成。經(jīng)微咸水處理系統(tǒng)凈化的水由主管、支管向混肥間和各溫室進(jìn)行恒壓、穩(wěn)定供水，肥液經(jīng)自混肥間由3根PE管道恒壓、恒濃度向棚內(nèi)供肥(圖1)。每個(gè)棚內(nèi)的小首部由各種類型的注肥通道、加壓泵、控制器、外部設(shè)備和配件等組成，可以精準(zhǔn)智能控制電磁閥、流量計(jì)等。根據(jù)用戶在可編程控制器上設(shè)置的灌溉施肥程序和電導(dǎo)率等信息，機(jī)器可自行將肥料通過肥料泵吸入桶中調(diào)配，將調(diào)配好的肥料養(yǎng)分準(zhǔn)確地注入灌溉管網(wǎng)中，連同灌溉水一起適時(shí)適量地澆灌作物，在解放勞動(dòng)力的同時(shí)提高了水肥利用效率。棚內(nèi)小首部還可通過小型便攜式施肥機(jī)根據(jù)作物微量元素和灌溉肥液pH值調(diào)節(jié)需要，利用該施肥機(jī)向棚內(nèi)灌溉主管網(wǎng)中注入微量元素或酸液，從而達(dá)到精準(zhǔn)灌溉。從農(nóng)業(yè)灌溉用水角度出發(fā)，將恒壓恒流技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工程中，根據(jù)作物和所需營(yíng)養(yǎng)元素的不同，科學(xué)合理地灌溉施肥，為作物提供及時(shí)、精確的水分和養(yǎng)分供應(yīng)。

圖1 水肥恒壓的灌溉系統(tǒng)

4 研究展望

如果將移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化技術(shù)和其他信息技術(shù)完全適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理[38-39]，比如將信息監(jiān)測(cè)、專家決策、智能管理、綜合灌溉系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、精準(zhǔn)天氣預(yù)報(bào)、作物耗水歷史記錄，以及耗水趨勢(shì)模型等融為一體[40-41]，立足于農(nóng)業(yè)灌溉，構(gòu)建完善的灌溉用水決策支持系統(tǒng)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)作物生理生態(tài)信息，根據(jù)不同作物需水情況，融合降水、地勢(shì)等多因素的影響，以及作物自身指標(biāo)所反映的水分虧缺狀況，自動(dòng)調(diào)節(jié)灌溉時(shí)間、灌水量和灌溉頻次，智能作出灌溉決策和預(yù)測(cè)。那么，相信在不久的將來，農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的應(yīng)用將步入大發(fā)展時(shí)期，未來農(nóng)業(yè)全自動(dòng)化技術(shù)將趨向于農(nóng)田信息的獲取更加智能化、精細(xì)化，其角度將更加微觀，數(shù)據(jù)將更加準(zhǔn)確，與未來科技的發(fā)展趨勢(shì)將更加契合。