作物水氮智能管理系統的設計與驗證

王 敏，劉學勛，臧賀藏，張 杰，王 猛，趙 晴，張建濤，李國強，鄭國清

(1.河南省土壤肥料站,河南 鄭州 450008；2.河南省農業科學院 農業經濟與信息研究所/河南省智慧農業工程技術研究中心，河南 鄭州 450002)

河南省是我國重要的糧食主產區，全省糧食種植面積穩定在0.107億hm2左右，全年糧食產量穩定在650億kg以上，提高河南省作物產量對扛穩我國糧食安全重任具有重要意義[1]。然而在當前作物規模化種植過程中，存在水氮管理粗放、自動化程度低、信息獲取滯后、水氮動態精準調控手段缺乏等問題，不僅導致作物水氮利用效率低，而且帶來產品質量和環境污染。因此，提高作物水氮利用效率是促進現代農業快速發展的關鍵。

目前，我國常規灌溉施肥方式相對比較落后，生產上仍然大水大肥，灌溉水有效利用率僅為40%～50%，遠低于以色列、荷蘭等國家70%～90%的水平[2-4]。我國農業灌溉用水量占總用水量的60%以上，實現農田高效節水灌溉已成為當務之急。近幾年的文獻資料表明，國內外學者在水肥一體化系統方面進行了大量報道，實現了水肥的智能控制，基本應用于設施農業[5-11]。以上這些系統針對設施農業進行了大量研究，而目前有關大田作物水氮智能管理系統的研究鮮有報道。鑒于此，基于實時自動采集作物生長環境參數和作物生育信息參數，利用模型構建耦合作物與環境信息，智能決策作物的水氮需求，設計了作物水氮智能管理系統，實現水氮一體精準施入。同時，解決水氮一體化設備成本高、自動化程度低等問題，達到節水、省肥、增產的目的，為其他作物水氮智能調控技術的推廣提供理論依據和技術參考。

1 系統設計

1.1 總體結構

作物水氮智能管理系統由感知層、數據層和應用層三部分組成，如圖1所示。感知層主要包括環境傳感器，通過智能網關實現感知數據的獲取、處理、發送及設備控制等；數據層主要應用農業模型對監測獲取數據進行存儲和分析；應用層通過系統服務終端，控制田間設備，實現作物水氮精準調控。

圖1 作物水氮智能管理系統總體結構

1.2 作物水氮智能管理系統硬件設計

作物水氮智能管理系統的硬件設備主要由傳感器、控制中心和水氮灌溉系統組件構成，由圖2所示。其中傳感器主要對環境參數進行實時監測，并將信息實時傳輸到基地機房數據庫中?？刂浦行闹饕蒔LC控制器和液晶顯示屏組成。水氮灌溉系統主要由施肥機、水泵和電磁閥組成，用于控制灌溉施肥管道系統。

圖2 作物水氮智能管理系統硬件結構

1.2.1 水氮智能灌溉設備研制 針對田間地頭電力供應難、線路敷設麻煩等問題，基于低壓輸水管道內的壓力差原理，研制電磁閥自供電控制模塊，實現電磁閥的自供電，省去安裝電線環節；基于集成電磁閥控制模塊和水氮智能決策技術，研制作物水氮智能灌溉設備，提供施肥配比、工況監測計算與計量功能；施肥裝置操控系統提供現場和遠程2種控制模式。

1.2.2 水氮智能灌溉設備組成 水氮智能灌溉設備主要由灌溉主機、灌溉控制從站、電磁閥和云平臺組成。利用作物前期采集的歷史數據，使用彭曼公式和土壤水分、養分平衡公式建立灌溉決策模型和施肥決策模型，實現灌溉量和施肥量的精準控制。該模型可根據實時獲取的土壤墑情數據，確定是否需要灌溉以及最佳的灌溉量；基于“變量施肥原理”，確定是否需要施肥以及最佳的施肥量。水氮智能設備使用可編程邏輯控制器與多種傳感器，實現對設備灌溉用水流量、單組分肥料用量與水氮混合液的酸堿度和營養液濃度的精準計量。同時設備使用了多種反饋檢測方法，可檢測水氮智能灌溉設備的水泵運行狀況、攪拌機運行狀況以及電磁閥等設備開啟狀況的精準監測。

1.3 作物水氮智能管理軟件系統設計

系統采用B/S結構模式，服務器系統為Windows Server 2008，后臺數據庫為Microsoft SQL Server 2008，開發環境采用Visual Studio 2013、C#和.net網絡配置；開發語言采用Java語言，后臺程序采用C#語言開發；開發架構采用MVC開發架構，使用Okhttp，Greendao開源框架；前臺開發工具為Android Studio，后臺開發工具為Visual Studio 2013。采用節水灌溉自動化控制技術、灌溉預報技術和水氮決策模型技術，構建了作物水氮智能管理軟件，如圖3所示。根據業務邏輯和需求分析，系統主要包括實時監測、氮肥決策、灌溉決策和系統管理4大功能模塊：

圖3 系統主要功能模塊示意圖

(1)實時監測模塊：包括墑情監測和預警管理。墑情監測主要通過4G網絡通信技術實現數據傳輸，實時顯示獲取的土壤墑情數據。預警管理是根據土壤墑情監測閾值向用戶發送短信，進行預警信息提醒。

(2)肥料決策模塊：包括單點調控和區域調控，根據示范區土壤肥力狀況，可控制單個電磁閥實現單點肥料調控，也可控制多個電磁閥，實現區域肥料調控。

(3)灌溉決策模塊：包括單點調控和區域調控，根據示范區土壤墑情狀況，可控制單個電磁閥實現單點水分調控，也可控制多個電磁閥，實現區域水分調控。

(4)系統管理：包括用戶管理和傳感器管理。用戶管理是根據用戶權限設置進行統一管理。傳感器管理是根據硬件控制設備的類型及基本參數進行傳感器信息的新增、編輯、刪除和保存。

2 試驗驗證

2.1 研究區概況

試驗在河南省黃泛區農場進行，黃泛區農場位于豫東平原，2017—2019年，平均氣溫15.3 ℃左右，平均降水量684.6 mm，平均日照時數2 132.9 h，無霜期215～224 d。農場主要種植冬小麥、夏玉米和夏花生；灌溉方式為微噴灌，水源為井水，小麥和玉米于拔節期、灌漿期灌水，花生于開花期和結痂期灌水。氮肥設置：常規管理一次性底施；微噴灌溉模式底施20%，剩余的隨微噴施用，其他管理方式同大田。小區面積為120 m2(8 m×15 m)，隨機區組排列。試驗設2種灌溉方式，分別為微噴灌(水氮一體化)和常規模式。水氮一體化微噴帶鋪設間距為1.5 m，微噴頭流量為100 L/(m·h)，在施用底肥后，根據降雨情況和土壤墑情，利用作物模型智能決策作物的灌溉量。常規模式采用水泵和定時器根據管理人員經驗進行灌溉。

2.2 試驗結果

2.2.1 水氮智能灌溉模式下作物產量及其構成因素 由表1可以看出，2017—2019年，水氮一體化智能灌溉模式下，河南省黃泛區農場冬小麥穗粒數平均為35.9粒，千粒質量平均為46.4 g，籽粒產量平均為9 150.3 kg/hm2，較常規模式下穗粒數平均增加7.8%，千粒質量平均增加6.4%，籽粒產量平均增加11.5%。夏玉米穗粒數平均為498.7粒，千粒質量平均為342.9 g，籽粒產量平均為10 055.5 kg/hm2；較常規模式下穗粒數平均增加4.3%，千粒質量平均增加5.2%，籽粒產量平均增加14.1%。夏花生單株莢果數平均為11.8個，千粒質量平均為1 995.4 g，籽粒產量平均為5 719.4 kg/hm2；較常規模式下單株莢果數平均增加16.8%，千粒質量平均增加4.6%，籽粒產量平均增加11.9%?？梢?，水氮一體化智能灌溉模式可以明顯提高冬小麥、夏玉米和夏花生的籽粒產量及其產量構成因素。

表1 水氮智能灌溉模式化下作物產量性狀

2.2.2 水氮智能灌溉模式下作物灌溉量和施氮量 由表2可以看出，2017—2019年，水氮一體化智能灌溉模式下冬小麥季平均投入純氮251.5 kg/hm2，較常規模式(330.0 kg/hm2)減少純氮78.5 kg/hm2，節約氮肥23.8%。水氮一體化智能灌溉模式下夏玉米季平均投入純氮272.0 kg/hm2，較常規模式(351.7 kg/hm2)減少純氮79.7 kg/hm2，節約氮肥22.7%。水氮一體化智能灌溉下夏花生季平均投入純氮159.0 kg/hm2，較常規模式(210.0 kg/hm2)減少純氮51.0 kg/hm2，節約氮肥24.3%。冬小麥和夏玉米、夏花生輪作季平均減少純氮71.9 kg/hm2，平均單季節約氮肥23.5%。因此，水氮一體化智能灌溉模式可以明顯減少氮肥用量。

從表2可以看出，2017—2019年，水氮一體化智能灌溉模式下冬小麥季每季平均灌溉量505.0 m3/hm2，與常規模式(693.3 m3/hm2)相比，水氮一體化智能灌溉模式節水27.2%。水氮一體化智能灌溉模式下夏玉米季每季平均灌溉量580.0 m3/hm2，與常規模式(754.3 m3/hm2)相比，水氮一體化灌溉模式節水23.1%。水氮一體化智能灌溉模式下夏花生季每季平均灌溉量580.0 m3/hm2，與常規模式(783.3 m3/hm2)相比，水氮一體化灌溉模式節水26.0%。水氮一體化智能灌溉模式下冬小麥和夏玉米、夏花生輪作總灌溉量均為1085.0 m3/hm2，常規模式總灌溉量 1 447.6～1 476.6 m3/hm2，水氮一體化智能灌溉模式輪作季平均節水25.8%。因此，水氮一體化智能灌溉模式較常規模式顯著減少灌溉量。

表2 2017—2019年不同灌溉模式施氮量和灌溉量

2.2.3 水氮智能灌溉模式下作物經濟效益 由表3可知，2017—2019年，在水氮一體化智能灌溉模式下，河南省黃泛區農場冬小麥農資投入平均為3 820.0元/hm2，其他投入平均為2 730.0元/hm2，設備損耗1 030.5元/hm2，合計成本7 580.5元/hm2，平均產值23 684.4元/hm2，效益平均為16 103.9元/hm2；常規模式冬小麥農資投入平均為4 181.1元/hm2，其他投入平均為4 545.5元/hm2，合計成本8 726.6元/hm2，平均產值21 242.0元/hm2，效益平均為12 515.4元/hm2。與常規模式相比，在水氮一體化智能灌溉模式下，冬小麥季增加產值2 442.4 元/hm2，增加效益3 588.5元/hm2，減少成本1 146.1元/hm2。

表3 水氮智能灌溉模式下作物經濟效益

在水氮一體化智能灌溉模式下，夏玉米農資投入平均為2 740.0元/hm2，其他投入平均為2 930.0元/hm2，設備損耗1 030.5元/hm2，合計成本6 700.5元/hm2，平均產值15 456.6元/hm2，效益平均為8 756.1元/hm2；常規模式夏玉米農資投入平均為3 106.5元/hm2，其他投入平均為4 742.7元/hm2，合計成本7 849.2元/hm2，平均產值13 550.4元/hm2，效益平均為5 701.2元/hm2。與常規模式相比，在水氮一體化智能灌溉模式下，夏玉米季增加產值1 906.2元/hm2，增加效益3 054.9元/hm2，減少成本1 148.7元/hm2。

在水氮一體化智能灌溉模式下，夏花生農資投入平均為6 000.0元/hm2，其他投入平均為1 480.0元/hm2，設備損耗1 030.5元/hm2，合計成本8 510.5元/hm2，平均產值2 4420.1元/hm2，效益平均為15 909.6元/hm2；常規模式夏花生農資投入平均為6 234.6元/hm2，其他投入平均為3 294.9元/hm2，合計成本9 529.5元/hm2，平均產值21 810.7元/hm2，效益平均為12 281.2元/hm2。與常規模式相比，在水氮一體化智能灌溉模式下，夏花生季增加產值2 609.4元/hm2，增加效益3 628.4元/hm2，減少成本1 019.0元/hm2。

可見，水氮一體化智能灌溉不僅科學增加冬小麥、夏玉米和夏花生籽粒產量，還可以獲得較好的經濟效益，提高產投比。

3 結論與討論

據實際調研，大部分作物在種植過程中，灌溉用水和各種化肥并沒有得到合理利用，水與肥料利用效率較低，不僅浪費大量人力物力，還對環境保護與水土保持構成嚴重威脅。本研究研發了作物水氮智能管理一體機軟硬件產品，形成以下結論：

(1)針對作物生產中水氮作業效率低等問題，研制出作物水氮智能管理一體機；該一體機按照小麥灌溉制度和施氮方案，將氮肥用量同微噴灌的灌水時間和次數合理調配，通過水氮智能決策模型，可以實現作物水氮精準調控。

(2)針對作物規模化生產灌溉面積大、信息實時傳輸難、水氮動態精準調控手段缺乏等問題，基于WebGIS和云架構，構建了作物水氮智能管理系統，具有定時定量的精準灌溉及灌溉施肥處方生成等決策功能。利用該系統，農民足不出戶就可以對農田精準施氮灌溉，而且可有效提高水氮利用效率。

(3)與常規模式比較，冬小麥—夏玉米或冬小麥—夏花生輪作季水氮一體化智能灌溉可節水25.8%，節氮23.5%。

(4)通過在河南省黃泛區農場水氮智能管理設備的實地布設與試驗應用，驗證了系統的整體性能達到設計需求，在作物生產中運行穩定，智能灌溉管理科學合理供應作物生長所需水分、氮肥，確保了作物的產量和經濟效益。