水肥一體化農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)研究

朱 亮，曾 值

（四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技保障中心，四川 成都 610066）

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中應(yīng)用水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)，不但可以大幅提高灌溉效率，改善傳統(tǒng)灌溉方式存在的不足，精準(zhǔn)控制農(nóng)藥化肥用量，減少成本投入，提高經(jīng)濟(jì)效益，而且還能控制和減少對生態(tài)的不利影響。所以對水肥一體化農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)進(jìn)行推廣應(yīng)用，不僅能夠有效轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中粗放式的灌溉方式，還能有效增強(qiáng)水肥利用率，達(dá)到節(jié)水節(jié)肥的良好效果，推動(dòng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，為農(nóng)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。

1 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)概述

水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)將灌溉和施肥融于一體。通過壓力系統(tǒng)，根據(jù)農(nóng)作物的種類和土壤養(yǎng)分情況，把液體肥料以及可溶性的固體肥料，配制成肥液和灌溉水，通過管道進(jìn)行灌溉與施肥，確保水量和肥料的定量施用，并充分考慮不同農(nóng)作物及其不同生長期，科學(xué)設(shè)計(jì)供水供肥量，促進(jìn)作物持續(xù)健康生長[2]。

2 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)組成

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)近年來得到巨大提升，該系統(tǒng)符合當(dāng)前節(jié)水高效農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢。該系統(tǒng)將水肥一體化系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)充分融合，及時(shí)全面地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與決策，具有很高的技術(shù)含量和實(shí)用性，可定時(shí)定量進(jìn)行灌溉與施肥，如圖1所示。

圖1 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)組成

1）水源系統(tǒng)：水庫、水井、江河、湖泊、渠道可作為水源，但水質(zhì)必須要符合灌溉要求。為了使水源得到充分利用，需要修建引水、蓄水以及提水工程，同時(shí)配合輸配電系統(tǒng)，構(gòu)建完善的水源系統(tǒng)。

2）首部樞紐系統(tǒng)：水泵以及流量壓力監(jiān)測設(shè)備、過濾器、施肥設(shè)備與壓力保護(hù)裝置是系統(tǒng)的主要組成部分。該系統(tǒng)是水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)的重要驅(qū)動(dòng)力，發(fā)揮著重要的檢控與調(diào)控作用，是整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)控中心。

3）施肥系統(tǒng)：包括混合肥料溶液系統(tǒng)以及灌溉系統(tǒng)。混合肥料系統(tǒng)主要由肥料罐、電磁閥、施肥器、控制器、混合罐、傳感器和混合泵組成。灌溉系統(tǒng)主要包括灌溉泵、過濾器、控制器以及田間灌溉網(wǎng)、穩(wěn)壓閥、灌溉電磁閥。

4）輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)：主要包括干管、支管以及毛管，PVC管材是干管的主要材料，PE管是支管的主要材料。依照流量分級配置管徑，當(dāng)前應(yīng)用的毛管多是邊縫迷宮式滴灌帶以及內(nèi)鑲式滴灌帶；并運(yùn)用鐵制構(gòu)件的大口徑閥門，干管以及分支管首部設(shè)置進(jìn)水口閘閥，球閥設(shè)置于支管與輔管進(jìn)水口部位。輸配水管網(wǎng)把首部經(jīng)過處理的水向灌水器以及灌水單元輸送。毛管為微灌系統(tǒng)末一級管道，主要作為滴灌管。

5）無線閥門控制器：對田間工作站指令進(jìn)行接收，并進(jìn)行實(shí)施。無線閥門控制器直接連接管網(wǎng)上的電磁閥，接收田間工作站指令之后，調(diào)控電磁閥開閉，并采集田間信息，將信息上傳到田間工作站。多個(gè)電磁閥均可由一個(gè)閥門控制器進(jìn)行控制。田間灌溉過程當(dāng)中電磁閥是重要的控制閥門，根據(jù)田間節(jié)水灌溉設(shè)計(jì)輪灌組，來對電磁閥進(jìn)行劃分，并對其安裝位置與個(gè)數(shù)進(jìn)行確定。

6）灌水器系統(tǒng)：根據(jù)微灌灌水流量的大小，一次灌水需要較長的時(shí)間，而灌水周期較短，工作過程當(dāng)中壓力要求不高，可以精確控制灌水量，可以將水分養(yǎng)分向作物根部周圍的土壤輸送[3]。

3 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 功能特點(diǎn)

3.1.1 信息采集

1）如采集光照、溫濕度、降雨量、風(fēng)速、導(dǎo)向、氣壓、光合有效輻射等監(jiān)控設(shè)備信息，以及對作物生長環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，對農(nóng)作物生長情況進(jìn)行全面把握，農(nóng)作物生長過程當(dāng)中由于上述因素受到限制，用戶可及時(shí)做出反應(yīng)，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行應(yīng)對。

2）運(yùn)用氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量傳感器，對各種氣象信息進(jìn)行全面收集，如果超出正常值，用戶便可采取一些措施進(jìn)行應(yīng)對，減少自然災(zāi)害帶來的影響。

3）對土壤、溫度、水分及其水位進(jìn)行檢測，確保灌溉的合理性，減少水源浪費(fèi)，避免大量進(jìn)行灌溉引發(fā)土壤養(yǎng)分流失。

4）對pH值、溶氧、氮磷鉀等信息進(jìn)行檢測。這樣做是為了對土壤養(yǎng)分情況進(jìn)行系統(tǒng)檢測，對水田施肥進(jìn)行科學(xué)指導(dǎo)，增加其產(chǎn)量，以免由于施肥過量，導(dǎo)致環(huán)境出現(xiàn)問題。

3.1.2 作物生長區(qū)域視頻監(jiān)控

合理安裝攝像機(jī)，借助同軸視頻電纜向主機(jī)傳輸監(jiān)控圖像，實(shí)時(shí)獲取植物生長情況信息。這樣，監(jiān)控中心通過互聯(lián)網(wǎng)就可對作物實(shí)際生長情況進(jìn)行全面了解，并有針對性地開展病蟲害防治，同時(shí)監(jiān)控園區(qū)大棚，如圖2所示。

圖2 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)模擬圖

3.2 報(bào)警系統(tǒng)

主要是將各個(gè)傳感器在主機(jī)系統(tǒng)上進(jìn)行相應(yīng)的范圍設(shè)定，如地面、水源、地下及地下水等信息數(shù)據(jù)超出設(shè)定范圍之后，系統(tǒng)便可通過彈出主機(jī)界面或者手機(jī)短信的形式警告用戶，用戶借助視頻監(jiān)控設(shè)備對農(nóng)作物情況進(jìn)行監(jiān)控，并采取有效的措施進(jìn)行應(yīng)對。

3.3 智能控制

田間農(nóng)作物生長情況數(shù)據(jù)傳回智能控制中心并進(jìn)行分析之后，便可通過系統(tǒng)對灌溉設(shè)備接下來的動(dòng)作進(jìn)行控制。

3.4 軟件平臺(tái)

軟件端可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程查看相關(guān)數(shù)據(jù)，開展自動(dòng)化控制，還具有強(qiáng)大的預(yù)警功能。

4 重要作用

農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)有利于節(jié)水節(jié)肥，能定時(shí)定量對農(nóng)作物進(jìn)行灌溉施肥工作，增加農(nóng)作物產(chǎn)量與品質(zhì)，減少時(shí)間和人力的投入，科學(xué)控制溫濕度，對于后續(xù)生產(chǎn)種植具有非常重要的促進(jìn)作用[4]。

5 成本效益分析

一直以來，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，推廣應(yīng)用水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)速度相對緩慢，這是由于廣大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者以及參與者在計(jì)算成本以及效益時(shí)，只看重短期效益，或者沒有對成本收益進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析，相關(guān)設(shè)備以及服務(wù)成本表面上來看很高。因此，廣大農(nóng)戶以及小型的農(nóng)場經(jīng)營者，很難投入成本引入水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)，或者不愿意投入[5]。然而，水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際提供的新型生產(chǎn)方式，可以在不改變成本的同時(shí)，對更多的土地進(jìn)行經(jīng)營管理。美國相關(guān)專家指出，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)，可以大幅減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中的費(fèi)用投入，每畝能夠節(jié)約15美元左右，而且將該系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際還能使化肥應(yīng)用量減少10%左右[6]。

6 結(jié)語

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中推廣應(yīng)用水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)，與國家倡導(dǎo)的節(jié)水型農(nóng)業(yè)發(fā)展以及智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展理念相符，有利于推動(dòng)農(nóng)業(yè)規(guī)模化經(jīng)營。從技術(shù)層面分析，目前水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到智能化操控的效果。從經(jīng)濟(jì)層面分析，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中推廣應(yīng)用水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)，有利于控制和減少人力以及農(nóng)資成本方面的投入，還能使水肥利用率進(jìn)一步提高，促進(jìn)生產(chǎn)效率提升。另外，其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中的自然災(zāi)害帶來的影響具有很好的制約作用，增進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益，有利于綠色農(nóng)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。特別是對于四川省復(fù)雜的農(nóng)業(yè)自然條件，大力推廣應(yīng)用水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)，可以有效緩解當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中水資源地理時(shí)空分布不均的問題，促進(jìn)水資源的科學(xué)開發(fā)和利用，提高肥效，減少肥料應(yīng)用量，有效應(yīng)對日益惡化的種植環(huán)境問題。因此，四川省在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際當(dāng)中應(yīng)大力推廣和應(yīng)用水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)，普及科學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、規(guī)模化發(fā)展，打造智慧農(nóng)業(yè)，為農(nóng)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。