大型智能水肥一體化系統在設施草莓種植中的應用

張傳帥，徐嵐俊，李小龍，王尚君，陳 華，劉婞韜，孫夢遙，武 昌

(1.北京市農業機械試驗鑒定推廣站，北京 100079； 2.北京市昌平區農業機械化技術推廣站，北京 102299)

0 引言

水肥管理是日光溫室蔬菜種植中的重要環節，直接影響著作物各階段生長狀態[1-2]。研究表明，精準的水肥管理可以提高作物品質和作物產量，日光溫室蔬菜的水肥管理農藝要求也越來越精細。目前日光溫室水肥管理普遍依靠傳統文丘里吸肥器和手動操作，難以實現水肥管理的自動化控制和數據積累，配套智能水肥一體化管理系統的比例較小[3-4]。北京市設施農業園區從業者老齡化嚴重，50歲以上占比78.3%，灌溉施肥量主要靠經驗確定，占比95%以上，水肥管理粗放[5]。目前，亟需推動智能水肥一體化管理系統的普及，提高日光溫室農機智能裝備水平，降低勞動強度，提質增效，實現精準農業。

目前，國內外在智能設施水肥管理技術領域的研究和應用已經比較廣泛和深入，市場上也涌現出較多相關設備。趙倩等[6]開發了具有自動和半自動灌溉模式的單體日光溫室水肥一體化控制系統，在自動灌溉模式下，可基于土壤濕度和環境因子啟動灌溉施肥設備，并設定灌溉量和肥液濃度，實現智能化灌溉模式。李友麗等[7]開發了有機栽培水肥一體化系統，集成了有機肥液制備、肥料配比和自動灌溉功能，通過發酵系統、控制系統和灌溉系統3個子系統實現了有機栽培的營養液制備和管理的一體化。岳煥芳等[8]對北京派得偉業公司研發的基于土壤水分和回液電導率的灌溉施肥系統和北京市紫藤連線科技有限公司研發的基于光輻射的灌溉施肥系統進行了番茄溫室種植試驗，結果表明，在兩套系統管理下，番茄的長勢和產量均優于傳統管理方式，智能化灌溉施肥管理具有較好的應用前景。袁洪波等[9]和李莉等[10]采用中國農業大學研發的CAUA-12型水肥一體化灌溉系統，開展了番茄、草莓等作物的試驗，采用灌溉水循環、智能化灌溉等手段，水分利用效率顯著提升。江新蘭等[11]設計的水肥一體化云灌溉系統，引進兩線解碼技術和云計算技術，實現了不同區域環境信息的實時采集，科學計算作物水肥需求和設計灌溉施肥制度，實現了水肥的智能控制。此外，還有眾多機構和企業開發了多種形式的智能溫室灌溉施肥系統，針對不同蔬菜開展了試驗和應用[12]。廣大科研機構和企業的參與，促進了智能水肥一體化系統的研發，為農業種植園區提供了更多的選擇，也為該技術的普及奠定了基礎。

結合設施園區現狀，利用課題組設計的智能水肥一體化系統，本文開展草莓種植試驗，旨在探索該系統在灌溉施肥操作、作物產量、灌溉施肥環節勞動效率及勞動強度、經濟效益、故障率及適用性等方面性能指標，最后通過研究分析和總結，為設施農業智能化灌溉施肥技術的推廣和發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗條件及材料

試驗地點為北京市昌平區萬德草莓園設施農業園區，園區建有23棟日光溫室，位于北緯40°18′，東經116°36′，年平均氣溫11.8 ℃，冬季最低氣溫可達-10 ℃。

智能水肥一體化系統包括水源供給、執行及監測、配肥及控制、溫室內調節控制等硬件機構，以及現場操作平臺軟件和手機APP軟件。系統中的水肥控制主機為天津綠視野公司生產，型號AX150，系統覆蓋23棟日光溫室，單棟溫室長65 m，寬8 m，面積520 m2。種植品種均為草莓，東西向種植，土壤栽培。

1.2 試驗設計及種植管理

水肥及產量數據采用1號溫室數據。1號試驗溫室草莓品種為白雪公主，壟距0.8 m，株距15 cm，種植密度為70 500株/hm2。草莓為2019年8月30日定植，2020年5月20日拉秧，生長期265 d。

以2019—2020年度應用智能水肥一體化管理系統的園區越冬草莓為試驗組，以2018—2019年度應用傳統文丘里吸肥器的園區越冬草莓為對照組。由于傳統管理方式無法記錄數據，無法獲取歷年水肥管理數據，因此安裝設備后的第一茬草莓未進行水肥施用量和次數優化。管理人員與往年相同，灌溉施肥次數、每次灌溉用水量和施肥量均按照往年經驗。

2 結果與分析

2.1 灌溉施肥對比

試驗溫室草莓種植生長期內累計灌溉48次，灌溉用水量110.4 m3，平均每次灌溉量2.3 m3，1 kg草莓需要灌溉水85.4 L，水分利用效率0.011 7 kg/L。生長期內灌溉施肥次數及用量如表1所示，其中日期為1—5月的灌溉與施肥發生在2020年度，9—12月的灌溉與施肥發生在2019年度。

種植中使用的肥料均為水溶肥，以圣誕樹水溶肥、氨基酸微量元素水溶肥、氨基酸水溶肥、大量元素水溶性肥料為主，主要成分為N、P、K復合肥，配比有差別，差異在于摻有不同的大量元素、微量元素、氨基酸，并少量施用EM益生菌。根據園區傳統經驗，自行配麻渣餅浸泡液，其施用量較少。

表1中施肥量僅統計用量較大的水溶肥。累計施肥27次，共計68 kg，每1 kg草莓平均施用水溶肥52.6 g。

表1 生長期內灌溉施肥次數及用量Tab.1 Times and amount of irrigation and fertilization in growth period

采用傳統文丘里吸肥器時，每次灌溉量難以精確計量，存在因遺忘導致灌溉量過大現象；施肥時，操作人員先將水溶肥攪拌溶解后倒入文丘里吸肥器肥料桶內，易出現肥料遺撒現象，因其偶然性，無法定量測算遺撒量，根據操作人員的經驗，估算肥料浪費率應在5%以上。應用智能水肥一體化技術后，灌溉量可精確控制，并杜絕了肥料遺撒浪費。

2.2 產量對比

2018—2019年度，1號溫室草莓產量為1 344 kg，種植面積520 m2，單產為25 846 kg/m2。2019—2020年度該溫室產量為1 293 kg，但由于1號溫室內耳房一側硬化區放置設備占用了28 m2，實際試驗種植區域為492 m2，單產為26 280 kg/m2。對比上述數據，該園區增產434 kg/m2，增產幅度為1.7%。

由于管理人員、管理方式、水肥施用時間間隔和施用量均無較大改變，產量自然沒有較大變化。但是，使用智能水肥一體化管理系統后，肥料均勻性有所提升，可以保證灌溉時間都集中在上午，智能水肥一體化管理系統增加了灌溉水壓，提升了溫室內不同區域的灌溉均勻性，這些因素對溫室草莓產量都有提升作用。

2.3 灌溉施肥環節勞動效率及勞動強度對比

針對設施園區23棟日光溫室，分別對比使用智能水肥一體化系統和傳統文丘里吸肥器在灌溉施肥環節的勞動效率。傳統文丘里吸肥器的勞動效率采用園區未安裝智能水肥一體化系統的其他溫室數據，沒有動力增壓，均由專人負責全園區灌溉施肥。

(1)按傳統方式灌溉及施肥時，工人每次同時進行兩棟溫室灌溉施肥，需要人工提前完成配肥等準備工作，包括稱量、攪拌和向肥料桶倒入肥料，每兩棟溫室配肥耗時19 min，中途需要不斷查看文丘里吸肥器及肥料桶中肥料情況，通過現場作業測算，每兩棟溫室灌溉時長平均耗時25 min；文丘里吸肥器吸肥壓力較小，中途需要打開肥桶桶蓋多次查看水溶肥施用情況，并進行攪拌，需要現場往返查看。完成23棟溫室的灌溉施肥大約需要工人實際勞動420 min。

(2)在應用小型智能水肥一體化設備后，灌溉壓力增加，每次可同時灌溉4棟溫室，通過一次性設置輪灌模式，可完成全園區自動化灌溉施肥，設備開啟后，可自動輪灌，每次總耗時30 min，工人在水肥設備管理泵房統一配置肥料，并進行中途巡視查看。23棟溫室配肥耗時19 min，完成23棟溫室輪灌大約需要工人實際勞動49 min。

(3)在僅灌溉工況下，完成23棟溫室的灌溉，采用傳統文丘里方式耗時大約為300 min，采用智能水肥一體化設備耗時為30 min。

綜上，按照該園區同時灌溉施肥27次，單獨灌溉21次的實際情況計算，在灌溉施肥環節，采用傳統文丘里吸肥器，園區每棟溫室總耗時342.6 h；采用智能水肥一體化技術，園區每棟溫室總耗時28.5 h。對比兩種技術，智能水肥一體化技術的灌溉施肥勞動效率提升了12倍；勞動強度明顯降低，不僅減少了人員操作，也相應減少了這些操作對草莓生長環境的干擾。

2.4 適用性

從降低勞動強度、設備故障率、園區認可度等方面綜合評價智能水肥一體化系統的適用性。在一茬越冬草莓的種植試驗中，智能水肥一體化系統灌溉施肥48次，未發生過設備故障，系統性能良好。操作人員反饋，應用智能水肥一體化系統后，系統輪灌模式設計合理，灌溉操作自動化水平高、操作方便，定時灌溉施肥功能實用性強；不再需要頻繁攪拌肥料、查看肥料溶解情況，減少了費時費力的勞動；新設備操作干凈整潔，勞動強度降低，相對傳統臟亂差的操作環境，年輕人認可度較高。綜合園區反饋及應用表現證明，該設備適用性較好。

2.5 經濟效益

灌溉施肥系統成本中，系統設備成本(包括執行及監測機構、配肥、控制機構及安裝費用)成本為3.0萬元。每棟溫室電磁閥、真空破壞閥等成本為500元。按照系統配套標準，溫室管道需要重新施工鋪設，溫室管道及施工成本為每棟2 500元，若園區原鋪設管道符合要求，可省去該費用。安裝灌溉施肥系統可享受農機補貼1.5萬元。綜上，該系統前期總投入成本為8.4萬元。系統的年維修維護費用按照系統總投入1%計，每年840元。根據設備功率和運行時間估算，每年電量預計1 180 kW·h，電費價格0.5元/(kW·h)，電費為590元。按照使用壽命10年，忽略殘值，則每年系統費用估算為8 543元。

采用傳統的文丘里吸肥器，每棟溫室配套成本為200元，溫室管道及施工鋪設成本為2 500元，按照使用壽命15年估算，忽略殘值，則每年園區平均費用為4 140元。

綜上，在灌溉設備硬件投入方面，智能水肥一體化管理系統相對傳統的文丘里吸肥器投入增加4 403元。

在灌溉施肥環節節省人工方面，按照工人每天工作8 h計算，應用智能水肥一體化系統后，節省人工39.2 d。按照該園區平均每月人工工資3 425元的標準，每年可節省人工費用4 400元。

在草莓增產效益方面，按照增產434 kg/m2，按照該地域草莓售價60元/kg估算(以下同)，該園區銷售收入增加31 071元。

在計算灌溉施肥系統成本、人工成本和增產效益的情況下，應用智能水肥一體化系統后，該園區每年可提高經濟效益31 067元，折算為26 037元/hm2。

3 結束語

與傳統日光溫室使用的文丘里吸肥器相比，智能水肥一體化管理系統可改變灌溉施肥管理方式，表現出如下特點。

(1)提高勞動生產率。試驗結果表明，在園區灌溉施肥環節，勞動生產率可提高12倍，勞動生產率和勞動舒適度均顯著提升。

(2)提高資源利用率。傳統管理方式依靠操作人員的經驗，受人員影響較大，不同溫室間的管理差異大。智能水肥一體化管理系統可將勞動人員積累的豐富經驗轉化為數字化設置，實現水肥的精準定量供給，為實現智能化灌溉施肥管理策略提供技術支撐。針對草莓、番茄等作物的試驗表明，通過水肥耦合對比試驗，可不斷優化水肥管理方式，減少不必要的水肥施用，提高水資源、肥料的利用效率，最終實現節水、節肥[2，3，8，12]。

(3)提高土地產出率。智能水肥一體化管理系統可實現水肥精準調控和管理方式的不斷優化，實現水肥按需精準施用，防止發生水肥施用時多時少的情況，從而保障和提高作物的產量與品質。

(4)提高經濟效益。智能水肥一體化管理系統前期經濟投入較大，但在經營較好的規模化農業園區中，在計算灌溉施肥系統成本、人工成本和增產效益的情況下，應用智能水肥一體化系統后，該園區每年可提高經濟效益26 037 元/hm2。與起壟、移栽等環節人工成本相比，智能系統成本投入占比并不高。而且，系統應用后，水肥管理人工費用、水溶肥費用會降低，作物產量和品質會提高，從而帶動銷售收入提升。整體而言，園區經濟效益會有提升，并有助于園區向高端品牌發展。

(5)提高生態效益。目前，北京市設施農業灌溉主要采用地下水，暫不收取費用，灌溉精準調控有助于減少地下水使用量，也會降低溫室濕度，從而減少部分病蟲害的發生及農藥施用量。此外，智能水肥一體化管理系統是實現基質栽培、工廠化生產等高端農業生產形式的必要設備，未來將會實現廢液回收處理、灌溉水循環利用，從而杜絕肥料及農藥污染土壤和地下水。

目前，智能水肥一體化管理系統發展仍存在設備成本高、設備水平參差不齊、適用性有待提升等問題，導致應用比例不高。隨著勞動力短缺嚴重、農機補貼政策的完善、技術設備水平逐步提升，智能水肥一體化系統的應用普及將逐步加快。