單棟溫室的小型智能水肥一體化系統實踐

張傳帥，徐嵐俊，李小龍，陳 華，劉悻韜，孫夢遙

（北京市農業機械試驗鑒定推廣站，北京 100079)

據統計，目前北京市設施農業園區中配套使用水溶肥的園區比例達到100%，但應用智能化、自動化水平較高的灌溉施肥設備的種植面積不足10%，仍主要采用不帶動力或者僅配吸肥泵的各類簡易文丘里吸肥器；另外，超過95%的園區仍依靠個人經驗施肥。

目前，國內針對溫室智能水肥一體化技術裝備的研發和應用越來越廣泛，市場上涌現出各種各樣的智能灌溉施肥設備，為設施園區提供了更多選擇。例如，岳煥芳等針對北京派得偉業科技發展有限公司生產的基于土壤濕度和回液電導率的智能灌溉施肥設備和北京紫藤連線科技有限公司生產的基于光輻射的智能灌溉施肥設備，進行了溫室番茄種植試驗；趙倩等設計開發的單棟溫室水肥一體化控制系統可基于土壤濕度和環境因子進行智能化灌溉施肥；李友麗等設計開發的智能水肥一體化系統具有有機肥液制備、肥料配比和自動灌溉功能，實現了有機栽培的營養液制備和控制管理一體化；以上智能灌溉施肥系統的設計和相關試驗均證明了智能灌溉施肥系統優于傳統管理方式；但是，由于諸多原因導致大型智能灌溉施肥設備推廣應用困難，其中包括：（1）京郊設施園區工人老齡化問題嚴重，年齡超過50歲的占比78.3%，并且文化水平低，以初中及以下學歷為主，無法滿足智能灌溉施肥設備操控要求；（2）大型智能灌溉施肥設備前期投入成本較高，經濟效益回報較慢，園區負責人不愿意投入；（3）大部分設施園區蔬菜種植品種繁多，不同溫室灌溉施肥需求不同，而且普遍采用每個工人全權負責1棟或2棟溫室的模式，園區未設置統一水肥管理人員。

北京市農業機械試驗鑒定推廣站針對京郊單棟溫室對灌溉施肥的智能化需求，設計了基于ACC5型施肥機的小型智能水肥一體化系統，具有操控高效簡便、前期經濟投入小等特點，可以與大型智能灌溉施肥系統優勢互補，有助于推動京郊灌溉施肥整體機械化水平。

1 小型智能水肥一體化系統的優勢

1.1 前期投入成本低，經濟效益提升

與大型水肥一體化系統相比，小型智能水肥一體化系統不需要配套建設儲水池、設施管理水肥管理室等設施，不用在溫室間鋪設管道，前期經濟投入較小；與簡易文丘里吸肥器相比，可以為園區節省灌溉施肥環節人工成本，從而提升經濟效益。

1.2 系統操作簡便，功能完善

小型智能水肥一體化系統由于配套控制主機，具有較高自動化水平，改變了傳統水肥管理勞作方式，不再需要頻繁攪拌、查看，操作簡單易學，適用老齡工人；可以大幅提高勞動生產率、顯著降低勞動強度；操作環境干凈整潔；園區綜合認可度較高。

1.3 實現灌溉施肥精準管理，生態效益突出

北京市設施農業肥料使用超標率超過72%，而過量施肥會造成表層土壤養分累積、土壤酸化，引起土壤質量退化。小型智能水肥一體化系統可按照設定，實現精準灌溉施肥，減少了過量灌溉、肥料遺撒，具有一定的生態效益，并且通過管理過程中的數據積累，有助于進一步優化灌溉施肥策略。

2 小型智能水肥一體化系統設計

小型智能水肥一體化系統，包括施肥機主機、配肥桶、灌溉電磁閥及溫室內支管道、滴灌帶，最多可控制4路電磁閥，即可控制4個區域分別灌溉（圖1）。施肥機主機型號為ACC5，由天津綠視野節能設備股份有限公司生產。

圖1 施肥機架構

2.1 水源供給

水源供給方面，園區內設有水井，水井通過水泵為園區提供灌溉用水。

2.2 施肥機主機

施肥機主機相對大型水肥一體化系統體積較小，規格尺寸僅為58 cm×23 cm×95 cm，可放置于溫室內部。施肥機內部主要包括灌溉水泵、調壓安全閥、水泵出水壓力表、吸肥器裝置、排氣閥、灌溉壓力表、施肥電磁閥、施肥機主板、操作屏等。

施肥機灌溉水泵額定功率為1.1 kW，可為灌溉增壓4 m/h，在進水流量0～2 m/h的情況下，可提供最大灌溉水流量4～6 m/h。調壓安全閥用于調節水泵輸出的水壓，節流閥用于調節吸肥量和出口水壓，最大吸肥比例為1∶10，在灌溉水流量為6 m/h的情況下，單通道施肥流量最大為600 L/h，即0.6 m/h。

2.3 配肥桶

配肥桶容積為300 L，進水口位于配肥桶頂部，通過配肥桶進水手動閥控制進水，出水口位于配肥桶側底部，且出水口處配置了小型疊片過濾器。水溶性肥料經過投肥口倒入，在注水時，水流沖擊可以促進水溶肥快速溶解，配肥桶底部設置有排污口，可以定期將配肥桶內雜質排出去。配肥桶側部設置有液位指示管，用于查看水位情況。在施肥量最大的情況下，即按照單通道施肥最大流量600 L/h，配肥桶最多可施肥30 min。

2.4 操作界面及功能

操作界面采用9.7英寸觸摸屏，主頁用來顯示閥門、運行狀態、控制指令等狀態信息；手動控制用來進行手動控制閥門、水泵、施肥；參數設置用來設置定時時間；功能自動用來實現自動、手動切換；設備操作簡單，旋鈕操作可設置10、20、30、40、50、60 min灌溉時間段；屏幕操作可實現分區灌溉、灌溉時間段設置、灌溉水肥開關設置和數據查詢等功能。

3 系統操作方法及注意事項

第一，首次使用前，需設置調整灌溉水壓和水肥比例。在開啟灌溉后，旋轉調壓安全閥，用于調節水泵輸出水壓，節流閥用于調節吸肥量和出口灌溉水壓，灌溉水壓由低向高調整，直到溫室最遠處滴灌帶出水壓滿足要求并穩定后停止調整，最大水肥比例為1∶10，再根據水肥比例，確定配肥桶水位高度，從而調整每次施肥時長。首次設置后，在種植作物不變、灌溉面積不變的情況下，無需再次設置灌溉水壓和水肥比例。

第二，配制肥液。將水溶肥從配肥桶頂部倒入，并手動旋轉進水手動閥，進水口在桶頂部，水流可促使水溶肥溶解，水量達到需求刻度后，關閉進水手動閥。

第三，啟動灌溉施肥。首先設定灌溉時長，可通過旋鈕或者主機操作界面按鍵進行設置。啟動灌溉水泵并運行穩定后，根據施肥要求，擇機啟動施肥電磁閥，在僅灌溉情況下，無需開啟施肥電磁閥。

第四，停止灌溉施肥。在啟動灌溉施肥后，要及時巡視溫室內滴灌帶出水情況。在遇到緊急情況時，可按設備緊急停止按鈕。在達到設定灌溉時間后，設備會自動停止灌溉，也可以根據需要提前手動停止灌溉。

第五，各手動閥需要漸開漸關，以防止水錘對輸水系統的破壞。調壓安全閥、節流電磁閥分別對灌溉水壓和肥水比例調整設定好后，需要定期查看是否存在異常。

4 經濟效益分析

本文設計的溫室小型智能水肥一體化系統于2020年8月底—2021年6月初在平谷區博云益達設施農業園區22號溫室中進行了草莓種植生產應用。與該園區其他溫室采用的簡易文丘里吸肥器相比，除了降低了勞動強度、減少了肥料浪費、實現了水肥精準調控和工作環境干凈等優勢外，主要通過提高灌溉施肥環節勞動生產效率，降低勞動成本，提高經濟效益。

在溫室小型智能水肥一體化系統應用后，按照該園區草莓種植期內灌溉39次，其中灌溉施肥21次的情況計算，每棟溫室灌溉施肥環節每年節省勞動成本425元，在配套農機購置補貼的情況下，扣除每年增加的設備投入成本325元后，仍可節省成本100元，即灌溉施肥環節降低成本12.0%。未來，通過積累灌溉施肥大數據，優化灌溉施肥策略，可進一步提高經濟效益。