贛南臍橙水肥管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

歐陽愛國，李 雄，張 偉，吳至境，胡 軍，歐陽玉平

(華東交通大學 機電與車輛工程學院，江西 南昌 330013)

贛南臍橙水肥管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

歐陽愛國，李 雄，張 偉，吳至境，胡 軍，歐陽玉平

(華東交通大學 機電與車輛工程學院，江西 南昌 330013)

針對贛南地區(qū)地形復雜、臍橙種植時水肥資源浪費嚴重、管理成本上升等問題，試驗區(qū)建立了一套水肥管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括氣候站、服務器、水肥機、變頻器、水泵、控制箱、噴滴灌頭等設備。該水肥系統(tǒng)通過ASE中央控制器控制噴頭達到果樹防霜凍的目的；利用控制箱和控制軟件控制水肥機的電磁閥為果樹滴灌施肥；物聯(lián)網(wǎng)綜合管理平臺可遠程控制果樹滴灌和噴灌；氣象站數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜胤掌鳎瑸楣麡鋰姽嗵峁┮罁?jù)；基于近紅外光譜技術進行果園肥力快速評估得出土壤養(yǎng)分特征統(tǒng)計值，反距離權重插值法對數(shù)據(jù)進行空間插值分析形成土壤對氮、磷、鉀養(yǎng)分需求圖，從而制定科學的施肥方案，根據(jù)方案利用水肥系統(tǒng)具體施肥。2013、2014、2015年應用了水肥管理系統(tǒng)的臍橙較2012年未使用水肥管理系統(tǒng)的臍橙共計增加產(chǎn)值17.01萬元/hm2。

贛南臍橙； 水肥管理系統(tǒng)； 噴灌防凍； 施肥方案

贛南臍橙在江西省贛州市種植面積達11萬hm2，年產(chǎn)量在110萬t左右，居世界第3，亞洲第1，每年9—12月向世界各地供應[1]，供應產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展了幾十年，取得了一定成就并贏得了消費者一致好評[2]。但是傳統(tǒng)臍橙種植都是靠經(jīng)驗定性地估計各種環(huán)境因子，無法對生產(chǎn)過程中各種環(huán)境因子進行精確測量[3]，長期大面積的人工施肥、灌溉導致農(nóng)業(yè)用水肥資源浪費嚴重、土地結塊，且贛南臍橙產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)管理成本不斷上升，產(chǎn)業(yè)經(jīng)營遭遇發(fā)展瓶頸，從而阻礙了臍橙產(chǎn)業(yè)做大做強。黨的十八大會議提出“促進工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化同步發(fā)展”，農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新的方向和迫切需求[4-5]，如何高效地利用水、肥資源是果農(nóng)和科技工作人員一直思考的問題。

近年來，水肥一體化技術得到了較為廣泛的運用，尤其是在以色列、西班牙和印度尼西亞等國家。國內水肥系統(tǒng)的運用效果也較為顯著[6-9]，如水肥一體化施肥對草莓產(chǎn)量的影響、水肥一體化技術在馬鈴薯栽培中的運用、水肥一體化技術在溫室番茄上的應用等。贛南臍橙水肥管理系統(tǒng)是華東交通大學與北京農(nóng)業(yè)信息技術研究中心在2013年以贛州市的贛南臍橙為研究對象聯(lián)合開發(fā)的，該系統(tǒng)將遠程自動控制技術、高效節(jié)水灌溉技術、無線網(wǎng)通信技術、精準施肥技術以及遠程管理技術相結合[10-11]，目的是減少水肥資源的投入，增加臍橙產(chǎn)量。

1 系統(tǒng)硬件結構及功能

水肥管理系統(tǒng)主管路采用?75PVC管，滴灌干管采用?40PE管，微噴干管采用?50PVC管，滴灌支管采用?16PE管，微噴支管是?20PVC管。設計工作壓力為0.6 Mpa，12路閥門中滴灌控制閥8個,噴灌電磁閥4個，56路交流電磁閥控制16路電流/電壓輸入通道和16路雙脈沖水表輸入通道。

圖1 贛南臍橙水肥管理系統(tǒng)原理圖

水肥管理系統(tǒng)中的施肥系統(tǒng)采用手動和自動雙控制系統(tǒng)，在規(guī)定時間內根據(jù)施肥需求實現(xiàn)多種肥料按比例配制溶解在水中，再通過一組文丘里氏施肥器直接、準確地將肥料液注入到灌溉系統(tǒng)中[14]，為臍橙樹精準、精確地施肥灌溉[15-16]。

施肥系統(tǒng)采用加壓泵后置式工作原理：A、B、C肥料桶中分別裝有氮肥、磷肥、鉀肥，通過吸肥泵吸入施肥機相應的支管道，a、b、c支管道的電磁閥由軟件控制，施肥機的氮、磷、鉀肥被送出后與主管道的灌溉用水混合，流入田間對果樹進行灌溉。在混合管的出水口裝有EC值傳感器和pH值傳感器，實時監(jiān)測水肥混合液的EC值和pH值，數(shù)據(jù)反饋回服務器，服務器智能地做出判斷水肥液的濃度是否滿足要求，不滿足要求時自動控制施肥機的電磁閥對吸肥量進行調整?？刂葡到y(tǒng)由以下幾個部分組成：控制柜，其中包括手動控制面板和設備接線端子；觸控平板電腦，電腦已安裝自動控制軟件；吸肥泵，將不同種類的肥料吸入施肥機；施肥機的支路電磁閥，控制肥料的濃度；轉子流量計，用來實時監(jiān)測流入大田的混合液體積；混合管路，它將配好的液態(tài)肥和灌溉水進行混合；EC值傳感器和pH值傳感器，實時監(jiān)測混合液的EC值和pH值。該控制系統(tǒng)控制的施肥機具有施肥均勻、速度快等特點，每小時施溶解的尿素可達1 300 kg。另外，在觸控平板電腦的控制下，施肥機吸肥的濃度可根據(jù)監(jiān)測到的EC值和pH值做出調整，由于施肥機具有5條裝有電磁閥的支路，所以能進行多種肥料的配比工作。

贛南臍橙水肥管理系統(tǒng)的運用取代了傳統(tǒng)的開淺挖穴溝的施肥方式，實現(xiàn)了澆水和施肥同時進行，保證了作物生長不同階段養(yǎng)分需求，有效地解決了水肥資源浪費、勞動力成本高、環(huán)境污染等問題，具有良好的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益[17]。

2 軟件控制模塊

施肥機的滴灌功能由控制軟件進行控制，軟件可以控制各閥門的開啟與關閉、對傳感器報警閾值進行設置、實時監(jiān)控傳感器數(shù)據(jù)、對設備反饋信號進行配置、對EC值和pH值的閾值進行設定、設置灌溉施肥規(guī)則，系統(tǒng)根據(jù)規(guī)則自動對各灌區(qū)按時進行灌溉施肥[18]。

控制軟件主界面如圖2所示：主界面包括4個部分，第1部分是控制室，用于對原料罐進行監(jiān)控；第2部分是設置，用于對灌溉條件參數(shù)進行設置，以進行自動灌溉施肥；第3部分是田間，用于對灌溉區(qū)域管道灌溉情況進行監(jiān)控；第4部分是登錄，用于管理人員進入系統(tǒng)。

圖2 控制軟件主界面

果樹的噴灌防凍由ASE中央灌溉控制器來實現(xiàn)，ASE中央灌溉控制器是一款可編程中央灌溉控制器，它性能穩(wěn)定可靠，具有真彩觸摸人機界面，操作簡單、配置靈活，采集和控制模塊可以相互替換，取代了傳統(tǒng)計算機的控制方法?？刂破鲀群送鈬怆姼綦x，保證主板運行穩(wěn)定。圖3是控制器的觸摸屏主界面，

主界面包括實時監(jiān)控、灌溉設置、歷史記錄、擴展設備、參數(shù)設置等模塊，需要對某個區(qū)域的果樹進行灌溉，則進入實時監(jiān)控界面，點擊相應區(qū)域的開關按紐，灌溉時間則是通過灌溉設置模塊進行控制。

通過外網(wǎng)登入物聯(lián)網(wǎng)綜合管理平臺可遠程控制果樹滴灌和噴灌。千里山柑橘物聯(lián)網(wǎng)綜合管理平臺(圖4)是贛南臍橙水肥管理系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)平臺，主要具有實時監(jiān)測、智能灌溉、測土配方施肥、智能防霜凍、生產(chǎn)管理、歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理等功能。實時監(jiān)測模塊通過氣象站將空氣、土壤、葉片溫濕度情況實時顯示，可以直觀地觀看控制器、施肥機的運轉情況。智能灌溉分為智能控制和手動控制2種模式，若使用智能控制模式，則系統(tǒng)自動根據(jù)監(jiān)測到的作物缺水和需水情況[19]決策灌溉的時間和灌溉的水量，并自動通知灌溉控制器執(zhí)行灌溉操作，灌溉的決策和執(zhí)行都由系統(tǒng)和設備自動完成，用戶無需操作。若使用手動控制模式，用戶根據(jù)決定灌水的時刻，自行通過開啟和關閉灌溉閥門，手動完成灌溉。測土配方施肥對應測土、配方、施肥3個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。生產(chǎn)管理是管理人員對施肥、用藥、灌溉、剪枝、疏花與疏果記錄操作時間和用量。

圖3 觸摸屏主界面

圖4 物聯(lián)網(wǎng)綜合管理平臺

3 系統(tǒng)的運行驗證

在臍橙園試驗區(qū)采集土層深度分別為30 cm、60 cm和90 cm的土壤，通過肥力在線分析，配置計算肥力分級參數(shù)，在線計算土壤肥力插值和肥力分

級[20-21]，得到果園土壤中氮、磷、鉀在30 cm、60 cm、90 cm和30～60 cm土壤分層中的施肥需求?；诮t外光譜技術，測定了土壤化學養(yǎng)分含量，對果園肥力進行快速評估[22]，表1是土壤深度為30 cm的養(yǎng)分分布特征統(tǒng)計結果。

表1 30 cm深度土壤養(yǎng)分分布特征的統(tǒng)計結果

贛南臍橙水肥管理系統(tǒng)利用反距離權重插值方法對測得的江西省千里山柑橘基地土壤數(shù)據(jù)進行空間插值分析，得到近6萬個數(shù)據(jù)點，形成土壤氮元素需求圖(圖5)。氮的分布記錄在地圖上呈現(xiàn)不同的效果，顏色紅—黃—綠分別表示氮元素需求量最大—中等—最小。重復步驟可以計算出磷、鉀元素的需求圖。根據(jù)氮元素的需求圖，利用贛南臍橙水肥管理系統(tǒng)進行施肥，紅色區(qū)域表示施氮肥最多，而綠色區(qū)域則表示施氮肥最少。

圖5 江西省千里山柑橘基地氮元素需求量

利用系統(tǒng)灌溉施肥時先滴灌清水，5 min后再施用水溶肥，施肥結束之后繼續(xù)滴灌30 min的清水，防止管道滋生青苔、藻類，既保證了肥料被良好吸收，又保證了管道暢通。夏季高溫澆灌的次數(shù)相對頻繁，每次澆灌在10：00前和16：00之后，避免午時高溫施肥。施肥由果園技術管理者下達施肥任務，相關人員配合執(zhí)行，記錄各地塊的具體施肥情況，便于后續(xù)養(yǎng)護任務的制定以及經(jīng)驗的積累傳承，圖6是按照要求記錄的施肥過程。

圖6 施肥任務統(tǒng)計情況

針對試驗區(qū)的果樹，應用贛南臍橙水肥管理系統(tǒng)開展了水肥一體化灌溉及配套變量分塊施肥。據(jù)統(tǒng)計，在試驗區(qū)，2013、2014、2015年臍橙產(chǎn)量較2012年(未使用該系統(tǒng))分別增加4 533.3、5 100.0、5 666.7 kg/hm2，共計增加產(chǎn)值17.01萬元/hm2，證明該系統(tǒng)非常適合果樹的精準施肥。

4 結論

贛南臍橙水肥管理系統(tǒng)的運用可以提高肥料利用率、保證土壤養(yǎng)分均衡、節(jié)約人工成本、減少資金投入、節(jié)省勞動時間、增加收益，還能減輕化肥對土壤的負效應。該水肥管理系統(tǒng)尚有許多需要不斷完善的地方，還需結合臍橙的實際情況對該水肥系統(tǒng)噴灌防凍裝置進行最少1個周期(12個月)的試驗對比，最大限度地發(fā)揮出該系統(tǒng)的價值。

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Design and Implementation of Gannan Navel Orange Water and Fertilizer Management System

OUYANG Aiguo，LI Xiong，ZHANG Wei，WU Zhijing，HU Jun,OUYANG Yuping

(School of Mechanotronics and Vehicle Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

Aiming at the problems of complex terrain in Gannan area,serious waste of water and fertilizer resources during the cultivation of navel orange and rising management costs,a set of water and fertilizer management system is established in the experimental area.The system includes climate station,server,water fertilizer machine,frequency converter,water pump,control box,drip and sprinkler head and so on.The water and fertilizer system could control the nozzle to achieve the purpose of preventing frost through the ASE central controller.It uses control boxes and control software to control the water fertilizer machine solenoid valve for the fruit drip and fertilization.The integrated network management platform could remotely control fruit drip and sprinkler irrigation.The weather station data is transmitted to the local server,providing the basis for the fruit tree sprinkler irrigation.Soil nutrient characterization is estimated based on near infrared spectroscopy(NIRS),and the inverse distance weight interpolation method is used for spatial interpolation of the data to form the soil demand diagram for nitrogen,phosphorus and potassium.A scientific fertilization program is developed,according to which specific fertilization is accomplished using the water and fertilizer system.In 2013,2014,2015,the water and fertilizer management system was used,and the navel orange output value was 170.1 thousand Yuan/ha higher than that in 2012 without using the management system.

Gannan navel orange; water and fertilizer management system; spray irrigation for antifreeze; fertilization scheme

2016-10-20

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(SS2012AA101306)；江西省科技支撐計劃項目(20121BBF60054);南方山地果園智能化管理技術與裝備協(xié)同創(chuàng)新中心項目(贛教高字[2014]60號);江西省優(yōu)勢科技創(chuàng)新團隊項目(2015BCB24002)

歐陽愛國(1968-)，男，江西南昌人，教授，主要從事農(nóng)業(yè)精準化管理與數(shù)字化研究。E-mail：ouyang1968711@163.com

S666

A

1004-3268(2017)04-0156-05