溫室水肥一體化自控裝備及其應(yīng)用

李銀坤+李友麗+趙倩+郭文忠+賈冬冬+田野

【摘要】針對中國設(shè)施蔬菜生產(chǎn)過程中灌溉不合理、肥效差、智能化水平低、勞動強(qiáng)度大等問題，開發(fā)了一種適用于溫室大棚蔬菜生產(chǎn)的水肥一體化自控裝備，并通過田間應(yīng)用與對比，初步驗證了裝備系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，且具有穩(wěn)產(chǎn)節(jié)水高效等優(yōu)點。

背景

滴灌施肥是目前節(jié)水、節(jié)肥效果最好，發(fā)展最快的灌溉技術(shù)之一，在中國溫室蔬菜生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。但灌溉施肥過程仍以人工參與為主，根據(jù)經(jīng)驗灌溉，依據(jù)長勢施肥；可溶性肥料的溶解也主要依靠人工攪拌，隨機(jī)性強(qiáng)，費工費時，若攪拌不充分，還容易產(chǎn)生沉淀，不僅未能達(dá)到應(yīng)有的肥效，且易造成滴灌系統(tǒng)的堵塞?？梢?，水肥管理的智能化水平低、水肥不協(xié)調(diào)、施用時間不適宜以及水肥利用效率低是設(shè)施蔬菜生產(chǎn)過程中存在的主要問題。如今，國內(nèi)外的自動灌溉施肥系統(tǒng)均已取得了很大發(fā)展，市場上出現(xiàn)了不同類型和功能的水肥一體化設(shè)備。但這些設(shè)備的體型一般較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝和維修的難度高，且價格昂貴，應(yīng)用操作的專業(yè)性較強(qiáng)，在中國以日光溫室為主體的設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展中推廣難度較大。日光溫室作為具有典型中國特色，并且生產(chǎn)規(guī)模巨大的設(shè)施類型，一直是中國溫室園藝裝備升級的重點。因此，中國設(shè)施農(nóng)業(yè)對一種結(jié)構(gòu)簡單、安裝便捷、功能實用，且價格低廉、自動控制程度較高的灌溉施肥系統(tǒng)需求較為迫切。

水肥自控裝備及系統(tǒng)

裝備簡介

針對上述問題，北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心開發(fā)了一種水肥一體化自控裝備（圖1），可適用于日光溫室、塑料大棚及連棟溫室等設(shè)施。裝備具有人工和自動2種控制模式，通過液晶觸摸屏和模塊化灌溉施肥控制器，實現(xiàn)人機(jī)界面顯示、數(shù)據(jù)采集儲存和設(shè)備智能控制等功能。系統(tǒng)既能在自動控制模式下根據(jù)作物種類、生長階段、光照強(qiáng)度和土壤條件實現(xiàn)智能化灌溉施肥，也可在人為參與下實施隨機(jī)干擾式的灌溉施肥。該裝備具有結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、安裝簡易、功能實用等特點。

裝備結(jié)構(gòu)

裝備結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計（圖2），體積小，安裝簡易，并方便移動。在屏幕上方有可以左右滑動的蓋子，用于保護(hù)屏幕及電子按鈕。在肥液桶內(nèi)不僅安裝有攪拌器用于加速肥料的溶解，且安裝了液位傳感器，當(dāng)桶內(nèi)液位降至液位控制下限時，自動啟動加水控制閥為肥液桶供水，液位到達(dá)控制上限時加水控制閥門關(guān)閉。另外，在裝備的管理面積大或與傳感器距離較遠(yuǎn)時，可以利用無線通訊獲取土壤含水率、溫濕度等參數(shù)。

功能特點

水肥一體化自控裝備具有以下功能特點：

（1）采用旁路式安裝在已有供水主管道上或自帶水泵供壓，并對灌溉水或肥液進(jìn)行過濾；

（2）配有環(huán)境采集系統(tǒng)，可實時獲取環(huán)境溫度、濕度及光照強(qiáng)度等參數(shù)，將環(huán)境參數(shù)作為啟動灌溉的條件之一；

（3）依據(jù)土體含水量變化、模型計算灌溉量，確保灌溉水的按需供給。也可通過控制界面設(shè)定灌溉施肥控制參數(shù)，實施定時定量的灌溉施肥；

（4）具有自動攪拌功能，施肥程序啟動后將自動運行，使可溶性肥料的溶解更徹底，防止滴灌系統(tǒng)堵塞，保證施肥效果；

（5）安裝有流量計和EC傳感器，實時顯示檢測數(shù)據(jù)，定量灌溉并自動調(diào)整施肥頻率，使肥液以適宜濃度供給作物；

（6）具備對灌水量、灌溉次數(shù)、土體含水量、光照強(qiáng)度以及空氣溫濕度等信息的監(jiān)測和采集功能，并可查詢和下載；

（7）擁有自動預(yù)警系統(tǒng)，設(shè)備運行中出現(xiàn)異常，系統(tǒng)將自動停止并報警。

控制系統(tǒng)及流程

該裝備系統(tǒng)硬件（圖3）采用模塊化設(shè)計理念，以可編程控制器（PLC）為核心，包括電源模塊、AD模擬量采集模塊、傳感器模塊和上位觸摸屏模塊。

系統(tǒng)軟件采用基于土體含水量的模型控制方法，利用水分傳感器實時采集土體含水量，推算土壤實際耗水量，從而根據(jù)作物的實際吸收進(jìn)行必要的水分補(bǔ)充。系統(tǒng)上電后，由管理者通過人機(jī)交互上位觸摸屏模塊設(shè)置控制參數(shù)，包括：灌溉面積、土壤濕潤比、灌水計劃層、水分控制上下限等。當(dāng)自動模式置位后，AD模擬量采集模塊通過與外圍傳感器的實時通訊，獲取溫室溫度、濕度、光照強(qiáng)度信息及土體濕度信息，并發(fā)送數(shù)據(jù)至PLC。PLC內(nèi)置基于土體濕度的模型控制算法，包括條件啟動算法及電導(dǎo)率PI調(diào)節(jié)算法。在每天設(shè)定的啟動時刻決策當(dāng)天是否需要灌溉，進(jìn)而啟動閥門和水泵，并實時監(jiān)控實際灌溉流量，當(dāng)實際灌溉流量達(dá)到?jīng)Q策的計算灌溉量時，停止灌溉。上位機(jī)實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，并連接數(shù)據(jù)庫上傳環(huán)境參數(shù)和灌溉參數(shù)，供管理者查詢和下載，實現(xiàn)栽培過程中水肥的自動管控。

應(yīng)用試驗

試驗方法

試驗于2016年4～9月在北京市大興區(qū)長子營鎮(zhèn)河津營村合作社開展。設(shè)常規(guī)水肥管理（CK）和水肥一體化智能裝備自動管理（WF），布置在均為南北走向的2棟塑料大棚中（面積均為60 m2）。其中處理CK為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣的水肥管理模式，主要依據(jù)管理者生產(chǎn)經(jīng)驗判斷灌水和施肥的時間及用量；處理WF由水肥一體化設(shè)備自控管理，主要通過在可編程序中設(shè)定對應(yīng)的控制參數(shù)，將可溶性復(fù)合肥溶解在肥液桶中，灌溉模式切換至自動狀態(tài)而進(jìn)行的水肥自動管理模式。處理CK和處理WF均采用相同的滴灌系統(tǒng)。處理CK所在大棚的0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量22.1 g/kg、全氮1.43 g/kg、速效磷326.3 mg/kg、速效鉀170.9 mg/kg；處理WF所在大棚0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量23.7 g/kg、全氮1.35 g/kg、速效磷297.4 mg/kg、速效鉀183.4 mg/kg，田間持水量26.5%，土壤容重

1.36 g/cm3。由此可見，2棟塑料大棚的0～20 cm土壤化學(xué)性質(zhì)無明顯差異。試驗中處理WF具體布置及實施情況為：大棚內(nèi)均勻布置土壤水分傳感器2組，每組監(jiān)測土層深度為20、40 cm，距地面1.5 m高處布置光照溫濕度傳感器1個；土體含水量、光照強(qiáng)度、溫度、濕度每30 min記錄并存儲1次；水肥一體化裝備系統(tǒng)安裝有流量計監(jiān)測和顯示瞬時流量、累積灌溉量；系統(tǒng)設(shè)定每天10：00進(jìn)行分析判斷和灌溉。

2016年4月19日～9月24日進(jìn)行種植生菜試驗，共進(jìn)行了3茬試驗。其中第1茬生菜定植于4月19日，5月24日收獲；第2茬7月3日定植，8月9日收獲；第3茬8月22日定植，9月24日收獲。生菜的株距和行距均為30 cm，在第1茬生菜定植前，各處理均施底肥（商品有機(jī)肥）10 t/667 m2，其他所有農(nóng)事操作保持一致。其中處理CK追肥時，將沖施肥溶解在水中，通過簡易吸肥器與灌溉水混合，隨滴灌施到作物根系土壤中。

結(jié)果與分析

由圖4可以看出，水肥一體化自控裝備在10：00準(zhǔn)時啟動了灌溉。裝備的儲存數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)天的氣溫和空氣濕度變化范圍分別為15.7～34.7℃和28.9%～96.5%，氣溫和濕度峰值分別出現(xiàn)在12：30和6：00，灌溉啟動時的氣溫和空氣濕度分別為31.5℃和36.5%，光照強(qiáng)度為43652 lx。灌溉前的土體含水率隨時間的推進(jìn)呈下降趨勢，并在10：00時降至19.2%。裝備自動灌溉0.819 m3，灌溉后的土體含水率有明顯的上升，增長至25.6%。說明水肥一體化自控裝備能夠保證生菜生長的合理土壤水分條件。

由圖5可知，試驗期間的生菜產(chǎn)量有較大波動，其中第1茬的生菜產(chǎn)量最高，第2茬與第1茬相比較，處理CK和WF的生菜產(chǎn)量分別降低了63.6%和54.9%，說明處理WF更有利于生菜穩(wěn)產(chǎn)。處理WF的3茬生菜產(chǎn)量均高于處理CK，增加幅度為11.8%～54.7%，說明了水肥一體化自控裝備相對于常規(guī)水肥管理模式具有更高的產(chǎn)量收益。由圖6可知，與處理CK相比，處理WF的灌溉水利用效率在第1茬至第3茬分別提高了96.7%、134.9%和96.8%。

綜合分析，水肥一體化自控裝備控制下，土壤水分保持在較為適宜的范圍內(nèi)，不僅降低了年際的產(chǎn)量波動，增加了產(chǎn)量，且大幅度提高了灌溉水利用效率，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。同時，自控裝備實現(xiàn)了水肥一體的自動管理，降低了勞動強(qiáng)度，并可將一部分人力釋放出來，有效降低了勞動成本，提高了勞動效率，促進(jìn)了設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。