張傳帥
(北京市農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定推廣站,北京 100079)
設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中,水肥管理是耗費人工最大的環(huán)節(jié)之一,對作物品質(zhì)、產(chǎn)量也有較大影響。目前,北京市設(shè)施蔬菜水肥管理已經(jīng)普及水肥一體化技術(shù),形式包括依靠水壓的文丘里吸肥器和自動化水平較高的水肥管理設(shè)備。2017年北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)播種總面積為3.6萬hm2,以蔬菜和食用菌為主,配套自動化水肥管理設(shè)備的比例不足10%,仍然主要依靠文丘里吸肥器進行水肥管理,灌溉施肥機械化水平僅為37.2%,處于較低水平[1]。傳統(tǒng)的文丘里吸肥器操作落后,勞動效率低,水肥混合后施肥效果差。而水肥管理裝備通過遠程控制、水肥監(jiān)測和灌溉施肥量統(tǒng)計等功能,可實現(xiàn)水肥管理調(diào)控的自動化、數(shù)據(jù)化、精準化,提高勞動生產(chǎn)率及水資源和肥料利用率,并改善作物品質(zhì),減少肥料使用和土壤污染,具有較高的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益[2-3]。目前,國內(nèi)自動化水肥管理設(shè)備及相關(guān)技術(shù)發(fā)展較為成熟,生產(chǎn)廠家及設(shè)備型號均較多,但是由于農(nóng)機補貼政策配套缺乏、示范推廣力度不夠等,前期經(jīng)濟投入成本高,園區(qū)負責(zé)人對新技術(shù)不了解、不認可,阻礙了水肥管理裝備技術(shù)的普及與推廣應(yīng)用。
本文介紹的固液混合水肥管理系統(tǒng)由北京市農(nóng)機鑒定推廣站、昌平區(qū)農(nóng)機推廣站以及冀雨科技公司共同建設(shè),其中主機型號為FERTISPARK,由冀雨科技研發(fā)。該系統(tǒng)配套遠程管理云平臺和手機APP,可現(xiàn)場或者遠程對系統(tǒng)進行設(shè)置,實現(xiàn)精準配肥和定時定量灌溉施肥,并實時統(tǒng)計灌溉施肥相關(guān)數(shù)據(jù)。
以往各園區(qū)曾采用的文丘里吸肥器,利用水流壓差將肥料桶內(nèi)肥料吸入管道進行灌溉施肥,不需要機械化動力,雖然成本較低,但是水壓損失大,不適宜大面積灌溉施肥,且肥料均勻性和可控性較差,生產(chǎn)方式落后,工作效率和工作舒適性低,不適宜基質(zhì)栽培等要求較高的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。固液混合水肥管理系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下3個方面。
系統(tǒng)通過現(xiàn)場或者遠程設(shè)置,可提前設(shè)置多個時間段,進行定時定量灌溉或施肥,不再需要人工前往現(xiàn)場開關(guān)水閥和查看灌溉情況。系統(tǒng)配套了容納液體水溶肥和固體水溶肥2種肥料的容器及吸肥裝置,可滿足園區(qū)不同的需求或不同肥料配合施用,不再需要人工頻繁取肥、倒肥和攪拌等工作,自動化管理設(shè)備大幅度減少了人工往返和操作時間,提高了勞動生產(chǎn)率和勞動舒適度。
系統(tǒng)配套了流量監(jiān)測、水肥稱量等裝置,通過對水、肥分別稱量,實現(xiàn)精準配比,實現(xiàn)生產(chǎn)期間全部灌溉量、施肥量、灌溉施肥時間等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計,并存儲在遠程管理云平臺。通過對積累數(shù)據(jù)的研究,可優(yōu)化水肥管理措施,減少經(jīng)驗不足或更換管理人員對生產(chǎn)的影響。
北京市設(shè)施蔬菜生產(chǎn)逐步向標準化和規(guī)?;较虬l(fā)展,對水肥管理等設(shè)備提出了更高的要求?;|(zhì)栽培等高端生產(chǎn)方式,對水肥供應(yīng)依賴性較高,水肥的不足或過量都會對作物生長造成嚴重損害,肥料施用不當(dāng),也會造成肥料的浪費或者環(huán)境污染。該系統(tǒng)減少了隨意性灌溉施肥,以及因工作遺忘造成灌溉過量等問題,一定程度上減少了對作物造成的損害。自動化水肥管理系統(tǒng)是設(shè)施蔬菜生產(chǎn)實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)的必要基礎(chǔ)。
固液混合水肥管理系統(tǒng)主要包括灌溉水源供給、灌溉施肥控制、灌溉生產(chǎn)區(qū)3大部分(圖1)。
灌溉水源供給部分包括泵房、水井、水井水泵和儲水桶。泵房建設(shè)在水井上部,水井水泵功率為1.75 kW,揚程為15 m,用于往儲水桶注水,通常不用于直接灌溉供水。儲水桶容量5 000 L,放置在泵房上部,中心距離地面高度3.5 m,可利用水源重力對園區(qū)進行灌溉。園區(qū)灌溉管道與園區(qū)生活用水管道相通,通過閥門進行控制關(guān)閉,在水井水源故障時應(yīng)急使用。
灌溉施肥控制部分包括灌溉增壓水泵、過濾器、肥料容納裝置和施肥主機,均安裝在溫室耳房內(nèi),由專人操作。增壓水泵為灌溉提供主要動力,額定功率1.1 kW,揚程12.5 m,最大流量12.5 m3/h,當(dāng)灌溉面積較大時,可提高灌溉水壓力。過濾器采用小型疊片過濾器,并配有反沖洗功能,可定期清除沉積雜質(zhì),體積較小,可過濾水中雜質(zhì),防止雜質(zhì)在管道中沉積,堵塞滴灌帶和微噴帶。由于園區(qū)地下水泥沙較少,可以滿足灌溉需求。
目前京郊水肥一體化使用的肥料主要為粉狀水溶肥和液體水溶肥,常見肥料容器為肥料桶,人工加入肥料后,攪拌待用。本系統(tǒng)中肥料容納裝置包括液體肥桶和固體肥箱,液體肥桶設(shè)置2個,容量均為250 L,固體肥箱可盛放固體水溶肥,通過各自配套吸肥泵吸肥。施肥主機內(nèi)包括液體肥吸肥泵、固體肥吸肥泵、稱量裝置、肥水混合桶、攪拌電機、肥料泵和電子流量計等部件。液體肥吸肥泵吸程3 m,流量0.5 m3/h,固體肥吸肥泵額定功率1.75 kW,可容納100 kg固體肥料,稱量裝置可對肥料和水分別稱量,并放入肥水混合桶,攪拌電機將肥水?dāng)嚢杈鶆蚝?,由肥料泵注入灌溉主管道,電子流量計用于監(jiān)測水肥流量,量程為0.4~14.0 m3/h。
灌溉生產(chǎn)區(qū)主要包括灌溉管道、電動球閥和滴灌帶或微噴帶等,電動球閥采用遠程控制形式,可控制灌溉的通斷,額定功率為3 W,每棟溫室安裝1個,并聯(lián)設(shè)置手動閥門,在設(shè)備出現(xiàn)故障時應(yīng)急。
設(shè)備安裝地點為北京市昌平區(qū)藍天綠都設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū),位于40°19′N,116°16′E,年平均氣溫11.8 ℃,冬季最低氣溫-10 ℃以下,系統(tǒng)覆蓋范圍為13棟日光溫室,單棟溫室面積600 m2,種植蔬菜主要為越冬果菜和葉菜。
該系統(tǒng)建設(shè)總成本14萬元,覆蓋溫室13棟,每年維修維護及用電費用按照系統(tǒng)成本2%計算,預(yù)計使用壽命10年,忽略殘值,每667 m2設(shè)施蔬菜水肥管理每年系統(tǒng)成本1 436元。以園區(qū)溫室草莓生產(chǎn)為例,9月初定植,5月中旬拉秧,生長期8.5個月,需要灌溉58次,每次灌溉時間平均30 min,系統(tǒng)操作時間5 min,灌溉用水量119 m3,施用水溶肥132 kg。相比傳統(tǒng)灌溉方式,每棟溫室每次灌溉施肥節(jié)約時間1 h,按每天工作8 h,每天人工成本150元計算,每667 m2可節(jié)省人工成本1 087元;在水肥成本方面,節(jié)肥10%,每667 m2節(jié)省化肥成本192元,節(jié)水20%以上,灌溉用水為地下水,暫時不需要繳納費用;在產(chǎn)量方面,平均年增產(chǎn)10%以上,按照每棟溫室平均產(chǎn)值2萬元計算,每667 m2提高銷售收入2 223元;綜上,每年每667 m2設(shè)施蔬菜提高經(jīng)濟效益2 066元;因此,固液混合施肥系統(tǒng)的建設(shè)在技術(shù)上和經(jīng)濟上均有可行性。此外,系統(tǒng)建設(shè)完成后,組織北京市多個區(qū)的農(nóng)機推廣部門和設(shè)施蔬菜園區(qū)技術(shù)人員進行了現(xiàn)場參觀和技術(shù)培訓(xùn),普及自動化水肥管理技術(shù),獲得了認可,為下一步技術(shù)的普及奠定了基礎(chǔ)。
水源供給是實現(xiàn)水肥管理的基礎(chǔ),水源供給需要重點解決的問題是水源雜質(zhì)過濾和保障水量和水壓穩(wěn)定性。北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)中灌溉用水主要采用地下水,水中雜質(zhì)較多,而灌溉主管道沉積雜質(zhì)后較難清理,因設(shè)施農(nóng)業(yè)采用的滴灌帶、微噴帶對水質(zhì)要求較高,雜質(zhì)會造成堵塞,嚴重影響灌溉。目前,常用措施:一是將地下水用大功率水泵抽取到蓄水池或儲水桶內(nèi),再作為水源進行灌溉,可減少雜質(zhì),穩(wěn)定水源;二是采用砂石過濾器、疊片過濾器進行多級過濾,并配有反沖洗功能,并定時清洗沉積雜質(zhì)。
北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)以越冬蔬菜生產(chǎn)為主,保障在元旦和春節(jié)前后上市,獲取較高經(jīng)濟效益。冬季溫度較低時會造成管道凍裂等問題,因此水肥管理系統(tǒng)需要采取防凍措施。溫室外部主管道盡量埋在距離地面1 m以下,并采用保護套包裹;儲水桶或者輸水管道盡量設(shè)置在溫室生產(chǎn)區(qū)內(nèi),設(shè)置在耳房內(nèi)的管道需要在用完之后,將水排盡或者增加增溫設(shè)備,防止溫度過低造成管道凍裂。
水肥管理裝備設(shè)施應(yīng)用大量電子和計算機技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測和自動化控制,由于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣,電磁閥、主機等零部件容易損壞;因此,設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū)在建設(shè)水肥管理系統(tǒng)前,需要注意企業(yè)服務(wù)和設(shè)備的選型,一是要確認在設(shè)備出現(xiàn)故障時,企業(yè)能及時前往園區(qū)維修,最好在當(dāng)?shù)伛v有維修人員;二是企業(yè)能保障設(shè)備后續(xù)服務(wù),每年定時檢修,及時為園區(qū)進行設(shè)備硬件、軟件的升級服務(wù),并確認后續(xù)服務(wù)費用承擔(dān)問題。
目前,歐美發(fā)達國家設(shè)施蔬菜生產(chǎn)已經(jīng)普遍應(yīng)用了自動化的水肥管理系統(tǒng),實現(xiàn)了水肥的精準管理。雖然我國設(shè)施蔬菜水肥管理整體自動化水平相對較低,但是生產(chǎn)廠家、設(shè)備型號逐漸增多,技術(shù)迭代更新加速,適用性逐步完善。隨著社會發(fā)展,人工成本不斷升高,市場對蔬菜品質(zhì)和安全的要求不斷提高,設(shè)施蔬菜園區(qū)對降低生產(chǎn)成本的需求,均推動了設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中自動化水肥管理系統(tǒng)的應(yīng)用?;谒室惑w化技術(shù)的固液混合水肥管理系統(tǒng)除帶來可觀的經(jīng)濟效益外,生態(tài)效益和社會效益同樣不可忽視。節(jié)水、節(jié)肥有助于推動循環(huán)農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展,勞動強度的降低和勞動環(huán)境的改善有助于解決目前設(shè)施農(nóng)業(yè)存在的招工難的問題。從長遠看,水肥管理系統(tǒng)對推動設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。