基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水肥一體化灌溉系統(tǒng)

郝雅潔 胡欣宇 李富忠

摘 要：在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，灌溉與施肥必不可少，然而傳統(tǒng)的灌溉與施肥方式存在水分及肥料利用率較低，浪費(fèi)嚴(yán)重，濫用肥料對(duì)土壤及環(huán)境造成污染，甚至對(duì)農(nóng)作物造成傷害等問題。為了實(shí)現(xiàn)水資源及肥料的可持續(xù)利用，解放人工勞動(dòng)力，發(fā)展并推動(dòng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，水肥一體化灌溉系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。水肥一體化灌溉系統(tǒng)將灌溉設(shè)備賦予“智慧”，按照肥隨水走思路，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與灌溉系統(tǒng)相結(jié)合，既可以根據(jù)作物實(shí)際生長情況自動(dòng)實(shí)施合理的灌溉方案，又可以根據(jù)作物不同階段的需水情況調(diào)整相應(yīng)灌溉方案，將肥液通過可控管道均勻運(yùn)輸?shù)阶魑锔浚瑵M足作物生長需求。文中對(duì)水肥一體化灌溉系統(tǒng)進(jìn)行了研究分析，可知此系統(tǒng)既能提高灌溉利用率、節(jié)約水資源，又能提高作物品質(zhì)，改善生態(tài)環(huán)境，對(duì)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植智能化生產(chǎn)與經(jīng)營意義重大，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：水肥一體化;灌溉系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng);智慧農(nóng)業(yè);田間管理;云平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）09-00-04

0 引 言

近年來，我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)速度加快，并取得了巨大成就，然而農(nóng)業(yè)保安全、保生態(tài)的壓力越來越大，農(nóng)業(yè)發(fā)展已經(jīng)到了必須更加注重合理利用資源、更加注重保護(hù)生態(tài)環(huán)境、更加注重推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的歷史新階段。加快現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)，貫徹落實(shí)發(fā)展新理念，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，迫切需要繼承并大力發(fā)展生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)。將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能在農(nóng)業(yè)中產(chǎn)業(yè)化[1]、規(guī)?；貞?yīng)用，是推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)[2]發(fā)展的新要求。

在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)作物灌溉與施肥一般通過人工進(jìn)行，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且水分與肥料的利用率不高，浪費(fèi)較嚴(yán)重[3]?，F(xiàn)階段農(nóng)業(yè)用水資源匱乏，肥料的濫施還會(huì)造成農(nóng)作物被破壞以及環(huán)境污染[4]。傳統(tǒng)的灌溉與施肥方式不再適用于新型農(nóng)業(yè)的發(fā)展，需要借助智能化技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)模式進(jìn)行改善與轉(zhuǎn)變。將新型熱點(diǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)水肥一體化中，設(shè)計(jì)出水肥一體化灌溉系統(tǒng)[5]可以有效改善傳統(tǒng)灌溉[6]與施肥模式的不足，大大提升水肥利用率并減少環(huán)境污染，大幅提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能性，促進(jìn)農(nóng)田的精準(zhǔn)化管理。

1 智能化系統(tǒng)架構(gòu)

利用現(xiàn)代信息技術(shù)準(zhǔn)確掌握大田作物生育進(jìn)程和“四情”動(dòng)態(tài)，對(duì)大田作物苗情、墑情[5]、病蟲情、災(zāi)情以及大田作物各生育階段的長勢(shì)狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和趨勢(shì)分析。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物生長環(huán)境及土壤中溫度、濕度、大氣風(fēng)速、光照強(qiáng)度等信息，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)際情況決策，智能化地進(jìn)行水肥自動(dòng)灌溉，實(shí)現(xiàn)對(duì)大田作物生產(chǎn)、田間管理和抗災(zāi)救災(zāi)快捷高效的調(diào)度指揮，還可以提高精細(xì)生產(chǎn)和田間管理能力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中存在的問題，從而制定相適應(yīng)的大田作物管理技術(shù)對(duì)策，提出大田管理意見或建議，更好地開展技術(shù)指導(dǎo)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收。智能化系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 水肥一體化灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 水肥一體化技術(shù)概述

水肥一體化灌溉系統(tǒng)是指借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取并分析不同作物的生長環(huán)境及實(shí)際生長狀況信息，下達(dá)指令自動(dòng)調(diào)控，將水分與可溶性肥料按一定濃度比例配成肥液[7]，再將肥液通過增壓系統(tǒng)灌溉管道均勻地運(yùn)輸?shù)阶魑锔?，減少了肥料與土壤的直接接觸面積，避免了養(yǎng)分被土壤固化，使肥液能被作物根部充分吸收。此技術(shù)能夠定時(shí)定量地滿足作物的生長需求，精確控制灌溉水分和施肥量，實(shí)現(xiàn)信息化、數(shù)字化的動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)管理。水肥一體化也被稱為“灌溉施肥技術(shù)”，即將灌溉與施肥相結(jié)合[8]，在以水促肥的同時(shí)以肥調(diào)水，實(shí)現(xiàn)農(nóng)事操作的精確灌溉與施肥，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、智慧灌溉。水肥一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖2所示。

為了緩解水資源浪費(fèi)情況，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，國外很多國家利用噴灌、微灌方式實(shí)現(xiàn)了節(jié)水灌溉[2，9]，還利用先進(jìn)的信息控制技術(shù)，根據(jù)作物實(shí)際的需水量進(jìn)行合理灌溉，提高水分利用率。節(jié)水灌溉與水肥一體化技術(shù)相結(jié)合[10]，符合現(xiàn)代節(jié)約型農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

水分、肥料的施用量對(duì)作物的品質(zhì)有著重要影響。如果不及時(shí)灌溉，會(huì)造成作物因缺水而枯死;然而如果灌溉時(shí)間過長，水分過多，會(huì)導(dǎo)致作物根部長時(shí)間浸泡腐爛[6]。通過埋入作物土壤周邊的傳感器[11]可探測(cè)出土壤的含水量與不同作物根系的吸水能力。因此需要根據(jù)作物與生長環(huán)境的不同，制定合理的水肥供應(yīng)量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉，以實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)肥。

在實(shí)際農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，已證實(shí)通過對(duì)經(jīng)濟(jì)型作物使用水肥一體化技術(shù)，可達(dá)到增產(chǎn)、節(jié)肥、提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的良好效果，下一步擬將此技術(shù)應(yīng)用到糧食作物生產(chǎn)中[6]。水肥一體化技術(shù)是集農(nóng)業(yè)灌溉、肥料、作物生長與計(jì)算機(jī)物聯(lián)網(wǎng)等多學(xué)科為一體的智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，節(jié)水用肥效率高，能夠很好地解決農(nóng)業(yè)用水問題，實(shí)用性強(qiáng)，符合現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展要求的資源節(jié)約型、環(huán)境友好型技術(shù)要求，所以國家農(nóng)業(yè)部愈加重視水肥一體化技術(shù)的發(fā)展[12]。

將水肥一體化與智慧農(nóng)業(yè)相結(jié)合，并進(jìn)行有效利用，對(duì)于農(nóng)業(yè)科技水平的提高，減少改善環(huán)境污染和生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。

2.2 參數(shù)設(shè)定

系統(tǒng)參數(shù)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況設(shè)定，即根據(jù)灌溉參數(shù)、管道參數(shù)、流體參數(shù)、壓力參數(shù)等進(jìn)行合理選擇。

2.2.1 確定灌溉參數(shù)

根據(jù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)以及國內(nèi)外滴灌技術(shù)發(fā)展積累的經(jīng)驗(yàn)，各技術(shù)參數(shù)定為如下值：

（1）微灌土壤濕潤比：P=100%;

（2）微灌水利用系數(shù)：η=0.90;

（3）設(shè)計(jì)灌水均勻度：Eu≥90%;

（4）設(shè)計(jì)濕潤深度：Z=0.8 m。

2.2.2 管網(wǎng)水力計(jì)算

無論是自流灌溉或抽水灌溉，對(duì)于灌溉管道輸水的管道水力計(jì)算，可按以下方法進(jìn)行。但由于管網(wǎng)配水情況較為復(fù)雜，通常按簡(jiǎn)化方法計(jì)算，沿線流量即以單位長度管段的比流量法計(jì)算：

2.2.3 管道流量