作物水氮智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

王 敏，劉學(xué)勛，臧賀藏，張 杰，王 猛，趙 晴，張建濤，李國(guó)強(qiáng)，鄭國(guó)清

(1.河南省土壤肥料站,河南 鄭州 450008；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所/河南省智慧農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002)

河南省是我國(guó)重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，全省糧食種植面積穩(wěn)定在0.107億hm2左右，全年糧食產(chǎn)量穩(wěn)定在650億kg以上，提高河南省作物產(chǎn)量對(duì)扛穩(wěn)我國(guó)糧食安全重任具有重要意義[1]。然而在當(dāng)前作物規(guī)模化種植過(guò)程中，存在水氮管理粗放、自動(dòng)化程度低、信息獲取滯后、水氮?jiǎng)討B(tài)精準(zhǔn)調(diào)控手段缺乏等問(wèn)題，不僅導(dǎo)致作物水氮利用效率低，而且?guī)?lái)產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)境污染。因此，提高作物水氮利用效率是促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵。

目前，我國(guó)常規(guī)灌溉施肥方式相對(duì)比較落后，生產(chǎn)上仍然大水大肥，灌溉水有效利用率僅為40%～50%，遠(yuǎn)低于以色列、荷蘭等國(guó)家70%～90%的水平[2-4]。我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉用水量占總用水量的60%以上，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田高效節(jié)水灌溉已成為當(dāng)務(wù)之急。近幾年的文獻(xiàn)資料表明，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在水肥一體化系統(tǒng)方面進(jìn)行了大量報(bào)道，實(shí)現(xiàn)了水肥的智能控制，基本應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)[5-11]。以上這些系統(tǒng)針對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)進(jìn)行了大量研究，而目前有關(guān)大田作物水氮智能管理系統(tǒng)的研究鮮有報(bào)道。鑒于此，基于實(shí)時(shí)自動(dòng)采集作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)和作物生育信息參數(shù)，利用模型構(gòu)建耦合作物與環(huán)境信息，智能決策作物的水氮需求，設(shè)計(jì)了作物水氮智能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水氮一體精準(zhǔn)施入。同時(shí)，解決水氮一體化設(shè)備成本高、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題，達(dá)到節(jié)水、省肥、增產(chǎn)的目的，為其他作物水氮智能調(diào)控技術(shù)的推廣提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

作物水氮智能管理系統(tǒng)由感知層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層三部分組成，如圖1所示。感知層主要包括環(huán)境傳感器，通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的獲取、處理、發(fā)送及設(shè)備控制等；數(shù)據(jù)層主要應(yīng)用農(nóng)業(yè)模型對(duì)監(jiān)測(cè)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析；應(yīng)用層通過(guò)系統(tǒng)服務(wù)終端，控制田間設(shè)備，實(shí)現(xiàn)作物水氮精準(zhǔn)調(diào)控。

圖1 作物水氮智能管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 作物水氮智能管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

作物水氮智能管理系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要由傳感器、控制中心和水氮灌溉系統(tǒng)組件構(gòu)成，由圖2所示。其中傳感器主要對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)交貦C(jī)房數(shù)據(jù)庫(kù)中。控制中心主要由PLC控制器和液晶顯示屏組成。水氮灌溉系統(tǒng)主要由施肥機(jī)、水泵和電磁閥組成，用于控制灌溉施肥管道系統(tǒng)。

圖2 作物水氮智能管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.2.1 水氮智能灌溉設(shè)備研制 針對(duì)田間地頭電力供應(yīng)難、線路敷設(shè)麻煩等問(wèn)題，基于低壓輸水管道內(nèi)的壓力差原理，研制電磁閥自供電控制模塊，實(shí)現(xiàn)電磁閥的自供電，省去安裝電線環(huán)節(jié)；基于集成電磁閥控制模塊和水氮智能決策技術(shù)，研制作物水氮智能灌溉設(shè)備，提供施肥配比、工況監(jiān)測(cè)計(jì)算與計(jì)量功能；施肥裝置操控系統(tǒng)提供現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程2種控制模式。

1.2.2 水氮智能灌溉設(shè)備組成 水氮智能灌溉設(shè)備主要由灌溉主機(jī)、灌溉控制從站、電磁閥和云平臺(tái)組成。利用作物前期采集的歷史數(shù)據(jù)，使用彭曼公式和土壤水分、養(yǎng)分平衡公式建立灌溉決策模型和施肥決策模型，實(shí)現(xiàn)灌溉量和施肥量的精準(zhǔn)控制。該模型可根據(jù)實(shí)時(shí)獲取的土壤墑情數(shù)據(jù)，確定是否需要灌溉以及最佳的灌溉量；基于“變量施肥原理”，確定是否需要施肥以及最佳的施肥量。水氮智能設(shè)備使用可編程邏輯控制器與多種傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備灌溉用水流量、單組分肥料用量與水氮混合液的酸堿度和營(yíng)養(yǎng)液濃度的精準(zhǔn)計(jì)量。同時(shí)設(shè)備使用了多種反饋檢測(cè)方法，可檢測(cè)水氮智能灌溉設(shè)備的水泵運(yùn)行狀況、攪拌機(jī)運(yùn)行狀況以及電磁閥等設(shè)備開啟狀況的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。

1.3 作物水氮智能管理軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)模式，服務(wù)器系統(tǒng)為Windows Server 2008，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)為Microsoft SQL Server 2008，開發(fā)環(huán)境采用Visual Studio 2013、C#和.net網(wǎng)絡(luò)配置；開發(fā)語(yǔ)言采用Java語(yǔ)言，后臺(tái)程序采用C#語(yǔ)言開發(fā)；開發(fā)架構(gòu)采用MVC開發(fā)架構(gòu)，使用Okhttp，Greendao開源框架；前臺(tái)開發(fā)工具為Android Studio，后臺(tái)開發(fā)工具為Visual Studio 2013。采用節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制技術(shù)、灌溉預(yù)報(bào)技術(shù)和水氮決策模型技術(shù)，構(gòu)建了作物水氮智能管理軟件，如圖3所示。根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯和需求分析，系統(tǒng)主要包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、氮肥決策、灌溉決策和系統(tǒng)管理4大功能模塊：

圖3 系統(tǒng)主要功能模塊示意圖

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊：包括墑情監(jiān)測(cè)和預(yù)警管理。墑情監(jiān)測(cè)主要通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)顯示獲取的土壤墑情數(shù)據(jù)。預(yù)警管理是根據(jù)土壤墑情監(jiān)測(cè)閾值向用戶發(fā)送短信，進(jìn)行預(yù)警信息提醒。

(2)肥料決策模塊：包括單點(diǎn)調(diào)控和區(qū)域調(diào)控，根據(jù)示范區(qū)土壤肥力狀況，可控制單個(gè)電磁閥實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)肥料調(diào)控，也可控制多個(gè)電磁閥，實(shí)現(xiàn)區(qū)域肥料調(diào)控。

(3)灌溉決策模塊：包括單點(diǎn)調(diào)控和區(qū)域調(diào)控，根據(jù)示范區(qū)土壤墑情狀況，可控制單個(gè)電磁閥實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)水分調(diào)控，也可控制多個(gè)電磁閥，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水分調(diào)控。

(4)系統(tǒng)管理：包括用戶管理和傳感器管理。用戶管理是根據(jù)用戶權(quán)限設(shè)置進(jìn)行統(tǒng)一管理。傳感器管理是根據(jù)硬件控制設(shè)備的類型及基本參數(shù)進(jìn)行傳感器信息的新增、編輯、刪除和保存。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在河南省黃泛區(qū)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行，黃泛區(qū)農(nóng)場(chǎng)位于豫東平原，2017—2019年，平均氣溫15.3 ℃左右，平均降水量684.6 mm，平均日照時(shí)數(shù)2 132.9 h，無(wú)霜期215～224 d。農(nóng)場(chǎng)主要種植冬小麥、夏玉米和夏花生；灌溉方式為微噴灌，水源為井水，小麥和玉米于拔節(jié)期、灌漿期灌水，花生于開花期和結(jié)痂期灌水。氮肥設(shè)置：常規(guī)管理一次性底施；微噴灌溉模式底施20%，剩余的隨微噴施用，其他管理方式同大田。小區(qū)面積為120 m2(8 m×15 m)，隨機(jī)區(qū)組排列。試驗(yàn)設(shè)2種灌溉方式，分別為微噴灌(水氮一體化)和常規(guī)模式。水氮一體化微噴帶鋪設(shè)間距為1.5 m，微噴頭流量為100 L/(m·h)，在施用底肥后，根據(jù)降雨情況和土壤墑情，利用作物模型智能決策作物的灌溉量。常規(guī)模式采用水泵和定時(shí)器根據(jù)管理人員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行灌溉。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 水氮智能灌溉模式下作物產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 由表1可以看出，2017—2019年，水氮一體化智能灌溉模式下，河南省黃泛區(qū)農(nóng)場(chǎng)冬小麥穗粒數(shù)平均為35.9粒，千粒質(zhì)量平均為46.4 g，籽粒產(chǎn)量平均為9 150.3 kg/hm2，較常規(guī)模式下穗粒數(shù)平均增加7.8%，千粒質(zhì)量平均增加6.4%，籽粒產(chǎn)量平均增加11.5%。夏玉米穗粒數(shù)平均為498.7粒，千粒質(zhì)量平均為342.9 g，籽粒產(chǎn)量平均為10 055.5 kg/hm2；較常規(guī)模式下穗粒數(shù)平均增加4.3%，千粒質(zhì)量平均增加5.2%，籽粒產(chǎn)量平均增加14.1%。夏花生單株莢果數(shù)平均為11.8個(gè)，千粒質(zhì)量平均為1 995.4 g，籽粒產(chǎn)量平均為5 719.4 kg/hm2；較常規(guī)模式下單株莢果數(shù)平均增加16.8%，千粒質(zhì)量平均增加4.6%，籽粒產(chǎn)量平均增加11.9%?？梢?jiàn)，水氮一體化智能灌溉模式可以明顯提高冬小麥、夏玉米和夏花生的籽粒產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成因素。

表1 水氮智能灌溉模式化下作物產(chǎn)量性狀

2.2.2 水氮智能灌溉模式下作物灌溉量和施氮量 由表2可以看出，2017—2019年，水氮一體化智能灌溉模式下冬小麥季平均投入純氮251.5 kg/hm2，較常規(guī)模式(330.0 kg/hm2)減少純氮78.5 kg/hm2，節(jié)約氮肥23.8%。水氮一體化智能灌溉模式下夏玉米季平均投入純氮272.0 kg/hm2，較常規(guī)模式(351.7 kg/hm2)減少純氮79.7 kg/hm2，節(jié)約氮肥22.7%。水氮一體化智能灌溉下夏花生季平均投入純氮159.0 kg/hm2，較常規(guī)模式(210.0 kg/hm2)減少純氮51.0 kg/hm2，節(jié)約氮肥24.3%。冬小麥和夏玉米、夏花生輪作季平均減少純氮71.9 kg/hm2，平均單季節(jié)約氮肥23.5%。因此，水氮一體化智能灌溉模式可以明顯減少氮肥用量。

從表2可以看出，2017—2019年，水氮一體化智能灌溉模式下冬小麥季每季平均灌溉量505.0 m3/hm2，與常規(guī)模式(693.3 m3/hm2)相比，水氮一體化智能灌溉模式節(jié)水27.2%。水氮一體化智能灌溉模式下夏玉米季每季平均灌溉量580.0 m3/hm2，與常規(guī)模式(754.3 m3/hm2)相比，水氮一體化灌溉模式節(jié)水23.1%。水氮一體化智能灌溉模式下夏花生季每季平均灌溉量580.0 m3/hm2，與常規(guī)模式(783.3 m3/hm2)相比，水氮一體化灌溉模式節(jié)水26.0%。水氮一體化智能灌溉模式下冬小麥和夏玉米、夏花生輪作總灌溉量均為1085.0 m3/hm2，常規(guī)模式總灌溉量 1 447.6～1 476.6 m3/hm2，水氮一體化智能灌溉模式輪作季平均節(jié)水25.8%。因此，水氮一體化智能灌溉模式較常規(guī)模式顯著減少灌溉量。

表2 2017—2019年不同灌溉模式施氮量和灌溉量

2.2.3 水氮智能灌溉模式下作物經(jīng)濟(jì)效益 由表3可知，2017—2019年，在水氮一體化智能灌溉模式下，河南省黃泛區(qū)農(nóng)場(chǎng)冬小麥農(nóng)資投入平均為3 820.0元/hm2，其他投入平均為2 730.0元/hm2，設(shè)備損耗1 030.5元/hm2，合計(jì)成本7 580.5元/hm2，平均產(chǎn)值23 684.4元/hm2，效益平均為16 103.9元/hm2；常規(guī)模式冬小麥農(nóng)資投入平均為4 181.1元/hm2，其他投入平均為4 545.5元/hm2，合計(jì)成本8 726.6元/hm2，平均產(chǎn)值21 242.0元/hm2，效益平均為12 515.4元/hm2。與常規(guī)模式相比，在水氮一體化智能灌溉模式下，冬小麥季增加產(chǎn)值2 442.4 元/hm2，增加效益3 588.5元/hm2，減少成本1 146.1元/hm2。

表3 水氮智能灌溉模式下作物經(jīng)濟(jì)效益

在水氮一體化智能灌溉模式下，夏玉米農(nóng)資投入平均為2 740.0元/hm2，其他投入平均為2 930.0元/hm2，設(shè)備損耗1 030.5元/hm2，合計(jì)成本6 700.5元/hm2，平均產(chǎn)值15 456.6元/hm2，效益平均為8 756.1元/hm2；常規(guī)模式夏玉米農(nóng)資投入平均為3 106.5元/hm2，其他投入平均為4 742.7元/hm2，合計(jì)成本7 849.2元/hm2，平均產(chǎn)值13 550.4元/hm2，效益平均為5 701.2元/hm2。與常規(guī)模式相比，在水氮一體化智能灌溉模式下，夏玉米季增加產(chǎn)值1 906.2元/hm2，增加效益3 054.9元/hm2，減少成本1 148.7元/hm2。

在水氮一體化智能灌溉模式下，夏花生農(nóng)資投入平均為6 000.0元/hm2，其他投入平均為1 480.0元/hm2，設(shè)備損耗1 030.5元/hm2，合計(jì)成本8 510.5元/hm2，平均產(chǎn)值2 4420.1元/hm2，效益平均為15 909.6元/hm2；常規(guī)模式夏花生農(nóng)資投入平均為6 234.6元/hm2，其他投入平均為3 294.9元/hm2，合計(jì)成本9 529.5元/hm2，平均產(chǎn)值21 810.7元/hm2，效益平均為12 281.2元/hm2。與常規(guī)模式相比，在水氮一體化智能灌溉模式下，夏花生季增加產(chǎn)值2 609.4元/hm2，增加效益3 628.4元/hm2，減少成本1 019.0元/hm2。

可見(jiàn)，水氮一體化智能灌溉不僅科學(xué)增加冬小麥、夏玉米和夏花生籽粒產(chǎn)量，還可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，提高產(chǎn)投比。

3 結(jié)論與討論

據(jù)實(shí)際調(diào)研，大部分作物在種植過(guò)程中，灌溉用水和各種化肥并沒(méi)有得到合理利用，水與肥料利用效率較低，不僅浪費(fèi)大量人力物力，還對(duì)環(huán)境保護(hù)與水土保持構(gòu)成嚴(yán)重威脅。本研究研發(fā)了作物水氮智能管理一體機(jī)軟硬件產(chǎn)品，形成以下結(jié)論：

(1)針對(duì)作物生產(chǎn)中水氮作業(yè)效率低等問(wèn)題，研制出作物水氮智能管理一體機(jī)；該一體機(jī)按照小麥灌溉制度和施氮方案，將氮肥用量同微噴灌的灌水時(shí)間和次數(shù)合理調(diào)配，通過(guò)水氮智能決策模型，可以實(shí)現(xiàn)作物水氮精準(zhǔn)調(diào)控。

(2)針對(duì)作物規(guī)?；a(chǎn)灌溉面積大、信息實(shí)時(shí)傳輸難、水氮?jiǎng)討B(tài)精準(zhǔn)調(diào)控手段缺乏等問(wèn)題，基于WebGIS和云架構(gòu)，構(gòu)建了作物水氮智能管理系統(tǒng)，具有定時(shí)定量的精準(zhǔn)灌溉及灌溉施肥處方生成等決策功能。利用該系統(tǒng)，農(nóng)民足不出戶就可以對(duì)農(nóng)田精準(zhǔn)施氮灌溉，而且可有效提高水氮利用效率。

(3)與常規(guī)模式比較，冬小麥—夏玉米或冬小麥—夏花生輪作季水氮一體化智能灌溉可節(jié)水25.8%，節(jié)氮23.5%。

(4)通過(guò)在河南省黃泛區(qū)農(nóng)場(chǎng)水氮智能管理設(shè)備的實(shí)地布設(shè)與試驗(yàn)應(yīng)用，驗(yàn)證了系統(tǒng)的整體性能達(dá)到設(shè)計(jì)需求，在作物生產(chǎn)中運(yùn)行穩(wěn)定，智能灌溉管理科學(xué)合理供應(yīng)作物生長(zhǎng)所需水分、氮肥，確保了作物的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。