大型智能水肥一體化系統(tǒng)在設(shè)施草莓種植中的應(yīng)用

張傳帥，徐嵐俊，李小龍，王尚君，陳 華，劉婞韜，孫夢(mèng)遙，武 昌

(1.北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站，北京 100079； 2.北京市昌平區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站，北京 102299)

0 引言

水肥管理是日光溫室蔬菜種植中的重要環(huán)節(jié)，直接影響著作物各階段生長(zhǎng)狀態(tài)[1-2]。研究表明，精準(zhǔn)的水肥管理可以提高作物品質(zhì)和作物產(chǎn)量，日光溫室蔬菜的水肥管理農(nóng)藝要求也越來(lái)越精細(xì)。目前日光溫室水肥管理普遍依靠傳統(tǒng)文丘里吸肥器和手動(dòng)操作，難以實(shí)現(xiàn)水肥管理的自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)積累，配套智能水肥一體化管理系統(tǒng)的比例較小[3-4]。北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū)從業(yè)者老齡化嚴(yán)重，50歲以上占比78.3%，灌溉施肥量主要靠經(jīng)驗(yàn)確定，占比95%以上，水肥管理粗放[5]。目前，亟需推動(dòng)智能水肥一體化管理系統(tǒng)的普及，提高日光溫室農(nóng)機(jī)智能裝備水平，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提質(zhì)增效，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。

目前，國(guó)內(nèi)外在智能設(shè)施水肥管理技術(shù)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛和深入，市場(chǎng)上也涌現(xiàn)出較多相關(guān)設(shè)備。趙倩等[6]開(kāi)發(fā)了具有自動(dòng)和半自動(dòng)灌溉模式的單體日光溫室水肥一體化控制系統(tǒng)，在自動(dòng)灌溉模式下，可基于土壤濕度和環(huán)境因子啟動(dòng)灌溉施肥設(shè)備，并設(shè)定灌溉量和肥液濃度，實(shí)現(xiàn)智能化灌溉模式。李友麗等[7]開(kāi)發(fā)了有機(jī)栽培水肥一體化系統(tǒng)，集成了有機(jī)肥液制備、肥料配比和自動(dòng)灌溉功能，通過(guò)發(fā)酵系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和灌溉系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)栽培的營(yíng)養(yǎng)液制備和管理的一體化。岳煥芳等[8]對(duì)北京派得偉業(yè)公司研發(fā)的基于土壤水分和回液電導(dǎo)率的灌溉施肥系統(tǒng)和北京市紫藤連線(xiàn)科技有限公司研發(fā)的基于光輻射的灌溉施肥系統(tǒng)進(jìn)行了番茄溫室種植試驗(yàn)，結(jié)果表明，在兩套系統(tǒng)管理下，番茄的長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量均優(yōu)于傳統(tǒng)管理方式，智能化灌溉施肥管理具有較好的應(yīng)用前景。袁洪波等[9]和李莉等[10]采用中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的CAUA-12型水肥一體化灌溉系統(tǒng)，開(kāi)展了番茄、草莓等作物的試驗(yàn)，采用灌溉水循環(huán)、智能化灌溉等手段，水分利用效率顯著提升。江新蘭等[11]設(shè)計(jì)的水肥一體化云灌溉系統(tǒng)，引進(jìn)兩線(xiàn)解碼技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同區(qū)域環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采集，科學(xué)計(jì)算作物水肥需求和設(shè)計(jì)灌溉施肥制度，實(shí)現(xiàn)了水肥的智能控制。此外，還有眾多機(jī)構(gòu)和企業(yè)開(kāi)發(fā)了多種形式的智能溫室灌溉施肥系統(tǒng)，針對(duì)不同蔬菜開(kāi)展了試驗(yàn)和應(yīng)用[12]。廣大科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的參與，促進(jìn)了智能水肥一體化系統(tǒng)的研發(fā)，為農(nóng)業(yè)種植園區(qū)提供了更多的選擇，也為該技術(shù)的普及奠定了基礎(chǔ)。

結(jié)合設(shè)施園區(qū)現(xiàn)狀，利用課題組設(shè)計(jì)的智能水肥一體化系統(tǒng)，本文開(kāi)展草莓種植試驗(yàn)，旨在探索該系統(tǒng)在灌溉施肥操作、作物產(chǎn)量、灌溉施肥環(huán)節(jié)勞動(dòng)效率及勞動(dòng)強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)效益、故障率及適用性等方面性能指標(biāo)，最后通過(guò)研究分析和總結(jié)，為設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化灌溉施肥技術(shù)的推廣和發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)條件及材料

試驗(yàn)地點(diǎn)為北京市昌平區(qū)萬(wàn)德草莓園設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū)，園區(qū)建有23棟日光溫室，位于北緯40°18′，東經(jīng)116°36′，年平均氣溫11.8 ℃，冬季最低氣溫可達(dá)-10 ℃。

智能水肥一體化系統(tǒng)包括水源供給、執(zhí)行及監(jiān)測(cè)、配肥及控制、溫室內(nèi)調(diào)節(jié)控制等硬件機(jī)構(gòu)，以及現(xiàn)場(chǎng)操作平臺(tái)軟件和手機(jī)APP軟件。系統(tǒng)中的水肥控制主機(jī)為天津綠視野公司生產(chǎn)，型號(hào)AX150，系統(tǒng)覆蓋23棟日光溫室，單棟溫室長(zhǎng)65 m，寬8 m，面積520 m2。種植品種均為草莓，東西向種植，土壤栽培。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及種植管理

水肥及產(chǎn)量數(shù)據(jù)采用1號(hào)溫室數(shù)據(jù)。1號(hào)試驗(yàn)溫室草莓品種為白雪公主，壟距0.8 m，株距15 cm，種植密度為70 500株/hm2。草莓為2019年8月30日定植，2020年5月20日拉秧，生長(zhǎng)期265 d。

以2019—2020年度應(yīng)用智能水肥一體化管理系統(tǒng)的園區(qū)越冬草莓為試驗(yàn)組，以2018—2019年度應(yīng)用傳統(tǒng)文丘里吸肥器的園區(qū)越冬草莓為對(duì)照組。由于傳統(tǒng)管理方式無(wú)法記錄數(shù)據(jù)，無(wú)法獲取歷年水肥管理數(shù)據(jù)，因此安裝設(shè)備后的第一茬草莓未進(jìn)行水肥施用量和次數(shù)優(yōu)化。管理人員與往年相同，灌溉施肥次數(shù)、每次灌溉用水量和施肥量均按照往年經(jīng)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌溉施肥對(duì)比

試驗(yàn)溫室草莓種植生長(zhǎng)期內(nèi)累計(jì)灌溉48次，灌溉用水量110.4 m3，平均每次灌溉量2.3 m3，1 kg草莓需要灌溉水85.4 L，水分利用效率0.011 7 kg/L。生長(zhǎng)期內(nèi)灌溉施肥次數(shù)及用量如表1所示，其中日期為1—5月的灌溉與施肥發(fā)生在2020年度，9—12月的灌溉與施肥發(fā)生在2019年度。

種植中使用的肥料均為水溶肥，以圣誕樹(shù)水溶肥、氨基酸微量元素水溶肥、氨基酸水溶肥、大量元素水溶性肥料為主，主要成分為N、P、K復(fù)合肥，配比有差別，差異在于摻有不同的大量元素、微量元素、氨基酸，并少量施用EM益生菌。根據(jù)園區(qū)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，自行配麻渣餅浸泡液，其施用量較少。

表1中施肥量?jī)H統(tǒng)計(jì)用量較大的水溶肥。累計(jì)施肥27次，共計(jì)68 kg，每1 kg草莓平均施用水溶肥52.6 g。

表1 生長(zhǎng)期內(nèi)灌溉施肥次數(shù)及用量Tab.1 Times and amount of irrigation and fertilization in growth period

采用傳統(tǒng)文丘里吸肥器時(shí)，每次灌溉量難以精確計(jì)量，存在因遺忘導(dǎo)致灌溉量過(guò)大現(xiàn)象；施肥時(shí)，操作人員先將水溶肥攪拌溶解后倒入文丘里吸肥器肥料桶內(nèi)，易出現(xiàn)肥料遺撒現(xiàn)象，因其偶然性，無(wú)法定量測(cè)算遺撒量，根據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)，估算肥料浪費(fèi)率應(yīng)在5%以上。應(yīng)用智能水肥一體化技術(shù)后，灌溉量可精確控制，并杜絕了肥料遺撒浪費(fèi)。

2.2 產(chǎn)量對(duì)比

2018—2019年度，1號(hào)溫室草莓產(chǎn)量為1 344 kg，種植面積520 m2，單產(chǎn)為25 846 kg/m2。2019—2020年度該溫室產(chǎn)量為1 293 kg，但由于1號(hào)溫室內(nèi)耳房一側(cè)硬化區(qū)放置設(shè)備占用了28 m2，實(shí)際試驗(yàn)種植區(qū)域?yàn)?92 m2，單產(chǎn)為26 280 kg/m2。對(duì)比上述數(shù)據(jù)，該園區(qū)增產(chǎn)434 kg/m2，增產(chǎn)幅度為1.7%。

由于管理人員、管理方式、水肥施用時(shí)間間隔和施用量均無(wú)較大改變，產(chǎn)量自然沒(méi)有較大變化。但是，使用智能水肥一體化管理系統(tǒng)后，肥料均勻性有所提升，可以保證灌溉時(shí)間都集中在上午，智能水肥一體化管理系統(tǒng)增加了灌溉水壓，提升了溫室內(nèi)不同區(qū)域的灌溉均勻性，這些因素對(duì)溫室草莓產(chǎn)量都有提升作用。

2.3 灌溉施肥環(huán)節(jié)勞動(dòng)效率及勞動(dòng)強(qiáng)度對(duì)比

針對(duì)設(shè)施園區(qū)23棟日光溫室，分別對(duì)比使用智能水肥一體化系統(tǒng)和傳統(tǒng)文丘里吸肥器在灌溉施肥環(huán)節(jié)的勞動(dòng)效率。傳統(tǒng)文丘里吸肥器的勞動(dòng)效率采用園區(qū)未安裝智能水肥一體化系統(tǒng)的其他溫室數(shù)據(jù)，沒(méi)有動(dòng)力增壓，均由專(zhuān)人負(fù)責(zé)全園區(qū)灌溉施肥。

(1)按傳統(tǒng)方式灌溉及施肥時(shí)，工人每次同時(shí)進(jìn)行兩棟溫室灌溉施肥，需要人工提前完成配肥等準(zhǔn)備工作，包括稱(chēng)量、攪拌和向肥料桶倒入肥料，每?jī)蓷潨厥遗浞屎臅r(shí)19 min，中途需要不斷查看文丘里吸肥器及肥料桶中肥料情況，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)測(cè)算，每?jī)蓷潨厥夜喔葧r(shí)長(zhǎng)平均耗時(shí)25 min；文丘里吸肥器吸肥壓力較小，中途需要打開(kāi)肥桶桶蓋多次查看水溶肥施用情況，并進(jìn)行攪拌，需要現(xiàn)場(chǎng)往返查看。完成23棟溫室的灌溉施肥大約需要工人實(shí)際勞動(dòng)420 min。

(2)在應(yīng)用小型智能水肥一體化設(shè)備后，灌溉壓力增加，每次可同時(shí)灌溉4棟溫室，通過(guò)一次性設(shè)置輪灌模式，可完成全園區(qū)自動(dòng)化灌溉施肥，設(shè)備開(kāi)啟后，可自動(dòng)輪灌，每次總耗時(shí)30 min，工人在水肥設(shè)備管理泵房統(tǒng)一配置肥料，并進(jìn)行中途巡視查看。23棟溫室配肥耗時(shí)19 min，完成23棟溫室輪灌大約需要工人實(shí)際勞動(dòng)49 min。

(3)在僅灌溉工況下，完成23棟溫室的灌溉，采用傳統(tǒng)文丘里方式耗時(shí)大約為300 min，采用智能水肥一體化設(shè)備耗時(shí)為30 min。

綜上，按照該園區(qū)同時(shí)灌溉施肥27次，單獨(dú)灌溉21次的實(shí)際情況計(jì)算，在灌溉施肥環(huán)節(jié)，采用傳統(tǒng)文丘里吸肥器，園區(qū)每棟溫室總耗時(shí)342.6 h；采用智能水肥一體化技術(shù)，園區(qū)每棟溫室總耗時(shí)28.5 h。對(duì)比兩種技術(shù)，智能水肥一體化技術(shù)的灌溉施肥勞動(dòng)效率提升了12倍；勞動(dòng)強(qiáng)度明顯降低，不僅減少了人員操作，也相應(yīng)減少了這些操作對(duì)草莓生長(zhǎng)環(huán)境的干擾。

2.4 適用性

從降低勞動(dòng)強(qiáng)度、設(shè)備故障率、園區(qū)認(rèn)可度等方面綜合評(píng)價(jià)智能水肥一體化系統(tǒng)的適用性。在一茬越冬草莓的種植試驗(yàn)中，智能水肥一體化系統(tǒng)灌溉施肥48次，未發(fā)生過(guò)設(shè)備故障，系統(tǒng)性能良好。操作人員反饋，應(yīng)用智能水肥一體化系統(tǒng)后，系統(tǒng)輪灌模式設(shè)計(jì)合理，灌溉操作自動(dòng)化水平高、操作方便，定時(shí)灌溉施肥功能實(shí)用性強(qiáng)；不再需要頻繁攪拌肥料、查看肥料溶解情況，減少了費(fèi)時(shí)費(fèi)力的勞動(dòng)；新設(shè)備操作干凈整潔，勞動(dòng)強(qiáng)度降低，相對(duì)傳統(tǒng)臟亂差的操作環(huán)境，年輕人認(rèn)可度較高。綜合園區(qū)反饋及應(yīng)用表現(xiàn)證明，該設(shè)備適用性較好。

2.5 經(jīng)濟(jì)效益

灌溉施肥系統(tǒng)成本中，系統(tǒng)設(shè)備成本(包括執(zhí)行及監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)、配肥、控制機(jī)構(gòu)及安裝費(fèi)用)成本為3.0萬(wàn)元。每棟溫室電磁閥、真空破壞閥等成本為500元。按照系統(tǒng)配套標(biāo)準(zhǔn)，溫室管道需要重新施工鋪設(shè)，溫室管道及施工成本為每棟2 500元，若園區(qū)原鋪設(shè)管道符合要求，可省去該費(fèi)用。安裝灌溉施肥系統(tǒng)可享受農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼1.5萬(wàn)元。綜上，該系統(tǒng)前期總投入成本為8.4萬(wàn)元。系統(tǒng)的年維修維護(hù)費(fèi)用按照系統(tǒng)總投入1%計(jì)，每年840元。根據(jù)設(shè)備功率和運(yùn)行時(shí)間估算，每年電量預(yù)計(jì)1 180 kW·h，電費(fèi)價(jià)格0.5元/(kW·h)，電費(fèi)為590元。按照使用壽命10年，忽略殘值，則每年系統(tǒng)費(fèi)用估算為8 543元。

采用傳統(tǒng)的文丘里吸肥器，每棟溫室配套成本為200元，溫室管道及施工鋪設(shè)成本為2 500元，按照使用壽命15年估算，忽略殘值，則每年園區(qū)平均費(fèi)用為4 140元。

綜上，在灌溉設(shè)備硬件投入方面，智能水肥一體化管理系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)的文丘里吸肥器投入增加4 403元。

在灌溉施肥環(huán)節(jié)節(jié)省人工方面，按照工人每天工作8 h計(jì)算，應(yīng)用智能水肥一體化系統(tǒng)后，節(jié)省人工39.2 d。按照該園區(qū)平均每月人工工資3 425元的標(biāo)準(zhǔn)，每年可節(jié)省人工費(fèi)用4 400元。

在草莓增產(chǎn)效益方面，按照增產(chǎn)434 kg/m2，按照該地域草莓售價(jià)60元/kg估算(以下同)，該園區(qū)銷(xiāo)售收入增加31 071元。

在計(jì)算灌溉施肥系統(tǒng)成本、人工成本和增產(chǎn)效益的情況下，應(yīng)用智能水肥一體化系統(tǒng)后，該園區(qū)每年可提高經(jīng)濟(jì)效益31 067元，折算為26 037元/hm2。

3 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)日光溫室使用的文丘里吸肥器相比，智能水肥一體化管理系統(tǒng)可改變灌溉施肥管理方式，表現(xiàn)出如下特點(diǎn)。

(1)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。試驗(yàn)結(jié)果表明，在園區(qū)灌溉施肥環(huán)節(jié)，勞動(dòng)生產(chǎn)率可提高12倍，勞動(dòng)生產(chǎn)率和勞動(dòng)舒適度均顯著提升。

(2)提高資源利用率。傳統(tǒng)管理方式依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)，受人員影響較大，不同溫室間的管理差異大。智能水肥一體化管理系統(tǒng)可將勞動(dòng)人員積累的豐富經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為數(shù)字化設(shè)置，實(shí)現(xiàn)水肥的精準(zhǔn)定量供給，為實(shí)現(xiàn)智能化灌溉施肥管理策略提供技術(shù)支撐。針對(duì)草莓、番茄等作物的試驗(yàn)表明，通過(guò)水肥耦合對(duì)比試驗(yàn)，可不斷優(yōu)化水肥管理方式，減少不必要的水肥施用，提高水資源、肥料的利用效率，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)肥[2，3，8，12]。

(3)提高土地產(chǎn)出率。智能水肥一體化管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水肥精準(zhǔn)調(diào)控和管理方式的不斷優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)水肥按需精準(zhǔn)施用，防止發(fā)生水肥施用時(shí)多時(shí)少的情況，從而保障和提高作物的產(chǎn)量與品質(zhì)。

(4)提高經(jīng)濟(jì)效益。智能水肥一體化管理系統(tǒng)前期經(jīng)濟(jì)投入較大，但在經(jīng)營(yíng)較好的規(guī)模化農(nóng)業(yè)園區(qū)中，在計(jì)算灌溉施肥系統(tǒng)成本、人工成本和增產(chǎn)效益的情況下，應(yīng)用智能水肥一體化系統(tǒng)后，該園區(qū)每年可提高經(jīng)濟(jì)效益26 037 元/hm2。與起壟、移栽等環(huán)節(jié)人工成本相比，智能系統(tǒng)成本投入占比并不高。而且，系統(tǒng)應(yīng)用后，水肥管理人工費(fèi)用、水溶肥費(fèi)用會(huì)降低，作物產(chǎn)量和品質(zhì)會(huì)提高，從而帶動(dòng)銷(xiāo)售收入提升。整體而言，園區(qū)經(jīng)濟(jì)效益會(huì)有提升，并有助于園區(qū)向高端品牌發(fā)展。

(5)提高生態(tài)效益。目前，北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)灌溉主要采用地下水，暫不收取費(fèi)用，灌溉精準(zhǔn)調(diào)控有助于減少地下水使用量，也會(huì)降低溫室濕度，從而減少部分病蟲(chóng)害的發(fā)生及農(nóng)藥施用量。此外，智能水肥一體化管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)基質(zhì)栽培、工廠(chǎng)化生產(chǎn)等高端農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式的必要設(shè)備，未來(lái)將會(huì)實(shí)現(xiàn)廢液回收處理、灌溉水循環(huán)利用，從而杜絕肥料及農(nóng)藥污染土壤和地下水。

目前，智能水肥一體化管理系統(tǒng)發(fā)展仍存在設(shè)備成本高、設(shè)備水平參差不齊、適用性有待提升等問(wèn)題，導(dǎo)致應(yīng)用比例不高。隨著勞動(dòng)力短缺嚴(yán)重、農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼政策的完善、技術(shù)設(shè)備水平逐步提升，智能水肥一體化系統(tǒng)的應(yīng)用普及將逐步加快。