設(shè)施農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)水肥灌溉技術(shù)研究

吳 陽，陳 曦，譚 飛

（無錫太湖學(xué)院 智能裝備工程學(xué)院，江蘇 無錫 214064）

0 引言

中國是一個缺水國家，我國缺水的主要表現(xiàn)之一就是農(nóng)業(yè)缺水，水利是中國農(nóng)業(yè)的命脈，我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，粗放型灌溉加劇用水缺口問題，做好農(nóng)業(yè)節(jié)水成為節(jié)水工作的重中之重。雖然我國已經(jīng)采取了一些高效節(jié)水灌溉措施。但用水方式整體比較粗放，利用系數(shù)仍然偏低。水資源的匱乏，尤其是農(nóng)業(yè)灌溉水資源，是限制農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素［1］。

在傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)水肥一體化精準(zhǔn)灌溉技術(shù)，旨在及時獲取作物的表型信息、環(huán)境數(shù)據(jù)及土壤的水肥含量，以三者的結(jié)合作為依據(jù)，實現(xiàn)實時無損的作物生長監(jiān)測和精確灌溉，達(dá)到減施增效目的。從而在提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的同時，減少對環(huán)境造成的污染。

1 精準(zhǔn)水肥灌溉技術(shù)

1.1 基本概念

精準(zhǔn)水肥灌溉技術(shù)是智慧農(nóng)業(yè)的一部分。智慧農(nóng)業(yè)采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)、減少成本支出、避免資源浪費(fèi)、減少對環(huán)境帶來的污染為目的［2－5］。精準(zhǔn)水肥灌溉技術(shù)包含精確施肥和精準(zhǔn)灌溉，及時確定不同作物在各個生長階段的灌溉需水需肥量及灌溉時間，并結(jié)合噴灌、微灌和滲灌等灌溉方式實時精確灌溉，滿足作物需求的農(nóng)業(yè)灌溉措施［6］。

1.2 實施精準(zhǔn)灌溉的必要性

精準(zhǔn)灌溉與傳統(tǒng)灌溉方式的區(qū)別體現(xiàn)在水肥一體化及灌溉量的精準(zhǔn)上，而在大田環(huán)境中受氣候等周圍環(huán)境因素影響，作物生長環(huán)境變化劇烈，難以實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控，因此研究設(shè)施農(nóng)業(yè)作物精準(zhǔn)灌溉技術(shù)十分必要［7－8］。

2 研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)中水資源管理粗放。為促進(jìn)其可持續(xù)發(fā)展，提高水肥的利用效率，減少浪費(fèi)，實行精準(zhǔn)灌溉施肥，有助于作物的生長管理。目前國內(nèi)外已針對智能灌溉系統(tǒng)、營養(yǎng)液調(diào)配策略及灌溉策略進(jìn)行了相應(yīng)研究工作，研發(fā)作物施肥灌溉的精準(zhǔn)度、智能化控制技術(shù)，提高資源利用率。

2.1 灌溉系統(tǒng)研究

精準(zhǔn)水肥灌溉系統(tǒng)主要包括控制系統(tǒng)和灌溉智能決策系統(tǒng)。灌溉決策系統(tǒng)即制定灌溉策略，確定灌溉時間、周期及灌溉量。灌溉控制子系統(tǒng)根據(jù)灌溉智能決策系統(tǒng)的決策來控制實行精準(zhǔn)灌溉。

俞衛(wèi)東等［9］設(shè)計了由智能監(jiān)控系統(tǒng)、專家決策系統(tǒng)、灌溉施肥系統(tǒng)組成的智能水肥灌溉系統(tǒng)，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，從而實現(xiàn)智能化灌溉目的。袁洪波等［10］設(shè)計了一種實現(xiàn)水肥循環(huán)利用的灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)了節(jié)水、節(jié)肥的目的。張雪飛等［11］通過環(huán)境傳感精準(zhǔn)獲取設(shè)施蔬菜的全生育期的環(huán)境參數(shù)；采用水量下限以及小額灌溉的策略，小量多次的實現(xiàn)方式。

2.2 營養(yǎng)液調(diào)配策略研究

精準(zhǔn)水肥灌溉技術(shù)在灌溉的同時，將水溶性肥料溶于水中，實現(xiàn)水肥同時灌溉，利于作物對肥料的吸收。因此，除了上述介紹的灌溉系統(tǒng)研究外，營養(yǎng)液調(diào)配研究是精準(zhǔn)水肥灌溉技術(shù)研究的一個重要方面。針對營養(yǎng)液的調(diào)配過程，國內(nèi)外學(xué)者都展開了深入的研究。

灌溉施肥常以恒定的營養(yǎng)液濃度向灌溉系統(tǒng)中供肥。研究表明，肥液的電導(dǎo)率EC值能代表溶液中離子的濃度，因此可以通過測量溶液的EC值實現(xiàn)溶液濃度的間接測量?；贓C值(電導(dǎo)率）和pH值(酸堿度）的營養(yǎng)液調(diào)控方式，目前在實際生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。袁洪波等［12］設(shè)計了一種水肥一體化營養(yǎng)液調(diào)控裝備，對營養(yǎng)液的制備過程進(jìn)行精確控制。何青海等［13］設(shè)計了適用于營養(yǎng)液混合的模糊控制器用來解決肥液濃度不足的問題，實現(xiàn)了一套由多種系統(tǒng)等組成的智能水肥灌溉系統(tǒng)。

2.3 灌溉策略研究

灌溉施肥常以恒定的營養(yǎng)液濃度向灌溉系統(tǒng)中供肥，此時水肥灌溉研究就轉(zhuǎn)化為對作物需水量的研究，當(dāng)需水量確定后，所需灌溉的水肥量都會確定。作物的水分狀況可通過作物指標(biāo)直接反映出來［14］。評定作物的需水的情況可以從以下兩個指標(biāo)著手［15］：間接指標(biāo)和直接指標(biāo)。間接指標(biāo)就是指與作物生長環(huán)境的有關(guān)方面評價。直接指標(biāo)是指作物因水分虧缺而引起的生長過程中的表現(xiàn)。隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步革新，國內(nèi)外學(xué)者對作物的需水需肥情況研究進(jìn)一步深入。

2.3.1 基于作物需水量計算的水肥灌溉策略

準(zhǔn)確估計作物需水量是農(nóng)業(yè)規(guī)劃的重要組成部分。由于在作物不同生長期間，水的需求量各不相同，采用作物蒸騰量作為作物需水量。作物系數(shù)方法是廣泛用于估計作物蒸騰量的最常見和最實用的方法。作物蒸騰量ETc＝ET0×Kc［16］。

目前作物蒸騰研究主要集中在彭曼公式及其修正公式的應(yīng)用，且模型單一考慮環(huán)境參數(shù)的影響，而忽略了某些參數(shù)之間的復(fù)雜耦合性。劉浩等［17］設(shè)計了番茄蒸騰量估算模型，為番茄各個不同生長周期的灌概量提供支撐。李建明等［18］提出了一種使用預(yù)測的溫室作物參考蒸發(fā)量ET0green和作物系數(shù)Kc來實現(xiàn)對草莓日蒸騰量的預(yù)測。分別采用基于入射的太陽輻射和Makkink FAO－24方程來計算ET0green。結(jié)果顯示，來自Makkink FAO－24方程的應(yīng)用，與測量值相比結(jié)果更準(zhǔn)確。Gavilán等［19］研究了生長在西班牙海岸塑料隧道下草莓的作物系數(shù)Kc。在2014/15年度和2015/16年期間，在隧道內(nèi)外兩個氣象站提供的農(nóng)業(yè)氣候信息的基礎(chǔ)上，確定Kc值。然而，根據(jù)用于確定塑料隧道下參考蒸散量ET0的方法，觀察Kc內(nèi)部的估計差異。在Kc數(shù)據(jù)和種植天數(shù)(DAP）和生長階段(GDD）之間進(jìn)行多項式擬合，得到Kc表達(dá)式，以便為種植者提供一個有用的工具來估計作物的水需求。除Penman-Monteith公式外，有些學(xué)者加入其它因子綜合考慮需水量。如García等［20］研究不同灌溉量的影響，結(jié)果表明，隨著灌溉量的增加，甜瓜果實干物質(zhì)量呈現(xiàn)先高后低的趨勢，表明并不是灌溉量越多越好。毛罕平等［21］研究了二氧化碳和空氣循環(huán)次數(shù)對番茄幼苗光合作用和蒸騰作用的影響，在一定范圍內(nèi)增加空氣循環(huán)次數(shù)或增加二氧化碳濃度，光合作用和蒸騰作用都會增加；不考慮空氣循環(huán)時，增加二氧化碳濃度會提高水的使用效率。

2.3.2 基于作物表型分析的灌溉策略

可控環(huán)境下作物表型分宏觀和微觀兩種：宏觀指溫室植物整體表現(xiàn)，比如整體顏色變化；微觀指單株植物的局部情況，比如單葉顏色、形態(tài)和紋理。利用作物表型信息指導(dǎo)灌溉，在機(jī)器視覺方面包含器官檢測和特征提取及關(guān)聯(lián)幾個方面。作物的水分散失主要由葉片承擔(dān)，可以應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)開展作物水分虧缺狀況的診斷研究。

劉永華等［22］提出葉面積是作物生長指標(biāo)的重要反映。王丹丹等［23］建立了以番茄植株每日實時生長量和日輻熱積為自變量的日光溫室冬春巷與秋冬茬番茄灌溉模型，為日光溫室環(huán)境條件不適宜情況下的自動化灌溉提供了理論基礎(chǔ)。張芳等［24］基于葉片數(shù)增長動態(tài)調(diào)控營養(yǎng)液濃度供給的方法優(yōu)于常規(guī)基質(zhì)栽培營養(yǎng)液管理方法，為供試條件下最優(yōu)的營養(yǎng)液調(diào)控方法。李國臣等［25］在評價方法中提到圖像處理法，葉片枯萎、葉片的顏色和角度也是作物水分脅迫的結(jié)果。如通過觀察作物因缺水而導(dǎo)致顏色的變化。

灌溉施肥量不同，番茄植株的生長狀況也差異較大。呂天遠(yuǎn)等［26］根據(jù)彭曼模型確定參考蒸騰量，以此為基礎(chǔ)來確定灌溉量和施肥量。

植物器官體積變化可以用來指導(dǎo)灌溉，通常采用莖干日最大收縮量(MDS）加上莖干日增長量(DG）兩個指標(biāo)［27］，且MDS是關(guān)鍵性指標(biāo)。楊海龍等［28］將這種植物器官的變化具體指定為莖干的變化，并通過實驗驗證了由植株的莖直徑變化診斷作物水分狀況從而指導(dǎo)作物的灌溉。

3 結(jié)語

目前國內(nèi)產(chǎn)品大都采用簡單的上下限控制方式，通過檢測土壤含水量的上下限來控制灌溉，并沒有智能控制的策略。國內(nèi)目前精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)缺乏，有技術(shù)“短板”。雖然已有學(xué)者進(jìn)行了一些研究，但作為精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)核心的灌溉決策仍有待進(jìn)一步研究完善。水肥灌溉無栽培模型可依，仍靠人工管控。因此要研發(fā)作物施肥灌溉的精準(zhǔn)、智能化控制技術(shù)，實時自動開啟和關(guān)閉水肥控制泵和電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

就目前而言，與發(fā)達(dá)國家相比，我國的精準(zhǔn)灌溉技術(shù)仍存在著不小的差距，這嚴(yán)重制約了我國精準(zhǔn)灌溉技術(shù)的發(fā)展。雖然對灌溉系統(tǒng)、營養(yǎng)液調(diào)配策略及灌溉策略等進(jìn)行了一定的研究，但并沒有切實可行地應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。針對我國目前在精準(zhǔn)灌溉領(lǐng)域與其他國家之間存在的差距，應(yīng)建立精準(zhǔn)灌溉決策系統(tǒng)。