趙春江+郭文忠

【摘要】詳細(xì)論述了中國水肥一體化裝備的特點(diǎn)，從設(shè)備的肥料通道、回液模式、水肥配比方式、控制決策、設(shè)備運(yùn)行方式、肥料形式以及管理規(guī)模等方面對水肥一體化裝備進(jìn)行了分類，并根據(jù)中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)及現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展，提出了物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化的未來發(fā)展方向和建議。

引言

中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過量灌溉施肥導(dǎo)致水肥資源浪費(fèi)、土壤酸化和水體環(huán)境污染問題突出，對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計，中國用約占世界6%的淡水資源和9%的耕地，以及30%左右的化肥，生產(chǎn)出了占世界26%的農(nóng)產(chǎn)品，養(yǎng)活了世界近20%的人口[1]?？梢娝试谥袊r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要作用，但肥料用量巨大，缺水比缺地更嚴(yán)峻，是中國農(nóng)業(yè)發(fā)展一個不可回避的現(xiàn)實問題。目前，中國農(nóng)業(yè)年用水總量約3600億m3，僅灌溉區(qū)每年缺水就在300億m3左右，而中國農(nóng)業(yè)灌溉用水利用系數(shù)只有0.3～0.4，水分生產(chǎn)率不足1 kg/m3，僅為美國、以色列等世界發(fā)達(dá)國家的1/2左右[2-3]。中國農(nóng)業(yè)化肥年施用量已超過6000萬t，約占世界總消費(fèi)量的1/3，單位面積施肥量是世界平均水平的3倍左右；為獲得高產(chǎn)而盲目大量施肥，我國肥料的當(dāng)季有效利用率平均只有30%左右，比發(fā)達(dá)國家低20%左右[4-5]。這種高耗低效的生產(chǎn)方式帶來了資源浪費(fèi)、生態(tài)退化和環(huán)境污染等系列問題，已經(jīng)成為制約中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸[1]。水肥一體化是當(dāng)今世界公認(rèn)的一項高效節(jié)水節(jié)肥農(nóng)業(yè)新技術(shù)，主要根據(jù)土壤特性和作物生長規(guī)律，利用灌溉設(shè)備同時把水分和養(yǎng)分均勻、準(zhǔn)確、定時定量地供應(yīng)給作物。發(fā)達(dá)國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)驗表明，推廣水肥一體化技術(shù)是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。因此，水肥一體化技術(shù)是發(fā)展高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重大技術(shù)，是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的“一號技術(shù)”[6]。多年實踐證明，水肥一體化是“控水減肥”的重要途徑。然而，我國當(dāng)前的水肥一體化技術(shù)推廣仍面臨著技術(shù)產(chǎn)品不夠配套、政策支持不夠全面等現(xiàn)實難題[7]。

自20世紀(jì)60年代，發(fā)達(dá)國家已大范圍推廣應(yīng)用灌溉施肥技術(shù)，并借助于控制技術(shù)與傳感器技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)了具有報警功能的MICRO-WASTER系列灌溉控制器以及HYDRA灌溉管理專家系統(tǒng)等一系列產(chǎn)品。荷蘭、以色列和日本等發(fā)達(dá)國家自20世紀(jì)60年代開始推廣應(yīng)用水肥一體化技術(shù)，如今技術(shù)已相當(dāng)成熟。中國的水肥一體化技術(shù)自1974年由墨西哥引進(jìn)滴灌設(shè)備算起，已有40多年的發(fā)展歷史。中國現(xiàn)代化設(shè)施栽培中采用的先進(jìn)灌溉設(shè)備幾乎都引自農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家，系統(tǒng)設(shè)備成本較高，以作物生長模型為設(shè)備的控制策略，不能適應(yīng)中國作物的種類、品種、栽培模式、區(qū)域、季節(jié)多樣化的復(fù)雜生長特點(diǎn)，在實際應(yīng)用時將控制策略更改為時序控制或環(huán)境參數(shù)控制。

中國也自主開發(fā)了一些自動化灌溉與施肥控制系統(tǒng)。例如，國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心開發(fā)的田間閘管灌溉系統(tǒng)，北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心基于Geen-AM可編程控制器研發(fā)的肥能達(dá)施肥裝備，中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院研制的2000型溫室自動灌溉施肥系統(tǒng)，以及天津市水利科學(xué)研究所研制的FICS-1和FICS-2型滴灌施肥智能化控制系統(tǒng)等均對我國水肥一體化設(shè)備開發(fā)及推廣發(fā)揮了積極的作用。但是，目前國內(nèi)應(yīng)用的眾多灌溉施肥裝備由于缺乏水肥的智能決策及配套系統(tǒng)技術(shù)，且基于時間控制策略與作物環(huán)境相關(guān)性不強(qiáng)，水肥決策的智能水平低，普及性并不樂觀，尤其針對規(guī)?；a(chǎn)的水肥管理，尚缺少大型園區(qū)或基地水肥綜合管理系統(tǒng)。可見，我國在水肥一體化方面急需一套成熟實用、普及廣、功能穩(wěn)定以及配套齊全的科學(xué)產(chǎn)品，特別是針對大規(guī)模生產(chǎn)基地多作物水肥管理的裝備及配套系統(tǒng)需求迫切。為推進(jìn)水肥一體化技術(shù)的發(fā)展，國家近年來相繼出臺了一系列政策：國務(wù)院印發(fā)了《國家農(nóng)業(yè)節(jié)水綱要（2012-2020）》，提出加強(qiáng)水肥一體化的集成應(yīng)用；農(nóng)業(yè)部下發(fā)《關(guān)于推進(jìn)農(nóng)田節(jié)水工作的意見》，將水肥一體化列為主推技術(shù)，要求強(qiáng)化技術(shù)集成與示范推廣；尤其是2013年和2016年農(nóng)業(yè)部辦公廳連續(xù)印發(fā)了《水肥一體化技術(shù)指導(dǎo)意見》和《推進(jìn)水肥一體化實施方案（2016-2020年）》，對中國水肥一體化的發(fā)展做出了戰(zhàn)略部署，著力推進(jìn)水肥一體化技術(shù)的本土化、輕型化和產(chǎn)業(yè)化。水肥一體化最近幾年受國家政策和經(jīng)費(fèi)的大力支持，全國各地得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水肥一體化的研究也得到了進(jìn)一步地發(fā)展。目前對水肥一體化技術(shù)及其配套裝備也有不同的認(rèn)識和分類。

水肥一體化的定義和設(shè)備的分類

根據(jù)認(rèn)識來分類

傳統(tǒng)水肥一體化技術(shù) 將可溶肥料溶解到水里，棍棒或機(jī)械攪拌，通過田間放水灌溉或田間管道，更進(jìn)一步的還通過滴灌或微噴灌等裝置均勻的進(jìn)入田間土壤中，被作物吸收利用的技術(shù)。

現(xiàn)代水肥一體化技術(shù) 通過實時自動采集作物生長環(huán)境參數(shù)和作物生育信息參數(shù)，通過模型構(gòu)建耦合作物與環(huán)境信息，智能決策作物的水肥需求，通過配套施肥系統(tǒng)，實現(xiàn)水肥一體精準(zhǔn)施入，大大提高灌水和肥料的利用效率。

根據(jù)設(shè)備肥料通道來分類

單通道水肥一體化設(shè)備 該種設(shè)備主要是針對作物需肥簡單，用于單一肥料來源設(shè)計開發(fā)的小型自動或智能灌溉施肥機(jī)，只有一個吸肥通道，結(jié)構(gòu)緊湊、便于拆卸、操作簡便、價格低廉、故障率低，可滿足單體溫室或大田作物的應(yīng)用，農(nóng)戶易掌握，推廣面積大（圖1）。

多通道水肥一體化設(shè)備 該種設(shè)備針對作物在不同生育期需肥不同，能夠及時調(diào)整肥料成分而開發(fā)的大中型灌溉施肥機(jī)。由多個吸肥通道，可設(shè)定配比比例，啟動程序和系統(tǒng)自動配比。肥料來源都是可溶解的，各組分配制溶解液儲存在儲液桶，通過管道連接對應(yīng)吸肥通道，進(jìn)入灌溉施肥機(jī)配肥，隨水進(jìn)入到田間。這種設(shè)備需要專業(yè)技術(shù)人員操作，根據(jù)不同的控制策略自動或智能運(yùn)行（圖2）。

根據(jù)回液是否處理來分類

開放式水肥一體化設(shè)備 該種設(shè)備是針對于溶解肥料或營養(yǎng)液不回收的水肥一體化系統(tǒng)開發(fā)的灌溉施肥機(jī)。多用于土壤栽培或不做回收系統(tǒng)的基質(zhì)栽培，無回收系統(tǒng)和過濾消毒凈化系統(tǒng)。

封閉式水肥一體化設(shè)備 該種設(shè)備是針對溶解肥料或營養(yǎng)液可回收的水肥一體化系統(tǒng)開發(fā)的灌溉施肥機(jī)。多用于水培、霧培或有回收系統(tǒng)的基質(zhì)栽培，需要做回收系統(tǒng)和過濾消毒凈化系統(tǒng)。過濾消毒凈化系統(tǒng)由慢砂過濾、紫外消毒、臭氧消毒、加熱消毒等功能選配組成，水肥利用率高，是一種可以實現(xiàn)零排放的水肥一體化系統(tǒng)。

根據(jù)肥料和水源的配比方式來分類

機(jī)械注入式 該方法是指在灌溉時，采用人工、泵、壓差式施肥罐或文丘里吸肥等裝置將肥料倒入或注入直接灌溉田間的小水渠或水管中，隨灌溉水使用肥料的一種措施（圖3）。

自動配肥式 該方法是指在灌溉配肥時，根據(jù)作物的灌溉施肥指標(biāo)或閾值，設(shè)定肥料配比程序，通過文丘里或施肥泵，采用工業(yè)化控制程序，控制電磁閥，實現(xiàn)肥料的自動配比，是目前常用的自動化配比方式。

智能配肥式 這種方法是根據(jù)作物生育期不同的施肥需水特征，耦合生產(chǎn)區(qū)環(huán)境因素構(gòu)建智能決策模型，經(jīng)過電腦運(yùn)行計算，智能判斷控制系統(tǒng)執(zhí)行水肥一體化設(shè)備系統(tǒng)完成灌溉施肥。近年來，采用養(yǎng)分原位監(jiān)測技術(shù)采集到的作物土壤的養(yǎng)分水分信息，對決策模型的參數(shù)進(jìn)行適時修正已經(jīng)成為重要的研究方向，也是將來水肥一體化系統(tǒng)智能化程度的重要評判依據(jù)和未來水肥一體化應(yīng)用的重要方向。

根據(jù)灌溉施肥機(jī)的控制決策來分類

經(jīng)驗決策法 該方法完全憑借生產(chǎn)者或管理者在長期工作中積累的經(jīng)驗以及解決問題所形成的慣性思維方式，對具體作物生產(chǎn)過程中水肥施用時間和用量進(jìn)行決策判斷。

時序控制法 該方法一般根據(jù)當(dāng)?shù)氐耐寥李愋?、氣候及作物的生長狀況等實際情況，由管理者或用戶對灌溉和施肥的啟動及關(guān)閉時間進(jìn)行提前設(shè)定，從時間尺度上控制水肥用量。

環(huán)境參數(shù)法 該方法通過采集環(huán)境信息，主要是光照輻射積累量或者土壤含水量，主要依據(jù)對作物生長具有重要影響的某一環(huán)境參數(shù)控制水肥的施用時間及用量，在控制程序中設(shè)定閾值，也有將多個關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)進(jìn)行耦合而實現(xiàn)水肥控制的方法。

模型決策法 該方法根據(jù)不同作物的水肥需求特征，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的灌溉施肥模型，采集田間作物生長信息和環(huán)境信息，經(jīng)過運(yùn)算形成水肥管理決策，智能控制灌溉施肥機(jī)運(yùn)行配肥和田間灌溉動作，這是最高級的控制決策方法，也是智能水肥一體化設(shè)備的重要體現(xiàn)（圖4）。

根據(jù)灌溉施肥的運(yùn)行方式來分類

固定式施肥機(jī) 將灌溉施肥機(jī)安裝在固定的地點(diǎn)，專門建造設(shè)備房，配套安裝砂石過濾、反沖洗過濾系統(tǒng)，對水質(zhì)要求高的還可以安裝凈化水裝置，通過管道網(wǎng)進(jìn)入田間。

移動式施肥機(jī) 將灌溉施肥機(jī)安裝在大型移動噴灌機(jī)上，隨著噴灌機(jī)的移動進(jìn)行灌溉施肥。也有將灌溉施肥機(jī)安裝在卡車上，分片區(qū)操作，可減少管道的鋪設(shè)或減少安裝施肥機(jī)的數(shù)量。陸紹德等[8]開發(fā)的HJYDS-1型移動式水肥藥一體化施肥車，主要由輪式拖卡車、水肥箱（高低各1個）、加壓設(shè)備等組成。該施肥機(jī)適合于面積較大的種植作物，一次性可灌溉面積更大，工效更高，可利用的范圍更廣，實用性更強(qiáng)，具有節(jié)約成本的特點(diǎn)，更適合于規(guī)?；N植基地。

根據(jù)肥料形式來分類

無機(jī)水肥一體化系統(tǒng) 該種設(shè)備是針對化學(xué)合成方法生產(chǎn)的單一型或復(fù)合型水溶性肥料的施用設(shè)計開發(fā)的水肥一體化系統(tǒng)，用于土壤栽培和無土栽培的非有機(jī)生產(chǎn)。該系統(tǒng)可配備單一吸肥通道或多個吸肥通道，分別用于復(fù)合型無機(jī)肥施用，及氮、磷、鉀等多種單一型無機(jī)肥源的配比混合施用。這種設(shè)備有利于提高勞動效率，實現(xiàn)水肥自動化、智能化管理，已在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用（圖5）。

有機(jī)水肥一體化系統(tǒng) 該種設(shè)備是針對液態(tài)有機(jī)肥源的制備和施用設(shè)計開發(fā)的，它（圖6）由有機(jī)液肥發(fā)酵子系統(tǒng)和有機(jī)灌溉液肥管理子系統(tǒng)兩部分組成，與微灌灌溉系統(tǒng)結(jié)合，在有機(jī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水肥管理中應(yīng)用。有機(jī)液肥發(fā)酵子系統(tǒng)主要包括發(fā)酵罐體、循環(huán)系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)和多級過濾系統(tǒng)等，用于制備有機(jī)液肥；有機(jī)灌溉液肥管理子系統(tǒng)包括有機(jī)灌溉液濃度控制系統(tǒng)和灌溉管理系統(tǒng)，根據(jù)灌溉策略可實現(xiàn)有機(jī)生產(chǎn)的水肥一體化、精細(xì)化和自動化管理[9]。

根據(jù)管理規(guī)模來分類

單體或小規(guī)模水肥一體化管理系統(tǒng) 這種設(shè)備主要是針對單體溫室或小面積的作物生產(chǎn)而開發(fā)的小規(guī)模灌溉施肥管理系統(tǒng)，作物種類單一，需肥簡單，可以通過吸肥泵或文丘里自動吸取生產(chǎn)人員在作物不同生育階段準(zhǔn)備的水溶肥料，在自動控制模式下根據(jù)作物生長階段、光照強(qiáng)度和土壤條件等實現(xiàn)實時、適量、自動、智能灌溉施肥。

大規(guī)模水肥一體化管理系統(tǒng) 該種設(shè)備主要是針對大面積的多種作物生產(chǎn)而開發(fā)的大規(guī)模灌溉施肥智能管理系統(tǒng)（圖7），多用于農(nóng)業(yè)園區(qū)和生產(chǎn)基地的水肥管理，需要做配肥站、儲肥罐和多個分區(qū)監(jiān)測站。可設(shè)定作物種類、啟動程序自動實現(xiàn)不同作物的肥料配比、溶解、混勻和輸送等。基于不同作物生長規(guī)律和環(huán)境條件融合的灌溉施肥決策模型，實現(xiàn)整個農(nóng)業(yè)園區(qū)或生產(chǎn)基地水肥綜合管理。

中國作物水肥一體化設(shè)備的發(fā)展方向

由于中國地域廣闊，種植的作物種類多、栽培方式多樣、栽培季節(jié)差異大、田間配套設(shè)施條件不同、管理水平高低不同，各地科研工作者或企業(yè)相繼開發(fā)了多種形式的國產(chǎn)灌溉施肥機(jī)，對水肥一體化的推廣起到了積極的作用。因此，無論從國家政策要求，還是國內(nèi)實際市場需求，研發(fā)適合中國國情的水肥一體化裝備及配套系統(tǒng)體系非常必要，這對于大力推進(jìn)中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展具有重要意義。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、信息感知技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)急速發(fā)展，也使得“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)逐漸發(fā)展起來，它綜合了多種現(xiàn)代電子信息技術(shù)，并將其綜合、完善和發(fā)展，它正以前所未有的速度應(yīng)用于社會、經(jīng)濟(jì)和人類生活各個領(lǐng)域，被稱為一場新的產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能化水肥管理提供了一種有效手段。由于美國、以色列、日本、法國、加拿大等一些國家信息技術(shù)發(fā)展早，基礎(chǔ)設(shè)施條件較好，而且從事農(nóng)業(yè)的人口少，因此農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化與精細(xì)化程度較高，在大田糧食作物種植精準(zhǔn)作業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測和灌溉施肥控制、果園生產(chǎn)的信息采集和灌溉控制、畜禽水產(chǎn)精細(xì)化養(yǎng)殖監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和精細(xì)養(yǎng)殖等方面應(yīng)用廣泛。例如：法國在2008年就已建立了較為完備的農(nóng)業(yè)區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的施肥、施藥、收獲等過程；荷蘭開發(fā)的Velos智能化母豬管理系統(tǒng)，已在荷蘭及歐美許多國家得到廣泛應(yīng)用，該系統(tǒng)具有自動管理、自動供料、自動報警和傳輸?shù)裙δ芴攸c(diǎn)[10]。美國Crossbow公司在2007年就推出了一款稱為eKo的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，主要應(yīng)用在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境的實時監(jiān)測，而且具有農(nóng)田智能灌溉、施肥驅(qū)蟲及霜凍監(jiān)測等功能[11]。國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心在農(nóng)業(yè)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究開發(fā)方面，在田間環(huán)境土壤信息獲取、變量施肥、聯(lián)合收獲機(jī)自動測產(chǎn)、農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)監(jiān)控、自動導(dǎo)航、作物水肥一體化綜合管理系統(tǒng)、農(nóng)科城建設(shè)、云平臺建設(shè)等方面已經(jīng)開發(fā)成功并推廣應(yīng)用，對我國農(nóng)業(yè)信息化和智能化的發(fā)展做出了積極的努力和貢獻(xiàn)。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，通過物聯(lián)網(wǎng)+水肥綜合管理系統(tǒng)（圖8），實時自動采集作物生產(chǎn)區(qū)環(huán)境參數(shù)和作物生育信息參數(shù)，并通過指標(biāo)決策或模型決策控制系統(tǒng)進(jìn)行智能灌溉施肥，通過對土壤水肥的精確控制實現(xiàn)水肥一體精準(zhǔn)施入，大大提高灌水和肥料的利用效率。探索大型園區(qū)或基地高效節(jié)約低耗的水肥管理模式，具有覆蓋生產(chǎn)示范園區(qū)和生產(chǎn)基地的能力，最終實現(xiàn)作物生產(chǎn)基地水肥管理的互聯(lián)互通，管理所有的“物聯(lián)網(wǎng)”精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)，建立區(qū)域性或全國性水肥管理網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地的少人化管理，降低生產(chǎn)成本，減少肥料投入，節(jié)約農(nóng)業(yè)用水，提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，提高生產(chǎn)區(qū)綜合經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)中國農(nóng)業(yè)的信息化和智能化發(fā)展。由此可見，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的作物水肥綜合管理在我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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