□國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心設(shè)施工程部主任、研究員 郭文忠

水肥一體化是當(dāng)前世界公認(rèn)的一項(xiàng)高效節(jié)水節(jié)肥的農(nóng)業(yè)新技術(shù)，主要根據(jù)土壤特性和作物生長(zhǎng)規(guī)律，利用灌溉設(shè)備同時(shí)把水分和養(yǎng)分均勻、準(zhǔn)確、定時(shí)定量地供應(yīng)給作物。近年來，為了推行水肥一體化技術(shù)，我國(guó)出臺(tái)了一系列政策、農(nóng)業(yè)部下發(fā)了一系列文件。水肥一體化得到了我國(guó)政策和經(jīng)濟(jì)上的大力支持，也得到了廣泛的運(yùn)用。

水肥一體化技術(shù)的發(fā)展

自20世紀(jì)60年代，發(fā)達(dá)國(guó)家已大范圍推廣應(yīng)用灌溉施肥技術(shù)，荷蘭、以色列和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家如今技術(shù)相當(dāng)成熟。我國(guó)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，也有近40年的發(fā)展歷史。最初我國(guó)幾乎所有大型設(shè)備都從發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)，但由于國(guó)內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域都是比較復(fù)雜的，這些設(shè)備要適應(yīng)我國(guó)農(nóng)業(yè)環(huán)境比較困難。隨著科技的發(fā)展，我國(guó)也根據(jù)實(shí)際需求自主研發(fā)了一些適用于國(guó)內(nèi)的自動(dòng)化灌溉和水肥供給系統(tǒng)，并在生產(chǎn)中得到了應(yīng)用。

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的眾多灌溉施肥裝備缺乏水肥的智能決策及配套系統(tǒng)技術(shù)，且基于時(shí)間控制策略與作物環(huán)境相關(guān)性不強(qiáng)、水肥決策的智能化水平低、普及性并不樂觀，尤其針對(duì)規(guī)?；a(chǎn)區(qū)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)?？梢?，我國(guó)在水肥一體化方面急需一套成熟實(shí)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(duì)大規(guī)模生產(chǎn)基地多作物水肥管理的裝備及配套需求迫切。

水肥一體化設(shè)備分類眾多

水肥一體化裝備根據(jù)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類，主要有以下分類標(biāo)準(zhǔn)：

根據(jù)認(rèn)識(shí)分類，可分為傳統(tǒng)水肥一體化技術(shù)和現(xiàn)代水肥一體化技術(shù)。傳統(tǒng)水肥一體化技術(shù)是將可溶肥料溶解到水里，使用棍棒或機(jī)械攪拌，通過田間放水灌溉或田間管道，更進(jìn)一步的還通過添加的滴灌或微噴灌等裝置均勻地進(jìn)入田間土壤中，被作物吸收利用?，F(xiàn)代水肥一體化技術(shù)則通過實(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)，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(shí)現(xiàn)水肥一體精準(zhǔn)施入。

根據(jù)設(shè)備施肥通道分類，分為單通道水肥一體化設(shè)備和多通道水肥一體化設(shè)備。單通道水肥一體化設(shè)備主要是針對(duì)作物需肥簡(jiǎn)單，用于單一肥料來源設(shè)計(jì)開發(fā)的小型自動(dòng)或智能灌溉施肥機(jī)，只有一個(gè)吸肥通道，結(jié)構(gòu)緊湊，便于拆卸，操作簡(jiǎn)便，價(jià)格低廉，故障率低。多通道水肥一體化設(shè)備針對(duì)作物在不同生育期需肥不同能夠及時(shí)調(diào)整肥料成分而開發(fā)的大中型灌溉施肥機(jī)，由多個(gè)吸肥通道，可設(shè)定配比比例，啟動(dòng)程序和系統(tǒng)自動(dòng)配比。

根據(jù)回液是否處理，可分為開放式水肥一體化設(shè)備和封閉式水肥一體化設(shè)備。開放式水肥一體化設(shè)備是針對(duì)溶解肥料或營(yíng)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)備針對(duì)于溶解肥料或營(yíng)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)。

根據(jù)肥料和水源的配比方式來分類，可分為機(jī)械注入式設(shè)備、自動(dòng)配肥式設(shè)備和智能配肥式設(shè)備。機(jī)械注入式是指在灌溉時(shí)，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。自動(dòng)配肥式是在灌溉配肥時(shí)，根據(jù)作物的灌溉施肥的指標(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(shí)現(xiàn)肥料的自動(dòng)配比，是目前常用的自動(dòng)化配比方式。智能配肥式是根據(jù)作物的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(jì)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。

根據(jù)灌溉施肥機(jī)的控制決策來分類，有經(jīng)驗(yàn)決策法、時(shí)序控制法、環(huán)境參數(shù)法和模型決策法。經(jīng)驗(yàn)決策法完全憑借生產(chǎn)者/管理者在長(zhǎng)期工作中積累的經(jīng)驗(yàn)以及解決問題所形成的慣性思維方式，對(duì)具體作物生產(chǎn)過程中水肥施用時(shí)間和用量的決策判斷。時(shí)序控制法一般則根據(jù)當(dāng)?shù)氐耐寥李愋?、氣候及作物的生長(zhǎng)狀況等實(shí)際情況，由管理者/用戶對(duì)灌溉和施肥的啟動(dòng)及關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行提前設(shè)定，從時(shí)間尺度上控制水肥用量。環(huán)境參數(shù)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(duì)作物生長(zhǎng)具有重要影響的某一環(huán)境參數(shù)控制水肥的施用時(shí)間及用量，在控制程序中設(shè)定閾值，也有將多個(gè)關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)進(jìn)行耦合而實(shí)現(xiàn)水肥控制的方法。模型決策法根據(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(zhǎng)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(dòng)作，這是最高級(jí)的控制決策方法，也是智能水肥一體化設(shè)備重要體現(xiàn)。

根據(jù)灌溉施肥的運(yùn)行方式來分類，有將灌溉施肥機(jī)安裝在大型移動(dòng)噴灌機(jī)，隨著噴灌機(jī)的移動(dòng)進(jìn)行灌溉施肥，也有灌溉施肥機(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。

根據(jù)肥料形式來分類，存在無機(jī)水肥一體化系統(tǒng)和有機(jī)水肥一體化系統(tǒng)。無機(jī)水肥一體化系統(tǒng)是針對(duì)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(jì)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)中。該系統(tǒng)可配備單一吸肥通道或多個(gè)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。有機(jī)水肥一體化系統(tǒng)是針對(duì)液態(tài)有機(jī)肥源的制備和施用設(shè)計(jì)開發(fā)的，它由有機(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(jí)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)管理規(guī)模來分類，存在單體或小規(guī)模水肥一體化管理系統(tǒng)和大規(guī)模水肥一體化管理系統(tǒng)。單體或小規(guī)模水肥一體化管理系統(tǒng)主要是針對(duì)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(jiǎn)單，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)作物不同生育階段的肥料配比，在自動(dòng)控制模式下根據(jù)作物生長(zhǎng)階段、光照強(qiáng)度和土壤條件等實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、適量、自動(dòng)、智能灌溉施肥。大規(guī)模水肥一體化管理系統(tǒng)主要是針對(duì)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)，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(chǔ)肥罐和多個(gè)分區(qū)監(jiān)測(cè)站；可設(shè)定作物種類、啟動(dòng)程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同作物的肥料配比、溶解、混勻和輸送等。這種設(shè)備基于不同作物生長(zhǎng)規(guī)律和環(huán)境條件融合的灌溉施肥決策模型，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)農(nóng)業(yè)園區(qū)或生產(chǎn)基地水肥綜合管理。

未來，水肥一體化發(fā)展方向?yàn)椋旱谝?，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)和水肥智能管理，使用指標(biāo)決策和邏輯決策共同構(gòu)建大規(guī)模水肥一體化管理系統(tǒng)。第二，探索大型園區(qū)或基地高效節(jié)約低耗的水肥管理模式，實(shí)現(xiàn)作物生產(chǎn)基地的水肥管理的互聯(lián)互通。第三，建立區(qū)域性或全國(guó)性水肥管理網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的信息化和智能化發(fā)展。