江景濤，楊然兵，張 健，李俊良，李曉波，楊文卿

(青島農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，山東 青島 266109)

0 引言

水肥一體化技術(shù)憑借節(jié)水、節(jié)肥、增產(chǎn)和環(huán)保的優(yōu)勢，在我國農(nóng)業(yè)中得到迅速發(fā)展。水分和養(yǎng)分的合理供給和平衡供應(yīng)是保證作物健康生長、提高產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。標準的水肥投入比例是馬鈴薯中間管理環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。雖然目前市場上有諸多先進的水肥一體化設(shè)備，但是由于缺乏技術(shù)規(guī)程，在實際的生產(chǎn)中仍然存在許多的不合理操作，造成水肥濃度不均勻、系統(tǒng)運行不穩(wěn)定和系統(tǒng)使用壽命減少等?；诖耍疽?guī)程結(jié)合實際的生產(chǎn)需求，闡述了智能馬鈴薯水肥一體化系統(tǒng)的術(shù)語和定義，制定了智能馬鈴薯水肥一體化系統(tǒng)的設(shè)施要求、硬件系統(tǒng)操作規(guī)程、軟件系統(tǒng)操作規(guī)程、播種和設(shè)施維護等，為廣大馬鈴薯種植用戶提供了合理的技術(shù)參考[1]。

1 規(guī)范性引用文件

以下引用的文件對于本規(guī)程的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本規(guī)程。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規(guī)程[2]。

GB 4285《農(nóng)藥安全使用標準》；GB 5084《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》；GB/T 8321《農(nóng)藥合理使用準則(一)—(九)》；GB/T 10002.1《給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》；GB/T 10002.2《給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管件》；GB/T 13664《低壓輸水灌溉用硬聚乙烯(PVC-U)管材》；GB 18133《馬鈴薯種薯》；NY/T 391《綠色食品產(chǎn)地環(huán)境技術(shù)條件》；NY/T 393《綠色食品：農(nóng)藥使用準則》；NY/T 394《綠色食品：肥料使用準則》；NY/T 496《肥料合理使用準則通則》；NY 525《有機肥料》；NY 1106《含腐植酸水溶肥料》；NY 1107《大量元素水溶肥料》；NY/T 1276《農(nóng)藥安全使用規(guī)范總則》；NY 1428《微量元素水溶肥料》；NY 1429《含氨基酸水溶肥料》；NY 2266《中量元素水溶肥料》；NY/T 2624《水肥一體化技術(shù)規(guī)范總則》；NY/T 5010《無公害農(nóng)產(chǎn)品：種植業(yè)產(chǎn)地環(huán)境條件》；NY5221 《無公害食品 薯芋類蔬菜標準》。

2 術(shù)語和定義

2.1 微灌

微灌是指利用微灌系統(tǒng)，將灌溉水輸送、分配到田間，通過灌水器以微小的流量濕潤作物根部附近土壤的一種局部灌水技術(shù)。

2.2 水肥一體化

水肥一體化是指根據(jù)作物需求，對農(nóng)田水分和養(yǎng)分進行綜合調(diào)控和一體化管理，以水促肥、以肥調(diào)水，實現(xiàn)水肥耦合的技術(shù)，可全面提升農(nóng)田水肥利用效率。該項技術(shù)通常需借助于微灌系統(tǒng)，將灌溉和施肥結(jié)合起來，以微灌系統(tǒng)中的水為載體，在灌溉的同時進行施肥，實現(xiàn)水和肥一體化的利用和管理，使水和肥料在土壤中以優(yōu)化的組合狀態(tài)供應(yīng)給作物吸收利用[3]。

2.3 農(nóng)家肥料

農(nóng)家肥料指含有動植物殘體和排泄物等生物物質(zhì)的肥料，它們不會對環(huán)境和作物產(chǎn)生不良影響。農(nóng)家肥料在制備過程中，必須經(jīng)無害化處理，以殺滅各種寄生蟲卵、病原菌和雜草種子，去除有害有機酸和有害氣體，達到相關(guān)衛(wèi)生標準[4]。農(nóng)家肥料主要包括堆肥、漚肥、灰肥、廄肥、沼氣肥和餅肥等。

2.4 商品有機肥

商品有機肥指主要來源于植物和(或)動物，施于土壤，以供植物營養(yǎng)為其主要功能的含碳物料，其氮、磷、鉀3種養(yǎng)分的總含量在5%以上，有機質(zhì)含量在45%以上。

2.5 水溶肥料

水溶肥料指易溶于水的肥料，經(jīng)水溶解或稀釋后，用于灌溉施肥、葉面施肥、無土栽培和浸種蘸根等用途的液體或固體肥料，包括大、中、微量元素及含腐植酸、含氨基酸等類型[5]。

3 操作規(guī)程

3.1 主機啟動前規(guī)程

3.1.1 系統(tǒng)運行前的準備

運行前需要檢測系統(tǒng)是否按照設(shè)計要求安裝到位，檢測系統(tǒng)的水肥一體化主機和各種顯示儀表是否正常，重點檢測主管道上的壓力表和肥料濃度傳感器的物理連接是否可靠牢固，檢測輸水管道是否正常，對損壞和漏水的管段進行修復替換。

3.1.2 檢測水泵與電機

檢測水泵與電機所顯示的電壓頻率是否與供電電壓相符，檢測電機外殼是否可靠牢固，是否有漏油現(xiàn)象。

3.1.3 檢測過濾器設(shè)備

設(shè)備運行之前，重點檢測自動反沖洗疊片過濾器和自動反沖洗砂石過濾器與主管道的連接是否可靠，檢測自動反沖洗控制器是否啟動正常，以確保過濾器可以進行延時反沖洗。

3.1.4 檢測母液桶

檢測母液桶零部件是否與水肥一體化系統(tǒng)連接可靠牢固，查看母液桶中是否存在上次未使用完的肥料，以及是否有藻類等物質(zhì)的產(chǎn)生，若有藻類等固體物，在設(shè)備運至吸肥之前，必須清除，防止堵塞水肥一體化系統(tǒng)。

3.1.5 檢查供電柜

檢查供電柜是否有電線松動，接地保護是否正常，絕緣漆包線是否有脫落。

3.2 設(shè)備使用操作規(guī)程

3.2.1 水泵啟動規(guī)程

在水泵啟動之前，首先關(guān)閉總閥門，并打開準備灌水的管道上所有的排氣閥門，然后啟動水泵向主管道中緩慢地注水，啟動后觀察設(shè)備運轉(zhuǎn)是否正常，是否有異常聲音，在確認正常啟動的情況下，開啟控制田間灌溉的所有主管道閥門。在設(shè)備進行正常的運轉(zhuǎn)后，觀察壓力表的數(shù)值是否正常，并且到田間巡回檢查灌區(qū)支管道、毛管道及灌水器是否有漏水卸壓現(xiàn)象[6-7]。

3.2.2 灌水系統(tǒng)操作規(guī)程

首次使用水肥一體化系統(tǒng)時，必須進行管道沖水沖洗，禁止在系統(tǒng)首次運行時進行混肥操作。沖水前應(yīng)該開啟排污閥門和進排氣閥，關(guān)閉所有的控制閥門，在沖水時，應(yīng)重點觀察排氣裝置是否正常排氣，防止因排氣裝置工作不良而導致的混肥效果不佳，管道沖洗結(jié)束后應(yīng)緩慢關(guān)閉泄水閥們[8]。在單次水肥混合灌溉結(jié)束后，要對管道系統(tǒng)進行沖洗，清除掉殘留在各級管道中的肥料，在各級管道清洗結(jié)束之后，應(yīng)充分排凈水分，把堵頭回裝。在初次灌水時，由于土壤團粒疏松，水滴容易直接順著土塊空襲流到溝中，沒有在土壤的橫截面橫向濕潤，所以要短時間、多次、間歇性地灌水，讓土壤橫截面形成毛細管，促使水分向橫向分散。

3.2.3 混肥操作規(guī)程

在混肥時，要保證吸肥器和出水過濾器暢通，文丘里施肥器開始吸肥時觀察三條吸肥通道的流量計數(shù)值是否發(fā)生變化，如遇到堵塞，應(yīng)該及時清洗，在施肥過程中，當肥料桶內(nèi)的肥料即將吸干時，應(yīng)關(guān)閉吸肥通道，防止氣體進入泵體產(chǎn)生氣蝕[9-10]。

3.2.4 施肥方法操作規(guī)程

電機開始啟動后，管道正常供水，壓力穩(wěn)定后，吸肥泵調(diào)整壓力，開始注肥，注肥時需要操作人員照看，隨時觀察壓力的數(shù)值變化和吸肥量變化，觀察此時的注肥壓力是否比主管中的壓力稍微大一點，保證肥料可以順利地進入主管道中，但是過大的主管道壓力會引起肥料的倒流。單次灌溉施肥結(jié)束之后，再灌10 min的清水，把主管道內(nèi)殘留的肥料送達植物的根部[11]。

3.2.5 灌溉時間規(guī)程

在利用水肥一體化系統(tǒng)灌溉時，通過恒壓供水系統(tǒng)控制水壓力，壓力保持在0.20～0.35 MPa的灌溉穩(wěn)定性效果最佳。灌溉時間選擇上午和下午，此時經(jīng)過滴灌后低溫可以快速地回升，滴灌時間根據(jù)馬鈴薯不同的生長周期進行適宜地調(diào)整，經(jīng)過測定，在高溫季節(jié)滴灌20 min，可以降低6～8 ℃[12]。

3.2.6 灌水器清洗規(guī)程

每到3～4次混肥灌溉結(jié)束之后，要進行灌水器的清洗，需要把滴灌帶末端的堵頭打開進行徹底的沖抵，防止固體小顆粒的肥料累積堵塞滴頭，若只進行灌水操作則不需要清洗。

3.3 灌溉系統(tǒng)操作規(guī)程

3.3.1 手動控制程序操作規(guī)程

手動控制程序可以人為進行管道內(nèi)水壓力、滴頭流速等調(diào)整，并且與手機APP同步。在手動程序控制中，水壓力要與吸肥速度關(guān)系協(xié)調(diào)。使用手動控制時，需要時刻關(guān)注主管道壓力表和吸肥通道的壓力表是否在正常的范圍之內(nèi)。若在混肥模式下，手動控制模式切換成自動控制模式，此時不可以強制給水肥一體化系統(tǒng)斷電，以免造成電磁閥門的不正常啟動，降低水肥一體化系統(tǒng)的使用壽命。

3.3.2 灌區(qū)時控程序操作規(guī)程

灌區(qū)時控程序，可以人為設(shè)定時間，計時器自動計時，時間達到后，中央處理器會進行動作控制其他灌區(qū)的電磁動作，若想人為改變灌溉時間，在電磁閥動作之后，切換到手動控制模式中選擇灌區(qū)，設(shè)定灌溉時間即可，不可人為操作灌區(qū)的物理閥門。若人為進行閥門的啟停，會導致多個灌區(qū)同時灌溉，此時需要重新進入灌區(qū)時控操作程序，重新設(shè)置灌區(qū)時控時間[13]。

3.3.3 輪灌模式程序操作規(guī)程

輪灌模式程序會自動控制多個地塊進行輪灌作業(yè)。在計時器結(jié)束之后，自動開啟電磁閥，若想改變輪灌地塊，需要切換到手動控制程序進行地塊的選擇，切勿直接進行人為的物理干預。

3.3.4 參數(shù)設(shè)置程序操作規(guī)程

參數(shù)設(shè)置程序操作過程，主要包括文丘里的吸肥速度設(shè)定、吸肥濃度設(shè)定、EC值上下限數(shù)值設(shè)定和誤差范圍數(shù)值調(diào)整等操作[14]。在設(shè)置參數(shù)值時，要充分結(jié)合當前配置的水管壓力和滴頭流速，切勿在短時間內(nèi)頻繁地進行水肥濃度的調(diào)整，如單次變更的水肥濃度調(diào)整變化數(shù)值較大，混肥循環(huán)管道會暫時關(guān)閉，通過閉環(huán)系統(tǒng)逐步提升水肥濃度，此時主管中沒有肥料，吸肥管道的流量計顯示為零，不能強制給水肥一體化系統(tǒng)斷電，等濃度達到標準數(shù)值之后，水肥主機開始重新混肥。

3.3.5 手機APP遠程操作規(guī)程

所有的操作均可通過手機APP進行。在使用手機遠程APP時，要特別注意主管道、吸肥管道上的壓力表和流量計是否在合理的范圍之內(nèi)。觀察土壤墑情采集站采集到的土壤濕度是否發(fā)生變化，EC數(shù)值是否發(fā)生變化，以此判斷水肥一體化系統(tǒng)是否正常運行。若匹配有田間攝像管理系統(tǒng)，通過手機APP移動端觀察水肥主機是否正常啟動，是否出現(xiàn)異常。

4 設(shè)施維護操作規(guī)程

4.1 過濾器

為了保證水肥一體化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，供水系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)灌溉水源類型及水質(zhì)情況，選用自動反沖洗砂石過濾器+自動反沖洗疊片過濾器、自動反沖洗砂石過濾器+自動反沖洗網(wǎng)式過濾器、離心過濾器+自動反沖洗疊片過濾器、離心過濾器+自動反沖洗網(wǎng)式過濾器等兩級系統(tǒng)[15]。為保證過濾器的穩(wěn)定工作，宜選用帶有反沖冼裝置的過濾器作為過濾設(shè)備，若沒有反沖洗功能，則應(yīng)定期拆出過濾器的濾盤進行清洗，以保持水流暢通。經(jīng)常監(jiān)測水泵運行情況，一般過濾器前后壓力相差應(yīng)在10～60 kPa，若壓力超過70 kPa，表明過濾器已被堵塞，應(yīng)盡快清洗過濾盤片[16]。

4.2 滴灌帶

滴灌肥液前先滴清水5～10 min，肥液滴完后再滴清水10～15 min，以延長設(shè)備使用壽命，防止肥液結(jié)晶堵塞滴灌孔。發(fā)現(xiàn)滴灌孔堵塞時，可打開滴灌帶末端的封口，用水流沖刷滴灌帶內(nèi)雜物，以使滴灌孔暢通[17]。

4.3 動力設(shè)備

電動機在啟動之前，檢查三相電源的接頭接線是否牢固可靠，電機外殼的接地線是否可靠等。電機應(yīng)經(jīng)常除塵，保持干燥清潔，若在使用量比較頻繁的時間段，定期對電機進行檢查。

4.4 細小部件

水肥一體化系統(tǒng)是一套精密的灌溉設(shè)備。許多的部件為塑料制品，在使用過程中要注意多個操作步驟密切配合，不可以用力過猛地扭動各個旋鈕和開關(guān)，在打開各個容器時，主要細小的部件要按照原來的樣子[18]。

水肥一體化系統(tǒng)的使用壽命與保養(yǎng)程度有很大關(guān)系，保養(yǎng)的好，水肥濃度配比精準，設(shè)備噪聲小，運行穩(wěn)定，效益越持久。

5 馬鈴薯種植技術(shù)

5.1 產(chǎn)地環(huán)境

5.1.1 田塊選擇

應(yīng)選擇排灌方便、土層深厚、土壤結(jié)構(gòu)疏松、中性或微酸性的砂壤土或壤土。產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量應(yīng)符合NY/T—391或NY5010的規(guī)定。

5.1.2 灌溉水源

灌溉系統(tǒng)水源必須清潔、無污染，水質(zhì)應(yīng)符合GB 5084的相關(guān)要求。

5.2 品種選擇

選擇符合GB18133—2012質(zhì)量要求的一級種(G3)以上級別種薯。常用品種有荷蘭7號、東農(nóng)303、荷蘭15號和魯引1號等。種薯一般選擇脫毒種薯，所選種薯要表面光滑、種芽健壯、大小均勻、無病蟲危害、無腐爛和無破損[19]。

5.3 種薯處理

5.3.1 切種

切塊時充分利用頂端優(yōu)勢，螺旋式向頂端斜切，最后按頂芽一分為二或一分為四，以每塊35～40 g為宜，并要保證有1～2個以上健全的芽眼。切塊的整個過程都要注意切刀的消毒，防止切刀傳染病害，當切刀切到病薯時應(yīng)及時淘汰病爛薯，并立即用0.1%高錳酸鉀或75%酒精清洗刀片，兩把刀交替使用[20]。

5.3.2 拌種

選用70%甲基托布津2.5 kg+科博2.5 kg均勻拌入100 kg滑石粉成為粉劑，或選用70%甲基托布津4.0 kg+72%的農(nóng)用鏈霉素1.0 kg均勻拌入100 kg滑石粉成為粉劑，拌10 000 kg薯塊。

5.3.3 催芽

晾干刀口后放在溫度為18～20 ℃的室內(nèi)采用層積法催芽，待芽長到2～3 cm時，放在散射光下晾曬，芽綠化變粗后即可播種。

5.4 整地施肥

選擇土壤肥沃、地勢平坦、排灌方便、耕作層深厚、土質(zhì)疏松的砂壤土或壤土，土壤理化性狀良好，土壤pH值5.5～7.5。前茬作物收獲后及時將田間作物殘體，特別是病葉、病株清除處理，盡早深耕，耕深20 cm以上，并在冬季凍垡、曬垡，播前細耙兩遍，耙實耙透，達到耕層細碎無坷垃、田面平整無根茬，上虛下實，地面平整[21]。

每667 m2施腐熟的農(nóng)家肥3～4 m3、硫酸鉀型三元復合肥(N-P2O5-K2O為17-6-22)70 kg作基肥。農(nóng)家肥于旋耕時翻耕入土，復合肥在旋耕時施入一半，另一半在播種時隨播種機一起施入。

5.5 播種

5.5.1 播種時間

春播應(yīng)防晚霜的危害，在10 cm地溫穩(wěn)定在7～8 ℃即可播種，一般在3月中下旬至4月上中旬。

5.5.2 播種密度

應(yīng)根據(jù)品種、土壤水肥條件和生產(chǎn)目的而定。一般早熟品種宜密，中晚熟品種宜?。簧唐肥硪讼?，種薯宜密。宜采用一壟雙行種植，小行距20 cm，大行距50～60 cm，株距20～25 cm，每666.7 m2定植5 500～6 000株。

5.5.3 播種方法

選用機械播種，一次性完成起壟、開溝、播種、施肥、噴藥、鋪設(shè)滴灌帶和覆膜覆土等工序，提高作業(yè)效率。一壟雙行種植，要求壟距90～100 cm，壟寬60 cm，溝寬40 cm，壟高20～25 cm；雙行播種，小行距20 cm，大行距50～60 cm，播深10～12 cm[22-23]。

播種時隨機施肥、噴藥和鋪設(shè)滴灌帶，播種后壟上覆膜，膜上覆土，覆土厚度要保持2～3 cm，并且每隔4～5 m在地膜上橫向壓一條土帶，以防止地膜被風掀起。播完后檢查地膜有無破損，發(fā)現(xiàn)破損及時封堵，出苗至現(xiàn)蕾期間要保持膜面完好。