水肥一体化技术在设施农业中的研究与建议.pdf

水肥一体化技术在设施农业中的研究与建议 * 宗哲英，王帅，王海超，侯清，张春慧 * （内蒙古农业大学 机电学院 ,呼和浩特 010018） 摘要： 为了有效提高我国设施农业灌溉和施肥的利用率，采用 分析水肥一体化技术国内外发展及研究现状的方法，介绍了水肥一体化技术在设施农业中的应用发展，特别强调了设施农业中水肥一体化技术与物联网技术的集成应用，并针对我国设施农业中水肥一体化的发展提出切实可行的发展建议， 结果表明：对设施农业水肥一体化机理研究和管理系统以及研发适合中国国情的设施农业水肥一体化装备及配套系统体系非 常必要，同时应积极利用物联网技术探索设施农业大型园区或基地水肥一体化的管理模式。 关键词： 水肥一体化技术；设施农业；物联网技术；发展建议 中图分类号： S275.6 文献识别码： A 文章编号 ： RESEARCH AND SUGGESTIONS OF WATER AND FERTIGATION TECHNOLOGY IN FACILITY AGRICULTURE ZONG Zheying, WANG Shuai, WANG Haichao, HOU Qing, ZHANG Chunhui* (College of mechanical and electrical engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018) Abstract: In order to effectively improve the utilization ratio of irrigation and fertilization in Chinas facility agriculture. The method of analyzing the status quo of domestic and international development and research of water and fertilizer integration technology was introduced, and the application and development of water and fertilizer integration technology in facility agriculture was introduced. Integrated application of water and fertilizer integration technology and lot technology in facility agriculture, and put forward practical development suggestions for the development of water and fertilizer integration in Chinas facility agriculture. The results show that the research and management of water and fertilizer integration mechanism in facility agriculture The system and research and development of facility water and fertilizer integration equipment and supporting systems suitable for Chinas national conditions are necessary. At the same time, we should actively use the Internet of Things technology to explore the management model of water and fertilizer integration in large-scale parks or bases for facility agriculture. Keywords: Fertigation Technology; Facilities Agriculture; Internet of Things Technology; Development Suggestion * 收稿日期 ： 2018-10 基金项目： 内蒙古自然科学基金 （ 2017MS0361）； 内蒙古人才开发基金 。 作者简介： 宗哲英（ 1975-），男，副教授 。主要从事数字化农牧业关键技术及设备的研究。 E-mail： zongzheying163.com *通 信 作者： 张春慧 E-mail： zhchunhui1979126.com。 引言 水 肥 一 体 化 技 术 来 源 于 英 文 合 成 词“ Fertigation”，即“ Fertilization”施肥和“ Irrigation”灌溉结合的技术，是当今世界公认的一项高效控水节肥的农业新技术。 现代水肥一体化技术 是指 通过实时采集 的 作物生长环境参数和生育信息参数 来 构 建模型， 从而 智能决策作物的水肥需求， 并 配套施肥系统，实现水肥一体精准施入， 有效 提高 水分 和 肥料的利用率 ，既保护环境，又提高产量、节省劳力、增加效益 1-2。 设施农业是实现农业现代化的重要手段，是在人为可控环境下利用农业设施和工程技术改变动植物的生长环境，通过控制环境温度、水分、光照、土壤等因素，提供适宜动植物生长的最佳环境，以网络出版时间：2019-12-12 12:13:31网络出版地址：http:/kns.cnki.net/kcms/detail/15.1209.S.20191212.1211.006.html实现高投入，高效率和高收益的新型农业生产模式，水肥一体化技术在设施农业生产的发展中具有重要作用。 1 水肥一体化技术发展、研究现状 1.1 国外现状 以色列是最早研究并应用水肥一体化灌溉系统的 国家， 20 世纪 60 年代初，以色列开始发展和普及水肥一体化灌溉施肥技术。 1964 年以色列建立了用于 灌 溉 施 肥 的 全国输水系统（ National Water Carrier），并应用于果树、花卉、温室作物、大田蔬菜和作物。数十年来，以色列集中力量研究农业节水灌溉技术，经过多年研究和开发，探索出世界上最先进的喷灌、滴灌、微喷灌、微滴灌技术，特别是在干旱和沙漠地区取得了较大成功。以色列能够以“沙漠之国”创造“农业强国”的奇迹，其主要措施就是在节水农业的基础上全面发展高效的水肥一体化技术，采用水肥一体化技术，能够使水的利用率提高 40% 60% ，肥料利用率提高 3050%3-4。 美国是目前世界上微灌面积最大的国家，在灌溉农业中，水肥一体化技术已应用于马铃薯、玉米、果树等的种植中，研制开发并应用了新型的水溶肥料、农药注入控制装置。加利福利亚已建立了完善的灌溉施肥设施及配套服务体系，加州的果树种植采用了滴管、灌等技术，成为现代农业生产体系的典范，为世界其他国家农产品的生产起到借鉴的作用 5。 此外，水肥一体化发展较快的还有德国、日本、荷兰、澳大利亚、印度等国家。荷兰在水肥一体化技术方面已经拥有相对成熟的产品，通过自动 化装备的运行来实现水和肥料的科学有效混合，精准控制营养液的 EC 值和 PH 值，从而实现水肥一体化。近年来澳大利亚的水肥一体化技术得到了迅速的发展，政府出台了一项“水安全计划”，以支持灌溉设施的发展和水肥一体化技术的应用，并建立了用于指导水肥一体化技术的监测体系 5。 随着灌溉施肥智能化的发展，发达国家逐渐将智能决策应用到灌溉施肥系统中，伴随着无线传感网络和物联网技术的发展，这两项技术也逐渐被应用在灌溉施肥系统中，并开发出了基于无线传感网络和物联网的水肥一体化系统，成功应用于农业生产中并取得了一定的成果。 1.2 国内现状 我国于 1974 年从墨西哥引进滴灌设备，自此开始深入研究水肥一体化技术。近些年，在国家政策支持、行业发展需求的推动下，我国水肥一体化产业取得了快速发展 6。 当前，我国水肥一体化技术发展的特点是大面积推广应用，辐射范围从西北到华北，从东北寒温带到华南亚热带，栽培模式包括果树栽培、无土栽培和设施栽培等，作物种类覆盖大田经济作物、蔬菜、苗木、花卉等。新疆的水肥一体化技术起步较早 ,经过多年的田间观测和室内试验，采取研究与示范相结合的措施，完成了试验研究任务，取得干旱区棉花膜下滴灌配套技术成果，具有较好 的经济、社会、生态效益，具有广泛推广价值 7。内蒙古自治区近年来快速发展膜下滴灌、大型喷灌等高效节水灌溉技术，“内蒙古新增四个千万亩节水灌溉工程科技支撑”项目主要围绕种植作物玉米、大豆、马铃薯和牧草，开展了膜下滴灌、地埋滴灌和大型喷灌的灌溉制度试验及水肥一体化试验，得出了不同水文年型的优化灌溉制度和水肥一体化技术 ,取得的多项技术成果已在实践中推广应用，为内蒙古自治区农牧业节水灌溉技术发展提供了科技支撑 8。为探索适合寒温带地区特点的灌溉技术模式， 2004-2009年，在黑龙江省 22 个试验站开展理论研究和 应用研究，摸索出了适合寒温带地区特点的分区技术模式，取得了良好的效果 9。广东省的农业灌溉是省内用水大户 ,为了提高灌溉水的利用率 ,广东省有关部门曾开展了不同作物、不同区域和不同措施的节水灌溉试验研究和节水灌溉试点工作 ,取得了一定成绩 10。福建省为了提高农户的生产技术水平 , 政府以及一些科研单位定期举办各类实用技术培训班 ,推广遥控微喷灌、膜下滴灌、水肥一体化等技术 11。 为进一步探索水肥一体化技术在农业生产上的应用，国内相关研究人员对此展开了大量研究，进行了一系列应用效果试验，并做了总结分析，为该技 术的推广应用提供了理论依据。李富先（ 2008 年）12等研发适用于大田棉花膜下滴灌的比例混合变量施肥系统，该系统实现提高肥料利用率 10%以上。李伟（ 2011 年） 13进行了自动化施肥系统的设计开发，将 PLC 技术引入到灌溉施肥控制系统中，通过性能测试，实验取得了较好的效果。李加念 (2012年 ) 14等研制了一个干电池供电的水肥一体化滴灌定时控制装置 ,实现了有独立水池和独立液肥池的柑橘园的水肥滴灌的自动控制装置，该装置具有一定推广应用前景。张瑞卿 (2014 年 )15 根据土壤水分测量的方法和模糊控制 的特点，设计了一种基于单片机的灌溉控制器，试验结果表明，该灌溉控制器运行状况良好，工作稳定，控制准确，反应灵敏，满足节水自动灌溉的要求。李彬等（ 2015 年） 16以西辽河流域为背景，在水肥一体化条件下，研究不同施肥次数对春玉米产量、肥料利用率的影响，以期为当地水肥一体化技术应用提供科学支撑。 但是，从整体上分析，我国水肥一体化技术发展仍存在很多问题：管理水平相对较低， 尤其针对大 规模生产 基地 的水肥管理 仍 缺少 相应的 综合管理系统 ；已使用灌溉施肥技术的作物比例小， 普及性不 高 ； 水肥一体化技术的理论研究深度不够，应用研究成果少； 国内的灌溉施肥装备智能水平低 等。 2 水肥一体化技术在设施农业中的应用研究 由于设施农业作物与农田作物在生产环境上有较大差异，适合露地栽培的节水技术（如大型喷灌技术等）并不适宜在温室等设施农业生产中使用，水肥一体化技术是设施农业的重要组成部分，是设施农业生产的基本保证， 因此研究水肥一体化技术在设施农业中的应用具有重要的现实意义。 2.1 国外应用状况 国外农业发达国家如美国、荷兰、以色列、法国、日本等，目前设施农业的总体发展趋势为： 1）设施标准化、大型化； 2）作业机械化、自动化； 3）设施环境监控 智能化、信息化。 近年来，西方发达国家一直将设施农业中的水肥一体化技术作为一项重要研究课题进行研究和试验，尤其是自动化监控及其应用效果研究。其中，美国设施农业的水肥一体化技术研究一直处于世界的领先地位，在农业生产上得到了广泛应用；荷兰的设施园艺产业技术先进，自动灌溉施肥技术较成熟，从 20 世纪 50 年代初起，温室数量迅速增加，水肥一体化技术在荷兰的温室生产中得到了普遍应用；以色列大面积采用了高投入、高效益的设施种植技术，设施内部环境因素大部分实现了自动监控，主要用于栽培经济效益高、出口创汇强的如果蔬、花卉等经济 作物。这些国家也一直致力于研究设施农业的成套技术，采用温室智能化综合环境监控系统，实现节水、节肥、环保、提高作物抗病性等 17。 2.2 国内研究状况 20 世纪 80 年代，我国引入以温室种植为主的设施农业，在学习和借鉴国外设施农业先进经验的基础上，设施农业在我国已经取得了迅速发展。近年来，在国家的政策支持下，中国设施农业取得了较快的发展，截止 2014 年末，中国设施农业总种植面积已经达到 410.9 万 hm2，占世界总种植面积 85%以上，居世界之首 18。然而，我国的设施农业发展仍存在一些问题，设施单一，以 日光温室和单体大棚为主，环境可控性低，生产效率远低于发达国家，现代农业管理意识不够、管理粗放等 19。 为研究适合于中国具体实际的设施农业水肥一体化技术，我国的科研工作者进行了大量的研究。何亚非（ 2009 年） 20研究设计了基于虚拟仪器技术的温室滴灌控制系统，将传感器技术、计算机技术、虚拟仪器技术和数据库技术进行了有机结合。周亮亮（ 2013 年） 21以昆明温室作为研究对象，研究了利用实现自动灌溉与施肥的模糊控制原理，设计出了一套自动灌溉施肥系统。该系统能按作物需水量和需肥量进行自动灌溉与施肥，供温室作 物较好地吸收养分和水分环境，并显著地提高温室作物产量和品质。袁洪波、程曼、庞树杰（ 2014 年）等 22针对日光温室设计了一种水肥一体灌溉循环利用系统，测试结果表明，与传统土栽水肥不循环模式相比，水肥一体化循环系统用水量是传统土栽模式的 69.4%，水分利用效率是传统土栽模式的 1.92 倍。李坚（ 2017 年） 23等针对北方地区日光温室栽培面积小以及环境变化与栽培管理要求，设计了一种基于吸肥器的小型灌溉施肥机 ,建立了小型水肥一体灌溉机的优化结构，实现了肥料和水的两次混合，达到提高混肥效率，减少水肥混合时间的 目的 ,试验结果说明，灌溉机结构设计合理，可实现营养液的精准化控制，为日光温室蔬菜的标准化管理奠定基础。 2.3 设施农业中水肥一体化技术与物联网技术的集成应用 物联网 技术通过使用无线传感网络， 实现对设施农业中的土壤、 作物 及环境信息进行实时、精准、快速采集， 无线传输到计算机系统， 进行数字化分析和处理，针对不同的对象进行科学 智能 决策， 继而 进行 水肥一体化控制 ，最大限度地提高水肥利用率，达到 增加产量、 降低成本和保护环境的目的 。 美国、日本、荷兰、以色列等国，物联网技术在设施农业控制系统、水肥精准农业控制系统以及农业环 境监测等方面发挥了重要作用，解决了劳动力不足、水资源缺乏等问题，有效提高了生产效率24。我国设施农业中物联网技术及无线传感网络技术的应用也提高到国家战略高度，得到迅速的发展。北京市开展了设施农业方面物联网的应用示范，实现了设施农业环境监测和精准灌溉管理；江苏省利用基于无线网络和物联网的智能农业管理平台，实时监测设施农业生产环境，并进行水、肥精准化生产管理等 25。 我国的科研工作者在这方面也进行了大量的研究并取得了一些成绩。马巍（ 2016 年） 26通过 多 传感器 物联网融合 技术及农作物的生长规律模型，在满足作物 需水的情况下进行精准灌溉，既节约了水资源，又实现了农作物的产量提高。张胜（ 2011 年）27 研究了基于 ZigBee 协议的 无线传感网络 ,提出了一种可行的智能灌溉策略 ,并以温室番茄灌溉为例做了详细设计 ,测试结果证明 ,该智能灌溉策略，提高了温室番茄灌溉系统的精准度和灌溉效率。冯筱（ 2015年） 28等针对大面积种植的温室花卉设计了一套无线采集的智能灌溉控制系统，实现了花卉土壤湿度、温度和光照强度生长环境参数的无线采集和传输，并利用花卉灌溉历史数据训练 BP 神经网络模型来进行花卉灌溉量的实时预测，实 现花卉的智能灌溉。盛平（ 2012 年） 29提出将基于 3G 技术的无线远程传感网络应用于设施农业中，构建一种高效的设施农业远程精准测控系统 ,该系统实现大范围的无线接入、环境信息远程实时监控与视频信息，通过内嵌的专家系统模型，实现自动化、智能化控制。以上研究成果表明，在设施农业中将水肥一体化技术与物联网技术集成应用，可实现对作物生长的精细化管理，降低成本，提高生产效率。因此，水肥一体化技术与物联网技术将带动设施农业向着自动化、智能化、和网络化方向发展完善。 3 我国设施农业中水肥一体化技术的发展建议 3.1 设施农业水肥一体化机理研究 设施农业要实现水肥一体化控制，需要根据水肥对作物生长作用的机理进行深入研究，确定作物的合理施肥量、合理配置养分比例等，根据作物关键生育阶段的需水需肥规律，建立作物的灌溉施肥制度。我国水肥一体化技术的研究起步较晚，特别是针对设施农业当地的技术参数（如土壤墒情参数、滴灌施肥参数）的机理研究还相对缺乏，因此，对设施农业水肥一体化机理研究将成为今后研究的一个重要方向。 3.2 设施农业水肥一体化智能管理系统研究 随着农业物联网技术的发展和环境监控、专家决策系统等在农业生产中的应用，农业现 代化进程得到了加速和推进。水肥一体化智能管理系统是未来设施农业管理和农业物联网的一个重要发展方向，除可用于灌溉施肥的决策和作物种植管理外，还可在数据管理、数据分析、作物生产管理、病虫害诊断以及安全技术等方面作进一步扩展研究。 3.3 设施农业水肥一体化设备的研制 中国设施农业 作物 品种 多、栽培方式 各异、配套设备 条件 不同 ， 设施农业生产过程的开展主要依靠水肥一体化的设备，而目前我国生产的设备运行成本高、效率低，从国外引进的设备不能完全适应当地的特点。 因此，无论从国家政策要求，还是国内市场需求，研 制 适合 我 国国情的 设 施农业 水肥一体化 设 备及配套系统非常必要。 3.4 设施农业园区或基地 水肥 一体化 管理模式 的探索 探索 设施农业 园区或基地高效 节能 的水肥 一体化 管理模式， 建立水肥一体化的综合多层次管理网络， 实现生产基地 内 所有控制系统 的管理 ， 从而对作物生长 的 精细化管理、 设施 成本 的 降低、 基地 生产率 的 提高 以及 环境保护 等问题起到促进作用 ， 推进 设施 农业信息化、 一体 化、智能化 发展 。 4 结语 水肥一体化技术作为一种节本增效的实用技术，改变了传统的灌溉施肥模式，在农业生产中的得到了广泛的应用。设施农业是现代农业发展的重要引擎，是提高农业生产力的 重要手段，在设施农业的发展中应用水肥一体化技术，深入研究作物生长机理，建立水肥一体化智能管理系统，利用物联网技术实现设施农业环境的监测与控制，加强配套设备的研制，探索设施农业园区和基地的管理模式，促进我国设施农业的信息化、自动化、智能化发展。 参 考 文 献 1 陈小彬 .水肥一体化技术在设施农业中的应用调查 D. 福建农林大学 ,2014. 2 张子鹏 ,陈仕军 .水肥一体化滴灌技术在大田蔬菜生产上的应用初报 J.广东农业科学 ,2009(06). 3 杜中平 .以色列节水灌溉与水肥一体化考察 报告 J.青海农林科技 ,2012(4):17-20. 4 李咏梅 ,任军 ,刘慧涛 ,王立春 .以色列水肥一体化技术简介与启示 J. 吉林农业科学 ,2014,39(3):91-93. 5王宁宁等 .水肥一体化技术的发展现状分析及优化应用策略 J.乡村科技 ,2018(5):82-83. 6 杨林林 ,王成志 ,韩敏琦 ,张海文 ,杨胜敏 .我国水肥一体化技术发展前景及技术要点分析 J. 北京农业 ,2016(1):50-51. 7 梁静 .新疆水肥一体化技术应用现状与发展对策 J.科学施肥 ,2015(01):38-40. 8 程满金 , 郭富强 ,高文慧 ,杨宏志 ,李博 .内蒙古自治区农牧业高效节水灌溉工程技术研究 J. 黑龙江水利 ,2015,1(3):6-10. 9 刘超 .寒地水稻调亏灌溉 Fuzzy_PID 智能监控系统研究D.东北林业大学 ,2012. 10 陈子平 .广东省节水灌溉现状与发展定位探讨 J.广东水利水电 ,2003(2):27-28. 11 陈义挺 ,陈婷 ,卢同等 .福建省设施农业发展现状与对策J.热带农业科学 ,2012,32(3):88-92. 12 李富先 ,吕新 ,王海江等 . 棉花膜下滴灌比例混合变量施肥系统的研发 J.农业工程学报 ,2008,24(5)： 115 118 13 李伟 .基于 PLC 技术的自动化灌溉施肥系统的设计 J.农机化研究， 2011,33( 9) : 107 109 14 李加念 ,洪添胜 ,冯瑞钰等 . 柑橘园水肥一体化滴灌自动控制装置的研究 J. 农业工程学报， 2012， 28(10):91 97 15 张瑞卿 . 基于单片机的灌溉控制器的设计与实现 D. 昆明理工大学 ,2014. 16 李彬 , 妥德宝 ,程满金 ,郭富强 ,赵沛义 ,王博 .内蒙古西辽河流域春玉米水肥一体化技术应用研究 J.节水灌溉 ,2015(9):39-43. 17 詹嘉放 ,宋治文 ,李凤菊 ,王晓蓉 . 日本、荷兰和以色列发展设施农业对中国的启示 J.天津农业科学 , 2011，17(6):97-101. 18张震 ,刘学瑜 .我国设施农业发展现状与对策 J. 农业经济问题， 2015(5):64-70 19 乔晓军 .物联网：绘就设施农业崭新画卷 J. 中国农村科技 ,2015(5):38-39 20何 亚非 . 基于虚拟仪器温室灌溉控制系统的研究 D.东北农业大学 ,2009. 21周亮亮 . 温室 PLC 模糊灌溉施肥控制系统研究 D.昆明理工大学 ,2013. 22 袁洪波 ,程曼 ,庞树杰等 . 日光温室水肥一体灌溉循环系统构建及性能试验 J.农业工程学报 ,2014， 30(12):72 78. 23 李坚 ,刘云骥 ,王丹丹 ,孙周平等 . 日光温室小型水肥一体灌溉机设计及其控制模型的建立 J. 节水灌溉 ,2017,(4):87-91. 24 巩文睿 ,金萍 ,钟启文 . 设施农业物联网技术应用现状与发展建议 J.农业科技管理 ,2017， 36(4):20-23. 25 梁建平 ,安丽清 .物联网技术提升设施农业经济效益的策略探讨 J. 中国农业文摘（农业工程）， 2016(4):36-40 26马巍等 . 物联网数字化温室系统 J. 农业与技术， 2016，36(13):4 7. 27张胜 . 基于 ZigBee 无线传感网和模糊控制的温室番茄智能灌溉系统设计 D.浙江大学， 2011. 28冯筱 . 基于物联网的温室花卉智能灌溉系统设计 D.曲阜师范大学 , 2015. 29 盛平 ,郭洋洋 , 李萍萍 . 基于 ZigBee 和 3G 技术的设施农业智能测控系统 J. 农业机械学报 ,2012,43(12)：229-233.