智能灌溉施肥水肥决策系统设计与应用效果分析.pdf

115 科技纵横 农业开发与装备 2020年第11期 智能灌溉施肥水肥决策系统设计与应用效果分析 安帅霖 韩子鑫 张明宇 孙 鸿 杨 晶 吉林省农业机械研究院 吉林长春 130022 摘要 为节约水资源和提高田间肥料利用率 开展了智 能灌溉施肥水肥决策系统设计与应用效果分析 将智能 灌溉施肥水肥决策系统分为两部分研究 既灌溉施肥系 统和控制决策系统 智能灌溉施肥水肥决策系统设基于 土壤墒情和施肥浓度智能灌施决策灌溉施肥量 以提高 日光温室的水肥利用效率 实现基于田间作物需求的水 肥智能调控 能够有效降低灌溉施肥过程中的施水量和 施肥量 为智能灌溉施肥水肥决策系统设计与应用提供 参考 可大力发展高效节约形农业 应用前景广阔 关键词 智能灌溉施肥 水肥 节水节肥 智能决策 0 引言 我国既是人口大国又是农业大国 同时也是一个水 资源匮乏的国家 水资源保有量仅仅占世界的6 人 均不足世界平均水平的1 4 严重短缺 每年用于农业灌 溉用水量超过300亿m 其中约667万hm 2 的耕地面不能 得到有效灌溉 我国农业发展模式仍然处于传统的粗放 模式 但由于农民缺乏对化肥正确使用的指导以及环保 意识的欠缺 在一味追 求农作物产量与质量的同时导 致化肥使用过量 过量使用化肥不但会造成作物质量变 差 产量降低 而且还会造成土壤 水源 大气和农产 品的污染 由此必须大力发展高效形节约形农业 近些年来 伴随着农业产业结构改革 灌溉施肥技 术得到了一定的发展 应用面积接近500万hm 2 机国产 灌溉施肥机 普遍存在结构复杂 操作管理不便 智能 化程度低等不足 而国外施肥设备价格昂贵 因此针对 目前我国日光温室水肥灌溉系统智能化程度低 水肥不 能精确按需调控等问题 对现有灌溉施肥机进行技术优 化 将农艺栽培技术和设施工程装备相结合 研究基于 土壤墒情和施肥浓度的智能灌施水肥决策系统 系统包 括两部分构成 既灌溉施肥系统和控制决策系统 通过 提高日光温室的水肥利用效率 实现节省水资源 降低 肥料的目的 1 灌溉施肥系统 灌溉施肥系统如图1所示 整个灌溉施肥系统以灌溉 施肥水肥一体机为核心 共有4个肥料输入和1个混肥输 出 输入分别为氮肥 磷肥 钾肥 pH调解液 输出水 肥混合液 由主循环泵加压送至田间管网 调解液经过 滤后由吸肥器吸入混合管 进行混肥 电磁阀可以控制 各肥料注入混合管的速度和流量 EC pH传感器可以检 测混合肥料是否满足实际需求 若不满足则要求系统自 动调节电磁阀 控制吸肥流量 保证输出的混合肥满足 要求 图1 灌溉施肥系统 2 控制决策系统 如图2所示为控制决策系统总体构架 采用嵌入式 网络技术 基于PLC处理器 设计用于水肥EC 电导 率 pH 酸碱度 等参数信息实时监测 数据存储 和远程预警的一体式控制器 主要由信息采集系统和控 制决策系统两部分组成 终端监测设备将数据通过无线 Wi Fi技术上传至云服务器 图2 控制决策系统 2 1 信息采集系统 通过土水势分析仪 土壤养分分析仪实现对温室大 棚内的土壤水分含量 土壤养分等信息的实时监测 该 系统能够全面 科学 真实地反映被监测区的土壤变 化 可及时 准确地提供各监测点的土壤墒情和养分状 况 为智能灌溉施肥提供了重要的基础信息 2 2 控制决策系统 传感器通无线Wi Fi技术将采集到的数据信息传输到 服务器 控制决策系统通过对比采集到的土壤水分和养 分数据与系统预设水肥灌溉配方数据的差值 制定灌溉 施肥决策 通过无线技术控制决策系统形成指令 发送 至灌溉施肥系统 116 科技纵横 农业开发与装备 2020年第11期 3 智能灌溉施肥水肥决策系统的应用效果分析 2020年春季 在吉林省农业机械研究院设施农业工程 实验室对智能灌溉施肥系统进行安装测试及应用 以设 施生菜为研究对象 图3为智能灌溉施肥水肥决策系统 图3 智能灌溉施肥水肥决策系统 3 1 试验设计 试验分两组进行 处理 为传统定时定量滴灌种 植 处理 由智能灌溉施肥水肥决策系统实时控制滴灌 种植 试验将定植后的生菜划分为前中后3个周期 每 间隔15天为一个检测周期 分别对植株鲜重 叶绿素 茎直径等参数进行测定 植株鲜重采用万分之一分析天 平测定 叶绿素含量参数采用TYS 4N 拓普云 便携叶 绿素测定仪测定 植株茎直径参数采用DD S型茎杆直径 传感器 德国Ecomatik公司 测定 3 2 结果分析 由表1三个周期处理 和处理 植株各参数数值及图 4后期生菜长势可知 处理 由智能灌溉施肥水肥决策 系统实时控制滴灌种植的生菜参数及长势明显高于处理 常规滴灌种植的生菜参数及长势 智能灌溉施肥水肥 决策系统依据实时土壤墒情信息和肥液浓度信息进行按 需灌水 施肥 实现对作物精准智能灌溉施肥 能够有 效提高植株质量和产量 4 结语 智能灌溉施肥水肥决策系统的实现不仅依靠各类检 测传感器 更加依赖于智能灌溉决策技术的运用 智能 灌溉施肥水肥决策系统的应用能够有效降低人工操作频 率 环境因子与植物本身蓄水量等的判断要求 最大程 度的实现节水节肥 在智能灌溉施肥水肥决策系统的辅 助下 农业灌溉的自动化和智能化水平取得了进步和发 展 大幅提升水肥利用效率 提高作物质量和产量 对 于改变目前农业生产中存在的过量施肥 过度灌溉等问 题有积极作用 一定程度上减少了水肥流失 改善了农 田生态环境 降低了农业生产带来的污染问题 对促进 增产增收及农业生产可持续发展具有重大意义 图4 后期生菜长势 参考文献 1 朱均超 张强 赵岩 基于物联网的农业大棚环境监测系统 设计 J 中国农机化学报 2018 39 9 76 80 2 姜岩 段杰 王茂励 等 基于物联网技术的水肥一体化智能 管理系统 J 现代农业科技 2018 16 279 281 3 丛晓男 单菁菁 化肥农药减量与农用地土壤污染治理研究 J 江淮论坛 2019 2 17 23 4 易文裕 程方平 熊昌国 等 农业水肥一体化的发展现状与 对 策 分 析 J 中 国 农 机 化 学 报 2017 38 10 111 115 120 5 王晓飞 尹娟 邓超冰 等 农用地土壤污染治理与修复成效 评估方法及实证研究 J 数学的实践与认识 2019 49 5 207 216 6 赵常 耿爱军 张姬 等 水肥药精准管理技术研究现状与发 展趋势 J 中国农机化学报 2018 39 11 28 33 7 雷长根 李昆仑 付若松 等 智能温室大棚节水灌溉系统的 设计 J 电子制作 2020 Z1 24 25 20 8 房俊龙 宋金龙 张馨 等 通用智能灌溉施肥机控制器研发 J 节水灌溉 2015 10 78 82 9 陈国徽 智能灌溉施肥系统及其对茄子产量和品质的影响 研究 D 华中农业大学 2013 表1 结果分析 处理 时间 处理 全株鲜重 g 总叶面积 平均叶片数 个 平均叶绿素含量 SPAD 茎直径 mm 前期 14 54 411 12 9 13 41 4 71 19 36 440 83 10 14 98 5 50 中期 214 03 2186 53 12 18 10 17 83 302 22 2466 47 14 20 85 20 73 后期 335 77 3036 95 23 19 83 23 65 382 42 4949 60 28 21 64 25 57