钟 峰，唐东成
水肥一体化节水灌溉控制系统的研究与应用
钟峰，唐东成
(怀化职业技术学院，湖南 怀化 418000)
水肥是农作物生长必不可缺的要素，水肥一体化节水灌溉控制系统结合物联网技术和传感器技术的优势，实现了对作物土壤中的氮、磷、钾等养分和水分的实时检测，并可根据监测结果对作物土壤的养分、水分进行及时控制，达到节本增效的目的。通过分析水肥一体化节水灌溉控制系统的发展现状、研究进展、应用案例，以充分发挥其在节约人力成本，减少资源浪费，高效精准化种植等方面的优势，探索其未来研究与应用的方向，推动现代智慧农业的发展。
水肥一体化；
节水灌溉控制系统；
发展现状；
应用
应用水肥一体化节水灌溉控制系统可以完成对作物土壤中水、肥等多种元素的在线监测，结合作物的生长情况和土壤情况，进行综合调控，帮助管理人员实现半自动化乃至全自动化的水肥一体化管理。管理人员通过控制系统完成指令编写、数据采集、环境分析、水肥配比、灌溉控制等操作，以土壤养分、水分以及作物施肥规律为根本依据，与系统终端组成控制循环，设置周期性的水肥计划实施轮灌。施肥机会按照管理人员设定的配方、灌溉参数，自动控制灌溉量、吸肥量、肥液浓度、酸碱度等重要参数，实现对作物土壤灌溉和施肥的定时、定量控制，充分提高水肥利用率，达到节水、节肥、改善土壤环境、提高作物品质的目的。目前，水肥一体化节水灌溉控制系统已广泛应用于大田、旱田、温室、大棚、果园环境中作物的种植灌溉作业。
我国地域辽阔，气候多样，半干旱和干旱土地面积约占50%，现有约50%的耕地没有任何灌溉设施。我国虽然是一个农业大国，但农业用水的效率不高，且随着人口数量不断增加，如何在农业生产过程中实现高效灌溉、施肥已然成为当今农业领域的重要课题。国外对于高效灌溉与施肥技术的研究起步较早，以色列因为地处沙漠地区干旱少雨，20世纪60年代就开始针对水源及灌溉方面的问题，展开了水肥一体化研究，经过几十年的发展，已从“沙漠之国”变为“农业强国”[1]。我国自1974年引入水肥一体化技术后便建立了试验研究基地，不久后便掌握了水肥一体化控制系统的核心技术。近年来，我国部分水肥一体化试验基地从以色列引入开放桶式施肥机，以传统作物为对象进行了试验，并获得了成功。目前，我国水肥一体化节水灌溉控制技术的相关研究已初步成熟，通过将理论与实践充分结合，最初的水肥一体化控制系统已成功升级为水肥一体化节水灌溉控制系统，其应用范围也扩大到内蒙古、西北、华北等诸多地区。实践表明，目前应用了水肥一体化节水灌溉控制系统的地区用水量仅占以往灌溉用水的14%，水利用率与化肥利用率均提升了50%以上，随着推广范围的扩大和技术的升级，后续将进一步提升农业土壤水和化肥的利用率[2-3]。
2.1 水肥一体化节水灌溉系统的类型
应用水肥一体化节水灌溉系统的主要目的是提高灌溉用水利用率和化肥利用率，其中水利用率是指作物实际需求用水量与灌溉用水量的比值，在作物实际的生长过程中灌溉水不可能全部被农作物吸收，其中产生的损耗越大，水利用率便也越低，反之产生的损耗越小，水利用率就越高，化肥利用率也是同理。目前，我国水肥一体化节水灌溉的方式有喷灌、微喷灌、滴灌3种，施肥方式有水肥一体施肥、重力自压施肥、压差式施肥等。水肥一体化节水灌溉系统的构建，要根据作物的类型和生长周期，综合种植土壤的灌溉与施肥需求，灵活选择节水灌溉技术和施肥方式，不管选择哪种组合，系统一般都是由水源工程、施肥过滤装置、管道等组成[4]。
2.1.1水肥一体化节水灌溉系统水资源利用率的研究进展
水肥一体化节水灌溉系统研究的重要参数是水资源和肥料的利用率，它是系统功效的直接反映，也是技术发展和系统升级的重要参考依据。在目前常用的三类灌溉方法中，“滴灌”能够最大程度保证土壤结构的完整性，具有不易破坏土壤性质和成分的绝对优势，水利用率能达到90%以上，且该方法在减少灌溉水蒸发量方面优势明显，在我国西北部，例如新疆等地区的棉花种植中应用比较广[5]。相较而言，“微喷灌”虽然在水利用率方面比不上“滴灌”，但是由于其发展时间较长，相较于其他技术与灌溉控制系统的匹配更为成熟，是目前我国应用范围最广的一类灌溉方法。“微喷灌”与“喷灌”模式相比，能够提升近30%的水利用率。
2.1.2水肥一体化节水灌溉系统化肥利用率的研究进展
目前我国排名前三的粮食作物为水稻、玉米、小麦，其中水稻对氮、磷、钾三种肥料的利用率分别约为40%、25%、35%；
玉米对氮、磷、钾三种肥料的利用率分别约为43%、25%、43%；
小麦对氮、磷、钾三类肥料的利用率分别约为45%、20%、33%。由此可见，我国各地区在广泛推广和应用水肥一体化节水灌溉控制系统之后，三大粮食农作物的化肥利用率已达到国际平均水平，处于国际认可的数值区域内[6]。
2.2 水肥一体化节水灌溉系统的应用案例分析
以某地区的种植示范田为例，该地区的水肥一体化节水灌溉系统规划部署如图1所示。在该工程中应用的水肥一体化节水灌溉系统采用半自动工作模式，管理人员依据作物水肥需求规律制定灌溉施肥计划，并通过控制器将灌溉施肥计划传输至系统服务器内，系统通过数据分析后执行灌溉作业。
图1 某地区示范田水肥一体化节水灌溉系统部署图
该示范田属于丘陵地貌，在应用水肥一体化节水灌溉系统前主要采取大水漫灌和人工开沟施肥，每年灌溉水需求量约为45 t/hm2，化肥需求量约为100 kg/hm2[7]。在水肥一体化节水灌溉系统工程建设完成投入应用后，该示范田每年灌溉水需求量约为15.75 t/hm2、化肥需求量约为33.33 kg/hm2。以往该示范田一般需要10名以上种植人员才能完成灌溉施肥作业，在应用水肥一体化节水灌溉系统后仅需1名种植人员便可完灌溉施肥作业，不但大幅度提高了水肥的利用率，还在一定程度上节省人力投入，并有效提高了经济效益。
水肥一体化节水灌溉控制系统能够有效提高作物的水利用率与肥料利用率，其应用和推广与我国提出的生态文明建设、可持续发展理念高度吻合，有利于推动我国农业向智能化和精细化转型。经过多年发展，我国针对的水肥一体化技术的研究已取得巨大进步，水肥一体化节水灌溉控制系统应用的作物种类和区域也越来越广泛，但是并未在全国范围普及，技术的发展和系统的升级还面临着挑战，其未来发展的趋势，可关注以下方向。
(1)针对不同地区的作物类型进行水肥机理研究。目前，我国在水肥一体化节水灌溉系统应用中仍存在灌溉施肥不均、中耕管理不到位等问题，而针对不同地区作物进行水肥机理研究，可从技术上有效避免以上问题的发生，进一步提高水肥一体化节水灌溉系统的工作效率，这也是进步一对系统进行优化和升级的基础。
(2)注重CFD数值模拟技术在系统中的应用。目前，我国在水肥一体化节水灌溉系统中所使用的各类装置主要以国外引进后再做出一定本土适应性改进为主。其在作业精度及可靠性方面仍然有所欠缺，而CFD数值模拟技术在系统中的应用可对整个作业过程开展有效监测，在保证作业精度和效率的同时，也方便后续及时完成系统功能的拓展和创新[8]。
(3)注重模糊控制技术在系统中的应用。模糊控制技术是基于模糊数学理论发展而来的一种新型控制技术，其通过高度模拟人类的推理过程后，再进行综合决策的选择和执行，具有很强的适应性、合理性、稳定性。将模糊控制技术应于水肥一体化节水灌溉控制系统中，可有效解决系统运行过程中出现的数学模型不稳定等问题。结合传感技术可快速将混肥浓度调整至作物需求浓度，其应用对于水肥一体化节水灌溉系统的智能化和精细化发展具有切实而深远的意义。
水肥一体化节水灌溉控制系统能够有效提高作物种植过程中水资源和肥料的利用率，与我国提出的生态文明建设、可持续发展理念高度吻合。近年来，随着社会的发展和科技的进步，对水肥一体化节水灌溉控制技术的发展和系统的升级也提出了新的挑战。未来，从业人员要针对不同地区的作物类型展开水肥机理研究，并以此为基础，高度重视CFD数值模拟技术和模糊控制技术在系统中的应用，进一步提升水肥一体化节水灌溉控制系统的稳定性、智能性、精密性，拓展其应用范围和适用区域，推动我国农业向智能化和精细化转型。
[1] 郭凯,刘小京,封晓辉,等.冬季咸水结冰灌溉对河套重盐碱地改良效果研究[J].中国生态农业学报(中英文),2021, 29(4):640-648.
[2] 林兵,武胜利,葛欢欢,等.灌溉量对不同林龄胡杨光合特性和水分利用效率的影响[J].江苏农业科学,2021,49(3): 125-132.
[3] 任清盛,杜岩,李贵笃,等.吊喷与滴灌水肥一体化对早春嫩姜促成生长及产量的影响[J].农业科技通讯,2021(4): 183-186.
[4] 张艳艳,李文金,康涛,等.覆盖地膜和水肥一体化技术对花生生长发育和产量的影响[J].山东农业科学,2021,53 (1):52-56.
[5] 吉福鑫,金迪.水肥一体化技术在和静县农业生产中的示范及推广应用[J].农村科学实验,2021(7):53-54.
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[8] 赵蕊,毛涛,付忠卫,等.“水肥一体化+有机替减无机”模式对河西灌区制种玉米产量及耕地基础地力的影响[J].农业科技通讯,2021(1):106-111.
Research and application of water and fertilizer integrated water-saving irrigation control system
ZHONG Feng, TANG Dongcheng
(Huaihua Vocational and Technical College, Huaihua, Hunan 418000, China)
Water and fertilizer are indispensable elements for crop growth. The water and fertilizer integrated water-saving irrigation control system combines the advantages of things internet technology and sensor technology to achieve real-time detection of nitrogen, phosphorus, potassium and other nutrients and water in crop soil, and can timely control the nutrients and water in crop soil according to the monitoring results, so as to achieve the goal of cost saving and benefit increasing. By analyzing the development status, research progress and application cases of water fertilizer integrated water-saving irrigation control system, it can give full play to its advantages in saving labor costs, reducing resource waste, efficient and accurate planting, explore the direction of its future research and application, and promote the development of modern smart agriculture.
water and fertilizer integration; water-saving irrigation control system; development status; application
S365
A
2096–8736(2022)05–0011–03
钟峰(1982—)，男，湖南沅陵人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为电子信息技术、智能农业。
责任编辑：阳湘晖
英文编辑：吴志立
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