李慧勇

(山西省水利水電科學(xué)研究院,山西太原 030002)

以美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家于上世紀(jì) 90年代就已經(jīng)開(kāi)始了將信息技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相結(jié)合的數(shù)字農(nóng)業(yè)研究,而在我國(guó)還處于初級(jí)階段。數(shù)字農(nóng)業(yè)的重點(diǎn)在發(fā)展節(jié)水、節(jié)肥數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)體系和發(fā)展精細(xì)設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)。水資源短缺是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要制約因素,農(nóng)業(yè)灌溉用水面臨的主要問(wèn)題是仍然為粗放型灌溉。一味的追求高產(chǎn),只會(huì)造成資源浪費(fèi)、作物品質(zhì)不斷下降和對(duì)環(huán)境的污染。通過(guò)數(shù)字農(nóng)業(yè)可以解決這些傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)弊端,使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)得到和諧發(fā)展。

數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)不僅可以提高農(nóng)田灌溉效率、在一定程度上可以減少病蟲(chóng)害,增加農(nóng)作物產(chǎn)量,同時(shí)降低農(nóng)產(chǎn)品的成本。我國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)作為一種先進(jìn)而又高效的灌溉方式有著很大的市場(chǎng)需求。

1 數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)簡(jiǎn)介

由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展,對(duì)灌區(qū)用水進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào),實(shí)際動(dòng)態(tài)管理,采用土壤水分傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)土壤墑情,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉管理自動(dòng)化。精細(xì)地面灌溉和高效農(nóng)業(yè)就要求我們必須提高水資源的利用率。

數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)是利用傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種高新技術(shù)組建而成的,包括土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、土壤水分傳感器、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集器、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備等軟件的開(kāi)發(fā)和硬件的配置,實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同作物土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)與精準(zhǔn)灌溉管理自動(dòng)化。

1.1 數(shù)字自控灌溉硬件系統(tǒng)

數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)硬件部分由中央控制計(jì)算機(jī)、土壤水分傳感器、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集器、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、自動(dòng)控制技術(shù)等對(duì)土壤水分進(jìn)行全面自動(dòng)化監(jiān)控和灌溉的自動(dòng)控制。

為了對(duì)灌溉水量做到精量控制,給試驗(yàn)提供可靠的、精確的數(shù)據(jù),我們?cè)诠喔裙苈分邪惭b了脈沖式電子計(jì)量水表和尼爾森直吸式電磁閥,同時(shí)通過(guò)模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。做到每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)都可以精量灌溉。

1.2 數(shù)字自控灌溉軟件系統(tǒng)

數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)軟件部分由遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端組成,可以實(shí)時(shí)顯示土壤水分狀態(tài),將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、傳輸、分析運(yùn)算等處理,及時(shí)、準(zhǔn)確地提供土壤水分的變化情況。并按照一定的控制算法進(jìn)行實(shí)時(shí)決策,產(chǎn)生控制指令并輸出控制信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)灌溉的自動(dòng)控制。在整個(gè)數(shù)字自控灌溉系統(tǒng)中,我們選用泓格控制模塊,能為整個(gè)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)采集儲(chǔ)存。

1.3 數(shù)字自控灌溉系統(tǒng)功能介紹

該系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)示范區(qū)灌溉的信息采集、信息處理和實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)灌溉過(guò)程既可手動(dòng)控制又可自動(dòng)控制,自動(dòng)控制可根據(jù)灌溉計(jì)劃進(jìn)行定時(shí)控制,也可根據(jù)土壤水分條件進(jìn)行控制。

系統(tǒng)的工作原理是由傳感器感測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境變量,現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊將傳感器輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信,計(jì)算機(jī)將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理,并按照一定的控制算法進(jìn)行實(shí)時(shí)決策,產(chǎn)生控制指令并輸出控制信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)灌溉的自動(dòng)控制。

自動(dòng)化精量灌溉操作分三種形式：手動(dòng)灌溉控制、時(shí)序灌溉控制、按需灌溉控制。手動(dòng)可以打開(kāi)一個(gè)電磁閥或關(guān)閉一個(gè)處于打開(kāi)的電磁閥,開(kāi)閉電磁閥可按時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)設(shè)置,也可按流量的多少來(lái)設(shè)置,設(shè)置好后點(diǎn)擊所需的電磁閥,確認(rèn)無(wú)誤即可進(jìn)行灌溉。時(shí)序控制灌溉方式可以對(duì)電磁閥進(jìn)行隨意編組和排列順序,對(duì)一組或一個(gè)電磁閥定時(shí)或定量控制。按需灌溉方式是通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量每個(gè)區(qū)域的土壤含水量與設(shè)置土壤含水量的限值的比較來(lái)進(jìn)行灌溉的,也就是該區(qū)域的土壤含水量低于預(yù)設(shè)的下限值時(shí),打開(kāi)對(duì)應(yīng)的電磁閥進(jìn)行灌溉,當(dāng)土壤含水量達(dá)到預(yù)設(shè)的上限值時(shí)即關(guān)閉電磁閥。

其它功能有灌溉歷史曲線、報(bào)警信息、數(shù)據(jù)報(bào)表、幫助信息等,這些功能可以一目了然的觀測(cè)土壤含水量以及曲線趨勢(shì);各類事件和報(bào)警信息;系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表及歷史數(shù)據(jù)報(bào)表;查看關(guān)于系統(tǒng)的使用說(shuō)明和相關(guān)幫助。

2 數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)在日光溫室的應(yīng)用

根據(jù)試驗(yàn)的要求和針對(duì)不同示范區(qū)的作物種植情況、作物灌溉制度、種植模式,我們基于力控組態(tài)軟件和泓格組件控制模塊開(kāi)發(fā)了適于日光溫室大棚經(jīng)濟(jì)作物的自控灌溉系統(tǒng),同時(shí)根據(jù)大棚經(jīng)濟(jì)作物,對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性進(jìn)行校驗(yàn),對(duì)系統(tǒng)灌溉參數(shù)率定。

2.1 試驗(yàn)區(qū)基本情況

在我院高效節(jié)水示范基地日光溫室大棚內(nèi)進(jìn)行了微噴種植西紅柿的試驗(yàn)。該溫室大棚采用相應(yīng)的傳感器分別將溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕潤(rùn)度等信息通過(guò)智能傳感器變送模塊傳入數(shù)據(jù)采集控制器中,由控制器根據(jù)內(nèi)置的控制邏輯和方法對(duì)溫室的天窗,遮陽(yáng)系統(tǒng),強(qiáng)制降溫系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守,大幅度提高管理水平,降低管理成本,提高生產(chǎn)效率。是理想的試驗(yàn)場(chǎng)所。

2.2 試驗(yàn)處理設(shè)置

本試驗(yàn)設(shè)置處理兩個(gè),處理一根據(jù)土壤墑情與灌溉預(yù)報(bào)結(jié)果,通過(guò)數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)和智能控制灌溉軟件,進(jìn)行按期、按需、按量自動(dòng)供水。處理二采用常規(guī)灌溉,即根據(jù)農(nóng)戶的灌溉習(xí)慣來(lái)灌溉。除灌溉時(shí)間和灌溉數(shù)量有差別外,其余栽培方式、施肥等都相同。

處理一中在西紅柿根系層 0～20 cm、20～50 cm深處埋設(shè)土壤水分傳感器,根據(jù)西紅柿全生育期的需水要求以及土壤類型來(lái)設(shè)置土壤含水量的上下限值,土壤平均含水率下限根據(jù)土壤有效含水率確定,土壤平均含水率上限根據(jù)非充分灌溉原理確定,當(dāng)土壤含水率下限達(dá)到 15.6%(占土壤田間持水量的 65%)時(shí),需要灌溉。上限達(dá)到 21.6%(占土壤田間持水量的 90%)時(shí),停止灌溉。當(dāng)土壤水份傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的土壤分層含水量的平均值低于預(yù)設(shè)的下限值時(shí),打開(kāi)對(duì)應(yīng)的電磁閥進(jìn)行灌溉,當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的土壤含水量達(dá)到預(yù)設(shè)的上限值時(shí)即關(guān)閉電磁閥,一次灌溉完成,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精準(zhǔn)灌溉。

3 應(yīng)用效果

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

采用數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)不僅能省水、省時(shí),而且增產(chǎn),減少病蟲(chóng)害的發(fā)生,提高西紅柿的產(chǎn)量和質(zhì)量。

3.1.1 增收

處理一全生育期產(chǎn)量達(dá)到 5 800 kg?畝,而處理二的全生育期產(chǎn)量只有 4 900 kg?畝,采用數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)全生育期產(chǎn)量可提高 15.51%。

3.1.2 節(jié)水

處理一灌水次數(shù)雖然略多于處理二,但是總的灌溉時(shí)間和灌溉定額是少于處理二的,從整個(gè)生育期灌溉控制系統(tǒng)輸出的結(jié)果可以看出,采用數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)水產(chǎn)比增加15.75%,畝節(jié)水 23m3。 見(jiàn)表 1。

表1 不同處理節(jié)水增效情況對(duì)比表

3.1.3 節(jié)工效益

采用數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng),根據(jù)作物生長(zhǎng)需要自動(dòng)灌溉,按一次灌溉節(jié)約 2工日計(jì)算,全生育期可以節(jié)工 14工日,每工日按 50元計(jì)算,則節(jié)工效益為 1 400元。

3.2 社會(huì)效益和生態(tài)效益

數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用減少了大量的無(wú)效的水量消耗,提高了灌溉水利用率,緩解了農(nóng)田灌溉用水緊張局面,節(jié)約和保護(hù)了當(dāng)?shù)赜邢薜乃Y源,對(duì)水資源可持續(xù)利用,創(chuàng)造良好的水環(huán)境具有重要的作用。對(duì)解決當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的增產(chǎn)和增收、產(chǎn)量與品質(zhì)、高效和可持續(xù)發(fā)展等問(wèn)題起到積極的促進(jìn)作用,具有可觀的社會(huì)和生態(tài)效益。

3 結(jié)論

數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)可以按時(shí)、按需、按量進(jìn)行灌溉,實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用。但其投入較高、對(duì)試驗(yàn)人員的要求比較嚴(yán)格,大面積的推廣還有一定的困難。

數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用可以提高單位水分生產(chǎn)率,單位面積產(chǎn)量,減輕或避免化肥、農(nóng)藥流失、揮發(fā)而造成的流域水環(huán)境和土壤環(huán)境的污染,代表著我國(guó)未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。