闕寧磊 顧小小 （上海市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，上海市閔行區(qū) 201106）

水肥一體化是將灌溉與施肥融為一體的技術(shù)，具有肥效快、肥料利用率高、節(jié)肥省力等優(yōu)點(diǎn)，可有效減少水傳播病害的幾率，是未來(lái)高效、安全農(nóng)業(yè)的必然選擇。水肥一體化是一個(gè)技術(shù)鏈，必須以適宜果樹(shù)栽培實(shí)際的節(jié)水灌溉設(shè)備為保障，以適用于高效水肥一體化技術(shù)的自動(dòng)控制設(shè)備為依托，才能滿足果樹(shù)生產(chǎn)的需求和水肥一體化的技術(shù)要求。本文通過(guò)介紹節(jié)水灌溉設(shè)備及自動(dòng)控制系統(tǒng)在上海市設(shè)施葡萄、露地桃樹(shù)等果樹(shù)水肥一體化中的集成和應(yīng)用，以期提供一種各項(xiàng)技術(shù)相互協(xié)調(diào)、省工省肥、具有示范推廣作用的果樹(shù)水肥一體化栽培模式，從而為上海市果樹(shù)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供新思路。

1 節(jié)水灌溉設(shè)備及自動(dòng)控制系統(tǒng)在上海市果樹(shù)水肥一體化中的集成應(yīng)用

1.1 概 況

本文結(jié)合上海市浦東新區(qū)大團(tuán)鎮(zhèn)露地栽培桃樹(shù)及金山區(qū)廊下鎮(zhèn)設(shè)施栽培葡萄的水肥一體化應(yīng)用實(shí)際，介紹了灌溉設(shè)備及其自動(dòng)控制情況。其中浦東新區(qū)桃樹(shù)基地露地栽培面積達(dá)3.67 hm2，桃樹(shù)樹(shù)齡較大，其一般行距為4m、株距為3m，2015年4月起安裝地噴及上噴系統(tǒng)；金山區(qū)葡萄基地設(shè)施栽培面積達(dá)5.33 hm2，葡萄設(shè)施栽培的株距、行距因設(shè)施情況不同各有差異，2015年3月起安裝地埋滴灌管。

1.2 節(jié)水灌溉設(shè)備配置

1.2.1 浦東新區(qū)桃樹(shù)基地

桃樹(shù)基地安裝首部一套，首部配有一用一備兩臺(tái)水泵、比例施肥器、疊片過(guò)濾器、砂石過(guò)濾器、各種閥、變頻恒壓控制柜等。水泵功率11 kW，流量40 m3/h，揚(yáng)程50 m，備用水泵功率5.5 kW，流量30 m3/h；比例施肥器串聯(lián)安裝，將母液按設(shè)定比例吸入施肥器，送到下游管路；疊片過(guò)濾器過(guò)濾較小雜質(zhì)，砂石過(guò)濾器過(guò)濾較大雜物，截獲污物能力強(qiáng)；變頻恒壓控制柜利用遠(yuǎn)程壓力表輸送壓力信號(hào)至變頻器，以控制水泵運(yùn)行、保持設(shè)定供水壓力。

采用地面微灌及頂部噴淋兩套灌溉模式相結(jié)合的方式，種植區(qū)域設(shè)11個(gè)地噴輪灌組與上噴輪灌組，各輪灌組由獨(dú)立電磁閥和手動(dòng)閥進(jìn)行控制。每棵桃樹(shù)樹(shù)干處均勻布置4個(gè)地面微噴頭，每棵桃樹(shù)頂上設(shè)置1個(gè)上掛式微噴灌水器。地噴頭選取流量0～50 L/h、射程0.6 m、工作壓力0.1～0.25 MPa的果樹(shù)灌水器，噴頭的灌水量及射程可調(diào)；上噴頭選取流量40 L/h、射程3 m、工作壓力0.2～0.3 MPa的旋轉(zhuǎn)微噴頭。露地栽培桃樹(shù)地噴及上噴灌溉系統(tǒng)示意見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 桃樹(shù)地噴灌溉系統(tǒng)示意

圖2 桃樹(shù)上噴灌溉系統(tǒng)示意

1.2.2 金山區(qū)葡萄基地

葡萄基地安裝首部二套，首部配有一用一備兩臺(tái)水泵、自動(dòng)定時(shí)反沖網(wǎng)式過(guò)濾器、變頻恒壓控制柜等。水泵功率4 kW，流量35 m3/h，揚(yáng)程21 m。葡萄基地全自動(dòng)變頻恒壓灌溉系統(tǒng)首部示意見(jiàn)圖3。

采用地埋滴灌管方式灌溉，共設(shè) 6個(gè)輪灌組，每組由獨(dú)立電磁閥和手動(dòng)閥進(jìn)行控制，各組設(shè)有獨(dú)立環(huán)形兩端恒壓緩釋注肥器，并在泵房首部設(shè)有大型兩端恒壓緩釋注肥器。每行葡萄設(shè)置一條反濾防堵地埋滴灌管，入土埋深約200 mm。滴灌管內(nèi)設(shè)有內(nèi)鑲管柱式反濾滴頭，能有效防堵。

1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)配置

兩個(gè)基地均采用群控?zé)o線太陽(yáng)能土壤濕度控制自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，控制系統(tǒng)由控制主機(jī)、室外子域控制器組成，主機(jī)與子域控制器之間通過(guò)無(wú)線通訊模塊通訊。每個(gè)灌溉區(qū)可設(shè)置3種工作模式：（1）土壤濕度自動(dòng)控制灌溉；（2）用土壤濕度控制+限制灌溉時(shí)間；（3）定時(shí)灌溉。所有設(shè)置信息都由用戶在主機(jī)設(shè)置完成后發(fā)送到子域控制器。主控制器連接電腦后，由電腦軟件控制主機(jī)，可保存濕度、灌溉、報(bào)錯(cuò)等歷史信息，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)泵的自動(dòng)控制。通過(guò)瀏覽器登陸，能隨時(shí)隨地查看、設(shè)置、控制系統(tǒng)。主機(jī)具有3G通訊功能，用戶還可通過(guò)手機(jī)查詢各個(gè)灌溉區(qū)域當(dāng)前的工作狀態(tài)或控制各個(gè)灌溉區(qū)域閥門(mén)啟閉。主機(jī)放置在室內(nèi)。系統(tǒng)可配備各輪灌分區(qū)單獨(dú)的土壤溫濕度傳感器、管道壓力傳感器或流量傳感器，傳感器設(shè)置在典型位置，實(shí)時(shí)采集、傳輸數(shù)據(jù)。

圖3 葡萄基地全自動(dòng)變頻恒壓灌溉系統(tǒng)首部示意

各輪灌組設(shè)有獨(dú)立的子域控制器，它與主控制器之間通訊距離為500 m。子域控制器及大容量蓄電池安裝于控制箱內(nèi)，控制箱外配裝大面積太陽(yáng)能板，保證高效充電。子域控制器與脈沖式電磁閥相連接，控制其啟閉。其中，葡萄基地因各輪灌組采用獨(dú)立的施肥裝置，故室外控制箱內(nèi)裝有緩釋施肥器，見(jiàn)圖4。

圖4 葡萄基地子域控制箱內(nèi)部構(gòu)造

2 應(yīng)用節(jié)水灌溉設(shè)備及自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)分析

2.1 節(jié)水灌溉設(shè)備

節(jié)水灌溉設(shè)備可將帶有肥料的灌溉水高效、均勻、緩慢、穩(wěn)定、及時(shí)、可控、準(zhǔn)確地輸送到果樹(shù)根部土壤；而采用基于物聯(lián)網(wǎng)的管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守和可追溯。因此，節(jié)水灌溉設(shè)備和自動(dòng)控制系統(tǒng)在果樹(shù)水肥一體化技術(shù)上的集成應(yīng)用，具有顯著的提質(zhì)、省水、省肥、省工等效果，有一定的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益。具體優(yōu)勢(shì)為：（1）提高水肥利用率。由于是直接向果樹(shù)根部供水，大幅度減少了水分蒸發(fā)，提高了水分利用率；同時(shí)，將溶解后的肥料近乎等量地輸送到果樹(shù)根系附近土壤區(qū)域，保證了根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分的迅速吸收，實(shí)現(xiàn)了肥料的高效利用[1]。（2）節(jié)省人工。減輕了灌溉、施肥的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了勞動(dòng)力成本，有利于果園標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)[2]。（3）提高土壤利用率，改善土壤環(huán)境。能有效保持土壤濕度，有利于土壤微生物群落的多樣性、土壤有機(jī)質(zhì)的分解、植物營(yíng)養(yǎng)的礦化及養(yǎng)分循環(huán)[3]；還可減少肥料用量，減少土壤次生鹽漬化和對(duì)地下水的污染[4]。（4）提高果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量。解決了土壤水氣矛盾，進(jìn)而影響樹(shù)體根系分布，有利于果樹(shù)生長(zhǎng)和高產(chǎn)[5]。除以上共同優(yōu)點(diǎn)外，兩個(gè)基地應(yīng)用的技術(shù)還有各自的特點(diǎn)。

2.1.1 葡萄基地的反濾防堵地下埋設(shè)滴灌管灌溉施肥技術(shù)

該技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）水源過(guò)濾要求低?？捎行Х乐刮锢矶氯?、化學(xué)堵塞和生物堵塞，從而降低對(duì)灌溉水質(zhì)的要求，一般過(guò)濾器濾網(wǎng)采用80目以上即可，極大地減少了首部過(guò)濾壓力，降低了過(guò)濾器的配置成本及清洗過(guò)濾器的人工成本。（2）肥料選取面廣。降低了對(duì)肥料水溶性的要求，拓寬了肥料選擇范圍，節(jié)省成本，便于操作。（3）既可埋入土壤進(jìn)行地下滴灌施肥，又可用于地表滴灌施肥，且灌溉和施肥緩慢、均勻、穩(wěn)定。（4）減少了地表雜草生長(zhǎng)。將灌溉水直接供往果樹(shù)根系，既保證了植物生長(zhǎng)需水，又保持了地表土干燥，抑制了地表雜草的生長(zhǎng)，減少了果園病蟲(chóng)害的發(fā)生。

2.1.2 桃樹(shù)基地的地面微噴系統(tǒng)

桃樹(shù)的根系分布范圍基本與樹(shù)冠直徑相同，根系有明顯的向水性、向肥性，不宜采用點(diǎn)狀或線狀濕潤(rùn)的灌溉施肥方式。因此，桃樹(shù)基地采用了地面微噴系統(tǒng)。具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）可在桃樹(shù)根部形成范圍可控的圓形濕潤(rùn)圈。（2）灌水強(qiáng)度適中，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，保證了桃樹(shù)不同生育階段的水肥供給。（3）低強(qiáng)度灌水在冬季可緩慢提升地溫，在夏季可有效降低局部溫度，改善局部小氣候，為桃樹(shù)營(yíng)造適宜的生長(zhǎng)環(huán)境（溫度、濕度等），促進(jìn)冠層上下氣流交換，從而減少落果、裂果等現(xiàn)象，保證了豐產(chǎn)，改善了果實(shí)品質(zhì)。

2.1.3 桃樹(shù)基地的頂部噴淋系統(tǒng)

結(jié)合水蜜桃種植經(jīng)驗(yàn)，桃樹(shù)基地配套采用了頂部噴淋系統(tǒng)。具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）采用均勻的噴淋灌水器，在樹(shù)冠上部形成細(xì)密的旋轉(zhuǎn)雨簾來(lái)模擬降雨，減輕了早春桃樹(shù)芽發(fā)育前遇霜凍及干旱高溫季節(jié)補(bǔ)水量不及時(shí)等情況對(duì)果樹(shù)生長(zhǎng)造成的損害。（2）直接給植株枝葉補(bǔ)充水分，配合地面微噴灌溉對(duì)果樹(shù)根系的補(bǔ)水作用，為桃樹(shù)共同營(yíng)造了最適宜的立體水、肥、氣、熱生長(zhǎng)環(huán)境。（3）可有效噴灑葉面肥，補(bǔ)充果實(shí)生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)。（4）可實(shí)現(xiàn)及時(shí)、均勻、便捷噴藥，有效進(jìn)行病蟲(chóng)害防控。

2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)和傳感器的自動(dòng)控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)對(duì)土壤濕度、環(huán)境信息、管道壓力等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和分析，結(jié)合果樹(shù)的生長(zhǎng)階段、需水規(guī)律和測(cè)土施肥配方來(lái)指導(dǎo)灌溉施肥，可實(shí)現(xiàn)適量、精準(zhǔn)、便捷的管理控制。兩個(gè)基地均采用太陽(yáng)能供電的無(wú)線控制方式，解決了線路鋪設(shè)施工不便、成本過(guò)高、大面積管理不便等問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制提供了簡(jiǎn)單易行的技術(shù)參考。

3 實(shí)行水肥一體化技術(shù)存在的問(wèn)題

針對(duì)兩個(gè)基地實(shí)行水肥一體化技術(shù)的現(xiàn)實(shí)情況，上海地區(qū)推廣果樹(shù)水肥一體化技術(shù)還存在不少困難和問(wèn)題，主要表現(xiàn)在果農(nóng)缺乏節(jié)水節(jié)肥意識(shí)、盲目過(guò)量灌溉施肥現(xiàn)象嚴(yán)重、系統(tǒng)的一次性投入較大（桃樹(shù)露地栽培的地噴加上噴系統(tǒng)投入費(fèi)用約為15元/m2）、國(guó)產(chǎn)灌溉器材的可靠性不高、關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)施設(shè)備不完全配套、缺少智能專家系統(tǒng)技術(shù)、技術(shù)集成示范力度不夠等。

此外，還存在以下問(wèn)題：（1）與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)水肥一體化技術(shù)在果樹(shù)上的應(yīng)用仍十分有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家[4]，迫切需要大力推廣示范。（2）上海地區(qū)大部分果農(nóng)的果樹(shù)種植區(qū)域分散、面積小且果樹(shù)栽培行株距不規(guī)范，集中經(jīng)營(yíng)的合作社或家庭農(nóng)場(chǎng)少，不利于推廣使用一次性投入較高的成套設(shè)備[6]。（3）桃樹(shù)露地栽培設(shè)置的上噴系統(tǒng)的性價(jià)比不高。（4）葡萄基地采用地埋滴灌管方式，地表無(wú)法直觀觀測(cè)土壤濕潤(rùn)情況，影響了果農(nóng)的使用積極性。（5）應(yīng)用水肥一體化技術(shù)可能影響果樹(shù)根系生長(zhǎng)。對(duì)葡萄而言，長(zhǎng)期使用地埋滴灌管模式進(jìn)行灌溉施肥，可能會(huì)造成濕潤(rùn)區(qū)域邊緣的鹽分累積，會(huì)對(duì)葡萄根系生長(zhǎng)造成一定程度的限根效應(yīng)[7]；對(duì)桃樹(shù)而言，地噴灌溉器附近的根系密度增加，而非濕潤(rùn)區(qū)根系生長(zhǎng)受到抑制，少量多次的灌溉方式會(huì)導(dǎo)致桃樹(shù)根系分布變淺[8]。（6）新建灌溉首部用泵房的設(shè)置、灌溉用水的水源水質(zhì)，特別是灌溉用原水蓄水池的設(shè)置，對(duì)果樹(shù)水肥一體化技術(shù)的實(shí)施及正常使用影響較大。（7）果農(nóng)文化水平低，且因其主要工作偏重于田間管理、銷售，往往做不到真正的專人管理，忽略了對(duì)水肥一體化系統(tǒng)裝置的日常維護(hù)保養(yǎng)；且果園面積較大時(shí)，對(duì)灌溉施肥時(shí)的水肥一體化田間設(shè)施的巡檢及維修工作跟不上，對(duì)系統(tǒng)的正常安全使用影響較大。

4 進(jìn)一步應(yīng)用水肥一體化技術(shù)的建議

（1）節(jié)水灌溉、水肥一體化、自動(dòng)化控制是未來(lái)農(nóng)林業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，政府部門(mén)要加強(qiáng)政策引導(dǎo)，各級(jí)相關(guān)單位要增大宣傳力度，選派專業(yè)技術(shù)人員深入果樹(shù)種植第一線進(jìn)行培訓(xùn)和指導(dǎo)，進(jìn)一步促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的推廣應(yīng)用。（2）水肥一體化技術(shù)涉及到農(nóng)田水利、農(nóng)業(yè)機(jī)械、栽培管理、土壤營(yíng)養(yǎng)、自動(dòng)控制、信息管理、農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)管理等眾多學(xué)科，應(yīng)增強(qiáng)學(xué)科間的學(xué)術(shù)交流，彼此促進(jìn)，共同提高，形成水肥一體化技術(shù)集成，為果樹(shù)種植的高效、高質(zhì)、高產(chǎn)提供有力的技術(shù)支撐。（3）為了全面推動(dòng)水肥一體化技術(shù)的普及和應(yīng)用，須研發(fā)更多性能優(yōu)良、安裝方便、操作簡(jiǎn)易、成本低廉、適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠的高性價(jià)比成套灌溉設(shè)備、施肥設(shè)備和自動(dòng)控制設(shè)備。（4）由于相關(guān)設(shè)備和控制系統(tǒng)的使用需要一定的操作管理水平，須加強(qiáng)對(duì)相關(guān)人員的技術(shù)指導(dǎo)和培訓(xùn)，培養(yǎng)一批能獨(dú)立操作和使用該項(xiàng)技術(shù)的專業(yè)人員，切實(shí)完成系統(tǒng)的日常維護(hù)保養(yǎng)工作。（5）加強(qiáng)對(duì)不同果樹(shù)水肥耦合下高效機(jī)理的研究，不斷優(yōu)化灌溉施肥方式，全面提升農(nóng)田水肥利用效率；編制成熟的專家系統(tǒng)及自動(dòng)控制應(yīng)用程序，為果樹(shù)的生長(zhǎng)提供合理、精準(zhǔn)的灌溉、施肥標(biāo)準(zhǔn)。（6）研究適合大面積露地栽培情況下使用的太陽(yáng)能供電的WIFI或3G果園監(jiān)控圖像、視頻采集傳輸、報(bào)警裝置系統(tǒng)及無(wú)人機(jī)田間巡檢系統(tǒng)等。（7）探尋適應(yīng)果樹(shù)栽培的新型生產(chǎn)方式，進(jìn)一步研究或推廣適用于果園機(jī)械化作業(yè)的水肥一體化模式。

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