倪 紅

（武城縣農業(yè)農村局，山東 德州 253000）

二十一世紀以來，隨著互聯(lián)網的普及，人們的衣食住用行無一不與之相關，同時推動通信技術、人工智能等新型科學技術的發(fā)展。從日常生活到生產發(fā)展都與“智慧”聯(lián)系到一起，而作為在我國最早出現的生產方式，農業(yè)發(fā)展一直以來備受關注。2016年黨的《“十三五”全國農業(yè)農村信息化發(fā)展規(guī)劃》《國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》等政策綱領性文件明確指出“信息化成為農業(yè)現代化的制高點”，加快農業(yè)、農村信息化的發(fā)展，培育和建設智慧農業(yè)、互聯(lián)網農業(yè)等新興產業(yè)[1]。當前，如何結合數字信息技術已成為智慧農業(yè)發(fā)展和質量提升的關鍵環(huán)節(jié)。實現農業(yè)作物種植過程中水肥一體化智慧系統(tǒng)的設計，對推動我國智慧新農業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1 水肥一體化智慧系統(tǒng)的設計概述

1.1 相關概念的理解

（1）水肥一體化技術是集灌溉和施肥為一體的農業(yè)新技術。為解決農田作物種植過程耗費大量人力物力的問題，利用新科技手段進行設計，得到的農田水肥一體化系統(tǒng)。水肥一體化系統(tǒng)是根據壓力系統(tǒng)（或地形自然落差），將可溶性固體或液體肥料根據土壤養(yǎng)分含量和作物種類所需肥料的規(guī)則和特征，對肥料和灌溉水進行組合[2]。

（2）對肥料和灌溉水的控制是依靠管道系統(tǒng)。為解決農田灌溉過程因水量或者化肥量失衡導致作物減產的問題，水肥一體化智慧系統(tǒng)通過可控制的管道系統(tǒng)供給水，使肥料融合之后再次通過管道和滴頭進行滴灌，實現均勻、定時和定量地滋潤作物。

（3）水肥一體化智慧系統(tǒng)可調控最佳水肥比例。培育生長區(qū)，始終疏松主要根系土壤，保持適當的含水量，并根據不同作物所需肥料的特點、土壤環(huán)境和養(yǎng)分的含量情況，給予作物在成長期所需要的水和肥料。系統(tǒng)按生長期進行需求設計，以水肥最佳比例直接供給作物。

1.2 農田水肥一體化系統(tǒng)的現狀分析

（1）農田水肥一體化缺乏具體的、專業(yè)的標準系統(tǒng)。社會在不斷地發(fā)展，世界科學技術水平也在不斷地進步，與高科技技術水平相適應的新農業(yè)也應該不斷更新。但是就目前而言，我國的農田水肥一體化系統(tǒng)并沒有一套完善、具體的應用標準。同時不同性質的農業(yè)機構所應用的農田水肥一體化系統(tǒng)所包含內容也不盡相同，所以應用范圍及標準也都有所不同，缺少統(tǒng)一的標準，直接影響到農田水肥一體化系統(tǒng)應用產生的質量效果。

（2）系統(tǒng)應用范圍受限，管理人員缺乏專業(yè)素質。由于農田水肥一體化系統(tǒng)發(fā)展時間短，具備專業(yè)資質的維護人員更是少之又少，有很多管理人員都是沒有經過系統(tǒng)的培訓就上崗的[3]。有一些農業(yè)機構水肥一體化系統(tǒng)應用之初就缺乏專業(yè)人才，后續(xù)針對農田水肥一體化系統(tǒng)應用及維護的相關人員進行的培訓、考核更加無法達到要求。管理人員對智能化環(huán)境不了解、對水肥一體化系統(tǒng)不熟悉都會導致應用效果下降，有的甚至導致系統(tǒng)對肥料和灌溉水的控制失準、失效，最終造成水肥一體化系統(tǒng)應用水平偏低，使用者心里也缺乏公信力。

1.3 水肥一體化智慧系統(tǒng)優(yōu)勢

（1）施肥效果快，養(yǎng)分利用率高。通過應用水肥一體化智慧系統(tǒng)，可以實現實時數據監(jiān)控作物表層干燥度，減少施肥造成干燥作物揮發(fā)性的損失。應用管道閥門系統(tǒng)緩慢溶解，最終可以避免肥效變慢的弊端。

（2）通過水肥一體化技術，肥料的利用率大幅提高。傳統(tǒng)系統(tǒng)經驗是依據全國范圍內的農作物進行配比水肥比例進行灌溉的。而水肥一體化智慧系統(tǒng)中的水肥比例是依據大數據智能算法最終得出，這樣一來可以更好地實現智能化配比灌溉水分和肥料，提升作物產量的同時避免肥料的過度浪費。

（3）水肥一體化技術通過人為定量控制，滿足了作物在關鍵生長期間“吃飽喝足”的需要，根除了所有缺乏癥，在生產中可以達到作物產量和質量良好的目標。同時大幅度節(jié)水，設施灌溉比傳統(tǒng)方式節(jié)水多50%，其中點滴灌溉最省水。

2 農田信息監(jiān)測系統(tǒng)評估

2.1 相關技術支持的研究

在如今這樣一個“信息爆炸的時代”，每天僅一個人獲取到的信息就不計其數，但是這些毫無規(guī)律的信息是怎樣進行分類最后傳遞到每一個人的呢？首先，面對海量信息資源依靠人力進行分類處理是很難實現的，這時就需要一個龐大的電子信息系統(tǒng)來提供幫助。在科學技術水平高速發(fā)展的今天，始終走在科技發(fā)展前列的計算機網絡技術，是電子信息系統(tǒng)的重要技術支持[4]。正是由于計算機網絡技術的推動作用，電子信息技術迭代更替，取得迅猛發(fā)展。電子信息系統(tǒng)被廣泛應用于各行各業(yè)，也為其帶來了技術水平的不斷更新。所以，在農田水肥一體化智慧系統(tǒng)中少不了計算機網絡技術的支持。

2.2 本地環(huán)境監(jiān)控

在農田管理系統(tǒng)的操作畫面上，顯示系統(tǒng)構成圖、作物栽培環(huán)境、氣象信息、土壤環(huán)境信息以及各灌溉區(qū)施肥灌溉運行信息等。同時通過添加農田種植參考資料，用于指導農田水肥一體化智慧系統(tǒng)的監(jiān)控指標。設置定期更新數據系統(tǒng)，應用最新的農業(yè)科技研究進展來保障農業(yè)生產。

利用現代科學技術手段，記錄當日各個時段的灌溉量、施肥的狀況等。設置現場警報，在發(fā)生故障和緊急情況時，會自動發(fā)出警報，并將警報信息發(fā)送給相關管理人員的手機。嚴重警報通過電話通知，防止了故障和事故擴大造成的經濟損失。此外，系統(tǒng)還會記錄所有發(fā)布的警報信息，管理者收到報警信息后，如果不能及時在現場處理，后期可以通過手機警報記錄找負責人詢問責任。

2.3 遠程智能監(jiān)控

農田水肥一體化智慧系統(tǒng)的監(jiān)視管理是支持遠程功能的，主要包括：遠程監(jiān)視器、遠程設備的診斷和維護、使用手機訪問遠程智能監(jiān)控管理模塊、使用平板電腦訪問遠程智能監(jiān)控管理模塊四個部分。管理者手持手機、平板電腦等移動設備接入遠程智能監(jiān)控管理模塊[5]。自動提交數據包括栽培環(huán)境、氣象信息、土壤環(huán)境信息以及各灌溉區(qū)施肥灌溉運行信息。通過應用水肥一體化智慧系統(tǒng)，可以實現實時數據監(jiān)控作物表層干燥度，減少施肥造成干燥作物揮發(fā)性的損失。應用管道閥門系統(tǒng)緩慢溶解，最終可以避免肥效變慢的弊端。同時設置無線網絡手機或平板電腦連接到園區(qū)網絡后，才可以查詢水肥一體化管理系統(tǒng)的操作記錄，顯示系統(tǒng)構成圖，顯示各灌溉區(qū)施肥灌溉運行信息。防止信息泄露，為遠程監(jiān)控提供安全保障。水肥一體化技術依照相關農田種植參考資料，用于指導農田水肥一體化智能系統(tǒng)的監(jiān)控指標。人為定量控制，滿足了作物在生長關鍵期的需要，在生產中可以達到作物產量和質量良好的目標。

3 水肥一體化智慧系統(tǒng)

3.1 水肥一體化智慧系統(tǒng)的構成

目前水肥一體化智慧系統(tǒng)的組成主要是基于物聯(lián)網智慧農業(yè)的基礎，經過科學技術的迭代升級演變產生的。如圖1所示，其中主要由給水、施肥、管道設備和智能控制系統(tǒng)、傳感器和感知采集系統(tǒng)、無線和有線網絡系統(tǒng)、應用層服務系統(tǒng)四個模塊組成的。四大模塊依托相應的部件如壓力泵、水泵、施肥泵、管道和電磁閥等智能控制器，實現數據獲取、數據傳輸以及發(fā)出指令，如土壤溫濕度等數據的存儲和處理及發(fā)送指令至控制器進行施肥灌溉管理[6]。

圖1 水肥一體化智慧系統(tǒng)結構

3.2 智慧系統(tǒng)中各部分的功能研究

（1）關于水肥一體化智慧系統(tǒng)的數據獲取部分，依靠傳感器感知和數據采集系統(tǒng)可以實現實時數據獲取作物表層干燥度，減少施肥造成干燥作物揮發(fā)性的損失。通過分析銨狀態(tài)和尿素狀態(tài)數據智能控制氮肥，這樣一來既可以減少地表揮發(fā)性的損失，也可以節(jié)約氮肥實現環(huán)境保護。

（2）通過水肥一體化智慧系統(tǒng)的數據分析技術，實現肥料的利用率大幅提高。傳統(tǒng)水灌溉、施肥系統(tǒng)缺乏及時有效地判斷，無法實現肥料的最大利用率，水肥一體化智慧系統(tǒng)可以實現比傳統(tǒng)施肥節(jié)省50%到70%的肥料。以山東省德州市武城縣農業(yè)發(fā)展為例，如果應用符合北方農田實際的水肥一體化智慧系統(tǒng)，可以實現小麥、玉米、棉花等北方常見的農業(yè)作物的種植過程更加智能，應用水肥一體化智慧系統(tǒng)讓農業(yè)農村走向更加智能化的道路。

（3）通過動態(tài)控制指令，滿足作物在關鍵生長期間的養(yǎng)分需要。依據作物生長特點設置程序，如小麥、玉米、棉花等北方常見的農業(yè)作物易出現水肥缺乏癥，依靠程序指令定量定時進行，可以在生產中實現作物產量和質量良好的目標。水肥自動灌溉系統(tǒng)程序設計時要根據不同作物或果樹的種類確定最佳的土壤含水量范圍，假設某一作物的最佳土壤含水量范圍為15%～20%，含水量變量為X，土壤傳感器標號為I，灌溉時間為D[7]。水肥自動灌溉程序設計流程圖如圖2所示，當用戶在農田管理系統(tǒng)的操作畫面上，顯示系統(tǒng)構成圖、作物栽培環(huán)境、氣象信息、土壤環(huán)境信息以及各灌溉區(qū)施肥灌溉運行信息。

圖2 水肥自動灌溉程序設計流程圖

3.3 水肥一體化智慧系統(tǒng)廣泛應用的重要意義

水肥一體化智慧系統(tǒng)提升農業(yè)智能化水平?，F階段我國農業(yè)農村生產種類繁多，農業(yè)技術發(fā)展日新月異，傳統(tǒng)農業(yè)陷入無法依靠天然農作物生存的惡性處境，更無力支撐自身發(fā)展。同時，傳統(tǒng)農業(yè)設備設施老化嚴重，已經無法適應當前科技提升、社會進步和行業(yè)發(fā)展的具體情況。然而對于水肥一體化智慧系統(tǒng)來說，更容易提升技術更新?lián)Q代速率?；ヂ?lián)網信息技術背景下出現的行業(yè)特征，如技術進步快、產品生命周期短、升級頻繁等特點。由于傳統(tǒng)農田灌溉、施肥技術存在弊端，而產品結合市場必須要經常出現新變化。水肥一體化智慧系統(tǒng)更能夠準確把握技術和行業(yè)發(fā)展趨勢，持續(xù)創(chuàng)新，不斷推出新系統(tǒng)和新項目，以滿足現實需求，這給現代農業(yè)的發(fā)展帶來一定的挑戰(zhàn)和機遇。

4 結束語

水肥一體化智慧系統(tǒng)的應用，給具體負責監(jiān)測管理職能崗位帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。相關機構實施監(jiān)管能力，杜絕不愿管、不會管的情況。在市、縣、局農業(yè)職能部門能夠發(fā)揮有效監(jiān)管的作用下，對未來水肥一體化智慧系統(tǒng)的廣泛應用具有重要意義。