郭辰昊 王會(huì)強(qiáng) 李子楊 邢艷秋 羅婉婷 王晨露 張佳星 尹義蕾 王曉麗

1、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)院 3、河北潤(rùn)農(nóng)節(jié)水科技股份有限公司

引言

我國(guó)水資源總量較大，居世界第六位，但水資源的使用量也最多，人均占有量達(dá)不到世界平均值的1/4[1]。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，絕大部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)都離不開(kāi)水資源。農(nóng)田灌溉是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水的很大一部分是農(nóng)業(yè)用水[2]。近些年來(lái)，我國(guó)極其重視水資源的節(jié)約，大力推動(dòng)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的快速轉(zhuǎn)型，使其朝著智能化的方向發(fā)展。我國(guó)目前大多數(shù)農(nóng)業(yè)還采用傳統(tǒng)的澆灌方式，造成了用水效率低和水資源浪費(fèi)。為了使農(nóng)作物增產(chǎn)，農(nóng)民在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中需要對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行施肥，科學(xué)地施肥對(duì)提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量影響重大。長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)農(nóng)民在灌溉施肥時(shí)仍舊采用“糞大水勤，不用問(wèn)人”的傳統(tǒng)種植管理模式[3]。但由于浪費(fèi)而導(dǎo)致肥料利用率較低[4]。未被利用的化肥將會(huì)持續(xù)污染表面水和土壤。為了確保最大程度地利用資源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展刻不容緩。

智能水肥一體化灌溉技術(shù)是農(nóng)作物高產(chǎn)培養(yǎng)中的一項(xiàng)重要措施。伴隨著水肥一體化技術(shù)的廣泛普及，我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳印發(fā)《推進(jìn)水肥一體化實(shí)施方案（2016—2020 年）》的通知，強(qiáng)調(diào)要推動(dòng)節(jié)水農(nóng)業(yè)，減少農(nóng)業(yè)用水總量，并且有效提高水肥資源利用效率。

科技創(chuàng)新能很大程度地帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，當(dāng)今現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和科技創(chuàng)新緊緊聯(lián)系在一起。智能水肥一體化技術(shù)將灌溉技術(shù)和施肥技術(shù)緊密結(jié)合在一起，通過(guò)借助地形自然形成的落差，將肥料按照農(nóng)作物所需要施肥的規(guī)律和土壤所含有的養(yǎng)分含量，混合成施肥液與灌溉水融合在一起，通過(guò)不同的管道系統(tǒng)來(lái)供給水分和肥料，以確保定量的澆水和施肥，并且根據(jù)不同的農(nóng)作物生長(zhǎng)所需要施肥的特點(diǎn)，將水分和養(yǎng)分按照不同比例以優(yōu)化的組合狀態(tài)提供給作物。

1 智能水肥一體化系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

1.1 有效促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)

以往農(nóng)民在澆水施肥的過(guò)程中，由于農(nóng)田灌溉設(shè)備簡(jiǎn)易，而造我國(guó)的農(nóng)田灌溉設(shè)備簡(jiǎn)陋；由于不配套和智能化程度較低等原因，而造成農(nóng)業(yè)灌溉用水利用效率低下和水資源的大量浪費(fèi)[5]。并且施肥中采用了原始的施肥方法，導(dǎo)致化肥的養(yǎng)分利用率非常低。我國(guó)磷肥、氮肥以及鉀肥的利用率連33%都不到。水肥一體化技術(shù)將施肥和澆灌技術(shù)結(jié)合起來(lái)，根據(jù)作物在不同階段所需要的水分和養(yǎng)料、土壤性質(zhì)、設(shè)施條件等來(lái)制定有效的灌溉計(jì)劃，其主要包括具體的灌水額度、灌水次數(shù)和灌水時(shí)間。并選擇溶解度高、溶解速度較快且對(duì)土地腐蝕很小的肥料，按照作物所需的施肥規(guī)律和預(yù)估產(chǎn)量來(lái)制定相對(duì)應(yīng)的施肥制度。通過(guò)合理地將灌溉制度和施肥制度結(jié)合，有效提高了農(nóng)作物吸收肥料中的養(yǎng)分。

1.2 采用了物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，也是當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。智能水肥化一體技術(shù)通過(guò)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)模式，實(shí)現(xiàn)了智能化水肥灌溉。首先以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，在ZigBee 無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)支持下，通過(guò)ZigBee 不同的節(jié)點(diǎn)獲取相關(guān)農(nóng)作物的數(shù)據(jù)，確保了對(duì)灌溉水肥的控制。設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)在農(nóng)業(yè)中使用的無(wú)線傳感器，對(duì)田地里的含水量和施肥量進(jìn)行檢測(cè)，打造出智能施肥灌溉控制系統(tǒng)，借助不同農(nóng)作物的水肥需求和專(zhuān)家數(shù)據(jù)分析，形成了良好的灌溉決策，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田灌溉的節(jié)約化，網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程管理控制。從整體上相較于傳統(tǒng)澆水和灌溉方式，降低了成本，提高了效率。

1.3 采用模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)是將設(shè)計(jì)分解成不同的模塊，然后獨(dú)立設(shè)計(jì)每一個(gè)不同的模塊，最后將他們組合成更大的系統(tǒng)。模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于兼容性強(qiáng)，能夠較容易地?cái)U(kuò)展連接設(shè)備、增加功能。水肥一體化設(shè)備包含著許多不同的系統(tǒng)，如水源系統(tǒng)、樞紐控制系統(tǒng)、過(guò)濾系統(tǒng)、輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)、閥門(mén)控制系統(tǒng)、田間氣候監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等等。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，使得整體系統(tǒng)的兼容性變強(qiáng)，可以在水肥一體化系統(tǒng)中增加我們需要的模塊，保持了系統(tǒng)輸出的一致性并且增加了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

2 水肥一體化技術(shù)存在問(wèn)題

2.1 國(guó)內(nèi)普及度不高

國(guó)外的水肥一體化技術(shù)和設(shè)備發(fā)展較快，許多水肥一體化設(shè)備已經(jīng)在許多農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的在田地里運(yùn)用了。發(fā)達(dá)國(guó)家農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也已經(jīng)比較成熟，主要運(yùn)用在農(nóng)業(yè)資源利用、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理等方面[6]。由于我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展目前還未處于全面智能化時(shí)代，水肥化一體技術(shù)應(yīng)用面積很小，不到整體面積的10%，并且設(shè)備引入還存在著很大的問(wèn)題，如果從國(guó)外引入相對(duì)應(yīng)的設(shè)備，不一定符合我國(guó)的實(shí)情，并且成本頗高，可能會(huì)造成資源浪費(fèi)的情況。我國(guó)目前生產(chǎn)的水肥一體化設(shè)備還存在著監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不準(zhǔn)確、模型與作物信息不協(xié)調(diào)、控制系統(tǒng)不穩(wěn)定等問(wèn)題，從而導(dǎo)致了我國(guó)目前的農(nóng)業(yè)水肥一體化還處于初步探索狀態(tài)。

2.2 設(shè)備本身存在問(wèn)題

數(shù)據(jù)采集是實(shí)現(xiàn)信息化管理、智能化控制的基礎(chǔ)。我國(guó)目前已經(jīng)投入使用的水肥一體化設(shè)備工作一般是通過(guò)傳感器來(lái)控制的，通過(guò)一系列的土壤傳感器來(lái)收集有關(guān)土壤的信息，比如土壤濕度、土壤所含養(yǎng)分、土壤pH 值等。由于土壤傳感器需要深入土壤中，接受著風(fēng)雨的洗禮和土壤水質(zhì)的腐蝕，使得傳感器容易損壞，導(dǎo)致傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)與真實(shí)情況的差距較大，從而影響物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的判斷和后續(xù)工作。當(dāng)某種作物所處的生長(zhǎng)環(huán)境條件不同時(shí)，它所需要的水肥模型也會(huì)發(fā)生改變，這時(shí)傳感器收集的受影響數(shù)據(jù)會(huì)干擾農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)。

2.3 技術(shù)要點(diǎn)復(fù)雜

水肥一體化技術(shù)的要點(diǎn)有許多，不僅要對(duì)使用的農(nóng)民進(jìn)行培訓(xùn)，還要培訓(xùn)推廣使用的相關(guān)人員。水肥一體化技術(shù)要點(diǎn)是要選擇合適的農(nóng)作物品種，確保農(nóng)作物有著產(chǎn)量高、生命力強(qiáng)的特點(diǎn)，以保證農(nóng)場(chǎng)主的收益。其次還要選擇恰當(dāng)?shù)氖┓屎蜐补嘣O(shè)備，結(jié)合著選擇的農(nóng)作物和土壤性質(zhì)來(lái)選擇。水肥一體化技術(shù)還得需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓喔裙艿老到y(tǒng)和施肥效率來(lái)進(jìn)行科學(xué)合理的系統(tǒng)布線。針對(duì)不同的農(nóng)作物要對(duì)其營(yíng)養(yǎng)液濃度進(jìn)行合理的調(diào)配，控制其pH 值和EC 值，以確保農(nóng)作物得到合適的養(yǎng)分。這些技術(shù)需要農(nóng)民掌握，或者需要定時(shí)聘請(qǐng)相關(guān)的管理人員來(lái)進(jìn)行調(diào)整，其在一定程度上影響了水肥一體化技術(shù)的推廣。

3 水肥一體化未來(lái)發(fā)展方向

3.1 國(guó)內(nèi)加大推廣力度

如果想要推動(dòng)水肥一體化技術(shù)在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用，首先應(yīng)該讓農(nóng)場(chǎng)主意識(shí)到水肥化一體化技術(shù)在節(jié)水增糧、保護(hù)環(huán)境、預(yù)防災(zāi)害等方面的重要性。這需要結(jié)合許多不同的機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行推廣，首先國(guó)家應(yīng)該多設(shè)立相關(guān)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目，下發(fā)相關(guān)文件并加大對(duì)其的財(cái)務(wù)支持力度，鼓勵(lì)社會(huì)資本對(duì)其進(jìn)行投資。農(nóng)業(yè)相關(guān)部門(mén)應(yīng)該采取相關(guān)措施來(lái)宣傳水肥一體化技術(shù)，讓農(nóng)民了解水肥一體化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并對(duì)他們進(jìn)行相關(guān)技能培訓(xùn)，從而提升農(nóng)民的實(shí)際應(yīng)用水平。相關(guān)的農(nóng)業(yè)機(jī)械企業(yè)應(yīng)該保障好售前咨詢和售后保障等服務(wù)，通過(guò)相關(guān)服務(wù)來(lái)提高農(nóng)民購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品的積極性。

3.2 提升設(shè)備性能

目前水肥一體化設(shè)備在我國(guó)的應(yīng)用還沒(méi)十分成熟，設(shè)備本身還有許多問(wèn)題需要解決。需設(shè)計(jì)出新的工藝來(lái)提高傳感器的性能，提升其測(cè)量精度，讓其能夠在惡劣環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間工作，并能夠準(zhǔn)確測(cè)出農(nóng)作物周邊的環(huán)境信息。設(shè)備中還需要有針對(duì)不同環(huán)境條件的水肥模型，以應(yīng)對(duì)各種不同的需求。要能夠及時(shí)根據(jù)環(huán)境因素改變?nèi)ミx擇相適應(yīng)的水肥模型，保證農(nóng)作物得到最適合生長(zhǎng)的水肥條件。伴隨著5G 時(shí)代的到來(lái)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕦?huì)越來(lái)越快，這時(shí)候就需要提高水肥一體化設(shè)備的穩(wěn)定性，避免數(shù)據(jù)傳輸中受到其他環(huán)境因素的影響，保障水肥一體化物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的準(zhǔn)確性。

3.3 結(jié)合人工智能技術(shù)

當(dāng)前我們正處于科技迅速發(fā)展的時(shí)代，智能化設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用在我們的生活中，比如智能家居、智能機(jī)器人等?？刂破脚_(tái)的智能化是未來(lái)控制領(lǐng)域的趨勢(shì)，人工智能目前應(yīng)用最廣泛的兩個(gè)領(lǐng)域分別是計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域和自然語(yǔ)言處理領(lǐng)域，語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)能夠給我們帶來(lái)極大的便利，能夠有效推動(dòng)控制平臺(tái)的智能化發(fā)展。語(yǔ)音可以極大地提高人機(jī)交互效率，我們可以將語(yǔ)音技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)智能裝備領(lǐng)域，將語(yǔ)音報(bào)警、語(yǔ)音交互、語(yǔ)音操控等功能結(jié)合在一起，避免了在應(yīng)急情況下來(lái)不及操作等問(wèn)題，可以提高農(nóng)業(yè)設(shè)施的智能化和便捷化，應(yīng)用前景十分廣闊。

4 結(jié)語(yǔ)

智能水肥一體化技術(shù)有著許多優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉和施肥，有效促進(jìn)了農(nóng)作物的健康生長(zhǎng)。并且水肥一體化系統(tǒng)能夠有效結(jié)合目前的先進(jìn)技術(shù)，促進(jìn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型。但是根據(jù)目前我國(guó)具體實(shí)施情況來(lái)看，有關(guān)水肥一體化國(guó)內(nèi)普及程度，設(shè)備和技術(shù)發(fā)展還存在著一些問(wèn)題。但是隨著未來(lái)的發(fā)展，我國(guó)農(nóng)業(yè)會(huì)具體應(yīng)用水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化和現(xiàn)代化，為我國(guó)的農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。