吳 陽，陳 曦，譚 飛

（無錫太湖學(xué)院 智能裝備工程學(xué)院，江蘇 無錫 214064）

0 引言

中國(guó)是一個(gè)缺水國(guó)家，我國(guó)缺水的主要表現(xiàn)之一就是農(nóng)業(yè)缺水，水利是中國(guó)農(nóng)業(yè)的命脈，我國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，粗放型灌溉加劇用水缺口問題，做好農(nóng)業(yè)節(jié)水成為節(jié)水工作的重中之重。雖然我國(guó)已經(jīng)采取了一些高效節(jié)水灌溉措施。但用水方式整體比較粗放，利用系數(shù)仍然偏低。水資源的匱乏，尤其是農(nóng)業(yè)灌溉水資源，是限制農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素［1］。

在傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)水肥一體化精準(zhǔn)灌溉技術(shù)，旨在及時(shí)獲取作物的表型信息、環(huán)境數(shù)據(jù)及土壤的水肥含量，以三者的結(jié)合作為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無損的作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)和精確灌溉，達(dá)到減施增效目的。從而在提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的同時(shí)，減少對(duì)環(huán)境造成的污染。

1 精準(zhǔn)水肥灌溉技術(shù)

1.1 基本概念

精準(zhǔn)水肥灌溉技術(shù)是智慧農(nóng)業(yè)的一部分。智慧農(nóng)業(yè)采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)、減少成本支出、避免資源浪費(fèi)、減少對(duì)環(huán)境帶來的污染為目的［2－5］。精準(zhǔn)水肥灌溉技術(shù)包含精確施肥和精準(zhǔn)灌溉，及時(shí)確定不同作物在各個(gè)生長(zhǎng)階段的灌溉需水需肥量及灌溉時(shí)間，并結(jié)合噴灌、微灌和滲灌等灌溉方式實(shí)時(shí)精確灌溉，滿足作物需求的農(nóng)業(yè)灌溉措施［6］。

1.2 實(shí)施精準(zhǔn)灌溉的必要性

精準(zhǔn)灌溉與傳統(tǒng)灌溉方式的區(qū)別體現(xiàn)在水肥一體化及灌溉量的精準(zhǔn)上，而在大田環(huán)境中受氣候等周圍環(huán)境因素影響，作物生長(zhǎng)環(huán)境變化劇烈，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控，因此研究設(shè)施農(nóng)業(yè)作物精準(zhǔn)灌溉技術(shù)十分必要［7－8］。

2 研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)中水資源管理粗放。為促進(jìn)其可持續(xù)發(fā)展，提高水肥的利用效率，減少浪費(fèi)，實(shí)行精準(zhǔn)灌溉施肥，有助于作物的生長(zhǎng)管理。目前國(guó)內(nèi)外已針對(duì)智能灌溉系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)液調(diào)配策略及灌溉策略進(jìn)行了相應(yīng)研究工作，研發(fā)作物施肥灌溉的精準(zhǔn)度、智能化控制技術(shù)，提高資源利用率。

2.1 灌溉系統(tǒng)研究

精準(zhǔn)水肥灌溉系統(tǒng)主要包括控制系統(tǒng)和灌溉智能決策系統(tǒng)。灌溉決策系統(tǒng)即制定灌溉策略，確定灌溉時(shí)間、周期及灌溉量。灌溉控制子系統(tǒng)根據(jù)灌溉智能決策系統(tǒng)的決策來控制實(shí)行精準(zhǔn)灌溉。

俞衛(wèi)東等［9］設(shè)計(jì)了由智能監(jiān)控系統(tǒng)、專家決策系統(tǒng)、灌溉施肥系統(tǒng)組成的智能水肥灌溉系統(tǒng)，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)智能化灌溉目的。袁洪波等［10］設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)水肥循環(huán)利用的灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)水、節(jié)肥的目的。張雪飛等［11］通過環(huán)境傳感精準(zhǔn)獲取設(shè)施蔬菜的全生育期的環(huán)境參數(shù)；采用水量下限以及小額灌溉的策略，小量多次的實(shí)現(xiàn)方式。

2.2 營(yíng)養(yǎng)液調(diào)配策略研究

精準(zhǔn)水肥灌溉技術(shù)在灌溉的同時(shí)，將水溶性肥料溶于水中，實(shí)現(xiàn)水肥同時(shí)灌溉，利于作物對(duì)肥料的吸收。因此，除了上述介紹的灌溉系統(tǒng)研究外，營(yíng)養(yǎng)液調(diào)配研究是精準(zhǔn)水肥灌溉技術(shù)研究的一個(gè)重要方面。針對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的調(diào)配過程，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都展開了深入的研究。

灌溉施肥常以恒定的營(yíng)養(yǎng)液濃度向灌溉系統(tǒng)中供肥。研究表明，肥液的電導(dǎo)率EC值能代表溶液中離子的濃度，因此可以通過測(cè)量溶液的EC值實(shí)現(xiàn)溶液濃度的間接測(cè)量。基于EC值(電導(dǎo)率）和pH值(酸堿度）的營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控方式，目前在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。袁洪波等［12］設(shè)計(jì)了一種水肥一體化營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控裝備，對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的制備過程進(jìn)行精確控制。何青海等［13］設(shè)計(jì)了適用于營(yíng)養(yǎng)液混合的模糊控制器用來解決肥液濃度不足的問題，實(shí)現(xiàn)了一套由多種系統(tǒng)等組成的智能水肥灌溉系統(tǒng)。

2.3 灌溉策略研究

灌溉施肥常以恒定的營(yíng)養(yǎng)液濃度向灌溉系統(tǒng)中供肥，此時(shí)水肥灌溉研究就轉(zhuǎn)化為對(duì)作物需水量的研究，當(dāng)需水量確定后，所需灌溉的水肥量都會(huì)確定。作物的水分狀況可通過作物指標(biāo)直接反映出來［14］。評(píng)定作物的需水的情況可以從以下兩個(gè)指標(biāo)著手［15］：間接指標(biāo)和直接指標(biāo)。間接指標(biāo)就是指與作物生長(zhǎng)環(huán)境的有關(guān)方面評(píng)價(jià)。直接指標(biāo)是指作物因水分虧缺而引起的生長(zhǎng)過程中的表現(xiàn)。隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步革新，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)作物的需水需肥情況研究進(jìn)一步深入。

2.3.1 基于作物需水量計(jì)算的水肥灌溉策略

準(zhǔn)確估計(jì)作物需水量是農(nóng)業(yè)規(guī)劃的重要組成部分。由于在作物不同生長(zhǎng)期間，水的需求量各不相同，采用作物蒸騰量作為作物需水量。作物系數(shù)方法是廣泛用于估計(jì)作物蒸騰量的最常見和最實(shí)用的方法。作物蒸騰量ETc＝ET0×Kc［16］。

目前作物蒸騰研究主要集中在彭曼公式及其修正公式的應(yīng)用，且模型單一考慮環(huán)境參數(shù)的影響，而忽略了某些參數(shù)之間的復(fù)雜耦合性。劉浩等［17］設(shè)計(jì)了番茄蒸騰量估算模型，為番茄各個(gè)不同生長(zhǎng)周期的灌概量提供支撐。李建明等［18］提出了一種使用預(yù)測(cè)的溫室作物參考蒸發(fā)量ET0green和作物系數(shù)Kc來實(shí)現(xiàn)對(duì)草莓日蒸騰量的預(yù)測(cè)。分別采用基于入射的太陽輻射和Makkink FAO－24方程來計(jì)算ET0green。結(jié)果顯示，來自Makkink FAO－24方程的應(yīng)用，與測(cè)量值相比結(jié)果更準(zhǔn)確。Gavilán等［19］研究了生長(zhǎng)在西班牙海岸塑料隧道下草莓的作物系數(shù)Kc。在2014/15年度和2015/16年期間，在隧道內(nèi)外兩個(gè)氣象站提供的農(nóng)業(yè)氣候信息的基礎(chǔ)上，確定Kc值。然而，根據(jù)用于確定塑料隧道下參考蒸散量ET0的方法，觀察Kc內(nèi)部的估計(jì)差異。在Kc數(shù)據(jù)和種植天數(shù)(DAP）和生長(zhǎng)階段(GDD）之間進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到Kc表達(dá)式，以便為種植者提供一個(gè)有用的工具來估計(jì)作物的水需求。除Penman-Monteith公式外，有些學(xué)者加入其它因子綜合考慮需水量。如García等［20］研究不同灌溉量的影響，結(jié)果表明，隨著灌溉量的增加，甜瓜果實(shí)干物質(zhì)量呈現(xiàn)先高后低的趨勢(shì)，表明并不是灌溉量越多越好。毛罕平等［21］研究了二氧化碳和空氣循環(huán)次數(shù)對(duì)番茄幼苗光合作用和蒸騰作用的影響，在一定范圍內(nèi)增加空氣循環(huán)次數(shù)或增加二氧化碳濃度，光合作用和蒸騰作用都會(huì)增加；不考慮空氣循環(huán)時(shí)，增加二氧化碳濃度會(huì)提高水的使用效率。

2.3.2 基于作物表型分析的灌溉策略

可控環(huán)境下作物表型分宏觀和微觀兩種：宏觀指溫室植物整體表現(xiàn)，比如整體顏色變化；微觀指單株植物的局部情況，比如單葉顏色、形態(tài)和紋理。利用作物表型信息指導(dǎo)灌溉，在機(jī)器視覺方面包含器官檢測(cè)和特征提取及關(guān)聯(lián)幾個(gè)方面。作物的水分散失主要由葉片承擔(dān)，可以應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)開展作物水分虧缺狀況的診斷研究。

劉永華等［22］提出葉面積是作物生長(zhǎng)指標(biāo)的重要反映。王丹丹等［23］建立了以番茄植株每日實(shí)時(shí)生長(zhǎng)量和日輻熱積為自變量的日光溫室冬春巷與秋冬茬番茄灌溉模型，為日光溫室環(huán)境條件不適宜情況下的自動(dòng)化灌溉提供了理論基礎(chǔ)。張芳等［24］基于葉片數(shù)增長(zhǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)控營(yíng)養(yǎng)液濃度供給的方法優(yōu)于常規(guī)基質(zhì)栽培營(yíng)養(yǎng)液管理方法，為供試條件下最優(yōu)的營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控方法。李國(guó)臣等［25］在評(píng)價(jià)方法中提到圖像處理法，葉片枯萎、葉片的顏色和角度也是作物水分脅迫的結(jié)果。如通過觀察作物因缺水而導(dǎo)致顏色的變化。

灌溉施肥量不同，番茄植株的生長(zhǎng)狀況也差異較大。呂天遠(yuǎn)等［26］根據(jù)彭曼模型確定參考蒸騰量，以此為基礎(chǔ)來確定灌溉量和施肥量。

植物器官體積變化可以用來指導(dǎo)灌溉，通常采用莖干日最大收縮量(MDS）加上莖干日增長(zhǎng)量(DG）兩個(gè)指標(biāo)［27］，且MDS是關(guān)鍵性指標(biāo)。楊海龍等［28］將這種植物器官的變化具體指定為莖干的變化，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了由植株的莖直徑變化診斷作物水分狀況從而指導(dǎo)作物的灌溉。

3 結(jié)語

目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)品大都采用簡(jiǎn)單的上下限控制方式，通過檢測(cè)土壤含水量的上下限來控制灌溉，并沒有智能控制的策略。國(guó)內(nèi)目前精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)缺乏，有技術(shù)“短板”。雖然已有學(xué)者進(jìn)行了一些研究，但作為精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)核心的灌溉決策仍有待進(jìn)一步研究完善。水肥灌溉無栽培模型可依，仍靠人工管控。因此要研發(fā)作物施肥灌溉的精準(zhǔn)、智能化控制技術(shù)，實(shí)時(shí)自動(dòng)開啟和關(guān)閉水肥控制泵和電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

就目前而言，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的精準(zhǔn)灌溉技術(shù)仍存在著不小的差距，這嚴(yán)重制約了我國(guó)精準(zhǔn)灌溉技術(shù)的發(fā)展。雖然對(duì)灌溉系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)液調(diào)配策略及灌溉策略等進(jìn)行了一定的研究，但并沒有切實(shí)可行地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。針對(duì)我國(guó)目前在精準(zhǔn)灌溉領(lǐng)域與其他國(guó)家之間存在的差距，應(yīng)建立精準(zhǔn)灌溉決策系統(tǒng)。