柑橘智慧灌溉水肥一体化应用及效果调查①

张中华 蒋亭亭 张东滨 吕名礼 夏鸽飞 李 华 何华成

(上海节水灌溉工程技术研究中心/华维节水科技集团股份有限公司 上海金山 201505)

柑橘(Citrus reticelataBlanco)富含糖类、有机酸、多种维生素，是中国主要的水果之一[1]。中国也是柑橘生产大国，柑橘产业已经成为支柱产业之一[2]。中国柑橘种植地区主要在长江以南的丘陵山地一带，这些区域普遍灌溉条件较差，同时面临严重的区域工程性缺水和季节性干旱缺水[3]。这些问题导致柑橘的年产量不够稳定，并且品质参差不齐，缺乏市场竞争力。随着现代科技的进步和农业的不断发展，城镇化建设加快，农村劳动力出现不同程度的短缺，导致农业面临用工难，人工成本高的问题，同时随着肥料、农药的大量使用，柑橘的生产成本日益提高，并且传统灌溉与施肥是分开进行的，先施肥后浇水漫灌，水分和养分利用率低，造成生产资料大量的浪费，同时这种方式还会引起地表径流和深层渗漏，养分会随水流向地下和河流，进而导致面源污染，威胁环境及人类的安全[4]。传统的灌溉及管理方式难以扭转现在的困顿局面。

水肥一体化(integration of water and fertilizer)是在传统管道灌溉方式的基础上发展而来，具有节水、节肥、省工、省力、高效的特点[5]，并且能够根据土壤养分含量和作物的需水需肥规律和特点，实现水肥同步、定时、定量、均匀的功能，是迄今为止农业生产时最节水节肥的技术之一[6]。水肥一体化技术在果树上的应用，不仅能够解决季节性干旱缺水的问题，将水分和养分定时、定量、均匀的输送到作物根部，保证每棵作物汲取充足的营养，从而达到高产优质的效果，还能够节约人工、降低灌溉与施肥成本，为农户创造更大的经济效益[7-10]。

1 基地概况及智慧灌溉水肥一体化应用系统设计

1.1 农法自然 (浙江)衢州柑橘基地介绍

目前，农法自然在全国各大地理性标志水果主产区建立7家分公司，当下流转土地866.67 hm2，其中衢州柑橘基地位于中国柑橘主要产区浙江省衢州市，园区占地83.33 hm2，主要以种植柑橘为主，打造农法自然南方现代农业柑橘产业示范园。

衢州柑橘基地位于衢州市柯城区石梁镇黄茶村，柯城区属于亚热带季风气候，气候温暖湿润四季分明，春雨多，夏秋容易干旱，年降水量1 700～2 000 mm，“十年八旱”的气候特征制约着当地柑橘品质的提升。平均气温16℃，平均无霜期250 d左右。柑橘园分布在丘陵山地，连片分布。土壤类型主要为红黄壤，酸性土，土层深厚。由于丘陵山地水利条件不便利，遇到少雨干旱天气，就会造成小果、低产、味酸、口感差、品质下降的问题[11]。

针对以上面临的问题，基地引入华维智慧灌溉水肥一体化系统，该系统由首部枢纽、田间管网、灌水器、物联网系统组成。

1.2 华维智慧灌溉水肥一体化系统设计

1.2.1 灌水器的选择

园区种植柑橘总面积45.33 hm2(图1)，主要以露天种植与温室种植为主，见图2，其中露天种植40.07 hm2，株行距1.5 m×5 m，采用滴灌；大棚种植1.27 hm2，采用微喷灌和滴灌，每棚两行，株距1.5 m。

图1 园区规划

图2 温室大棚及露天智慧灌溉水肥一体化系统田间管网设计

“根是苗的嘴，水是肥的腿”，水肥只有被柑橘根部吸收才能发挥补给作用，因此，在灌水器选择时综合考虑补给区域、种植方式、根系分布范围等多种因素。柑橘的根系分布很广，以树杆为中心呈圆形分布，故设计时露天种植采用滴灌技术，温室大棚种植采用滴灌+微喷灌技术。

露天栽培和温室栽培的滴灌均采用HW1814一出四滴箭，单箭流量1 L/h，配套1828压力补偿滴头(4 L/h)，每株柑橘安装一套一出四滴箭见图3。灌水器采用地插式，插在柑橘根系周围，精准供给水肥，让柑橘的毛根刚好吸收到水分和养分，并且灌水器的流量、喷洒范围以及安装位置均可以灵活调动，满足了柑橘不同生育期对水分的不同要求，做到了适时适量 “按需供给”的水肥需求，对柑橘的品质提升以及树体的养成起很大的促进作用。温室灌溉另外配备HW5428平面雾化喷头，流量80 L/h，射程1.2 m，每跨温室安装2条微喷头，喷头安装间距为1.5 m，倒挂安装见图4，主要起到叶面补水、补充叶面肥，调节温室内温湿度、改善局部小气候，促进冠层上下气流地交换的作用，为柑橘营造适宜的生长环境。

1.2.2 田间管网设置

田间管网布置见图2，根据当地水源的压力以及灌溉面积进行确定田间管网的安装级数。主要包括主管道、支管与毛管3部分。

主管网选用U-PVC给水管，具有重量轻、使用寿命长、性价比高、抗拉、抗压、耐腐蚀性的优点，埋地铺设。田间支管采用LDPE盘管，耐候性和抗老化能力强，柔韧性好，可弯曲、具有优良的韧性，采用锁扣式活接关键连接，沿地表铺设。毛管采用PE软管，耐腐蚀、无毒、柔韧性好、耐老化、抗紫外线辐射，活接锁扣连接，拆卸、安装方便。

图3 智慧灌溉水肥一体化滴灌系统

图4 智慧灌溉水肥一体化温室雾喷系统

1.2.3 首部枢纽的选择

首部枢纽是智慧灌溉水肥一体化系统中的重要组成部分，包含加压设备(水泵)、过滤设备、施肥设备、测量设备以及控制系统等，见图5。

图5 智慧灌溉水肥一体化首部枢纽结构

在泵站内配置泵、过滤设备、施肥设备、控制设备以及仪表、安全装置等。水泵将灌溉水加压后，输送至过滤设备过滤，再借助输水管网输送至土壤地头，并通过安装在种植区域的灌水器，将水分和养分均匀、准确地直接输送到植物根系的土壤区域。

每个首部系统配置2台管道离心泵，负责给灌溉系统供水，水泵采用变频恒压控制系统，具有随开随用的功能，无需人员到泵站开关水泵，最大限度的降低了人工和系统能耗。灌溉水源为地表水，由于滴灌和微喷系统对水质要求较高，为了保证系统的长期有效运行，避免堵塞的情况发生，在首部配置了一套手动反冲洗砂石过滤器、一套自动反冲洗叠片过滤器进行两级过滤。首部配置两台比例式注肥泵用于柑橘施肥，满足精准、按比例施肥的需求，实现高效水肥一体化灌溉 （图6）。

1.2.3 物联网系统

为了解决劳动力匮乏，提升集约化、规模化经营管理水平，基地引入了华维物联网系统见图7。

该系统主要包括8个部分组成：(1)农抬头智慧农业云平台；(2)智慧灌溉水肥一体化系统见图8；(3)手机远程操控系统；(4)农田小气候监测系统；(5)在线视频监控系统；(6)控制中心大屏展示系统；(7)远程管道压力、流量监测系统见图9。

图6 智慧灌溉水肥一体化首部枢纽现场

农抬头智慧农业云平台主要功能是对采集监测的数据进行存储、分析、决策，通过智能控制软件指导农业生产；智慧水肥一体化系统通过物联网技术，将智能传感器所收集的农业生产现场土壤、气象数据进行分析从而决定农作物灌溉的时间，灌水量和灌溉施肥的时间和水溶肥用量；农田小气候监测系统能够实时监测作物的生长环境数据，包括土壤温湿度、盐分含量、空气温湿度、光照强度、作物长势等数据参数，并上传到云平台进行分析处理，为精细化农业提供数据支撑；远程管道压力、流量监测系统能实时显示灌溉情况，监测管道压力、流量，出现爆管、管道脱落、偷水等情况能及时上报，并实时获得田间信息，迅速、准确、高效保障系统安全运行；实现远程精准操控，不论是PC端还是手机APP，只要有网络，即可在任何地方对柑橘基地的任何一个区域进行精准的控制管理、灌水、施肥、查看作物长势甚至叶面病虫害监测。

图7 农抬头智慧农业云平台系统

图8 智慧灌溉水肥一体化系统

图9 远程管道压力、流量监测系统

2 智慧灌溉水肥一体化系统在柑橘上的应用效果

发展高效节水灌溉工程主要是为了缓解当地水资源的供需矛盾。笔者针对项目实施智慧灌溉水肥一体化后效益情况与原有传统灌溉方式进行分析研究。与传统灌溉相比，智慧灌溉水肥一体化系统自动化、智能化程度高，可以实现自动灌溉、精准灌溉，具有节水、节肥、节药、省心、省工、省力、增产、增质、增效、环保等优点。

2.1 增产效益

智慧灌溉系统采用独特的智能水肥一体化技术，在传统的水肥一体化系统基础上，按照智慧农业的理念，集成应用计算机、农业物联网、自动控制等技术，针对柑橘实际生长情况状况，确定水分、养分的调配和供给量大小，做到了适时适量精准地灌溉，使每棵柑橘树在最佳的水肥环境下生长，大大提高了灌溉质量，提升了柑橘产量和品质，产量提高10%～15%。项目区柑橘种植面积45.33 hm2，实施智慧灌溉水肥一体化后与传统灌溉方式相比较平均可每亩年增产300 kg/667 m2，增产效益可观。同时由于做到了水肥一体精准化灌溉，柑橘的外观皮质明显改善，提高了商品率，做到了优质高产。

2.2 节能效益

智慧灌溉水肥一体化系统运行后，减少了水分的下渗以及地表蒸发，节约了灌溉用水量和灌溉用电量，根据对典型灌面调查数据分析，高效节水灌溉比传统地面灌溉节水30%，节约了灌溉用电，降低了能耗。

2.3 水肥药效益

智慧灌溉水肥一体化相较传统地面灌溉相比，将水肥输送到柑橘树体根部，加上滴灌的应用，大大减少了水分的损失，同时提高了水资源利用率，节水30%以上，利用水肥一体化系统，养分随水分直接供应到柑橘根系周围耕层内，减少了养分流失，提高了肥料的利用率，节肥率达25%，减少了肥料的用量。并且水肥一体化水分直接供应到根部，而不在行间土壤，减少了水分的蒸发，降低了棚内的空气湿度，使棚内小气候环境相对干燥，从而减少了病虫草害的发生，节省农药15%以上。

2.4 省工效益

工程实施后，由传统灌溉的人工浇灌或者阀门控制转变为智慧灌溉的远程操控或者智能控制，通过手机或者电脑轻松管理成百上千亩，大大降低了用工量，节省人工60%以上，并且提高了工作效率，降低了劳动强度，降低了人工成本，省心又高效(图10)。

图10 温室大棚柑橘种植实景

3 结论

(1)通过对智慧灌溉水肥一体化系统进行设计及应用效果调查发现，在南方柑橘园引入智慧灌溉系统，能够真正有效地做到高效节水灌溉，缓解南方季节性干旱和工程区域性缺水问题，能够针对柑橘的需水、需肥规律以及土壤状况自动反馈并控制灌溉，达到精准灌溉、施肥和水肥并用的目的，实现了精准化种植，省时省力，解决了劳动力成本高的问题，实现了在线远程监控，通过手机或者电脑端可迅速进行大面积灌溉和施肥，提高了工作效率，降低了了人力成本，有利于提高农业高效化、集约化管理，提高了农业生产效率。

(2)案例应用效果调查表明：智慧灌溉水肥一体化系统有效降低了农业灌溉水和肥料农药的投入大幅度提高水资源利用率，增加柑橘的产量、提升柑橘的品质。同时改变了传统农业靠经验种植、盲目浇水、过度施肥的弊端，减少了水肥的流失，降低了农业面源污染，对改善农田小气候、保护生态环境起到积极的作用，具有广泛的社会经济效益和生态环境效益。

(3)随着科技的不断进步，现代农业朝着集约化、规模化、产业化的方向不断发展，农业灌溉用水短缺、劳动力缺乏以及老龄化的加剧，智慧灌溉水肥一体化系统的节水、省工、高效、精准智能的特点愈加重要，既能克服传统种植模式的弊端，又能提升高效农业现代化管理水平，是保证柑橘优质丰产的关键技术。