基于物联网的水肥一体化技术分析

蔡九茂，李东伟，温季，张海慧，吕德明，贾宪武

(1.水利部农田灌溉研究所，河南 新乡 453002；2.河南莫尔斯特农业装备有限公司，河南 浚县 456261;3.河南水文水电工程有限公司,河南 林州 456261)

1 前言

水分和养分的合理调节与平衡供应是作物增产最关键的因素。植物主要是通过根系和叶片进行营养物质的吸收和转化，根系是作物的“大嘴巴”，叶片是作物的“小嘴巴”。根系吸收营养元素，主要是通过扩散和质流两个过程。两个过程都必须要以水为载体。传统的灌溉和施肥是分开进行的，浪费了大量人力，水肥的利用率也不能保证。广义上的水肥一体化技术也称随水施肥，因此生产中的管道输水施肥、淋施、浇施、喷施等也都属于水肥一体化范畴。近年来发展的水肥一体化技术主要是配套高效节水灌溉技术使用，在滴灌、喷灌、微喷灌等技术较为成熟后，水的高效利用问题得到了解决后，肥料的高效利用问题就显得更为迫切。因此，以高效节水灌溉管网为基础，通过不同的施肥模式，如压差施肥罐、文丘里、比例施肥泵、重力施肥池等，就可以实现简单的水肥一体化。通过加压管道实现水肥联合施用，将水和肥均匀、准确地输送到作物根系附近，实现按量供应、按需供应，减少肥料深层流失，提高水肥利用效率。

2 水肥一体化技术特点

水肥一体化技术可以针对不同作物、不同生育期的需水需肥规律进行精准控制。尤其在当前管灌逐渐取代渠灌技术后，为水肥一体化技术提供了基础保障。由传统的浇地和向土壤施肥，转变为了浇作物和向作物根系施肥，由传统的水肥单独施用，转变为了水肥耦合灌溉，技术模式更加集成化，管理更加智能化，系统建设更加标准化和规范化。

2.1 节水效果明显

水肥一体化技术可减少水分的下渗和蒸发，提高水分利用率。传统的灌溉方式，水分利用率只有45%左右，灌溉用水的一半以上流失或浪费了，喷灌的水分利用率约为75%，滴灌的水分利用率可达95%。在露天条件下，微灌施肥与大水漫灌相比，节水率达50%左右。保护地栽培条件下，滴灌与畦灌相比，每亩大棚一季节水80～120 m3，节水率为30%～40%。

2.2 节肥增产

平衡施肥和集中施肥是提高作物肥料利用率的关键，水肥同步可以根据不同作物的生长需求，定时、定量地施用于作物的根部土壤，增加肥料利用率的同时，也可减少肥料的淋失和挥发现象，具有施肥均匀、及时和肥料利用率高等特点。经对比试验，水肥同步技术与常规施肥技术相比，通常可减少化肥施用量35%～45%，作物可增产10%以上。

2.3 改善作物品质

水肥一体化技术适时、适量地供给作物不同生育期生长所需的养分和水分，使作物的生长环境得到明显改善，在促进作物增产的同时，也提高农作物品质。同时可以通过精准水肥控制，控制作物生长周期，实现提前或延后上市，提高销售收益。

2.4 减轻病虫害发生

水肥同步节约了灌溉用水，减少了水分蒸发，降低了土壤湿度和空气湿度，提高土壤养分有效性，促进根系对营养的吸收贮备，还可抑制病菌的产生，由于水肥同步直接作用于作物的根部，减少和抑制杂草，与常规施肥相比，水肥同步单位面积可减少农药施用量15%～30%。

2.5 有利于标准化栽培

标准化栽培是现代化农业技术的重要措施，通过水肥一体化可以做到精确供应，提高肥料利用率，降低微量元素肥料施用成本。可以有效地根据作物的生长期和对肥料的需求。针对性地供给作物所需要的肥料，做到需要什么肥料就精确地施用什么肥料，作物标准化栽培，水肥一体化是必不可少的一项灌溉和施肥措施。

2.6 省工节劳

水肥一体化技术采用管道进行水肥输运，操作更加便捷，易于实现自动控制，尤其针对规模化种植园区，人均控制面积更大，管理效率也更高。独特的局部灌溉模式也可以减少杂草生长，节约除草用工。

3 水肥一体化局限性

水肥一体化技术是一项新兴技术，需要规范化的配套产品、种植模式、操作规程以及维护手段，才能真正发挥系统的作用。由于水肥一体化技术发展时间还不够长，在生产中仍存在一定的局限性。

3.1 灌水器堵塞

目前，水肥一体化技术在实际应用中常遇到的问题就是灌水器的堵塞，主要是由于水溶肥质量不过关、肥料与水中金属离子等发生化学反应以及残留肥料加速微生物生长等原因造成。要加强水溶肥生产质量把控，重视首部过滤系统建设，制定合理的水肥灌溉制度，冲洗管道，定期加酸灌溉，防止微生物滋生。

3.2 工程造价高，维护成本高

相较于传统地面灌溉方式，水肥一体化系统的建设成本偏高，同时水溶肥技术尚不成熟，市场上水溶肥企业生产能力均不高，肥料价格也较高，增加了系统使用成本。同时，由于增加了混肥系统、注肥系统以及控制系统，使得系统的维护成本相应增加。一般来说，大田采用水肥一体化技术每亩投资在400～1 500元，而温室的投资比大田更高。

3.3 水肥一体化设备单一，兼容性差

市场上的水肥一体化设备主要是压差施肥罐、文丘里、注肥泵以及一体式施肥机等，农户在选型时存在困难，没有统一标准，安装错误后导致施肥精度难以控制，无法发挥系统优势。同时，与灌溉管网配套性较差，难以形成整体水肥解决方案。

4 基于物联网的水肥一体化测控系统

基于物联网的水肥一体化测控系统是围绕“一控两减”目标，重点关注土地规模化经营后的水肥管理问题，尤其适用于果树、花卉、药材、蔬菜以及大田种植作物。该系统开发目的就是解决规模化、集约化种植过程中人少地多、用工量大、管理低效、水肥利用率低、品质不可控等问题，帮助管理员实现现地控制、移动控制和中央控制三种不同管理模式，对园区进行全方位水肥管控，可提高水肥利用效率，降低用工成本和劳动强度，提高产量和品质。

按照灌溉系统输配水的全流程，该智能灌溉水肥一体化系统主要由水源系统、首部泵房系统、管网系统和物联网测控系统等部分组成。其中水源系统通常有井水、渠水、池塘水等水源。不同的水源具有不同的水质，也就要求采取针对性的过滤方案，防止灌水器堵塞。首部泵房系统主要包括变频恒压控制柜、压力流量监测设备、泄压阀持压阀等管网保护设备、多级过滤系统以及施肥控制系统等模块。管网系统主要是由主干管、支管、管网保护设备(排气阀、泄水阀、减压阀等)、田间毛管以及末端灌水器等组成，包括滴灌、喷灌、微喷灌等主要灌溉方式。物联网测控系统主要包括田间硬件测控、信息采集设备以及中央控制室、手机端软件控制终端。其中田间控制设备包括轮灌组电磁阀、有线解码器和无线解码器、通讯电缆、防雷模块、防水接头等。为了对田间信息进行采集，还需要配套专用的土壤、作物、天气信息传感器，对田间实时信息进行全方位监控，传输到中控平台后，通过专业的决策模型，确定最优的灌溉和施肥制度，指导农业生产。同时，还需要配套田间作物生长信息监控设备，通过有线或无线的方式，对作物生长信息以及田间农作工作进行实时远程监控，并形成农艺记录表格，帮助园区管理员进行园区管理。中央控制平台及手机端可以帮助农户进行集中管理，对园区内设备信息、管网运行信息以及历史记录进行直观展示，辅助农场主进行园区全方位管理。

要实现水肥精准管控，首先需要掌握不同作物、不同生育期的需水需肥规律，确定最佳的时间节点和肥量参数；在此基础上，还要对作物的生长环境进行全面监控，通过先进的传感器技术，对气象信息、土壤墒情信息和作物生长信息进行精准监测，采用有线和无线通信技术相结合，将实时数据进行远程传输，并通过中控平台进行数据的筛选、分析和决策，确定最优的灌溉制度和施肥制度。而田间控制器是实施灌溉和施肥自动控制的核心设备。目前市场上的水肥一体机已经将灌溉控制和施肥控制融为一体，通过人性化的触控界面，可以制定多种灌溉和施肥方案，根据不同应用场合，可以采取定时、定量、定浓度等施肥模式，真正实现按需施肥，提高肥料利用率。同时，智能手机等移动终端的普及，使得万亩园区，一键管理成为现实，通过将中控平台、现场控制器和手机控制终端的互联互通，可以构建集中控制、移动控制和现地控制多种管理模式，提高了园区管理水平和管理效率。

通过对茶园、棉田、柑橘园、蔬菜基地等项目点的调研分析，采用此系统后，灌溉和施肥实现了全自动化、信息化管理，园区管理用工量降低65%以上，亩均用水量降低30%以上，化肥用量降低25%，人均管理面积13.33～33.33 hm2左右。同时，通过该系统可以精量施加多种微量元素，可显著提升果实品质，带来的经济效益也非常可观。同时，该系统的应用，降低了农业种植从业门槛，减少了农业生产的风险，通过数字化技术，帮助年轻从业人员快速入门，弥补了经验不足的问题。

5 前景展望

水肥一体化技术是一项综合农艺措施，符合国家“一控两减三基本”的战略发展方向，同时国家不断加强高标准农田建设项目的实施，也为水肥一体化技术的发展奠定了基础。“十四五”期间，国家将工作重点转移到了乡村振兴上面，并且相继出台了多项数字乡村、现代农业相关的发展纲要，明确了数字农业的发展方向，为水肥一体化技术的升级换代提出了新的要求。