赣南脐橙水肥管理系统设计与实现

欧阳爱国，李 雄，张 伟，吴至境，胡 军，欧阳玉平

(华东交通大学 机电与车辆工程学院，江西 南昌 330013)

赣南脐橙水肥管理系统设计与实现

欧阳爱国，李 雄，张 伟，吴至境，胡 军，欧阳玉平

(华东交通大学 机电与车辆工程学院，江西 南昌 330013)

针对赣南地区地形复杂、脐橙种植时水肥资源浪费严重、管理成本上升等问题，试验区建立了一套水肥管理系统，该系统包括气候站、服务器、水肥机、变频器、水泵、控制箱、喷滴灌头等设备。该水肥系统通过ASE中央控制器控制喷头达到果树防霜冻的目的；利用控制箱和控制软件控制水肥机的电磁阀为果树滴灌施肥；物联网综合管理平台可远程控制果树滴灌和喷灌；气象站数据传输到本地服务器，为果树喷灌提供依据；基于近红外光谱技术进行果园肥力快速评估得出土壤养分特征统计值，反距离权重插值法对数据进行空间插值分析形成土壤对氮、磷、钾养分需求图，从而制定科学的施肥方案，根据方案利用水肥系统具体施肥。2013、2014、2015年应用了水肥管理系统的脐橙较2012年未使用水肥管理系统的脐橙共计增加产值17.01万元/hm2。

赣南脐橙； 水肥管理系统； 喷灌防冻； 施肥方案

赣南脐橙在江西省赣州市种植面积达11万hm2，年产量在110万t左右，居世界第3，亚洲第1，每年9—12月向世界各地供应[1]，供应产业已经发展了几十年，取得了一定成就并赢得了消费者一致好评[2]。但是传统脐橙种植都是靠经验定性地估计各种环境因子，无法对生产过程中各种环境因子进行精确测量[3]，长期大面积的人工施肥、灌溉导致农业用水肥资源浪费严重、土地结块，且赣南脐橙产业生产管理成本不断上升，产业经营遭遇发展瓶颈，从而阻碍了脐橙产业做大做强。党的十八大会议提出“促进工业化、信息化、城镇化、农业现代化同步发展”，农业智能化生产已经成为农业生产新的方向和迫切需求[4-5]，如何高效地利用水、肥资源是果农和科技工作人员一直思考的问题。

近年来，水肥一体化技术得到了较为广泛的运用，尤其是在以色列、西班牙和印度尼西亚等国家。国内水肥系统的运用效果也较为显著[6-9]，如水肥一体化施肥对草莓产量的影响、水肥一体化技术在马铃薯栽培中的运用、水肥一体化技术在温室番茄上的应用等。赣南脐橙水肥管理系统是华东交通大学与北京农业信息技术研究中心在2013年以赣州市的赣南脐橙为研究对象联合开发的，该系统将远程自动控制技术、高效节水灌溉技术、无线网通信技术、精准施肥技术以及远程管理技术相结合[10-11]，目的是减少水肥资源的投入，增加脐橙产量。

1 系统硬件结构及功能

水肥管理系统主管路采用∅75PVC管，滴灌干管采用∅40PE管，微喷干管采用∅50PVC管，滴灌支管采用∅16PE管，微喷支管是∅20PVC管。设计工作压力为0.6 Mpa，12路阀门中滴灌控制阀8个,喷灌电磁阀4个，56路交流电磁阀控制16路电流/电压输入通道和16路双脉冲水表输入通道。

图1 赣南脐橙水肥管理系统原理图

水肥管理系统中的施肥系统采用手动和自动双控制系统，在规定时间内根据施肥需求实现多种肥料按比例配制溶解在水中，再通过一组文丘里氏施肥器直接、准确地将肥料液注入到灌溉系统中[14]，为脐橙树精准、精确地施肥灌溉[15-16]。

施肥系统采用加压泵后置式工作原理：A、B、C肥料桶中分别装有氮肥、磷肥、钾肥，通过吸肥泵吸入施肥机相应的支管道，a、b、c支管道的电磁阀由软件控制，施肥机的氮、磷、钾肥被送出后与主管道的灌溉用水混合，流入田间对果树进行灌溉。在混合管的出水口装有EC值传感器和pH值传感器，实时监测水肥混合液的EC值和pH值，数据反馈回服务器，服务器智能地做出判断水肥液的浓度是否满足要求，不满足要求时自动控制施肥机的电磁阀对吸肥量进行调整。控制系统由以下几个部分组成：控制柜，其中包括手动控制面板和设备接线端子；触控平板电脑，电脑已安装自动控制软件；吸肥泵，将不同种类的肥料吸入施肥机；施肥机的支路电磁阀，控制肥料的浓度；转子流量计，用来实时监测流入大田的混合液体积；混合管路，它将配好的液态肥和灌溉水进行混合；EC值传感器和pH值传感器，实时监测混合液的EC值和pH值。该控制系统控制的施肥机具有施肥均匀、速度快等特点，每小时施溶解的尿素可达1 300 kg。另外，在触控平板电脑的控制下，施肥机吸肥的浓度可根据监测到的EC值和pH值做出调整，由于施肥机具有5条装有电磁阀的支路，所以能进行多种肥料的配比工作。

赣南脐橙水肥管理系统的运用取代了传统的开浅挖穴沟的施肥方式，实现了浇水和施肥同时进行，保证了作物生长不同阶段养分需求，有效地解决了水肥资源浪费、劳动力成本高、环境污染等问题，具有良好的经济效益和生态效益[17]。

2 软件控制模块

施肥机的滴灌功能由控制软件进行控制，软件可以控制各阀门的开启与关闭、对传感器报警阈值进行设置、实时监控传感器数据、对设备反馈信号进行配置、对EC值和pH值的阈值进行设定、设置灌溉施肥规则，系统根据规则自动对各灌区按时进行灌溉施肥[18]。

控制软件主界面如图2所示：主界面包括4个部分，第1部分是控制室，用于对原料罐进行监控；第2部分是设置，用于对灌溉条件参数进行设置，以进行自动灌溉施肥；第3部分是田间，用于对灌溉区域管道灌溉情况进行监控；第4部分是登录，用于管理人员进入系统。

图2 控制软件主界面

果树的喷灌防冻由ASE中央灌溉控制器来实现，ASE中央灌溉控制器是一款可编程中央灌溉控制器，它性能稳定可靠，具有真彩触摸人机界面，操作简单、配置灵活，采集和控制模块可以相互替换，取代了传统计算机的控制方法。控制器内核外围光电隔离，保证主板运行稳定。图3是控制器的触摸屏主界面，

主界面包括实时监控、灌溉设置、历史记录、扩展设备、参数设置等模块，需要对某个区域的果树进行灌溉，则进入实时监控界面，点击相应区域的开关按纽，灌溉时间则是通过灌溉设置模块进行控制。

通过外网登入物联网综合管理平台可远程控制果树滴灌和喷灌。千里山柑橘物联网综合管理平台(图4)是赣南脐橙水肥管理系统的软件实现平台，主要具有实时监测、智能灌溉、测土配方施肥、智能防霜冻、生产管理、历史数据、系统管理等功能。实时监测模块通过气象站将空气、土壤、叶片温湿度情况实时显示，可以直观地观看控制器、施肥机的运转情况。智能灌溉分为智能控制和手动控制2种模式，若使用智能控制模式，则系统自动根据监测到的作物缺水和需水情况[19]决策灌溉的时间和灌溉的水量，并自动通知灌溉控制器执行灌溉操作，灌溉的决策和执行都由系统和设备自动完成，用户无需操作。若使用手动控制模式，用户根据决定灌水的时刻，自行通过开启和关闭灌溉阀门，手动完成灌溉。测土配方施肥对应测土、配方、施肥3个生产环节。生产管理是管理人员对施肥、用药、灌溉、剪枝、疏花与疏果记录操作时间和用量。

图3 触摸屏主界面

图4 物联网综合管理平台

3 系统的运行验证

在脐橙园试验区采集土层深度分别为30 cm、60 cm和90 cm的土壤，通过肥力在线分析，配置计算肥力分级参数，在线计算土壤肥力插值和肥力分

级[20-21]，得到果园土壤中氮、磷、钾在30 cm、60 cm、90 cm和30～60 cm土壤分层中的施肥需求。基于近红外光谱技术，测定了土壤化学养分含量，对果园肥力进行快速评估[22]，表1是土壤深度为30 cm的养分分布特征统计结果。

表1 30 cm深度土壤养分分布特征的统计结果

赣南脐橙水肥管理系统利用反距离权重插值方法对测得的江西省千里山柑橘基地土壤数据进行空间插值分析，得到近6万个数据点，形成土壤氮元素需求图(图5)。氮的分布记录在地图上呈现不同的效果，颜色红—黄—绿分别表示氮元素需求量最大—中等—最小。重复步骤可以计算出磷、钾元素的需求图。根据氮元素的需求图，利用赣南脐橙水肥管理系统进行施肥，红色区域表示施氮肥最多，而绿色区域则表示施氮肥最少。

图5 江西省千里山柑橘基地氮元素需求量

利用系统灌溉施肥时先滴灌清水，5 min后再施用水溶肥，施肥结束之后继续滴灌30 min的清水，防止管道滋生青苔、藻类，既保证了肥料被良好吸收，又保证了管道畅通。夏季高温浇灌的次数相对频繁，每次浇灌在10：00前和16：00之后，避免午时高温施肥。施肥由果园技术管理者下达施肥任务，相关人员配合执行，记录各地块的具体施肥情况，便于后续养护任务的制定以及经验的积累传承，图6是按照要求记录的施肥过程。

图6 施肥任务统计情况

针对试验区的果树，应用赣南脐橙水肥管理系统开展了水肥一体化灌溉及配套变量分块施肥。据统计，在试验区，2013、2014、2015年脐橙产量较2012年(未使用该系统)分别增加4 533.3、5 100.0、5 666.7 kg/hm2，共计增加产值17.01万元/hm2，证明该系统非常适合果树的精准施肥。

4 结论

赣南脐橙水肥管理系统的运用可以提高肥料利用率、保证土壤养分均衡、节约人工成本、减少资金投入、节省劳动时间、增加收益，还能减轻化肥对土壤的负效应。该水肥管理系统尚有许多需要不断完善的地方，还需结合脐橙的实际情况对该水肥系统喷灌防冻装置进行最少1个周期(12个月)的试验对比，最大限度地发挥出该系统的价值。

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Design and Implementation of Gannan Navel Orange Water and Fertilizer Management System

OUYANG Aiguo，LI Xiong，ZHANG Wei，WU Zhijing，HU Jun,OUYANG Yuping

(School of Mechanotronics and Vehicle Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

Aiming at the problems of complex terrain in Gannan area,serious waste of water and fertilizer resources during the cultivation of navel orange and rising management costs,a set of water and fertilizer management system is established in the experimental area.The system includes climate station,server,water fertilizer machine,frequency converter,water pump,control box,drip and sprinkler head and so on.The water and fertilizer system could control the nozzle to achieve the purpose of preventing frost through the ASE central controller.It uses control boxes and control software to control the water fertilizer machine solenoid valve for the fruit drip and fertilization.The integrated network management platform could remotely control fruit drip and sprinkler irrigation.The weather station data is transmitted to the local server,providing the basis for the fruit tree sprinkler irrigation.Soil nutrient characterization is estimated based on near infrared spectroscopy(NIRS),and the inverse distance weight interpolation method is used for spatial interpolation of the data to form the soil demand diagram for nitrogen,phosphorus and potassium.A scientific fertilization program is developed,according to which specific fertilization is accomplished using the water and fertilizer system.In 2013,2014,2015,the water and fertilizer management system was used,and the navel orange output value was 170.1 thousand Yuan/ha higher than that in 2012 without using the management system.

Gannan navel orange; water and fertilizer management system; spray irrigation for antifreeze; fertilization scheme

2016-10-20

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(SS2012AA101306)；江西省科技支撑计划项目(20121BBF60054);南方山地果园智能化管理技术与装备协同创新中心项目(赣教高字[2014]60号);江西省优势科技创新团队项目(2015BCB24002)

欧阳爱国(1968-)，男，江西南昌人，教授，主要从事农业精准化管理与数字化研究。E-mail：ouyang1968711@163.com

S666

A

1004-3268(2017)04-0156-05