要配套，还要适应国情——我国水肥一体化装备的分类及发展方向

□国家农业智能装备工程技术研究中心设施工程部主任、研究员 郭文忠

水肥一体化是当前世界公认的一项高效节水节肥的农业新技术，主要根据土壤特性和作物生长规律，利用灌溉设备同时把水分和养分均匀、准确、定时定量地供应给作物。近年来，为了推行水肥一体化技术，我国出台了一系列政策、农业部下发了一系列文件。水肥一体化得到了我国政策和经济上的大力支持，也得到了广泛的运用。

水肥一体化技术的发展

自20世纪60年代，发达国家已大范围推广应用灌溉施肥技术，荷兰、以色列和日本等发达国家如今技术相当成熟。我国的水肥一体化技术自1974年由墨西哥引进滴灌设备算起，也有近40年的发展历史。最初我国几乎所有大型设备都从发达国家引进，但由于国内的农业生产模式、农业生产结构、农业生产区域都是比较复杂的，这些设备要适应我国农业环境比较困难。随着科技的发展，我国也根据实际需求自主研发了一些适用于国内的自动化灌溉和水肥供给系统，并在生产中得到了应用。

目前国内应用的众多灌溉施肥装备缺乏水肥的智能决策及配套系统技术，且基于时间控制策略与作物环境相关性不强、水肥决策的智能化水平低、普及性并不乐观，尤其针对规模化生产区的水肥管理，尚缺少大型园区或基地水肥综合管理系统。可见，我国在水肥一体化方面急需一套成熟实用、普及广、功能稳定以及配套齐全的科学产品，特别是针对大规模生产基地多作物水肥管理的装备及配套需求迫切。

水肥一体化设备分类众多

水肥一体化装备根据不同的划分标准有不同的分类，主要有以下分类标准：

根据认识分类，可分为传统水肥一体化技术和现代水肥一体化技术。传统水肥一体化技术是将可溶肥料溶解到水里，使用棍棒或机械搅拌，通过田间放水灌溉或田间管道，更进一步的还通过添加的滴灌或微喷灌等装置均匀地进入田间土壤中，被作物吸收利用。现代水肥一体化技术则通过实时自动采集作物生长环境参数和作物生育信息参数，通过模型构建耦合作物与环境信息，智能决策作物的水肥需求，通过配套施肥系统，实现水肥一体精准施入。

根据设备施肥通道分类，分为单通道水肥一体化设备和多通道水肥一体化设备。单通道水肥一体化设备主要是针对作物需肥简单，用于单一肥料来源设计开发的小型自动或智能灌溉施肥机，只有一个吸肥通道，结构紧凑，便于拆卸，操作简便，价格低廉，故障率低。多通道水肥一体化设备针对作物在不同生育期需肥不同能够及时调整肥料成分而开发的大中型灌溉施肥机，由多个吸肥通道，可设定配比比例，启动程序和系统自动配比。

根据回液是否处理，可分为开放式水肥一体化设备和封闭式水肥一体化设备。开放式水肥一体化设备是针对溶解肥料或营养液不回收的水肥一体化系统开发的灌溉施肥机。多用于土壤栽培或不做回收系统的基质栽培，无回收系统和过滤消毒净化系统。封闭式水肥一体化设备针对于溶解肥料或营养液可回收的水肥一体化系统开发的灌溉施肥机。多用于水培、雾培或有回收系统的基质栽培，需要做回收系统和过滤消毒净化系统。

根据肥料和水源的配比方式来分类，可分为机械注入式设备、自动配肥式设备和智能配肥式设备。机械注入式是指在灌溉时，采用人工、泵、压差式施肥罐或文丘里吸肥等装置将肥料倒入或注入直接灌溉田间的小水渠或水管中，随灌溉水使用肥料的一种措施。自动配肥式是在灌溉配肥时，根据作物的灌溉施肥的指标或阈值，设定肥料配比程序，通过文丘里或施肥泵，采用工业化控制程序，控制电磁阀，实现肥料的自动配比，是目前常用的自动化配比方式。智能配肥式是根据作物的生育期不同的施肥需水特征，耦合生产区环境因素构建智能决策模型，经过电脑运行计算，智能判断控制系统执行水肥一体化设备系统完成灌溉施肥。

根据灌溉施肥机的控制决策来分类，有经验决策法、时序控制法、环境参数法和模型决策法。经验决策法完全凭借生产者/管理者在长期工作中积累的经验以及解决问题所形成的惯性思维方式，对具体作物生产过程中水肥施用时间和用量的决策判断。时序控制法一般则根据当地的土壤类型、气候及作物的生长状况等实际情况，由管理者/用户对灌溉和施肥的启动及关闭时间进行提前设定，从时间尺度上控制水肥用量。环境参数法通过采集环境信息，主要是光照辐射积累量或者土壤含水量，主要依据对作物生长具有重要影响的某一环境参数控制水肥的施用时间及用量，在控制程序中设定阈值，也有将多个关键环境参数进行耦合而实现水肥控制的方法。模型决策法根据不同作物的水肥需求特征，构建基于物联网技术的灌溉施肥模型，采集田间作物生长信息和环境信息，经过运算形成水肥管理决策，智能控制灌溉施肥机运行配肥和田间灌溉动作，这是最高级的控制决策方法，也是智能水肥一体化设备重要体现。

根据灌溉施肥的运行方式来分类，有将灌溉施肥机安装在大型移动喷灌机，随着喷灌机的移动进行灌溉施肥，也有灌溉施肥机安装在卡车上，分片区操作，可减少管道的铺设或减少安装施肥机的数量。

根据肥料形式来分类，存在无机水肥一体化系统和有机水肥一体化系统。无机水肥一体化系统是针对化学合成方法生产的单一型或复合型水溶性肥料的施用设计开发的水肥一体化系统，用于土壤栽培和无土栽培的非有机生产中。该系统可配备单一吸肥通道或多个吸肥通道，分别用于复合型无机肥施用，及氮、磷、钾等多种单一型无机肥源的配比混合施用。有机水肥一体化系统是针对液态有机肥源的制备和施用设计开发的，它由有机液肥发酵子系统和有机灌溉液肥管理子系统两部分组成，与微灌灌溉系统结合，在有机农业生产的水肥管理中应用。有机液肥发酵子系统主要包括发酵罐体、循环系统、供氧系统和多级过滤系统等，用于制备有机液肥；有机灌溉液肥管理子系统包括有机灌溉液浓度控制系统和灌溉管理系统。

根据管理规模来分类，存在单体或小规模水肥一体化管理系统和大规模水肥一体化管理系统。单体或小规模水肥一体化管理系统主要是针对单体温室或小面积的作物生产而开发的小规模灌溉施肥管理系统，作物种类单一，需肥简单，可以自动实现作物不同生育阶段的肥料配比，在自动控制模式下根据作物生长阶段、光照强度和土壤条件等实现实时、适量、自动、智能灌溉施肥。大规模水肥一体化管理系统主要是针对大面积的多种作物生产而开发的大规模灌溉施肥智能管理系统，多用于农业园区和生产基地的水肥管理，需要做配肥站、储肥罐和多个分区监测站；可设定作物种类、启动程序自动实现不同作物的肥料配比、溶解、混匀和输送等。这种设备基于不同作物生长规律和环境条件融合的灌溉施肥决策模型，可以实现整个农业园区或生产基地水肥综合管理。

未来，水肥一体化发展方向为：第一，结合互联网和水肥智能管理，使用指标决策和逻辑决策共同构建大规模水肥一体化管理系统。第二，探索大型园区或基地高效节约低耗的水肥管理模式，实现作物生产基地的水肥管理的互联互通。第三，建立区域性或全国性水肥管理网络，促进我国农业的信息化和智能化发展。