设施蔬菜固液混合水肥管理系统建设实践及思考

张传帅

（北京市农业机械试验鉴定推广站，北京 100079）

设施蔬菜生产中，水肥管理是耗费人工最大的环节之一，对作物品质、产量也有较大影响。目前，北京市设施蔬菜水肥管理已经普及水肥一体化技术，形式包括依靠水压的文丘里吸肥器和自动化水平较高的水肥管理设备。2017年北京市设施农业播种总面积为3.6万hm2，以蔬菜和食用菌为主，配套自动化水肥管理设备的比例不足10%，仍然主要依靠文丘里吸肥器进行水肥管理，灌溉施肥机械化水平仅为37.2%，处于较低水平[1]。传统的文丘里吸肥器操作落后，劳动效率低，水肥混合后施肥效果差。而水肥管理装备通过远程控制、水肥监测和灌溉施肥量统计等功能，可实现水肥管理调控的自动化、数据化、精准化，提高劳动生产率及水资源和肥料利用率，并改善作物品质，减少肥料使用和土壤污染，具有较高的经济效益和生态效益[2-3]。目前，国内自动化水肥管理设备及相关技术发展较为成熟，生产厂家及设备型号均较多，但是由于农机补贴政策配套缺乏、示范推广力度不够等，前期经济投入成本高，园区负责人对新技术不了解、不认可，阻碍了水肥管理装备技术的普及与推广应用。

本文介绍的固液混合水肥管理系统由北京市农机鉴定推广站、昌平区农机推广站以及冀雨科技公司共同建设，其中主机型号为FERTISPARK，由冀雨科技研发。该系统配套远程管理云平台和手机APP，可现场或者远程对系统进行设置，实现精准配肥和定时定量灌溉施肥，并实时统计灌溉施肥相关数据。

1 固液混合水肥管理系统的特点及优势

以往各园区曾采用的文丘里吸肥器，利用水流压差将肥料桶内肥料吸入管道进行灌溉施肥，不需要机械化动力，虽然成本较低，但是水压损失大，不适宜大面积灌溉施肥，且肥料均匀性和可控性较差，生产方式落后，工作效率和工作舒适性低，不适宜基质栽培等要求较高的现代农业生产方式。固液混合水肥管理系统的特点和优势主要体现在以下3个方面。

1.1 提高劳动生产力

系统通过现场或者远程设置，可提前设置多个时间段，进行定时定量灌溉或施肥，不再需要人工前往现场开关水阀和查看灌溉情况。系统配套了容纳液体水溶肥和固体水溶肥2种肥料的容器及吸肥装置，可满足园区不同的需求或不同肥料配合施用，不再需要人工频繁取肥、倒肥和搅拌等工作，自动化管理设备大幅度减少了人工往返和操作时间，提高了劳动生产率和劳动舒适度。

1.2 实现农业大数据积累

系统配套了流量监测、水肥称量等装置，通过对水、肥分别称量，实现精准配比，实现生产期间全部灌溉量、施肥量、灌溉施肥时间等数据的统计，并存储在远程管理云平台。通过对积累数据的研究，可优化水肥管理措施，减少经验不足或更换管理人员对生产的影响。

1.3 推动精准农业发展

北京市设施蔬菜生产逐步向标准化和规模化方向发展，对水肥管理等设备提出了更高的要求。基质栽培等高端生产方式，对水肥供应依赖性较高，水肥的不足或过量都会对作物生长造成严重损害，肥料施用不当，也会造成肥料的浪费或者环境污染。该系统减少了随意性灌溉施肥，以及因工作遗忘造成灌溉过量等问题，一定程度上减少了对作物造成的损害。自动化水肥管理系统是设施蔬菜生产实现精准农业的必要基础。

2 固液混合水肥管理系统的构架

固液混合水肥管理系统主要包括灌溉水源供给、灌溉施肥控制、灌溉生产区3大部分（图1）。

2.1 灌溉水源供给

灌溉水源供给部分包括泵房、水井、水井水泵和储水桶。泵房建设在水井上部，水井水泵功率为1.75 kW，扬程为15 m，用于往储水桶注水，通常不用于直接灌溉供水。储水桶容量5 000 L，放置在泵房上部，中心距离地面高度3.5 m，可利用水源重力对园区进行灌溉。园区灌溉管道与园区生活用水管道相通，通过阀门进行控制关闭，在水井水源故障时应急使用。

2.2 灌溉施肥控制

灌溉施肥控制部分包括灌溉增压水泵、过滤器、肥料容纳装置和施肥主机，均安装在温室耳房内，由专人操作。增压水泵为灌溉提供主要动力，额定功率1.1 kW，扬程12.5 m，最大流量12.5 m3/h，当灌溉面积较大时，可提高灌溉水压力。过滤器采用小型叠片过滤器，并配有反冲洗功能，可定期清除沉积杂质，体积较小，可过滤水中杂质，防止杂质在管道中沉积，堵塞滴灌带和微喷带。由于园区地下水泥沙较少，可以满足灌溉需求。

目前京郊水肥一体化使用的肥料主要为粉状水溶肥和液体水溶肥，常见肥料容器为肥料桶，人工加入肥料后，搅拌待用。本系统中肥料容纳装置包括液体肥桶和固体肥箱，液体肥桶设置2个，容量均为250 L，固体肥箱可盛放固体水溶肥，通过各自配套吸肥泵吸肥。施肥主机内包括液体肥吸肥泵、固体肥吸肥泵、称量装置、肥水混合桶、搅拌电机、肥料泵和电子流量计等部件。液体肥吸肥泵吸程3 m，流量0.5 m3/h，固体肥吸肥泵额定功率1.75 kW，可容纳100 kg固体肥料，称量装置可对肥料和水分别称量，并放入肥水混合桶，搅拌电机将肥水搅拌均匀后，由肥料泵注入灌溉主管道，电子流量计用于监测水肥流量，量程为0.4～14.0 m3/h。

2.3 灌溉生产区

灌溉生产区主要包括灌溉管道、电动球阀和滴灌带或微喷带等，电动球阀采用远程控制形式，可控制灌溉的通断，额定功率为3 W，每栋温室安装1个，并联设置手动阀门，在设备出现故障时应急。

3 园区应用案例分析

设备安装地点为北京市昌平区蓝天绿都设施农业园区，位于40°19′N，116°16′E，年平均气温11.8 ℃，冬季最低气温－10 ℃以下，系统覆盖范围为13栋日光温室，单栋温室面积600 m2，种植蔬菜主要为越冬果菜和叶菜。

该系统建设总成本14万元，覆盖温室13栋，每年维修维护及用电费用按照系统成本2%计算，预计使用寿命10年，忽略残值，每667 m2设施蔬菜水肥管理每年系统成本1 436元。以园区温室草莓生产为例，9月初定植，5月中旬拉秧，生长期8.5个月，需要灌溉58次，每次灌溉时间平均30 min，系统操作时间5 min，灌溉用水量119 m3，施用水溶肥132 kg。相比传统灌溉方式，每栋温室每次灌溉施肥节约时间1 h，按每天工作8 h，每天人工成本150元计算，每667 m2可节省人工成本1 087元；在水肥成本方面，节肥10%，每667 m2节省化肥成本192元，节水20%以上，灌溉用水为地下水，暂时不需要缴纳费用；在产量方面，平均年增产10%以上，按照每栋温室平均产值2万元计算，每667 m2提高销售收入2 223元；综上，每年每667 m2设施蔬菜提高经济效益2 066元；因此，固液混合施肥系统的建设在技术上和经济上均有可行性。此外，系统建设完成后，组织北京市多个区的农机推广部门和设施蔬菜园区技术人员进行了现场参观和技术培训，普及自动化水肥管理技术，获得了认可，为下一步技术的普及奠定了基础。

4 实践与思考

4.1 水源供给设计

水源供给是实现水肥管理的基础，水源供给需要重点解决的问题是水源杂质过滤和保障水量和水压稳定性。北京市设施农业中灌溉用水主要采用地下水，水中杂质较多，而灌溉主管道沉积杂质后较难清理，因设施农业采用的滴灌带、微喷带对水质要求较高，杂质会造成堵塞，严重影响灌溉。目前，常用措施：一是将地下水用大功率水泵抽取到蓄水池或储水桶内，再作为水源进行灌溉，可减少杂质，稳定水源；二是采用砂石过滤器、叠片过滤器进行多级过滤，并配有反冲洗功能，并定时清洗沉积杂质。

4.2 防冻设计

北京市设施农业以越冬蔬菜生产为主，保障在元旦和春节前后上市，获取较高经济效益。冬季温度较低时会造成管道冻裂等问题，因此水肥管理系统需要采取防冻措施。温室外部主管道尽量埋在距离地面1 m以下，并采用保护套包裹；储水桶或者输水管道尽量设置在温室生产区内，设置在耳房内的管道需要在用完之后，将水排尽或者增加增温设备，防止温度过低造成管道冻裂。

4.3 维修维护服务

水肥管理装备设施应用大量电子和计算机技术实现数据监测和自动化控制，由于设施农业生产环境较为恶劣，电磁阀、主机等零部件容易损坏；因此，设施农业园区在建设水肥管理系统前，需要注意企业服务和设备的选型，一是要确认在设备出现故障时，企业能及时前往园区维修，最好在当地驻有维修人员；二是企业能保障设备后续服务，每年定时检修，及时为园区进行设备硬件、软件的升级服务，并确认后续服务费用承担问题。

5 前景分析

目前，欧美发达国家设施蔬菜生产已经普遍应用了自动化的水肥管理系统，实现了水肥的精准管理。虽然我国设施蔬菜水肥管理整体自动化水平相对较低，但是生产厂家、设备型号逐渐增多，技术迭代更新加速，适用性逐步完善。随着社会发展，人工成本不断升高，市场对蔬菜品质和安全的要求不断提高，设施蔬菜园区对降低生产成本的需求，均推动了设施蔬菜生产中自动化水肥管理系统的应用。基于水肥一体化技术的固液混合水肥管理系统除带来可观的经济效益外，生态效益和社会效益同样不可忽视。节水、节肥有助于推动循环农业、生态农业的发展，劳动强度的降低和劳动环境的改善有助于解决目前设施农业存在的招工难的问题。从长远看，水肥管理系统对推动设施蔬菜产业的发展具有重要意义。