设施番茄轻简式智能灌溉施肥机的应用

岳焕芳，周孝秋，安顺伟，胡潇怡，刘 杰，孟范玉，徐厚成

(1 北京市农业技术推广站，北京 100029；2北京市弘科农场，北京 102446)

我国是水资源紧缺的国家，根据水资源公报，2017年，北京市水资源总量为29.77 亿m3，按照年末常住人口2 170.7 万人计算，北京市人均水资源占有量为137 m3，远低于世界人均占有量，农业用水量占总用水的13%，传统的灌溉方式，水肥利用率仅为发达国家的一半左右[1]，水资源浪费是我国的一个重要问题[2]，我国化肥用量占世界总消耗量的35%[3]，利用率仅由30%左右[4]，自动化、智能化、精准水肥一体化管理可以有效提高水肥利用率，是未来的发展趋势[5]，而精准的灌溉施肥设备，是实现精准灌溉施肥的核心关键装置，目前，我国智能施肥机种类繁多，但是质量参差不齐[6]，水肥管理多采用手动控制或者定时控制，造成灌水不均匀，不及时，不能满足作物正常生长需求，影响果实产量和品质[7]，以色列、荷兰等农业发达国家[8,9]，早已实现精准智能灌溉，但是，国外的设备直接引进，存在技术门槛高，操作难掌握等问题[10]，无法实现设备落地，造成智能灌溉施肥机技术推广难度大，使用者认可度低，针对我国农业发展现状，自主研发适合我国国情的轻简式灌溉施肥设备具有重要意义[11]。由于番茄口感酸甜，营养元素丰富，受到消费者青睐[12]，作为我国主要的设施蔬菜之一，2012年栽培面积已经达到45.33 万hm2[13]，目前我国番茄水肥管理多采用传统的管理模式，研究番茄适用的轻简式智能灌溉施肥机，为高产、优质的现代番茄生产，提供技术支撑[14]。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年3-7月在房山区弘科农场日光温室内进行，试验地处北纬N39°37′33.53″， 东经E115°57′49.64″，土壤质地属于黏壤土，有机质为23.8 g/kg，全氮为6.56 g/kg，速效钾为150 mg/kg，有效磷为102 mg/kg，pH为7.54。

1.2 试验材料

试验作物为番茄，试验品种为“财富天下F1”，栽培密度为4.5 万株/hm2，定植时间为3月5日。试验区灌溉施肥由智能灌溉施肥机控制，施肥机由北京市农业技术推广站集成研发，委托北京市紫藤连线设备公司生产[15]，嵌入由北京市农业技术推广站自主研发的基于光辐射智能灌溉决策系统[16]，以农户常规水肥管理作为对照，对照区采用文丘里施肥器，人工根据经验进行水肥管理。底肥用量一致，共施用商品有机肥(N+P2O5+K2O≥5%，有机质≥45%)45 t/hm2，商品菌肥(有机质≥40%，有效活菌数≥0.2亿/g)15 t/hm2。

1.3 测定项目

测定项目包括植株生长指标、产量、品质等。每个小区选取5株测定不同生育时期的株高、茎粗(生长点向下第4片展开叶的基部茎粗)、叶片数；利用智墒分别测定土壤含水量变化；每次收获按小区实收计产；每次收获时选取10个番茄，计算平均单果重；测定成熟番茄Vc、可溶性糖、可滴定酸等品质指标；统计用水，用肥量。

2 结果与分析

2.1 不同水肥管理模式对土壤水分含量的影响

图1为施肥机管理的土壤含水量变化趋势图，图2为人工常规管理土壤含水量变化趋势图，从图中可以看出，施肥机管理的番茄土壤含水量整个生育期呈现的趋势为苗期变动较为平缓，0～60 cm土层的土壤含水量保持在30%～40%之间，开花期则控制灌溉，土壤含水量呈现下降趋势，土壤含水量波动范围为25%～35%。进入结果期后增加灌溉频率，土壤含水量变化范围为35%～40%。人工常规水肥管理模式为灌溉频率低，单次灌溉量大，整个生育期土壤含水量变化范围为20%～40%，变化幅度比较大，会造成每次灌溉前，根系附近土壤缺水严重，或者根本不缺水的情况下补充水分，不合理灌溉制度，会导致水分的浪费或者亏缺，影响作物的正常生长。

图1 施肥机管理番茄土壤含水量变化Fig.1 Soil moisture content of tomato under the management of fertigation control machine

图2 人工常规管理番茄土壤含水量变化Fig.2 Soil moisture content of tomato under the management of manual

2.2 不同水肥管理模式对番茄生长指标的影响

图3为施肥机和常规管理的番茄生长指标，从图3中可以看出，随着生育期的推进，株高逐渐增加，至定植91 d时，施肥机管理的番茄株高为124.4 cm，常规管理为125 cm。茎粗呈现先增加后下降的趋势，定植后28 d，茎粗达到最大值，施肥机管理番茄茎粗为9.6 mm，常规管理番茄茎粗为9.7 mm。定植91 d后番茄叶片数为22.2片，施肥机和人工常规管理番茄生长指标差异不显著。

图3 不同处理对番茄生长指标的影响Fig. 3 Effects of different treatments on growth index of tomato plants

2.3 不同水肥管理模式对番茄品质的影响

表1为施肥机和人工常规管理下番茄的品质，从表中可以看出，施肥机管理的番茄可溶性糖含量为4.42%，人工常规管理的番茄仅为1.27%，施肥机管理可以提高番茄糖酸比88.46%，番茄维生素C含量提高了31.5%，番茄红素含量提高了10.98%，施肥机内嵌的依据光辐射智能灌溉系统可以较好的提高番茄的果实品质。

表1 不同处理对番茄品质的影响Tab.1 Effects of different treatments on tomato quality

2.4 不同水肥管理模式对效益的影响

表2为施肥机管理和人工常规管理番茄投入和产出对比，从表2中可以看出施肥机管理的番茄产量为98 769 kg/hm2，比人工常规管理提高了18.5%，用水节约了43.51%，用肥节省了40%，产出提高了6.02%，施肥机管理的番茄效益达到165 150 元/hm2，比人工常规管理提高了9.89%，采用轻简式智能施肥机可以达到节水、节肥、提质、增效的目的。

表2 不同处理对经济效益的影响Tab.2 Effects of different treatments on economic benefits

3 结 语

本研究设计了轻简式智能灌溉施肥机，内嵌依据光辐射智能灌溉系统，在土壤栽培春茬番茄进行田间应用，番茄整个生长季，设备运行正常，施肥机管理和人工管理相比较，土壤含水量更符合番茄耗水规律[17]，将土壤含水量控制在一定的范围内，变化幅度小，保证了番茄根层土壤始终处在适宜的水分范围内[18]。轻简式智能灌溉施肥机和人工常规管理相比较，番茄生长指标差异不显著；番茄可溶性糖含量为4.42%，可以提高番茄糖酸比88.46%，提高番茄维生素C含量31.5%，提高番茄红素含量10.98%；施肥机管理的番茄效益达到165 150 元/hm2，比人工常规管理提高了9.89%。通过田间效果试验，验证了依据光辐射灌溉决策可行性，以及灌溉施肥设备的可推广性，达到了节水，节肥，提质，增效的目的。