数字化水肥管理技术在现代桑园中的应用＊

徐 青，韩 斌，沈维忠

（1.江苏蚕源种业有限公司，江苏南通226600；2.北京市朝阳区园林绿化局，北京100028；3.淮南市寿县农科所，安徽淮南232200）

传统蚕桑业属于劳动密集型产业，劳动效率低、劳动强度大。在国家政策指引下，适度规模蚕桑生产新型主体在各地蓬勃兴起。但蚕桑新型经营主体普遍面临着降本增效需求，发展现代化蚕桑业非常迫切。桑园数字化种植与管理是蚕桑产业现代化发展的关键组成和重要体现形式。物联网通讯、边缘计算等新技术，传感器、高效集成机械设备等新产品，可以加速蚕桑业自动化、标准化、数字化进程。

其中，数字化水肥管理是水和肥信息化、智能化、精准化、标准化管理的重要技术。根据高工效巡田采集的数据，通过作物生长模型和专家决策系统运算求解，智能水肥一体化设备可以同时将肥料和灌溉水适时适量、准确地输送到作物根部，供作物吸收。数字化水肥管理实践是数字化农场现阶段较有现实意义的应用举措。

1 数字化水肥管理系统设计

数字化水肥管理系统设计包括：高工效巡田功能设计、作物生长模型和专家决策功能设计、水肥一体化智能装备设计。

1.1 桑园高工效巡田功能设计

随着农业大数据和信息传输/处理技术的不断发展，航天遥感、航空观测、地面物联网传感器等，实时采集作物生长环境参数、农业资源要素和生产过程，为农户提供科学的作物生长数字化描述和水肥决策依据，共同构成了数字水肥管理实践的高工效巡田单元。

高、低空遥感，可获取及时、准确的大尺度卫星影像；高频率采集大面积地区信息。桑园遥感监测可大范围、高精度的识别桑树生育期并监测作物长势。还可以监测桑园种植面积、病虫害以及叶面积指数、含水量及水分胁迫信息、色素信息等定量遥感反演参数。

卫星对于较大区域有着较好的监测效果，但其易受云层影响且空间分辨率低使得监测精度有限。无人机航拍能够弥补这一缺陷。无人机携带的传感器主要为数码相机、多光谱相机和高光谱相机，可用于监测植被指数等信息。

基于农业物联网和蜂窝移动通讯技术，利用田间土壤墒情仪、七要素气象站、水源液位仪、视频监控等设备可以连续采集桑园光照、温度、湿度、水源水位值及桑园生长信息，从而远程监控桑树种植微环境。

1.2 桑树作物生长模型与专家决策系统设计

基于作物生理生化机制，将气候、土壤、水分、营养、作物品种和植保信息等影响桑树生长的因素作为整体，不仅能够模拟单点尺度的作物生长发育，还能系统分析作物生长状态与环境要素的关系。

通过气象站、茎流仪、土壤墒情仪、植被指数检测仪、红外监测仪等多种传感器，全方位、不间断高质量的监测田间情况，实时采集大田环境中的各类监测数据。传感器和成像模块的连续监测可精确反映桑树的基本农艺状态特征。利用网络信息渠道传输并融合、处理后可实现种植全程数据化、可视化。对高产桑树种植管理经验中的化学调控、水肥、农事管理等技术进行验证和改进，分析各技术操作相对应的桑树长势和土壤水分/盐分变化规律，从而建立以农艺师高产种植经验为基础、传感器采集数据辅助验证的标准长势数字化模型。

专家决策系统可以根据标准长势模型分析气象、墒情、水肥信息，求解水肥管理建议。作物生长模型与专家决策系统构成了智能水肥管理系统的思考与决策单元。

1.3 水肥一体化智能装备设计

因我国常见液体水溶肥种类繁多，农场水肥管理工人水平参差不齐，操作难度大。具有卸肥、配肥、施肥功能的全自动泵注肥配施肥机更受规模种植农场主青睐。该配施肥机能够模拟传统农民配肥、施肥过程，将称肥、溶解、稀释、施肥甚至肥料装卸等传统步骤自动化。按设定比例将大量元素水溶肥和其他肥料桶混施入灌溉管网，满足新型农场主高工效、远程控制、简单操作要求。

智能水肥系统中，由加压设备、过滤器、施肥（药）装置、量测和控制设备集成了灌溉首部。其作用是从水源取水增压，经过滤、混肥形成满足作物需求的溶液送到田间管网中。通过液位传感器监测蓄水池、水井等水源丰缺情况，防止空转对水泵产生损坏；监测过滤器前后管道压力差判断是否启动反冲洗；监测泵房内主管压力和流量判断整个灌溉系统是否正常运行。将管道压力与变频器关联、变频器与物联网终端连接；将过滤前后管道压力与自动反冲洗启动条件关联；配施肥机、管道流量计与物联网终端连接；最终将灌溉首部中各种自动化设备、量测设备与物联网终端连接，即可完成自动化灌溉首部设计。

自动化控制田间首部由电动阀门、太阳能供电装置及物联网终端组成。电动阀门一般可选择隔膜式电磁阀、电动球阀或电动蝶阀。太阳能供电装置则由充电控制线路、太阳能板、锂电池组成。田间首部物联网终端包括单片机控制线路、阀门驱动线路、LoRa（超远距离广域网，Long Range）通信线路、阀门状态反馈线路等。

低功耗广域网，一定程度上解决了通讯远距离和低功耗之间的矛盾。其主要代表技术有LoRa、NB-IoT（窄带物联网）。其中，LoRa通信既具有很强穿透能力，又有抗干扰能力，且LoRa通信在农业生产场景应用也已经获得了工信部授权。智能网关主要完成无线LoRa数据与以太网数据转换，完成多通道LoRa和以太网数据收发处理。最终实现农业物联网终端与云中心数据交互。

由LoRa物联通讯与蜂窝移动通信组网、具有边缘计算能力智能网关、自动化灌溉首部和田间首部、泵注肥法智能配施肥机、输水管网和灌水器，集成了数字水肥管理系统的执行单元。

2 江苏蚕源种业数字水肥一体化智能装备的管理实践

江苏蚕源种业有限公司种茧育桑园位于海安市雅周现代农业园区内，地形平坦，高程5 m～6 m，高差1 m内；占地28 hm2。种植湖桑、新一之濑和育71-1等桑树品种。采用宽窄行栽植方式，宽行3.0 m，窄行1.8 m。株距0.65 m～0.7 m。

2.1 改变桑园的灌溉传统，更加节水

目前桑园灌溉主要以漫灌和喷灌为主，两种灌溉方式不仅灌水不均匀，且耗时费工。1 hm2桑园漫灌用水总量为150 m3，而27 hm2桑园通过数字化水肥管理系统用水仅为400 m3。两种灌溉方式都能满足桑树需求，但滴灌比漫灌节水90%。

2.2 改变桑园的施肥模式，更加节肥

与农户常规灌溉施肥管理相比，数字化水肥管理实践氮磷钾总施肥量降低了40.6%，但肥料偏生产力是常规管理的1.8倍。肥料利用率得到显著提升，用量明显下降。

2.3 改善桑园的人工管理，更加省工

传统人工撒施肥料、漫灌管理，合计耗工0.6工/667 m2（单次灌水1人每天管理6667 m2，单次施肥1人每天管理6667 m2，共3次）。应用水肥一体化技术后，合计耗工0.03工/667 m2（1人每天管理53360 m2）。水肥一体化技术能够降低人工投入90%以上。

2.4 种植主体降本增效效果更加明显

种植同样品种，通过水肥一体化处理27 hm2桑园饲养蚕种60张，总收茧量2572 kg，效益2685元/667 m2；而非水肥一体化条件下，效益1545元/667 m2。通过水肥一体化技术增收效益1140元/667 m2。

2.5 减少农业源污染，促进环境可持续发展

农业源污染导致的化学需氧量（COD）、NH3-N排放量已经超过了工业源污染量，成为生态环境治理不可忽视的污染源头。化肥在促进粮食增产、保障国家粮食安全方面发挥重要作用，但也因不当使用、挥发淋溶等影响生态环境。提高化肥利用率、减少化肥使用可缓解土壤酸化、次生盐渍化、板结、养分失衡等问题。

智能水肥设备通过“物联网技术”，可以实现线上标准化操作和管理。从而避免因人员技能和责任心差异导致的种植成本增加或减产。桑园数字化种植与管理在我国农业现代化发展进程中有重要现实意义。未来，桑园数字化种植与管理还可导入农作物生产过程投入与产出评价管理，统筹土地、农机、农业投入品等农业要素管理。