我国智能水肥一体化技术发展探讨

郭辰昊 王会强 李子杨 邢艳秋 罗婉婷 王晨露 张佳星 尹义蕾 王晓丽

1、河北农业大学机电工程学院 2、农业农村部规划设计院 3、河北润农节水科技股份有限公司

引言

我国水资源总量较大，居世界第六位，但水资源的使用量也最多，人均占有量达不到世界平均值的1/4[1]。我国是一个农业大国，绝大部分农业生产活动都离不开水资源。农田灌溉是农业生产中的重要环节，经济社会用水的很大一部分是农业用水[2]。近些年来，我国极其重视水资源的节约，大力推动传统农业的快速转型，使其朝着智能化的方向发展。我国目前大多数农业还采用传统的浇灌方式，造成了用水效率低和水资源浪费。为了使农作物增产，农民在农业生产的过程中需要对农作物进行施肥，科学地施肥对提高农作物产量和质量影响重大。长期以来我国农民在灌溉施肥时仍旧采用“粪大水勤，不用问人”的传统种植管理模式[3]。但由于浪费而导致肥料利用率较低[4]。未被利用的化肥将会持续污染表面水和土壤。为了确保最大程度地利用资源和保护生态环境，发展智慧农业，实现农业可持续发展刻不容缓。

智能水肥一体化灌溉技术是农作物高产培养中的一项重要措施。伴随着水肥一体化技术的广泛普及，我国农业农村部办公厅印发《推进水肥一体化实施方案（2016—2020 年）》的通知，强调要推动节水农业，减少农业用水总量，并且有效提高水肥资源利用效率。

科技创新能很大程度地带动经济发展，当今现代农业和科技创新紧紧联系在一起。智能水肥一体化技术将灌溉技术和施肥技术紧密结合在一起，通过借助地形自然形成的落差，将肥料按照农作物所需要施肥的规律和土壤所含有的养分含量，混合成施肥液与灌溉水融合在一起，通过不同的管道系统来供给水分和肥料，以确保定量的浇水和施肥，并且根据不同的农作物生长所需要施肥的特点，将水分和养分按照不同比例以优化的组合状态提供给作物。

1 智能水肥一体化系统的优点

1.1 有效促进农作物生长

以往农民在浇水施肥的过程中，由于农田灌溉设备简易，而造我国的农田灌溉设备简陋；由于不配套和智能化程度较低等原因，而造成农业灌溉用水利用效率低下和水资源的大量浪费[5]。并且施肥中采用了原始的施肥方法，导致化肥的养分利用率非常低。我国磷肥、氮肥以及钾肥的利用率连33%都不到。水肥一体化技术将施肥和浇灌技术结合起来，根据作物在不同阶段所需要的水分和养料、土壤性质、设施条件等来制定有效的灌溉计划，其主要包括具体的灌水额度、灌水次数和灌水时间。并选择溶解度高、溶解速度较快且对土地腐蚀很小的肥料，按照作物所需的施肥规律和预估产量来制定相对应的施肥制度。通过合理地将灌溉制度和施肥制度结合，有效提高了农作物吸收肥料中的养分。

1.2 采用了物联网通信技术

物联网是信息技术发展的产物，也是当今互联网的发展趋势。智能水肥化一体技术通过结合物联网模式，实现了智能化水肥灌溉。首先以无线传感器网络技术为基础，在ZigBee 无线局域网技术支持下，通过ZigBee 不同的节点获取相关农作物的数据，确保了对灌溉水肥的控制。设计专门在农业中使用的无线传感器，对田地里的含水量和施肥量进行检测，打造出智能施肥灌溉控制系统，借助不同农作物的水肥需求和专家数据分析，形成了良好的灌溉决策，实现了农田灌溉的节约化，网络化远程管理控制。从整体上相较于传统浇水和灌溉方式，降低了成本，提高了效率。

1.3 采用模块化设计

模块化设计是将设计分解成不同的模块，然后独立设计每一个不同的模块，最后将他们组合成更大的系统。模块化设计的优势在于兼容性强，能够较容易地扩展连接设备、增加功能。水肥一体化设备包含着许多不同的系统，如水源系统、枢纽控制系统、过滤系统、输配水管网系统、阀门控制系统、田间气候监测系统等等。通过模块化设计，使得整体系统的兼容性变强，可以在水肥一体化系统中增加我们需要的模块，保持了系统输出的一致性并且增加了系统的可扩展性。

2 水肥一体化技术存在问题

2.1 国内普及度不高

国外的水肥一体化技术和设备发展较快，许多水肥一体化设备已经在许多农业发达国家的在田地里运用了。发达国家农业物联网技术也已经比较成熟，主要运用在农业资源利用、农业生态环境监测、农业生产管理等方面[6]。由于我国农业发展目前还未处于全面智能化时代，水肥化一体技术应用面积很小，不到整体面积的10%，并且设备引入还存在着很大的问题，如果从国外引入相对应的设备，不一定符合我国的实情，并且成本颇高，可能会造成资源浪费的情况。我国目前生产的水肥一体化设备还存在着监测系统不准确、模型与作物信息不协调、控制系统不稳定等问题，从而导致了我国目前的农业水肥一体化还处于初步探索状态。

2.2 设备本身存在问题

数据采集是实现信息化管理、智能化控制的基础。我国目前已经投入使用的水肥一体化设备工作一般是通过传感器来控制的，通过一系列的土壤传感器来收集有关土壤的信息，比如土壤湿度、土壤所含养分、土壤pH 值等。由于土壤传感器需要深入土壤中，接受着风雨的洗礼和土壤水质的腐蚀，使得传感器容易损坏，导致传感器测量的数据与真实情况的差距较大，从而影响物联网系统的判断和后续工作。当某种作物所处的生长环境条件不同时，它所需要的水肥模型也会发生改变，这时传感器收集的受影响数据会干扰农作物的正常生长。

2.3 技术要点复杂

水肥一体化技术的要点有许多，不仅要对使用的农民进行培训，还要培训推广使用的相关人员。水肥一体化技术要点是要选择合适的农作物品种，确保农作物有着产量高、生命力强的特点，以保证农场主的收益。其次还要选择恰当的施肥和浇灌设备，结合着选择的农作物和土壤性质来选择。水肥一体化技术还得需要结合当地的灌溉管道系统和施肥效率来进行科学合理的系统布线。针对不同的农作物要对其营养液浓度进行合理的调配，控制其pH 值和EC 值，以确保农作物得到合适的养分。这些技术需要农民掌握，或者需要定时聘请相关的管理人员来进行调整，其在一定程度上影响了水肥一体化技术的推广。

3 水肥一体化未来发展方向

3.1 国内加大推广力度

如果想要推动水肥一体化技术在国内广泛应用，首先应该让农场主意识到水肥化一体化技术在节水增粮、保护环境、预防灾害等方面的重要性。这需要结合许多不同的机构来进行推广，首先国家应该多设立相关农业项目，下发相关文件并加大对其的财务支持力度，鼓励社会资本对其进行投资。农业相关部门应该采取相关措施来宣传水肥一体化技术，让农民了解水肥一体化的技术优势，并对他们进行相关技能培训，从而提升农民的实际应用水平。相关的农业机械企业应该保障好售前咨询和售后保障等服务，通过相关服务来提高农民购买产品的积极性。

3.2 提升设备性能

目前水肥一体化设备在我国的应用还没十分成熟，设备本身还有许多问题需要解决。需设计出新的工艺来提高传感器的性能，提升其测量精度，让其能够在恶劣环境中长时间工作，并能够准确测出农作物周边的环境信息。设备中还需要有针对不同环境条件的水肥模型，以应对各种不同的需求。要能够及时根据环境因素改变去选择相适应的水肥模型，保证农作物得到最适合生长的水肥条件。伴随着5G 时代的到来，数据传输的速率将会越来越快，这时候就需要提高水肥一体化设备的稳定性，避免数据传输中受到其他环境因素的影响，保障水肥一体化物联网平台的准确性。

3.3 结合人工智能技术

当前我们正处于科技迅速发展的时代，智能化设计广泛应用在我们的生活中，比如智能家居、智能机器人等。控制平台的智能化是未来控制领域的趋势，人工智能目前应用最广泛的两个领域分别是计算机视觉领域和自然语言处理领域，语音识别技术能够给我们带来极大的便利，能够有效推动控制平台的智能化发展。语音可以极大地提高人机交互效率，我们可以将语音技术应用在农业智能装备领域，将语音报警、语音交互、语音操控等功能结合在一起，避免了在应急情况下来不及操作等问题，可以提高农业设施的智能化和便捷化，应用前景十分广阔。

4 结语

智能水肥一体化技术有着许多优点，可以实现精准灌溉和施肥，有效促进了农作物的健康生长。并且水肥一体化系统能够有效结合目前的先进技术，促进传统农业转型。但是根据目前我国具体实施情况来看，有关水肥一体化国内普及程度，设备和技术发展还存在着一些问题。但是随着未来的发展，我国农业会具体应用水肥一体化智能灌溉系统，进而实现农业智能化和现代化，为我国的农业持续发展奠定良好的基础。