单栋温室的小型智能水肥一体化系统实践

张传帅，徐岚俊，李小龙，陈 华，刘悻韬，孙梦遥

（北京市农业机械试验鉴定推广站，北京 100079)

据统计，目前北京市设施农业园区中配套使用水溶肥的园区比例达到100%，但应用智能化、自动化水平较高的灌溉施肥设备的种植面积不足10%，仍主要采用不带动力或者仅配吸肥泵的各类简易文丘里吸肥器；另外，超过95%的园区仍依靠个人经验施肥。

目前，国内针对温室智能水肥一体化技术装备的研发和应用越来越广泛，市场上涌现出各种各样的智能灌溉施肥设备，为设施园区提供了更多选择。例如，岳焕芳等针对北京派得伟业科技发展有限公司生产的基于土壤湿度和回液电导率的智能灌溉施肥设备和北京紫藤连线科技有限公司生产的基于光辐射的智能灌溉施肥设备，进行了温室番茄种植试验；赵倩等设计开发的单栋温室水肥一体化控制系统可基于土壤湿度和环境因子进行智能化灌溉施肥；李友丽等设计开发的智能水肥一体化系统具有有机肥液制备、肥料配比和自动灌溉功能，实现了有机栽培的营养液制备和控制管理一体化；以上智能灌溉施肥系统的设计和相关试验均证明了智能灌溉施肥系统优于传统管理方式；但是，由于诸多原因导致大型智能灌溉施肥设备推广应用困难，其中包括：（1）京郊设施园区工人老龄化问题严重，年龄超过50岁的占比78.3%，并且文化水平低，以初中及以下学历为主，无法满足智能灌溉施肥设备操控要求；（2）大型智能灌溉施肥设备前期投入成本较高，经济效益回报较慢，园区负责人不愿意投入；（3）大部分设施园区蔬菜种植品种繁多，不同温室灌溉施肥需求不同，而且普遍采用每个工人全权负责1栋或2栋温室的模式，园区未设置统一水肥管理人员。

北京市农业机械试验鉴定推广站针对京郊单栋温室对灌溉施肥的智能化需求，设计了基于ACC5型施肥机的小型智能水肥一体化系统，具有操控高效简便、前期经济投入小等特点，可以与大型智能灌溉施肥系统优势互补，有助于推动京郊灌溉施肥整体机械化水平。

1 小型智能水肥一体化系统的优势

1.1 前期投入成本低，经济效益提升

与大型水肥一体化系统相比，小型智能水肥一体化系统不需要配套建设储水池、设施管理水肥管理室等设施，不用在温室间铺设管道，前期经济投入较小；与简易文丘里吸肥器相比，可以为园区节省灌溉施肥环节人工成本，从而提升经济效益。

1.2 系统操作简便，功能完善

小型智能水肥一体化系统由于配套控制主机，具有较高自动化水平，改变了传统水肥管理劳作方式，不再需要频繁搅拌、查看，操作简单易学，适用老龄工人；可以大幅提高劳动生产率、显著降低劳动强度；操作环境干净整洁；园区综合认可度较高。

1.3 实现灌溉施肥精准管理，生态效益突出

北京市设施农业肥料使用超标率超过72%，而过量施肥会造成表层土壤养分累积、土壤酸化，引起土壤质量退化。小型智能水肥一体化系统可按照设定，实现精准灌溉施肥，减少了过量灌溉、肥料遗撒，具有一定的生态效益，并且通过管理过程中的数据积累，有助于进一步优化灌溉施肥策略。

2 小型智能水肥一体化系统设计

小型智能水肥一体化系统，包括施肥机主机、配肥桶、灌溉电磁阀及温室内支管道、滴灌带，最多可控制4路电磁阀，即可控制4个区域分别灌溉（图1）。施肥机主机型号为ACC5，由天津绿视野节能设备股份有限公司生产。

图1 施肥机架构

2.1 水源供给

水源供给方面，园区内设有水井，水井通过水泵为园区提供灌溉用水。

2.2 施肥机主机

施肥机主机相对大型水肥一体化系统体积较小，规格尺寸仅为58 cm×23 cm×95 cm，可放置于温室内部。施肥机内部主要包括灌溉水泵、调压安全阀、水泵出水压力表、吸肥器装置、排气阀、灌溉压力表、施肥电磁阀、施肥机主板、操作屏等。

施肥机灌溉水泵额定功率为1.1 kW，可为灌溉增压4 m/h，在进水流量0～2 m/h的情况下，可提供最大灌溉水流量4～6 m/h。调压安全阀用于调节水泵输出的水压，节流阀用于调节吸肥量和出口水压，最大吸肥比例为1∶10，在灌溉水流量为6 m/h的情况下，单通道施肥流量最大为600 L/h，即0.6 m/h。

2.3 配肥桶

配肥桶容积为300 L，进水口位于配肥桶顶部，通过配肥桶进水手动阀控制进水，出水口位于配肥桶侧底部，且出水口处配置了小型叠片过滤器。水溶性肥料经过投肥口倒入，在注水时，水流冲击可以促进水溶肥快速溶解，配肥桶底部设置有排污口，可以定期将配肥桶内杂质排出去。配肥桶侧部设置有液位指示管，用于查看水位情况。在施肥量最大的情况下，即按照单通道施肥最大流量600 L/h，配肥桶最多可施肥30 min。

2.4 操作界面及功能

操作界面采用9.7英寸触摸屏，主页用来显示阀门、运行状态、控制指令等状态信息；手动控制用来进行手动控制阀门、水泵、施肥；参数设置用来设置定时时间；功能自动用来实现自动、手动切换；设备操作简单，旋钮操作可设置10、20、30、40、50、60 min灌溉时间段；屏幕操作可实现分区灌溉、灌溉时间段设置、灌溉水肥开关设置和数据查询等功能。

3 系统操作方法及注意事项

第一，首次使用前，需设置调整灌溉水压和水肥比例。在开启灌溉后，旋转调压安全阀，用于调节水泵输出水压，节流阀用于调节吸肥量和出口灌溉水压，灌溉水压由低向高调整，直到温室最远处滴灌带出水压满足要求并稳定后停止调整，最大水肥比例为1∶10，再根据水肥比例，确定配肥桶水位高度，从而调整每次施肥时长。首次设置后，在种植作物不变、灌溉面积不变的情况下，无需再次设置灌溉水压和水肥比例。

第二，配制肥液。将水溶肥从配肥桶顶部倒入，并手动旋转进水手动阀，进水口在桶顶部，水流可促使水溶肥溶解，水量达到需求刻度后，关闭进水手动阀。

第三，启动灌溉施肥。首先设定灌溉时长，可通过旋钮或者主机操作界面按键进行设置。启动灌溉水泵并运行稳定后，根据施肥要求，择机启动施肥电磁阀，在仅灌溉情况下，无需开启施肥电磁阀。

第四，停止灌溉施肥。在启动灌溉施肥后，要及时巡视温室内滴灌带出水情况。在遇到紧急情况时，可按设备紧急停止按钮。在达到设定灌溉时间后，设备会自动停止灌溉，也可以根据需要提前手动停止灌溉。

第五，各手动阀需要渐开渐关，以防止水锤对输水系统的破坏。调压安全阀、节流电磁阀分别对灌溉水压和肥水比例调整设定好后，需要定期查看是否存在异常。

4 经济效益分析

本文设计的温室小型智能水肥一体化系统于2020年8月底—2021年6月初在平谷区博云益达设施农业园区22号温室中进行了草莓种植生产应用。与该园区其他温室采用的简易文丘里吸肥器相比，除了降低了劳动强度、减少了肥料浪费、实现了水肥精准调控和工作环境干净等优势外，主要通过提高灌溉施肥环节劳动生产效率，降低劳动成本，提高经济效益。

在温室小型智能水肥一体化系统应用后，按照该园区草莓种植期内灌溉39次，其中灌溉施肥21次的情况计算，每栋温室灌溉施肥环节每年节省劳动成本425元，在配套农机购置补贴的情况下，扣除每年增加的设备投入成本325元后，仍可节省成本100元，即灌溉施肥环节降低成本12.0%。未来，通过积累灌溉施肥大数据，优化灌溉施肥策略，可进一步提高经济效益。