水肥一体化节水灌溉控制系统的研究与应用

2023-09-29王启芳

农业开发与装备 2023年7期

王启芳

（山西省农业机械发展中心，山西太原 030031）

0 引言

目前，水资源短缺、地区分布不均，严重地限制了农业发展。要大力发展节水农业、实施化肥零增长、水肥结合等节水技术。提高农业水肥综合利用水平，提高农业含水量和肥料利用率，是保证国家粮食安全、发展节水型农业、推动农业可持续发展的关键措施。水肥一体化技术的关键在于使灌溉与施肥同时进行，无需人工作业，就能实现自动灌溉。要想使其发挥出最大的作用，必须进行科学的规划和设计。就水肥一体化的实施而言，要做好充分的调查，了解农田的生态状况，并结合农田周边的水源、地形、作物等情况，进行合理的设计，以节省安装费用。而水肥结合的灌溉系统，正是符合当前市场需要的。

1 水肥一体化节水灌溉控制系统发展现状

我国是一个农业大国，水资源是发展农业的重要因素。近年来，随着国民经济的发展，节水灌溉项目的规模逐渐增大，其中低压灌、微灌、喷灌等项目也在逐年增加。在我们国家，水肥一体化灌溉体系从一开始只是小规模的试验和示范，逐步发展为大规模的水肥一体化节水灌溉体系，同时，它的应用范围遍及西北、华北、东北等广阔的区域，在果树、花卉、蔬菜种植等领域得到了广泛的应用。比如，采用水肥一体化技术，适时对果树根系进行定量、直接灌溉，显著减少土地的水分蒸发，地表水分流失，有效解决水分浪费问题。通过水肥一体化技术，将溶肥精准传送至果树根部附近的土壤，使根系快速吸收养分，从而减少肥料用量，以实现高效的施用。试验结果显示，采用环状滴灌技术可提高苹果产量。可以提高灌溉效率，在灌溉水37%、肥料7%～15%的情况下，其产量提高13%～15%，提高土壤含水量1.2～1.5 kg/m2。水肥一体化节水灌溉技术正逐步向规模化、分区域推广，相信在未来的几年里，这一技术在我国的农业生产中有很大的推广前景。

2 水肥药一体化系统工作原理分析

水肥药集成系统，由浇水系统、施肥系统、施药系统、注酸系统、混合系统以及控制系统等构成。通过对该系统的多种方式的应用，既可以完成单独的浇水、灌溉、施肥、施药作业，也可以进行水肥药的一体化操作。可按要求采取多种运作模式，以适应各种条件下对农作物的水、肥、药剂的要求。因为整体的水、肥、药集成体系具有较强的控制能力，所以可以根据具体的条件来分别进行控制，从而降低了系统的运行困难。对肥料与酸性溶液的混配，可以使用模糊控制，其他的控制系统通常都是使用逻辑控制的方法。如果系统只能够完成单一的水灌溉功能，那么，灌溉泵会将灌溉水压入灌溉管道，并经过控制阀、流量表，压力表、止回阀，集液器等设备，最终流入到混合罐中，并通过管道进行灌溉。水力仪表、流量仪表、阀门等，分别与控制盒和单片机联接，并与现场的CAN总线联接。通过这种方式，触摸屏可以控制管道中的压力、流量和开关的状况，从而完成对整台喷灌设备的控制。

在完成灌水、施肥料后，将酸化装置与灌水装置同时进行。灌溉水、酸液、肥料，通过灌溉泵、注酸泵以及注肥泵，流入了搅拌罐中，各个压力表、流量表、控制阀等都被单独地连接到了控制盒中，并将这些数据在触摸屏幕上进行显示。操作员可根据触摸屏幕设置各个管路的流速。因为浇水、肥料的控制系统比简单的浇水功能更为繁复，所以在注酸量及注肥量上采取了逻辑控制，其实施要通过注酸及注肥管道上的电磁阀来完成。对于酸碱性和肥料溶液的含量，可以通过模糊的方法来进行，它的实现是由一个驱动的喷酸和肥料溶液的马达来完成的。在该体系完成了浇灌和施用药剂的作用后，该体系的启动和灌水器的作用与浇灌肥料的作用类似。因为药液与水的兼容性比较高，所以不存在迟滞现象，可以用一种逻辑控制的方法来对注药系统进行控制，在系统实现灌溉、施肥和施药的同步运转工作的时候，可以对注水泵、注酸泵、注肥泵、注药泵进行同步运转，对井口进行水肥药的集成控制。

3 水肥一体化节水灌溉控制系统的研究

3.1 水肥一体化节水灌溉控制系统对提高水利用率的作用

灌溉水的利用率，是指在特定的生长时期，水利用水与灌溉用水的比值。灌溉用水可以很好地反映农作物在灌溉过程中的需求。水肥一体化节水灌溉控制系统采用的重要灌溉方式有以下三种类型：膜下滴灌水肥一体化节水灌溉控制系统，微喷灌水肥一体化节水灌溉控制系统，滴灌水肥一体化节水灌溉控制系统。其中滴灌水肥一体化节水技术是一种既不会对作物的土壤特性产生影响，也不会破坏作物的营养成分，并且在实施水分渗透时，水分损失相对较少，水资源利用率可达90%左右。微喷灌水肥一体化技术是我国农业生产中较为成熟的一种新型节水灌溉技术，该系统在苹果种植中广泛应用。通过对试验资料的调研，结果显示，采用微喷灌水肥一体化节水灌溉技术，不但节水率提高31.6%，而且使苹果的总产量增加5.6%。膜下滴灌式水肥一体化节水灌溉系统是我国新疆棉区普遍采用的一种新型节水灌溉系统。该系统可以减少水分的整体蒸发量，而且灌溉水的利用率亦可以得到大幅度的提高。

3.2 水肥一体化节水灌溉控制系统对提高肥料利用率的作用

化肥利用率，一般用生产力，农学效率，如生理学效率的标志。在我们国家，肥料用量一般是指作物所需的肥料。据有关资料显示，在三大主要粮食品种中，K、P、N的利用率分别为42%、24%和33%。结果表明，小麦、磷、氮的利用率分别为44%、19%和32%。三大作物的化肥利用率均达到了世界公认水平[1]。

3.3 湿度传感器的选择

一个土壤水分感应器用来测定土壤中的体积水分含量。因为，在直接的重力作用下，自由水的测定需要除去、烘干，并对样品进行重量，而在土壤水分的感应器，可以利用一些其他性质来间接测定水。测定的特性与土地水分的相关性，是需要标定的，它可能依赖于诸如土质、气温、电导率等条件。由于受水分的作用，可将微波反射到地表，并可应用于水文学及农业领域。这种轻便的检测工具可以被农夫和园艺工人利用。在农业种植、园林灌溉、科研、园艺等领域，都需要使用到土壤水分的传感器。在农田中，测定土地水分对提高农田的效率具有非常重要的意义。了解当地特定的土壤含水量，不但可以减少用水，而且还可以提高农田含水量。连接到市区及郊外园林及家庭草地上的土壤湿度感应器及灌水器，把土壤含水量感应器与一个简易的洪水钟相连，它就会变成一个“智能”的灌水器，在土壤含水量达标后，就会阻止持续的灌水。在高尔夫场地上采用了一种可以改善灌溉体系的湿度感应器，从而避免了过量的水导致肥料和其他化学药品从泥土中渗透出来。目前，我国已有大量的土壤湿度传感器被广泛地应用于农田、园林、气象等生态系统领域。无需电力的装置比较廉价，也比较简便，可以用来检测植物的含水量和生长状况。当把一个探测器放进土里60 s之后，仪器就会显示出对于植株来说，这片地是太干的还是太湿的。

4 水肥一体化节水灌溉控制系统应用

4.1 实施苹果水肥一体化节水工程概况

2011年，根据大宁县太德乡美垣村苹果家庭农场的部署和需要，大宁县太德乡美垣村苹果家庭农场在传统的节水技术基础上，采用先进的滴灌技术，在此基础上结合该技术，开展了果树水肥一体化节水项目。该项目当年共投资244.5万元，其中，政府投入125 000元，农业投资232万元；苹果树节水灌溉设备611 576套，包括609.338 hm2的地面滴灌设施和2.238 hm2的微型喷洒设备。

4.2 苹果水肥一体化灌溉技术及配套措施

所谓“水肥一体化”，它是一项把肥水和灌溉结合在一起的农业技术，采用高压式灌溉系统，按照土壤中的营养物质和作物的需求将可溶性固体肥料或液体肥料与灌溉水混合，然后将肥水和灌溉水注入水肥灌溉设备中，最后将水肥输送到植物的根上。利用水肥一体化技术，可以根据不同作物的需肥特性、土壤环境、养分含量状况与不同生长周期和需肥规律定量供应肥料。

4.2.1 技术路线。目前大宁县太德乡美垣村苹果家庭农场采用的是苹果树滴灌技术，也就是通过HJYDS-1型移动水肥一体化肥料车，将水、肥输送到滴灌设备中进行灌溉和施肥。具体的操作方法是：在场地四周安装一套管道，将水源与施肥车的入水口相连，经过20 min的机械浇灌，然后将肥料倒入水槽中，搅拌均匀；再用压力装置浇灌到田里，浇水20 min，完成水、肥混合施肥，整个过程约1 h，灌溉1.67 hm2；在拆卸了连接到机器上的水管后，再用原来的灌水装置浇灌苹果树3 h，全部工作结束（完成条件：滴灌管出水口直径15 cm，深度25 cm，耗水量为90 m3/hm2）。

4.2.2 灌溉施肥量。在农业生产中，常规的追肥方式是在5、7、11月份各追肥一次，8～9月份各追肥2次，在追肥期间，尿素共施12～15 kg，钾肥共施15～20 kg，复合肥料共施40～50 kg。

4.2.3 用水管理制度。按井位分为若干主要灌溉区，每一个灌溉区均由一个小组的主道开关进行控制，每隔1.0 hm2～1.7 hm2划分一个小区进行灌溉。为了防止出现水压短缺和用水混乱的情况，同一灌区每次灌溉只能有一个小区进行灌溉，其他小区不得用水，按分区依次进行轮灌。为保证使用的公正、透明，灌溉工作人员要对灌溉用水有详细的记录，包括使用地号、面积、使用时间，并在记录簿上签字，以确定用水状况[3]。

4.3 存在的问题与建议

4.3.1 存在的问题。采用苹果水肥一体化节水技术后，苹果树的单位面积产量有了显著提高，既节省了劳力，也解决了长久以来靠天吃饭的问题，并为苹果树种植的灌溉技术积累了一些有益的经验。但是，在实际应用中还面临着以下问题：目前，我国还没有专用的微灌肥料，特别是特种肥料短缺。目前，微灌化肥的水溶性差、容易沉淀、滴灌堵塞、侵蚀灌溉设备。由于滴灌设备的精度低、协作能力低，导致产品质量不稳定。在夏季炎热和大雨的袭击下，肥料就会出现脱粒，这是因为在制作工艺中未考虑到产品在脱模后收缩的差别。由于苹果树自身效益较差，加之工人收入不高，而滴灌技术是一项大规模的水肥一体化节水技术，若无政策支持，难以迅速推广[4]。

4.3.2 建议。果园果树水肥一体化节水技术是实现苹果树生产节肥、节约用水、增加化肥利用率、保护生态环境的重要措施。未来的发展趋势：在种植苹果树上推广滴水灌溉技术，争取将滴水技术推广到所有有水源的果园，以增加其效益。果园继续增加设备，加快购置和安装低压槽（塔）加压装置，以增加滴灌的效果。要加快建设项目，尤其是小规模的农田水利，要充分发挥政府的财力，加速实施，减轻农民负担，使农民获益。加快推进农业节水、化肥、农药一体化的试点和示范，重点研究推广移动式水肥一体化灌溉技术，建立科学合理的施肥体系，达到增产增效的目的。

5 水肥一体化节水灌溉系统的应用展望

水肥一体化节水灌溉系统，既可节省灌溉用水，又可有效增加化肥的使用量，极大地提高了作物的产量，改善了作物的质量。水肥一体化节水灌溉技术的实施，与国家的生态文明建设和节能减排相适应，是促进可持续发展的一项重大举措。目前，我国还没有大规模推广水肥一体化节水灌溉系统，政府必须在政策和资金方面予以大力扶持，加大推广力度，以达到让广大农民接受和认可的目的。