节水灌溉设备及自动控制系统在果树水肥一体化中的集成应用

 

　　摘要：水肥一体化技术促进了农业现代化，节水节肥。本文结合太阳能供电自动灌溉控制系统与上海市浦东大团镇露地栽培桃树水肥一体化系统中的地喷及上喷系统、金山廊下镇设施葡萄地埋滴灌系统所应用的不同节水灌溉设备，探讨节水灌溉设备与太阳能供电的物联网控制系统在果树水肥一体化中的集成应用。

　　关键词：节水灌溉 太阳能供电自动控制 果树水肥一体化

　　0引言

　　水肥一体化是将灌溉与施肥融为一体的技术，具有肥效快、肥料利用率高、节肥省力等优点，可有效减少水传播病害的几率，是未来高效、安全农业的必然选择。

　　水肥一体化是个技术链，必须以适宜果树栽培实际的节水灌溉设备作为保障，以适用于高效水肥一体化技术的自动控制设备作为依托才能满足生产需求和水肥一体化的技术要求。本论文旨在通过介绍节水灌溉设备以及自动控制系统在本市设施葡萄、露地桃树等水肥一体化中的集成和应用，提供一种各项技术相互协调、省工省肥、具有示范推广作用的果树水肥一体化栽培模式，为果树生产的可持续发展提供思路。

　　1系统配置

　　1.1概况

　　本文分别结合上海市浦东大团镇的露地栽培桃树，以及金山廊下镇设施葡萄的水肥一体化应用实际，介绍灌溉设备及其自动控制情况。

　　其中浦东桃树基地露地栽培总面积达55亩，桃树树龄较大，其行距一般为4米，株距一般为3米，2015年4月起安装地喷系统，2015年11月起安装上喷系统;金山葡萄基地设施栽培总面积达80亩，葡萄设施栽培的株距、行距因设施情况不同各有差异，2015年3月起安装地埋滴灌系统。

　　1.2灌溉系统配置

　　1.2.1浦东桃树基地

　　桃树基地安装首部一套，配有两台水泵 、比例施肥器、叠片过滤器、砂石过滤器、各种阀、变频恒压控制柜等。水泵功率11kw，流量40m3/h，扬程50m，备用水泵功率5.5kw，流量30m3/h。比例施肥器串联安装，将母液按设定比例吸入施肥器，送到下游管路。叠片过滤器过滤较小杂质，反冲洗砂石过滤器过滤较大杂物，截获污物能力强。变频恒压控制柜利用远程压力表输送压力信号至变频器，来控制水泵运行，保持设定供水压力。

　　采用地面微喷及顶部喷淋两套灌溉模式相结合的方式，种植区域设11个地喷轮灌组与上喷轮灌组，各轮灌组有独立电磁阀和手动阀控制。每棵树树干处均匀布置4个地面微喷头，每棵桃树顶上设置1个上挂式微喷灌水器。地喷头选取流量0~50L/h，射程0.6m，工作压力0.1~0.25MPa的果树灌水器，喷头的灌水量及射程可调;上喷头选取流量40L/h，射程3m，工作压力0.2~0.3MPa的旋转微喷头。地喷灌溉系统示意图见图1，独有设计、实施的上喷系统示意图见图2。

　　图1.桃树地喷灌溉系统示意图

　　图2 桃树上喷灌溉系统示意图

　　1.2.2金山葡萄基地

　　葡萄基地安装首部二套，各首部配两台水泵 、自动定时反冲网式过滤器、变频恒压控制柜等。水泵功率4kw，流量35m3/h，扬程21m。葡萄基地全自动变频恒压灌溉系统首部示意图见图3。

　　采用地埋滴灌管方式灌溉，共设 6个轮灌组，每组有独立电磁阀和手动阀进行控制，各组设有独立环形两端恒压缓释注肥器，并在泵房首部设有大型两端恒压缓释注肥器。每行葡萄设置一条反滤防堵地埋滴灌管，入土埋深约200mm。滴灌管内设有内镶管柱式反滤滴头，能有效防堵。

　　图3 葡萄基地自动变频恒压灌溉系统首部示意图

　　1.3控制系统配置

　　两个基地均采用群控无线太阳能土壤湿度控制自动灌溉系统;系统由控制主机，室外子域控制器组成。主机与子域控制器之间通过无线通讯模块通讯。每个灌溉区可设置三种工作模式：①土壤湿度自动控制灌溉;②用土壤湿度控制+限制灌溉时间;③定时灌溉。所有设置信息都由用户在主机设置完成后发送到子域控制器。主控制器连接电脑后，由电脑软件控制主机，可保存湿度、灌溉、报错等历史信息，还可实现对泵的自动控制。通过浏览器登陆，随时随地查看、设置、控制系统。主机具有3G通讯功能，用户可通过手机查询各个灌溉区域当前工作状态或控制各个灌溉区域阀门启闭。主机放置在室内。系统配备各轮灌分区单独的土壤温湿度传感器、管道压力传感器或流量传感器，传感器设置在典型位置，实时采集、传输数据。

　　各轮灌组设有独立的子域控制器，其与主控制器之间通讯距离为500m。子域控制器及大容量蓄电池安装于控制箱内，控制箱外配装大面积太阳能板，保证高效充电。子域控制器与脉冲式电磁阀相连接，控制其启闭。其中，葡萄基地因各轮灌组采用独立的施肥装置，因此室外控制箱内装有缓释施肥器，示意图见图4。

　　图4.葡萄基地子域控制箱内部构造图

　　2分析与讨论

　　2.1优势

　　节水灌溉设备将带有肥料的灌溉水高效、均匀、缓慢、稳定、及时、可控、准确地输送到了果树根部土壤;采用基于物联网的管理、实时监控技术，可实现无人值守和可追溯。节水灌溉设备和自动控制系统在果树水肥一体化技术上的集成应用，具有显著的提质、省水、省肥、省工等效果，有一定的经济、生态和社会效益。

　　1、提高水肥利用率。直接向果树根部供水，大幅度减少水分蒸发，提高水分利用率;将溶解后的肥料近乎等量地输送到果树根系附近土壤区域，保证了根系对营养成分的迅速吸收，实现了肥料的高效利用。[1]

　　2、节省人工。减轻灌溉、施肥劳动强度，降低劳动力成本，利于果园标准化生产。[2]

　　3、提高土壤利用率，改善土壤环境。有效保持土壤湿度，利于土壤微生物群落的多样性、土壤有机质的分解、植物营养的矿化及养分循环[3];此外，可减少肥料用量，减少土壤次生盐渍化和对地下水的污染。[4]

　　4、提高果实品质和产量。解决土壤水气矛盾，进而影响树体根系分布，利于果树生长和高产。[5]

　　除以上共同优点外，两个基地应用的技术还有各自的特点：

　　2.1.1反滤防堵地下埋设滴灌技术

　　葡萄基地采用具有反滤防堵技术的地埋滴灌管灌溉施肥方式，有以下优势：

　　1、水源过滤要求低。可有效防止物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞，从而降低灌溉水质要求，一般过滤器滤网采用80目以上即可，极大减少了首部过滤压力，降低过滤器的配置成本及清洗过滤器的人工成本。

　　2、肥料选取面广。降低对肥料水溶性的要求，拓宽了肥料选择范围，节省成本，便于操作。

　　3、既可埋入土壤进行地下滴灌施肥，又可用于地表滴灌施肥，且灌溉和施肥缓慢、均匀、稳定。

　　4、减少地表杂草生长。将灌溉水直接供往果树根系，既保证植物生长需水，又保持地表土干燥，抑制了地表杂草的生长，减少果园病

 

　　2.1.2地面微喷与顶部喷淋系统

　　桃树的根系分布范围基本与树冠直径相同，根系有明显的向水性、向肥性，不宜采用点状或线状湿润的灌溉施肥方式，因此桃树基地采用地面微灌，有以下优势：

　　1、可在桃树根部形成范围可控的圆形湿润圈。

　　2、灌水强度适中，可实现无级调节。保证桃树不同生育阶段的水肥供给。

　　3、低强度灌水在冬季可缓慢提升地温，在夏季可有效降低局部温度，改善局部小气候，为桃树营造适宜的生长环境(温度、湿度等)，促进冠层上下气流交换，减少落果、裂果等现象，保证丰产，改善果实品质。

　　结合水蜜桃种植经验，桃树基地配套采用的顶部喷淋有以下优势：

　　1、采用均匀的喷淋灌水器，在树冠上部形成细密的旋转雨帘来模拟降雨，避免早春桃树芽发育前遇霜冻以及干旱高温季节补水量不及时等情况对果树生长造成的损害。

　　2、直接给植株枝叶补充水分，配合地面微喷灌溉对果树根系的补水作用，为桃树共同营造*适宜的立体水、肥、气、热生长环境。

　　3、可有效地喷洒叶面肥，补充果实生长所需营养。

　　4、可实现及时、均匀、便捷打药，有效进行病虫害防控。

　　2.1.3自动控制系统

　　基于物联网以及传感器的自动控制系统在运行过程中，通过对土壤湿度、环境信息、管道压力等数据的实时采集和分析，结合果树的生长阶段、需水规律和测土施肥配方来指导灌溉施肥，实现适量、*、便捷的管理控制。

　　两个基地均采用太阳能供电的无线控制方式，解决了线路铺设施工不便、成本过高，大面积管理不便等问题，为实现自动控制提供了简单易行的技术方法。

　　2.2问题

　　结合两个基地实行水肥一体化技术的情况，可以看出在上海地区推广果树水肥一体化存在很多困难和问题，主要表现在果农缺乏节水节肥意识、盲目过量灌溉施肥现象严重、系统的*性投入较大、国产灌溉器材的可靠性还不高、关键技术与设施设备还不完全配套、缺少技术集成示范及智能专家系统技术等方面，此外还有以下一些问题：

　　1、与世界发达国家相比，我国水肥一体化技术在果树上的应用仍然十分有限，远远落后于发达国家[4]，迫切需要大力推广示范。

　　2、上海地区大部分果农的种植区域分散、面积小且果树栽培行株距不规范，集中经营的合作社或家庭农场少，不利于*性投入较高的成套设备的安装使用[6]。

　　3、桃树露地设置上喷系统的性价比不太高。

　　4、葡萄基地采用的地埋滴灌管方式，地表无法直观观测湿润情况，影响果农的使用积极性。

　　5、可能影响果树根系生长。对葡萄而言，长期使用地埋滴灌管模式进行灌溉施肥，可能会造成湿润区域边缘的盐分累积，会对葡萄的生长造成一定程度的限根效应。[7]对桃树而言，地喷头附近的根系密度增加，而非湿润区根系生长受到抑制，少量多次的灌溉方式会导致桃树根系分布变浅。[8]

　　6、新建灌溉首部用泵房的合理设置、灌溉用水的水源水质保证、蓄水池设置与否，对果树水肥一体化的实施及正常使用具有较大影响。

　　7、果农文化水平低，且因生产、经营忽略对水肥一体化系统装置的日常维护保养，对系统的正常安全使用有较大影响。

　　2.3进一步研究的建议

　　1、节水灌溉、水肥一体化、自动化控制都是未来农林业发展的必然趋势，政府部门加强政策引导，各级相关单位增大宣传力度，选派专业技术人员深入果树种植*线进行培训和指导，进一步促进相关技术的推广应用。

　　2、水肥一体化技术涉及到农田水利、农业机械、栽培管理、土壤营养、自动控制、信息管理、农业经营管理等众多学科，应增强学科间的学术交流，彼此促进，共同提高，形成水肥一体化技术集成，为果树种植高效高质高产提供有力的技术支撑。

　　3、为全面推动水肥一体化技术的普及应用，必须研发更多性能优良、安装方便、操作简易、成本低廉、适应性强、稳定可靠的高性价比成套灌溉设备、施肥设备和自动控制设备。

　　4、相关设备和控制系统的使用需要一定的操作管理水平，须加强对相关人员的技术指导和培训，培养一批能独立操作和使用该项技术的专业人员来切实做好系统的日常维护保养工作。

　　5、加强不同果树水肥耦合下高效机理的研究，不断优化灌溉施肥制度，全面提升农田水肥利用效率;编制成熟的专家系统及自动控制应用程序，为果树的生长提供合理、*的灌溉、施肥制度。

　　6、研究太阳能供电的WIFI或3G果园监控图像、视频采集传输、报警装置等系统。

　　7、探寻适应果树栽培的新型种植生产方式，研究适用于实施果园机械化作业的水肥一体化模式。

　　参考文献

　　[1]杜晓东,程玉豆,陈光荣等.果树水肥一体化研究进展.河北农业科学,2016(20) :23-26.

　　[2]许娥.果园水肥一体化高效节水灌溉技术试验.实用技术,2011(4) :34-37.

　　[3]钟爽,臧小平,曾会才等.水肥耦合对香蕉园土壤线虫群落结构及多样性的影响. 农业工程学报,2013,(23):130-139.

　　[4]高鹏,简红忠,魏样等.水肥一体化技术的应用现状与发展前景. 现代农业科技,2012(8):250-257.

　　[5]Sokalska D，Haman D Z，Szewczuk A，Sobota J，DerenD. Spatial root distribution of mature apple trees underdrip irrigation system .Agricultural Water Management.2009 (6):917-924.

　　[6]郑育锁,刘志杰,陈子学等.天津市水肥一体化技术推广存在问题与建议. 天津农林科技,2015,(4):40-43.

　　[7]关泉杰.概论水肥一体化技术.黑龙江水利科技, 2013,41(5):44-46.

　　[8]赵吉红.水肥一体化技术应用中存在的问题及解决对策.陕西:西北农林科技大学, 2015,1-34.

　　作者简介

　　阙宁磊，男，1961年10月，上海市农业机械研究所，*工程师，农业机械领域。上海市闵行区南华街55号，021-62200610-201，quenl@sina.com。