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智能水肥一體化技術與裝備的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 

摘要: 針對目前我國農業(yè)生產中存在的水肥投入量大、產出低，各類要素綜合利用效率低的現(xiàn)狀，本文論述了水肥一體化技術在節(jié)水、節(jié)肥、提高農產品產量和質量、減少病蟲害發(fā)生并降低農業(yè)污染等方面所具有的突出優(yōu)勢，并被認為是目前改變農業(yè)生產現(xiàn)狀的重要關鍵技術之一。智能水肥一體化技術的開發(fā)、應用和推廣更是一項加速升級傳統(tǒng)農業(yè)管理模式、促進我國現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的新的模式和技術途徑，可有力支撐現(xiàn)代農業(yè)的快速發(fā)展。本文綜述了現(xiàn)有水肥一體化技術的發(fā)展研究與應用現(xiàn)狀、存在的缺憾和不足，并指出了該技術與裝備的發(fā)展方向及關鍵技術。

1. 引言

截止到2019年的年底，我國人口已突破14億人，隨著城鎮(zhèn)化率的提高和城鎮(zhèn)化速度的不斷加快，人均耕地占有面積逐步呈現(xiàn)越發(fā)緊張的態(tài)勢。同時，隨著經濟的發(fā)展和人民群眾生活水平的不斷提升，大眾對物質生活提出了更高的要求，亟需農業(yè)領域提供門類差異、質優(yōu)價廉、層次多樣的農產品。因此，我國農業(yè)生產面臨著單位面積產量與農產品質量雙重加速升級的嚴峻挑戰(zhàn)。同時，隨著農業(yè)人口向城鎮(zhèn)的不斷聚集，直接從事農業(yè)勞動的總量人數，尤其是青壯年人數出現(xiàn)大幅下降，因此農業(yè)生產面臨規(guī)模化生產趨勢尤其緊迫，農業(yè)生產必須依托機械化、自動化和智能化的技術和手段來替代傳統(tǒng)的作業(yè)與運營模式，以不斷提升農業(yè)產業(yè)的生產效率和效益。

眾所周知，支撐農業(yè)生產發(fā)展的最為關鍵的資源為水資源，而我國水資源嚴重缺乏，人均淡水量僅占世界人均淡水量的1/4。據統(tǒng)計，目前農業(yè)領域每年灌溉用水的缺口就達300億立方米以上，而且在我國的很多地區(qū)農業(yè)用水方式極不合理，存在大量浪費現(xiàn)象。據統(tǒng)計分析，目前我國農業(yè)用水有效利用率平均不到40%左右，與發(fā)達國家(如美國、日本、西歐等)農業(yè)用水有效利用率80%的狀況差距較大，我國農業(yè)生產在節(jié)水方面還有很大的提升空間。同時，我國作為一個肥料生產和消費大國。每年使用的肥料約占世界總施肥量的1/3，達到6000多萬噸，但肥料的有效利用率逐年降低，自1980年至2014年，我國化肥施用總量增長4.5倍左右，而同期我國各類糧食產量的總量僅增長了82.8%，化肥消耗量增速遠超過糧食產量的增速，目前平均僅有30%左右被作物生長所吸收，很多地區(qū)的農戶為了追求高產量，而一味增加化肥的施肥量，這種不根據農作物自身生長發(fā)育營養(yǎng)元素的需求，盲目增加施肥的方式，不僅造成了大量的肥料浪費，還帶來土壤板結、酸化等一系列隱患，非常不利于我國農業(yè)生產的可持續(xù)發(fā)展。根據農業(yè)部公布的數據，現(xiàn)行我國農作物畝均化肥用量達到21.9公斤，遠高于世界平均水平的每畝8公斤，是美國用量的2.6倍，歐盟用量的2.5倍。綜上來看，水肥用量的高投入與高消耗、低效能產出已成為制約我國農業(yè)實現(xiàn)持續(xù)健康發(fā)展的攔路虎和絆腳石 ，必須通過科技手段予以攻克和解決。

水肥一體化技術是當今世界公認的一項高效節(jié)水、保肥、低污染、綠色與可持續(xù)發(fā)展的技術，其實現(xiàn)方法通常一般提前按比例將水和肥料混合，借助管路的壓力直接輸運到作物營養(yǎng)物質的吸收區(qū)(根部)，快速、穩(wěn)定、精準地完成灌溉施肥的全過程，在業(yè)界又被稱為灌溉施肥、水肥耦合等 。這一技術不僅實現(xiàn)了水肥的高效綜合利用，還能有效控制作物根系的濕度(特別是溫室大棚)，減少了作物病蟲害發(fā)生的概率以及農藥的使用量，在節(jié)約成本投入的同時，可大幅降低對水土的污染 。不僅如此，水肥一體化技術和設備的應用在改善土壤品質、保持土壤營養(yǎng)物質、防止土地鹽漬化、提高農產品產量和質量方面也有顯著效果，目前被越來越多的大型農場所采用。水肥一體化技術自誕生以來，尤其是在最近幾十年的發(fā)展過程中，許多國家(尤其是發(fā)達國家)在水肥一體化技術開發(fā)方面投入了巨大精力，尤其是研制了大量的水肥一體化裝備及相關的元器件，為農業(yè)生產的高效低耗發(fā)展做出了巨大貢獻。

2. 國內外水肥一體化技術應用與研究現(xiàn)狀

2.1. 國外水肥一體化技術研究現(xiàn)狀與應用

水肥一體化技術的核心和起點是滴灌技術，誕生于19世紀的中后期，在20世紀的中期之后，伴隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，滴灌技術的發(fā)展逐漸走上了快車道并趨于不斷完善和成熟，在之后的50年時間里，水肥一體化技術在全世界迅猛發(fā)展。作為一個最嚴重缺水的國家之一，20世紀60年代初以色列逐漸開始在國內普及水肥一體化技術，并在1964年建成了覆蓋全國農業(yè)生產領域的水肥一體化灌溉系統(tǒng)，肥料溶解到水中進行滴灌的灌溉模式應用面積占全國耕地的一半以上，到了80年代初期，經過近20年的技術發(fā)展，以色列水肥一體化技術更加成熟，施肥管控系統(tǒng)和作業(yè)模式更加精準化、自動化和智能化，目前水肥一體化作業(yè)模式已覆蓋以色列80%以上的灌溉耕地，研發(fā)出灌溉施肥技術Netafim和Bermad舉世聞名，引領世界水肥一體化的發(fā)展方向。

同時，作為世界上最大的經濟體和發(fā)達國家，美國在20世紀初期就建成其國內第一個滴灌工程，其目前是世界上微灌面積最大的國家，并握有大量的肥料和水肥一體化裝備的專利技術，在其國內農業(yè)比較發(fā)達的州，已建立了比較完善的水肥一體化設施及服務體系 。西歐國家的荷蘭，在50年代初期開始廣泛利用水肥一體化技術大力發(fā)展設施農業(yè)，研制和開發(fā)了大量適于水肥一體化應用的精確配比的各類液體肥料和對應的施肥裝備。目前，舉世聞名的荷蘭溫室無土栽培技術和控制方式已經完全實現(xiàn)了自動化控制，荷蘭開發(fā)的著名的Priva技術和HortiMax技術目前已經在世界其他國家廣泛認可和應用，創(chuàng)造了較好的經濟效益和社會效益 。另外，其他發(fā)達國家如德國、澳大利亞、日本等國也非常重視水肥一體化技術的開發(fā)和應用，目前這些發(fā)達國家在水肥一體化技術方面的研究投入很大，發(fā)展也比較迅猛。尤其是澳大利亞，該國在國內大力推行國家水安全計劃，從國家層面重視水肥一體化技術的開發(fā)與應用，逐步建立土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)用以指導施肥 。目前，部分發(fā)達國家的水肥控制系統(tǒng)運用了傳感器技術、自動控制技術、物聯(lián)網等高新技術，采集環(huán)境數據信息，根據數據信息的需要，控制系統(tǒng)及時調整外部設備和水肥的配比，個別地方基本實現(xiàn)了智能化灌溉施肥 。

2.2.國內水肥一體化技術應用與研究現(xiàn)狀

我國于1974年從墨西哥引進滴灌技術，并購置了部分設備開始進行小范圍的種植實驗和探索，自此開啟了我國水肥一體化技術的研究先河。1980年，我國成功自主研制出了第一代適于某些區(qū)域應用的水肥一體化滴灌裝備，同時在國家“863計劃”、“科技支撐計劃”以及一些地方科研投入的大力支持下，我國的水肥一體化技術與裝備研發(fā)逐漸進入了快車道。尤其是自1995年以后，國家逐漸加大了對水肥一體化技術的支持力度，進入21世紀以后，我國逐漸開始將理論研究和技術開發(fā)與實踐經驗緊密結合起來，在大量專業(yè)技術人才培養(yǎng)、系列化的水肥一體化裝備和控制系統(tǒng)等方面，均有了突飛猛進的發(fā)展。目前，蔬菜尤其是溫室大棚內各類作物、水果、玉米、小麥、棉花等作物的水肥一體化技術已經進入了規(guī)模化應用階段，特別需要說明的是，我國新疆大力實施的棉花膜下滴灌與施肥技術已達到國際領先水平。隨著科技的進步和國家在水肥一體化技術和裝備方面研發(fā)投入加大，我國在水肥一體化灌溉施肥耕地面積上將邁上一個大的臺階。

3. 智能水肥一體化技術目前存在的系列問題和不足

水肥一體化技術和裝備研發(fā)方面目前雖取得了較大的進步，但在應用中還存在系列問題和不足，與農業(yè)生產中農藝的需求還存在很大的差距，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 智能水肥一體化裝備所需的精準傳感器嚴重缺失，作業(yè)方式粗放、細節(jié)還不可控

水肥一體化系統(tǒng)需要構建智能監(jiān)測系統(tǒng)，而該系統(tǒng)需大量不同的傳感器，但現(xiàn)階段我國嚴重欠缺各類精度的傳感器，特別是測量土壤肥料元素及含量的傳感器，現(xiàn)有的土壤元素傳感器測量速度慢，測量精度低且極易受污染失效，不能滿足應用需求。另外，目前我國使用的很大一部分設備是簡易性的水肥一體化裝備，主要是施肥槍和水槍改造的施肥器，通過施肥槍將配置好的肥料直接注入作物根系周邊的土壤 ，這類裝備結構簡單、操作和使用方便，但是用量很難控制。另外，對于丘陵山區(qū)地區(qū)，利用肥池與田地之間的高度差產生的重力，通過開關控制水量和肥量，將水肥輸送到灌溉位置，但該裝置受水壓變化大，混肥不均勻，施肥精度低，難易精確控制。

2) 作物生長模型嚴重缺乏，肥料與水的混合比例缺乏理論依據，水肥的用量均是靠傳統(tǒng)的經驗

實現(xiàn)智能決策需要大量的作物生長發(fā)育模型構建生長模型庫，但我國現(xiàn)有的作物生長模型不足以構建準確的模型庫。一種作物生長模型的建立需要花費大量的人力、物力和時間，僅一種作物的生長模型就需要進行大量的對比觀察實驗，觀察時間以年為單位，耗時持久花費眾多，且具有很大的不確定性。目前，廣泛應用的壓差式施肥罐就存在此類問題，該設備在工作時通過前后進出口的壓力差，使水進入灌體，將充分混合的肥液壓入灌溉管路，但水肥配比不易控制，且需多次添加肥料，添加量也沒有依據，全靠經驗。此外，在操作過程中，供肥用的注肥泵如受外界或管路的影響，肥液進入管路的流量不穩(wěn)定，容易造成水肥配備不均勻，導致不同時間點的施肥量差距較大。

3) 智能水肥一體化裝備控制的精準算法嚴重欠缺，還沒有完整的體系支撐

生物模型建立、數據處理以及自動控制等方面都需要精準的算法支撐，我國精準算法發(fā)展研究較快，已經接近國際頂尖算法的研究水平，而且部分精準算法的研究成果也部分應用于我國水肥一體化裝備研發(fā)中，這部分裝備的控制精度目前也有了明顯的改善和提高，但在不同地域的適應性還有待進一步的提高。

4) 適于水肥一體化智能管控與應用的肥料供給嚴重不足

目前，我國液體肥料嚴重欠缺，很多液體需要從國外進口。我國最常用的肥料還是以水溶性肥料為主，現(xiàn)有的這些水溶性肥料在和水混合后，大多存在溶解效果較差、容易出現(xiàn)沉淀、雜志含量高等突出問題，很容易出現(xiàn)水肥配比濃度不均勻、且不穩(wěn)定現(xiàn)象，導致在后續(xù)滴灌中易出現(xiàn)堵塞灌溉管路和滴頭的問題。此外，目前市面上銷售的肥料大多具有腐蝕性，灌溉和施肥所用的裝備與元器件經常受到腐蝕和侵蝕現(xiàn)象，導致設備的使用壽命大幅縮短。尤其需要特別說明的是，由于傳感器的精度和信息提取能力極易受腐蝕的影響，因此現(xiàn)有的肥料很容易造成現(xiàn)有傳感器有限使用壽命的降低和使用周期內靈敏度降低等問題，給水肥一體化整個系統(tǒng)造成很大的損失和破壞。

5) 現(xiàn)有設備的地域適應性差、自適應能力不高

目前我國大部分的水肥一體化裝備應用的領域較為集中，如棉花、果樹、大棚蔬菜等，且一套裝備只適用一種或者兩種作物，而且需要進行繁瑣的調整，不能或者很難實現(xiàn)一機多用，適應性較差，給農戶增加了較多的成本。不僅如此，部分裝備由于研發(fā)的理論和簡化模擬等步驟，以及實驗環(huán)境和條件的不利，使研發(fā)的設備僅適用于特定的地區(qū)與環(huán)境，普適性較差，實際應用還存在不少問題。

6) 其他問題

除上述列舉的問題外，在我國部分干旱地區(qū)還存在水分蒸發(fā)過快，長期使用水肥一體化設備出現(xiàn)的土壤鹽漬化現(xiàn)象如何解決的問題；長時間灌溉過程中滴頭出現(xiàn)的化學堵塞和生物堵塞現(xiàn)象；水肥一體化技術涉及機械、電子、農學、植保等多學科的交叉，目前在該技術開發(fā)等方面還面臨技術儲備不足，還缺乏專門的研發(fā)人才等。

4. 智能化水肥一體化技術與裝備發(fā)展方向

下面以圖1所示的水肥一體化田間作業(yè)為例，探討后續(xù)智能化的水肥一體化技術和裝備的發(fā)展方向和特征。

1) 實時智能監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)將助力水肥一體化向智能化方向發(fā)展：實時智能監(jiān)測系統(tǒng)(如圖1中環(huán)境監(jiān)測)可實時監(jiān)測作物的生長發(fā)育狀況以及作物生長環(huán)境的變化，包括溫度、濕度、氣流速度、CO2濃度、土壤各元素的含量、土壤的PH值等，而作物的生長發(fā)育以及各個時期所需要的水、肥、光、溫等由其自身屬性所確定，也就是由作物的生長模型來確定。這就需要對水肥的“供給側”進行測定，以作物生理性的需要為出發(fā)點，建立作物的生長模型，以此模型根據不同的生長期計算核準所需提供作物根部土壤的含水率(墑情，以地塊中設置的傳感器為數據依據進行綜合判定)，并將該數據實時提供給基于環(huán)境監(jiān)測與互聯(lián)網技術相結合的智能監(jiān)測系統(tǒng)，綜合判定水肥的供給與否、供給量的多少為宜。因此，實時智能監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)是水肥一體化技術必須克服的首要問題。

2) 大功率無線遠程高精度傳感器技術開發(fā)：如圖1中地塊1中水肥測定傳感器需要提取并生成控制系統(tǒng)可認可的數據，作物周邊土壤中的各類肥料含量、土壤中水分的含量均需要精準測定并將信號傳輸給水肥一體化裝備的控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)根據作物生長模型的模擬數據進行判斷，是否啟動設備進行水肥的供給，而在供給過程中，傳感器需要進行不間斷的檢測水肥滴灌中各個參數的變化，并準時提供給控制系統(tǒng)，改變設備允許的狀態(tài)。上述工作必須依附于大功率無線遠程高精度傳感器的支持作用。

3) 智能遠程自動控制技術的開發(fā)：當智能監(jiān)控系統(tǒng)將采集的環(huán)境的數據信息、肥料存儲裝置中肥料的量值、并結合智能數據算法，實時監(jiān)測水肥配比和流量數值，通過自動控制設備的運轉和閥塊的閉合，并在運轉中適時對肥液的濃度進行自動的調整，能夠自行完成自動灌溉與施肥。

4) 農業(yè)大數據集成與分析技術：根據前述的實時智能監(jiān)測系統(tǒng)，能夠根據生產要素進行作物長勢的剖析、作物成熟度、產量等的分析，并對后續(xù)測土配方施肥、病蟲害預警分析等，為后續(xù)農業(yè)生產提供智能化的指導。

5. 結論

隨著現(xiàn)代農業(yè)技術的不斷發(fā)展，我國農業(yè)要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須堅持高科技技術手段支撐下的高效低耗的戰(zhàn)略決策，水肥一體化技術在提高水肥的綜合利用率、改善土壤性質提升地力、減少農業(yè)污染和提升作物品質方面具有顯著優(yōu)勢，必定是支撐現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的支柱技術之一，也是改變我國由傳統(tǒng)農業(yè)向現(xiàn)代節(jié)約水肥、綠色可持續(xù)農業(yè)發(fā)展模式的必由之路，尤其是智能水肥一體化技術的開發(fā)、推廣和大范圍應用，是實現(xiàn)我國由農業(yè)大國到農業(yè)強國的重要途徑和手段。隨著傳感器技術、信號及其無線傳輸技術、智能遠程自動控制技術、大數據提取與數據處理/分析技術、數據結構與精準算法及物聯(lián)網技術的快速發(fā)展和在水肥一體化技術及裝備中的推廣應用，將進一步推動我國現(xiàn)代農業(yè)沿著綠色、可持續(xù)、高效低耗的方向快速發(fā)展，為“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略的實施貢獻科技的力量和支撐。

物聯(lián)網智能水肥一體機