谢佩军

（浙江纺织服装职业技术学院机电与轨道交通学院，浙江宁波 315211）

2019 年中央一号文件提出推动智慧农业领域的自主创新，2020 年中央一号文件强调加快物联网、大数据、区块链、人工智能、第五代移动通信网络、智慧气象等现代信息技术在农业领域的应用[1]，都表明我国高度重视智慧农业的发展。智慧农业将人工智能技术、物联网技术、5G技术等现代信息技术融入农业全产业链，其中水肥一体化系统是智慧农业的核心系统[2]。水肥一体化系统的水肥设备和方案选择需要适应各管理阶段的需求，水肥一体化管理链包括灌溉储水管理、作物灌溉管理、作物营养管理、胃液回收管理等。水肥一体化系统关键技术包括水质优化技术、优化灌溉技术、养分回收再利用技术、养分利用和盐分控制技术等。研究水肥一体化关键技术对于大力推进智慧农业发展、实现水肥智能管理与精准控制、有效提高农业资源利用效率具有重要意义。

1 水肥一体化系统研究应用现状

水肥一体化系统采用计算机控制各子系统，根据不同作物的灌溉需求，向多个施肥罐注入合理比例的水溶浓缩肥料，通过计算机决策支持系统，智能控制作物所需的全养分、特定浓度的水肥营养液。应用水肥一体化系统能够提高水肥利用率，改良作物生长环境，提升作物的产量实现经济效益。随着国家对智慧农业及水肥一体化技术的重视，越来越多的专家、学者开展水肥一体化技术相关研究，取得了一系列成果。

郭辰昊等分析了智能水肥一体化系统的优点，剖析国内水肥一体化系统存在普及度不高、设备局限性、技术推广难等问题，并预测了水肥一体化技术未来发展趋势[3]。马宏秀等研究了果树水肥一体化发展现状和关键技术，分析其提高果树产量、改善作物生态环境等应用效果，并根据相关技术当前的局限性提出了针对性建议[4]。苗羽等从水肥一体化技术推广的必要性入手，分析我国农业领域水肥一体化存在灌溉技术和施肥技术脱离、管理水平低、技术研发与培训不足等问题，规划农业水肥一体化技术的科学化、标准化发展方向[5]。

水肥一体化系统现已广泛应用于各类作物的灌溉施肥，如龙祖华分析了柑橘种植的水肥一体化技术应用，能够大幅减少劳动力、省水节肥，有效提升肥料利用率和提高柑橘产量[6]；赵海设计了温室葡萄的水肥一体化系统，研究表明系统能够满足葡萄各生长期的养分需求，大大提高葡萄品质和产量，并能够减少各种生产成本[7]；郭战玲等研究了麦套朝天椒的水肥一体化系统，深入探讨灌溉系统配置、生长期灌溉管理、平衡施肥管理等技术，通过水肥联合管理有效实现节水、节肥、增产[8]；杨兴字研究了设施蔬菜的水肥一体化技术要点，包括基地选址、规划设施、施肥设备、施肥管理等，优化了设施蔬菜的水肥灌溉效率，有效减少农业污染[9]；杨振针对马铃薯种植的水肥一体化管理技术进行剖析，重点结合马铃薯的特点、习性、生长规律等，设计灌溉实施与管理方案，为提升马铃薯种植的综合经济效益提供保障[10]。

2 水肥一体化系统关键技术

2.1 水质优化技术

水肥一体化系统实现水质优化的关键技术主要有4类：改进化学成分、去除颗粒物、去除藻类和消毒。灌溉水的化学成分优化应确保灌溉水中盐分、化学元素、化合物含量等满足作物生长需求。反渗透技术是盐水（海水）淡化技术，克服水中溶解的盐量产生的渗透压力，通过半透膜去除水中溶解性物质和悬浮颗粒。膜蒸馏技术综合蒸馏和膜过滤两者的技术优势，实现不同水源灌溉水的清洁化，逐步发展成各种个性化膜结构：直接接触膜蒸馏、气隙膜蒸馏、吹扫气体膜蒸馏和真空膜蒸馏；纳米过滤技术能够从灌溉水中去除大分子、胶体颗粒和多价离子，同时进行水体消毒，并行（或串联）模块化设计可快速实现系统扩展。解决灌溉水中颗粒物问题的技术有比滤、粗滤和精细过滤，比滤（弧形筛过滤）是基于重力的物理作用过滤较大颗粒，粗滤（水力旋流过滤）利用向心力快速分离灌溉水中的砂粒和重颗粒物，精细过滤包括反冲洗精细过滤和无反冲洗精细过滤，利用重力、水流、真空泵有效去除细小颗粒、细菌和真菌等。灌溉水中的藻类是水肥一体化设备堵塞的重要原因，控制藻类生长是确保灌溉系统稳定运行的关键技术，去除藻类主要有水蚤、细菌、酶等生物方法，磷固定、溶解铜、降低pH 等化学方法和利用超声波、水体运动等物理方法。灌溉水的有害生物去除技术能够实现灌溉水和尾液的消毒，避免作物被水生病原体污染，有效提高水肥资源的利用率。化学氧化技术是通过添加氧化剂、催化剂等进行有效消毒，物理处理技术主要依靠光或热杀灭灌溉水中微生物，生物处理技术是利用拮抗微生物和生物膜的作用控制病原体。

2.2 优化灌溉技术

水肥一体化管理应综合考虑实际气候条件、土壤状况、作物不同生长阶段等因素，实现优化灌溉，其中水分平衡估算和作物蒸散量（ETc）用于估算作物需水量，不同作物采用不同的灌溉策略。决策支持系统（DSS）依托复杂的智能仿真模型，根据具体情况综合分析灌溉时间、水肥用量等，提供灌溉和施肥建议，有利于提高水肥利用率，大幅减少养分排放对环境的影响。灌溉管理系统的作物测量技术包括作物生长平衡分析系统、热红外传感器、干径测量仪、叶膨压传感器等，作物生长平衡分析系统监控作物生长情况，分析生长模式与气候、水肥数据间的关系，对比分析不同作物、不同种植方式的差异，全方位跟踪精准分析作物的生长状况。灌溉管理系统的土壤测定技术包括作物水势测定仪、复合传感器、时域反射仪、电容探测器、数字探地雷达等，数字探地雷达通过测量电磁波在土壤中的传播与放射来测算土壤湿度，发射天线产生无线电波，接收器检测放射信号实现地下电磁波变化的判断。气象传感器能够测定温度、湿度、太阳辐射、风速、大气压等基本气候参数，基本气候数据可用于计算作物蒸散量及估算作物需水量，有效提高灌溉水的利用效率。气象传感器的测试数据可用于建立预测模型实现作物生理病害和虫害风险的预测，也能够为温室气候控制系统提供数据支持。

2.3 养分利用和盐分控制技术

传统水肥管理方式存在大量未被作物吸收的氮肥，从土壤流失到环境中导致系列环境污染问题，主要包括：地表径流导致地表水体富营养化，作物根区流失的硝酸盐对地下水的污染，氨气和氧化亚氮排放导致温室气体浓度升高等。养分高效利用和盐分控制关键技术包括采用推荐施肥方案，土壤测试、土壤溶液分析、土壤导电率测定、基质尾液电导率测定等土壤和基质测量技术，尾液营养分析、叶绿素测定、冠层反射率、植物组织分析等作物监测技术，养分吸收模型、养分淋溶模型等养分管理模型和支持养分管理的决策支持系统。土壤溶液分析技术主要实现作物氮素管理，适用于水肥养分持续供应至植物根系土壤的水肥一体化系统，周期性采集分析土壤溶液数据可动态监测根区土壤溶液的三氧化氮浓度，相应地调整水肥用量达到最佳氮素供应。电导率传感器技术用于测定影响作物生长的可溶性盐浓度，适时调整灌溉水肥量确保土壤盐度保持在合理浓度范围，可用于测量土壤电导率的传感器测定方法主要有电阻率法、电磁感应法、时域反射法、频域反射法和幅域反射法等。叶绿素仪采用可见光和近红外光透过率测量作物叶片的透射光，间接测定叶片的叶绿素含量，进而评估作物氮素和分析作物生长状态。养分管理的决策支持系统综合传感器、大数据、物联网、智能算法等技术，根据各种传感器采集的作物生长信息，结合气候条件、土壤状况和作物生育期等，建立决策模型计算作物所需养分，确保水肥施用量与作物需求相匹配，避免水肥过度施用，尽量减少养分流失对环境的影响。

2.4 养分回收再利用技术

水肥尾液排放引起的环境污染问题主要有含水层的富营养化和硝酸盐污染，相关解决方案是从排水中回收利用特定营养物质，提高养分回收率。养分回收再利用关键技术主要包括磷吸附介质、电化学磷沉淀、移动床生物膜反应器、改性离子交换等理化方法和浮萍利用、人工湿地去除等生物方法。电化学磷沉淀技术将被处理液置于反应槽内，电解反应过程中阴极发生还原反应，pH值升高，产生氢气，阳极镁发生氧化反应，产生磷-盐经重力作用得以分离出来，实现废液中的磷回收，降低养分排放对环境的影响。移动床生物膜反应器技术的生物膜生长于塑料载体，好氧系统的鼓风喷射或厌氧系统的搅拌确保载体持续运动，促进生物膜有效降低水中杂质。人工湿地技术是模仿自然湿地利用土壤和生物的自然功能处理不同水流的生态工程系统，通过水平床实现收集、过滤和回收，能够有效去除污水中多余的氮、磷等营养物质，可用于各种污水的净化。

3 水肥一体化系统关键设备

水肥一体化系统将肥料与灌溉水制成营养液，实时监测EC 值（电导率）和pH 值，通过各种施肥设备注入灌溉系统，最终为作物提供浓度适宜的养分。水肥一体化关键设备主要包括文丘里施肥器、注入泵、文丘里自动注入设备等养分注入设备，无土栽培系统中的排水再利用自动混合系统、潮汐灌溉系统等，以及营养液膜技术、深夜流技术相关设备等。

养分注入设备包括存储设备、手动控制设备和自动控制设备。浓缩营养液的配置关键技术包括检测灌溉水的pH 值和矿物质成分，根据作物生长期配置营养液成分比例，计算营养液的电导率，根据作物所需养分计算肥料用量。密闭式压力罐、开放式施肥罐和文丘里施肥器等手动控制设备具有成本低、技术简单等特点，适用于小型农场。基于EC 和pH 传感器的文丘里自动注入设备使用多个施肥罐，罐中肥料通过文丘里注入设备输送至主灌溉系统，采用电磁阀控制每次脉冲的肥料注入量，确保营养液保持稳定的浓度、EC 值和pH 值。基于EC 和pH 传感器的混合罐自动注入设备可以实现罐内自动配置营养液，非加压罐通过搅拌和循环灌溉水实现水肥均匀混合的营养液，磁力驱动泵持续从存储罐中吸取营养液驱送至电磁阀，控制器周期性发送电磁阀喷射信号从而让营养液进入混合罐。

4 小结

水肥一体化技术是利用灌溉系统对作物进行施肥和灌溉的相关技术，水肥一体化系统与智能灌溉系统的集成应用能够按需精准施用水肥，提高作物品质产量，加强作物营养管理，提高水肥利用率等，有效提升农业信息化、智慧化水平。研究水肥一体化系统关键技术，借鉴成熟的水肥一体化系统建设经验，分析先进的水肥一体化技术特点与适用性，对于我国全面推进智慧农业、绿色农业具有重要作用。根据区域气候水土资源实际情况，合理选用水肥一体化技术，科学设计水肥一体化系统，确保作物全生育期的精准化水肥智能控制，有效提高水肥利用率，降低环境污染，实现现代农业的转型升级与可持续发展。