郝雅洁 胡欣宇 李富忠

摘 要：在农业生产实践中，灌溉与施肥必不可少，然而传统的灌溉与施肥方式存在水分及肥料利用率较低，浪费严重，滥用肥料对土壤及环境造成污染，甚至对农作物造成伤害等问题。为了实现水资源及肥料的可持续利用，解放人工劳动力，发展并推动现代化农业，水肥一体化灌溉系统应运而生。水肥一体化灌溉系统将灌溉设备赋予“智慧”，按照肥随水走思路，将物联网技术与灌溉系统相结合，既可以根据作物实际生长情况自动实施合理的灌溉方案，又可以根据作物不同阶段的需水情况调整相应灌溉方案，将肥液通过可控管道均匀运输到作物根部，满足作物生长需求。文中对水肥一体化灌溉系统进行了研究分析，可知此系统既能提高灌溉利用率、节约水资源，又能提高作物品质，改善生态环境，对于实现农业种植智能化生产与经营意义重大，具有良好的应用前景。

关键词：水肥一体化;灌溉系统;物联网;智慧农业;田间管理;云平台

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）09-00-04

0 引 言

近年来，我国现代化农业建设速度加快，并取得了巨大成就，然而農业保安全、保生态的压力越来越大，农业发展已经到了必须更加注重合理利用资源、更加注重保护生态环境、更加注重推进可持续发展的历史新阶段。加快现代农业建设，贯彻落实发展新理念，推进生态文明建设，迫切需要继承并大力发展生态循环农业。将物联网、大数据、人工智能在农业中产业化[1]、规模化地应用，是推动智慧农业[2]发展的新要求。

在传统农业生产中，对作物灌溉与施肥一般通过人工进行，费时费力且水分与肥料的利用率不高，浪费较严重[3]。现阶段农业用水资源匮乏，肥料的滥施还会造成农作物被破坏以及环境污染[4]。传统的灌溉与施肥方式不再适用于新型农业的发展，需要借助智能化技术对传统模式进行改善与转变。将新型热点物联网技术应用于农业水肥一体化中，设计出水肥一体化灌溉系统[5]可以有效改善传统灌溉[6]与施肥模式的不足，大大提升水肥利用率并减少环境污染，大幅提升农业生产的智能性，促进农田的精准化管理。

1 智能化系统架构

利用现代信息技术准确掌握大田作物生育进程和“四情”动态，对大田作物苗情、墒情[5]、病虫情、灾情以及大田作物各生育阶段的长势状况进行动态监测和趋势分析。通过实时监测作物生长环境及土壤中温度、湿度、大气风速、光照强度等信息，并将数据实时上传到数据库数据中心进行分析，根据实际情况决策，智能化地进行水肥自动灌溉，实现对大田作物生产、田间管理和抗灾救灾快捷高效的调度指挥，还可以提高精细生产和田间管理能力，及时发现生产中存在的问题，从而制定相适应的大田作物管理技术对策，提出大田管理意见或建议，更好地开展技术指导，促进农业增产增收。智能化系统架构如图1所示。

2 水肥一体化灌溉系统设计

2.1 水肥一体化技术概述

水肥一体化灌溉系统是指借助物联网技术获取并分析不同作物的生长环境及实际生长状况信息，下达指令自动调控，将水分与可溶性肥料按一定浓度比例配成肥液[7]，再将肥液通过增压系统灌溉管道均匀地运输到作物根部，减少了肥料与土壤的直接接触面积，避免了养分被土壤固化，使肥液能被作物根部充分吸收。此技术能够定时定量地满足作物的生长需求，精确控制灌溉水分和施肥量，实现信息化、数字化的动态精准管理。水肥一体化也被称为“灌溉施肥技术”，即将灌溉与施肥相结合[8]，在以水促肥的同时以肥调水，实现农事操作的精确灌溉与施肥，实现科学、智慧灌溉。水肥一体化智能监控系统界面如图2所示。

为了缓解水资源浪费情况，保护生态环境，国外很多国家利用喷灌、微灌方式实现了节水灌溉[2，9]，还利用先进的信息控制技术，根据作物实际的需水量进行合理灌溉，提高水分利用率。节水灌溉与水肥一体化技术相结合[10]，符合现代节约型农业的发展趋势。

水分、肥料的施用量对作物的品质有着重要影响。如果不及时灌溉，会造成作物因缺水而枯死;然而如果灌溉时间过长，水分过多，会导致作物根部长时间浸泡腐烂[6]。通过埋入作物土壤周边的传感器[11]可探测出土壤的含水量与不同作物根系的吸水能力。因此需要根据作物与生长环境的不同，制定合理的水肥供应量，实现自动灌溉，以实现节水节肥。

在实际农业应用中，已证实通过对经济型作物使用水肥一体化技术，可达到增产、节肥、提升农产品品质的良好效果，下一步拟将此技术应用到粮食作物生产中[6]。水肥一体化技术是集农业灌溉、肥料、作物生长与计算机物联网等多学科为一体的智慧农业灌溉系统，节水用肥效率高，能够很好地解决农业用水问题，实用性强，符合现代化农业可持续发展要求的资源节约型、环境友好型技术要求，所以国家农业部愈加重视水肥一体化技术的发展[12]。

将水肥一体化与智慧农业相结合，并进行有效利用，对于农业科技水平的提高，减少改善环境污染和生态文明建设具有重要意义。

2.2 参数设定

系统参数需要根据现场工况设定，即根据灌溉参数、管道参数、流体参数、压力参数等进行合理选择。

2.2.1 确定灌溉参数

根据规范、标准以及国内外滴灌技术发展积累的经验，各技术参数定为如下值：

（1）微灌土壤湿润比：P=100%;

（2）微灌水利用系数：η=0.90;

（3）设计灌水均匀度：Eu≥90%;

（4）设计湿润深度：Z=0.8 m。

2.2.2 管网水力计算

无论是自流灌溉或抽水灌溉，对于灌溉管道输水的管道水力计算，可按以下方法进行。但由于管网配水情况较为复杂，通常按简化方法计算，沿线流量即以单位长度管段的比流量法计算：

2.2.3 管道流量