温室水肥一体化自控装备及其应用

李银坤+李友丽+赵倩+郭文忠+贾冬冬+田野

【摘要】针对中国设施蔬菜生产过程中灌溉不合理、肥效差、智能化水平低、劳动强度大等问题，开发了一种适用于温室大棚蔬菜生产的水肥一体化自控装备，并通过田间应用与对比，初步验证了装备系统的可靠性及稳定性，且具有稳产节水高效等优点。

背景

滴灌施肥是目前节水、节肥效果最好，发展最快的灌溉技术之一，在中国温室蔬菜生产中被广泛应用。但灌溉施肥过程仍以人工参与为主，根据经验灌溉，依据长势施肥；可溶性肥料的溶解也主要依靠人工搅拌，随机性强，费工费时，若搅拌不充分，还容易产生沉淀，不仅未能达到应有的肥效，且易造成滴灌系统的堵塞。可见，水肥管理的智能化水平低、水肥不协调、施用时间不适宜以及水肥利用效率低是设施蔬菜生产过程中存在的主要问题。如今，国内外的自动灌溉施肥系统均已取得了很大发展，市场上出现了不同类型和功能的水肥一体化设备。但这些设备的体型一般较大、结构复杂、安装和维修的难度高，且价格昂贵，应用操作的专业性较强，在中国以日光温室为主体的设施农业发展中推广难度较大。日光温室作为具有典型中国特色，并且生产规模巨大的设施类型，一直是中國温室园艺装备升级的重点。因此，中国设施农业对一种结构简单、安装便捷、功能实用，且价格低廉、自动控制程度较高的灌溉施肥系统需求较为迫切。

水肥自控装备及系统

装备简介

针对上述问题，北京农业智能装备技术研究中心开发了一种水肥一体化自控装备（图1），可适用于日光温室、塑料大棚及连栋温室等设施。装备具有人工和自动2种控制模式，通过液晶触摸屏和模块化灌溉施肥控制器，实现人机界面显示、数据采集储存和设备智能控制等功能。系统既能在自动控制模式下根据作物种类、生长阶段、光照强度和土壤条件实现智能化灌溉施肥，也可在人为参与下实施随机干扰式的灌溉施肥。该装备具有结构简单、占地面积小、安装简易、功能实用等特点。

装备结构

装备结构一体化设计（图2），体积小，安装简易，并方便移动。在屏幕上方有可以左右滑动的盖子，用于保护屏幕及电子按钮。在肥液桶内不仅安装有搅拌器用于加速肥料的溶解，且安装了液位传感器，当桶内液位降至液位控制下限时，自动启动加水控制阀为肥液桶供水，液位到达控制上限时加水控制阀门关闭。另外，在装备的管理面积大或与传感器距离较远时，可以利用无线通讯获取土壤含水率、温湿度等参数。

功能特点

水肥一体化自控装备具有以下功能特点：

（1）采用旁路式安装在已有供水主管道上或自带水泵供压，并对灌溉水或肥液进行过滤；

（2）配有环境采集系统，可实时获取环境温度、湿度及光照强度等参数，将环境参数作为启动灌溉的条件之一；

（3）依据土体含水量变化、模型计算灌溉量，确保灌溉水的按需供给。也可通过控制界面设定灌溉施肥控制参数，实施定时定量的灌溉施肥；

（4）具有自动搅拌功能，施肥程序启动后将自动运行，使可溶性肥料的溶解更彻底，防止滴灌系统堵塞，保证施肥效果；

（5）安装有流量计和EC传感器，实时显示检测数据，定量灌溉并自动调整施肥频率，使肥液以适宜浓度供给作物；

（6）具备对灌水量、灌溉次数、土体含水量、光照强度以及空气温湿度等信息的监测和采集功能，并可查询和下载；

（7）拥有自动预警系统，设备运行中出现异常，系统将自动停止并报警。

控制系统及流程

该装备系统硬件（图3）采用模块化设计理念，以可编程控制器（PLC）为核心，包括电源模块、AD模拟量采集模块、传感器模块和上位触摸屏模块。

系统软件采用基于土体含水量的模型控制方法，利用水分传感器实时采集土体含水量，推算土壤实际耗水量，从而根据作物的实际吸收进行必要的水分补充。系统上电后，由管理者通过人机交互上位触摸屏模块设置控制参数，包括：灌溉面积、土壤湿润比、灌水计划层、水分控制上下限等。当自动模式置位后，AD模拟量采集模块通过与外围传感器的实时通讯，获取温室温度、湿度、光照强度信息及土体湿度信息，并发送数据至PLC。PLC内置基于土体湿度的模型控制算法，包括条件启动算法及电导率PI调节算法。在每天设定的启动时刻决策当天是否需要灌溉，进而启动阀门和水泵，并实时监控实际灌溉流量，当实际灌溉流量达到决策的计算灌溉量时，停止灌溉。上位机实时监控系统运行状态，并连接数据库上传环境参数和灌溉参数，供管理者查询和下载，实现栽培过程中水肥的自动管控。

应用试验

试验方法

试验于2016年4～9月在北京市大兴区长子营镇河津营村合作社开展。设常规水肥管理（CK）和水肥一体化智能装备自动管理（WF），布置在均为南北走向的2栋塑料大棚中（面积均为60 m2）。其中处理CK为当地农民习惯的水肥管理模式，主要依据管理者生产经验判断灌水和施肥的时间及用量；处理WF由水肥一体化设备自控管理，主要通过在可编程序中设定对应的控制参数，将可溶性复合肥溶解在肥液桶中，灌溉模式切换至自动状态而进行的水肥自动管理模式。处理CK和处理WF均采用相同的滴灌系统。处理CK所在大棚的0～20 cm土壤有机质含量22.1 g/kg、全氮1.43 g/kg、速效磷326.3 mg/kg、速效钾170.9 mg/kg；处理WF所在大棚0～20 cm土壤有机质含量23.7 g/kg、全氮1.35 g/kg、速效磷297.4 mg/kg、速效钾183.4 mg/kg，田间持水量26.5%，土壤容重

1.36 g/cm3。由此可见，2栋塑料大棚的0～20 cm土壤化学性质无明显差异。试验中处理WF具体布置及实施情况为：大棚内均匀布置土壤水分传感器2组，每组监测土层深度为20、40 cm，距地面1.5 m高处布置光照温湿度传感器1个；土体含水量、光照强度、温度、湿度每30 min记录并存储1次；水肥一体化装备系统安装有流量计监测和显示瞬时流量、累积灌溉量；系统设定每天10：00进行分析判断和灌溉。

2016年4月19日～9月24日进行种植生菜试验，共进行了3茬试验。其中第1茬生菜定植于4月19日，5月24日收获；第2茬7月3日定植，8月9日收获；第3茬8月22日定植，9月24日收获。生菜的株距和行距均为30 cm，在第1茬生菜定植前，各处理均施底肥（商品有机肥）10 t/667 m2，其他所有农事操作保持一致。其中处理CK追肥时，将冲施肥溶解在水中，通过简易吸肥器与灌溉水混合，随滴灌施到作物根系土壤中。

结果与分析

由图4可以看出，水肥一体化自控装备在10：00准时启动了灌溉。装备的储存数据显示，当天的气温和空气湿度变化范围分别为15.7～34.7℃和28.9%～96.5%，气温和湿度峰值分别出现在12：30和6：00，灌溉启动时的气温和空气湿度分别为31.5℃和36.5%，光照强度为43652 lx。灌溉前的土体含水率随时间的推进呈下降趋势，并在10：00时降至19.2%。装备自动灌溉0.819 m3，灌溉后的土体含水率有明显的上升，增长至25.6%。说明水肥一体化自控装备能够保证生菜生长的合理土壤水分条件。

由图5可知，试验期间的生菜产量有较大波动，其中第1茬的生菜产量最高，第2茬与第1茬相比较，处理CK和WF的生菜产量分别降低了63.6%和54.9%，说明处理WF更有利于生菜稳产。处理WF的3茬生菜产量均高于处理CK，增加幅度为11.8%～54.7%，说明了水肥一体化自控装备相对于常规水肥管理模式具有更高的产量收益。由图6可知，与处理CK相比，处理WF的灌溉水利用效率在第1茬至第3茬分别提高了96.7%、134.9%和96.8%。

综合分析，水肥一体化自控装备控制下，土壤水分保持在较为适宜的范围内，不仅降低了年际的产量波动，增加了产量，且大幅度提高了灌溉水利用效率，具有较高的经济效益。同时，自控装备实现了水肥一体的自动管理，降低了劳动强度，并可将一部分人力释放出来，有效降低了劳动成本，提高了劳动效率，促进了设施农业现代化发展。