智能化潮汐式灌溉系统的研究

吴国娟

摘 要：智能化潮汐式灌溉是一种高效、节水、先进的新型灌溉技术，已成为温室花卉种植和蔬菜育苗的重要灌溉方式之一。文章介绍了智能化潮汐式灌溉的原理和应用现状，分析和总结了利用智能设备进行潮汐灌溉条件下水肥利用和植物病虫害2个方面的研究现状，并讨论了智能化潮汐灌溉技术存在的问题和发展趋势。

关键词：智能化；潮汐灌溉；发展趋势

中图分类号：TP278 文献标识碼：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2018.04.013

Research on Intelligent Ebb-and-flow Irrigation System

WU Guojuan

（Tianjin Aimin Network Technology Company Limited， Tianjin 300040， China）

Abstract： Intelligent ebb-and-flow irrigation was a kind of high-efficient， water-saving and advanced irrigation system. Intelligent ebb-and-flow Irrigation has become one of the main irrigation ways in flower planting and vegetable seeding in greenhouse. In this paper， the principle of intelligent ebb-and-flow irrigation and its application status were introduced， two aspects including water and fertilizer saving， plant diseases and pests under intelligent ebb-and-flow irrigation were analyzed and summarized， the existing problems and future research direction in intelligent ebb-and-flow irrigation were discussed.

Key words： intelligent； ebb-and-flow irrigation； research direction

随着世界淡水资源日益紧缺，发展智能化节水型农业显得越来越重要。目前，除了采用渠道防渗、低压管灌、喷灌、微灌等节水灌溉技术外，智能化潮汐式灌溉系统也逐渐受到重视，即采用先进的智能化控制技术，根据植物生长不同阶段需水量，实施定时、定量的精准浇灌，这种浇灌方式不仅提高了浇灌水的利用率，而且使植物始终保持在适宜生长条件下，有助于植物生长。

1 智能化潮汐式灌溉系统

1.1 智能化控制系统

随着智能手机的普及，智能化控制系统逐步推出了基于智能手机的灌溉系统——智能农业物联网控制系统[1]。智能农业物联网系统通过在生产现场部署传感器、控制器、摄像头等多种物联网设备，借助个人电脑、智能手机，实现对农业生产现场环境指数实时监测展示、自动报警提醒，同时实现远程自动控制生产现场的灌溉、通风、降温、增温等设施设备[2]，该系统的使用可减少人工成本，实现精准调控，有效规避生产风险。

农业物联网分为感知层、传输层和应用层3个层次，传感器是感知层的重要组成部分，是获取信息的终端装置，也是智能农业信息技术的重要基础，通过对作物生长环境参数（如空气温湿度、土壤温湿度、总辐射、光合有效辐射、净辐射、光量子、降雨量CO2浓度、pH值等）需求的定制，集成应用于多重农业控制系统[3]。另外，在智能农业物联网平台中汇聚了大量的农业专家资源，搭建了涵盖蔬菜、瓜果等主要作物的农学知识库。用户可在云平台上通过图片、文字、语音等方式向专家进行远程技术咨询，以获取专家的远程指导；用户还可以在平台上进行自助咨询，快速获取由系统智能应答的农技指导；同时在云平台上，用户可以添加专家或其他生产者为好友，或者在云平台交流中心进行交流，以获得更多农技指导信息。

智能化浇灌系统在一些缺水的发达国家发展相对较快，他们运用先进的电子技术、计算机和控制技术，使浇灌系统配备智能化控制设备，浇灌技术日趋成熟。美国是世界上最早将计算机应用到温室环境监测中的国家，而以色列是世界上智能化浇灌技术发展最具有代表性的国家，他们最早利用电脑控制温室内植物的浇灌。目前随着计算机和物联网技术的发展，以色列全国农业土地基本实现了灌溉管理智能化，普遍推行智能控制系统，根据控制系统设置的参数将营养液直接浇灌作物供其吸收利用，提高了水资源利用率。

我国智能化浇灌研究相比于发达国家起步较晚，自动化程度低，智能控制研究处于起步阶段，开发的智能灌溉控制系统多处于试用阶段。早在20世纪80年代，中国农业大学利用8031单片机研制了一套智能化灌溉系统，该系统可以采集多路土壤水分指标数据，实现了对多路系统进行自动灌溉控制的功能，但是该系统在实际运行中的稳定性有待提高[4]。福建省水利建设技术中心研制的智能化浇灌控制系统，应用了计算机技术、遥感技术、自动控制技术等进行集成与优化配置，对大田作物除了采取人工浇灌外，还可以进行定时浇灌和恒湿浇灌[5]。吴尚润等[6]利用PLC完成了一个智能灌溉系统，该系统可以人工设置浇灌参数，实际的水量与设置的参数不符时，经过PLC智能浇灌系统驱动电机模块，然后电机启动进行浇灌，PLC智能浇灌系统克服了许多传统浇灌的缺点，在实际应用中能够准确、快速地做出浇灌指令。李星恕[7]根据设施大棚内温度、光照等条件相互影响、相互制约的特点，将模糊控制理论应用于温室内温、湿度的智能调控，设计模糊控制软件、编制模糊控制软件程序，在改善温室智能控制方面取得了良好的效果。陈教料等[8]利用在浙江省农业高科技示范园区内智能温室中采集的试验数据，以能量和物质守恒为理论基础，提出了温室智能浇灌控制的新建模思路，该思路研究了温室环境中影响温度和湿度的对流、通风以及植物蒸腾作用等各项数据指标，结合温室环境实际运行中小气候变化，建立了浇灌系统中温度和湿度的模型。郎文秀等[9]研究的智能温室控制系统通过PLC控制器控制植物生长的营养液的pH值和电导率值，实现对营养液调配和参数的设置；通过无线通信技术，将来自PLC的数据打包后通过GPRS网络传输到网络，管理中心通过网络实现设备到监控系统之间的无线、双向数据传输，然后对获取的数据进行处理，实现栽培区的集中控制。王纪章[10]根据在智能温室内部与外部采集到的各种环境参数的变化以及温室内部温、湿度等指标的调控方法，提出了可以在多个模块下进行智能切换的环境控制模型。对于在智能温室内植物生长量与温度、湿度等环境指标变化的短尺度不协调等问题，提出了温室内部各种环境指标相结合的调控方法，实现温室环境参数的优化调控，通过实际种植生产表明，该方法可有效地增加植物积温，实现了智能温室内部作物的高产高效生产。

1.2 潮汐式灌溉系统

潮汐式灌溉系统是根据潮水涨落形成落差的原理设计的一种灌溉系统，该系统适用于盆栽植物的营养液栽培和容器育苗的种植及管理，相比于传统浇灌方式，可有效提高水资源的利用效率。潮汐式灌溉主要分为地面式和苗床式2类，其中，地面式潮汐灌溉是指在地面上砌一个可以装盆栽植物或者育苗容器的蓄水池，蓄水池有进水口和回水口；苗床式潮汐灌溉指利用栽培苗床进行潮汐灌溉，苗床上设有专门的进水口和回水口[11]。

在使用时，潮汐式灌溉均由进水口将浇灌水或者配置好的营养液注入潮汐苗床或者蓄水池，当苗床或者蓄水池的水位达到设定的液位高度后，使苗床中的盆栽植物或栽培苗在液位中保持大约10 min，水分因毛细作用而上升至盆中介质的表面，从而使作物根系充分吸收水分，而后打开回水口，将营养液回流到储液池中，待另一栽培床需水时再将营养液送出。潮汐灌溉系统具有调整营养液pH值和各种养分浓度的作用，为避免营养液过度污浊，增加介质的过滤系统和消毒系统[12]。在潮汐式灌溉系统中，基质孔隙度和孔隙类型显著影响潮汐式灌溉的效率及效果，其基本组成和工作原理如图1所示。

为了达到理想的灌溉效果，潮汐式灌溉系统要求栽培床必须水平，从而保证浇灌水能在栽培床上自由地流动；同时，当灌溉结束后，栽培容器内多余的浇灌水利用重力作用必须回收到水平的栽培床上，然后从栽培床再回收到回液池中，从而保证浇灌水的循环利用。栽培床表面必须水平才能确保浇灌水在栽培床的良好浇灌——使所有栽培容器中的基质在同一时间加湿，多余的水分在同一时间回流[13]。

经过几十年的发展、改进和完善，潮汐式灌溉在融合了自动化技术、NFT 营养液水培技术和营养液消毒技术基础上，逐步发展成包含动力、施肥、灌溉、储存、过滤消毒和智能监控等设备的完整、高效、节能和环保灌溉系统。一套完整的智能化潮汐式灌溉系统包括动力系统、智能灌溉系统、储存系统、过滤消毒系统和智能监控系统5个部分，其中，动力系统是基础，由变电设施和电器元件组成，为整个灌溉系统提供动力，保障系统正常运行；智能灌溉系统是核心，由给水泵、栽培池或床、给回水管道和控制阀等部分组成，在该系统中依据营养液配方将大量元素和微量元素按比例注入储存有洁净水的混合池中，形成适宜浓度的营养液，然后将营养液输入栽培池或栽植床浸润基质后，引导剩余营养液回流到储存系统；过滤消毒系统是关键环节，同时又是系统的最薄弱部分，一般由过滤装置、紫外消毒装置等组成，主要对给水和回流液进行过滤消毒处理，减少根系病害和水生病菌的滋生；储存系统是在灌溉间隙储存营养液的设备或池，一般与混合池合二为一；智能监控系统是中枢，由传感系统、传输系统、数据统计分析及处理系统组成，对种植环境内的空气温湿度、二氧化碳浓度、营养液的溶解氧、pH 值、电导率、离子浓度、配比等进行监测 [12]。

2 智能化潮汐式灌溉系统的应用现状

2.1 智能化潮汐式灌溉条件下水肥利用的研究情况

智能化潮汐式灌溉是一项先进的农业灌溉技术，具有提高作物生长速度、节水高效、降低管理成本等优点。胡静等[14]研究发现，与人工浇水栽培相比，潮汐式灌溉可有效促进生菜生长，显著增加产量，同时大幅降低用水量、耗电量和用工量，节约用水、电费和人工成本分别达32%、25%和75%，大幅度降低了管理成本。甘小虎等[15]研究发现，辣椒潮汐式灌溉育苗能够保持基质的透气性，不板结，并且营养供应及时，达到供水供肥均匀、幼苗长势整齐的效果。青菜营养丰富，生长迅速，广泛栽培于我国各地，在设施条件下可实现周年生产，李梅玲 [16]对穴盘小青菜潮汐式灌溉栽培研究发现，潮汐灌溉的小青菜生长状况最佳，产量最大，叶绿素含量最高，并能大幅减少人工成本、耗电量和耗水量。在蔬菜育苗方面，柳红等[17]研究发现，黄瓜潮汐灌溉育苗更能提高黄瓜苗的壮苗指数和G值（全株干质量与育苗天数之比），且育苗长势整齐，抗病性强，能够大幅度降低管理成本。

由此可见，智能化农业栽培控制系统可以实时监测基质湿度、空气温湿度和二氧化碳浓度的变化等，然后通过计算机系统进行处理分析，再根据植物生长过程中的需水量，实现植物灌溉用水精准化调控，从而大幅度提高作物灌溉用水的有效利用率，并降低管理成本。

2.2 智能化潮汐式灌溉条件下植物病虫害的研究情况

智能化潮汐灌溉是通过虹吸的原理从底部进行浇灌，与常规的灌溉方式相比，能够在植物叶片保持干燥的同时为植物提供充足的水分和营养，为植物创造相对湿度较低的生长环境，从而降低植物病虫害发生概率。1999年，LATIMER等[18]在藿香种植过程中发现，与常规喷灌方式相比，潮汐式灌溉可以明显降低病虫害发生概率、病原菌和害虫的生物数量和传播速率，分析其原因可能是由于潮汐式灌溉所形成的相对干燥的生长环境有效破坏了病虫害的生长和繁殖环境，切断了病虫害的传播途径，从而降低了病虫害的数量。STANGHELLINI等[19]在研究植物使用潮汐式灌溉进行浇灌营养液时发现，如果在营养液中加入一种活性剂后，植物在生长过程中疫霉属病菌的发生明显减少。牛庆伟等[20]研究发现，传统喷灌方式使叶面湿度增大，从而提高了细菌性果斑病发生概率，而潮汐式灌溉则能明显降低细菌性果斑病的发病率。潮汐式灌溉的这种集中浸透浇灌的方式决定了防治病虫害的重要性，在这种浇灌方式中要坚决避免交叉传播，但人们对潮汐式灌溉条件下各种病原菌和病虫害发生和传播的研究相对较少，仅有的部分研究只是证明潮汐灌溉可以降低几种作物病害的传播，许多植物在潮汐式灌溉条件下病虫害的发生规律与防治方法还有待深入研究。

3 智能化潮汐式灌溉技术的问题和发展趋势

目前，智能控制系统研究相对较多，但是应用于潮汐式灌溉的智能化控制系统研究尚有不足。首先，智能化控制中监测设备直接关系到控制设备的响应，其精确度和敏感度有待提高；其次，目前智能化控制仍然停留在单个环境因子调控技术的研究阶段，而实际上光照强度、空气温度、空气湿度、土壤湿度、土壤温度、二氧化碳浓度等环境因素，是在相互影响、相互制约中对作物生长产生作用，环境因素的空间变化和时间变化都很复杂，需综合考虑；再次，现在智能化潮汐式灌溉缺少作物产量与需水量、施肥量之间定量关系的研究，可以通过综合考慮土壤水分、土壤养分、肥料利用率、最高产量及经济效益等指标，分析氮、磷、钾等养分及灌溉对作物产量的影响，建立作物需肥模型及作物需水模型[21]。在我国，智能化控制技术的实际应用也存在一些问题：一是许多智能化技术尚处在研究和试验小试阶段，要使智能化技术在实际生产中发挥作用还需要进一步研究，并做好相关配套技术的研究；二是虽然研究者在植物生长信息感应方面做了大量研究，但在实时获取植物水分指标、养分指标等生长的各项指标方面还需要做更细致的研究，并将其与生物传感信息技术进行合理的结合；三是智能化管理技术比较专业化，对于多数生产一线的使用者来说操作过于复杂，限制了相关技术的普及。

智能化高效率農业管理技术是我们国家现代农业的发展方向，是科技含量最高、集成综合性最强的现代农业生产管理技术之一，它将使人类充分挖掘作物生产潜力、合理利用水肥资源、减少环境污染、大幅度提高农产品产量和品质成为可能，也是解决我国农业由传统农业向现代农业发展过程中所面临的农产品总量减少、农业产业结构不合理、农产品品质下降、水资源利用率低、环境污染等问题的有效方式，智能化技术的应用是精确农业发展的必然趋势及基本保证，也是发展高效节水农业的有效途径[22-23]。

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