水肥一体化自动管理对叶用莴苣生长及灌溉水生产效率的影响

李友丽赵 倩代艳侠李银坤曾 烨郭文忠*

（1北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097；2北京市大兴区农业技术推广站，北京 102600）

水肥一体化技术，是指将可溶性固体或液体肥料配成肥液，与灌溉水一起，通过灌溉系统输送至作物根系土壤层的技术（李卫军 等，2016）。它可利用装备与系统，依据作物的水肥需求规律，均匀、适时、适量供给作物水分和养分，显著提高了水肥利用效率，增产效果明显，且有效提高了劳动效率，降低人工成本，已成为当今世界公认的高效节水节肥农业新技术（刑英英 等，2014；牛寅，2016）。在荷兰、以色列等农业发达国家，水肥一体化技术及配套设备成熟，已被广泛应用于生产（Zhang et al.，2008；Neto et al.，2014；Regunath &Kadirkamanathan，2014）；我国近年来先后出台了一系列关于农业节水的政策，有效推动了水肥一体化技术的应用和发展（袁洪波 等，2014；刘自飞等，2016）。

随着水肥一体化技术应用面积的不断扩大，水肥设备的研制与应用成为领域热点和重点。从国外引进的基于信息化、网络化、智能化的精准水肥调控系统和智能装备，用于消化、吸收再研制，并在典型示范园区中展示应用（袁寿其 等，2015）。同时，相关研究人员针对精准施肥装备和自动控制系统开发开展了大量工作，研制出一批灌溉施肥机。杨仁全等（2005）研制的精密施肥机，能够精确控制肥液的EC值和pH值，实现定时、定量自动灌溉施肥；姚舟华等（2012）研制的WGF-6-12型温室自动灌溉施肥机和俞卫东等（2013）研制的基于PLC的智能灌溉施肥机，均能实现多路营养液的动态配比；狄娇等（2016）研发的温室轻简式灌溉施肥机，具有较高的肥水混合精度。国外进口的施肥机以多通道为主，主要用于连栋温室生产特别是无土栽培中。我国自主研发产品多以硬件优化和软件开发来实现水肥调配（营养液配制）的精细控制为重点，少有涉及基于灌溉策略的自动化、智能化灌溉施肥机研发；该类施肥机借鉴国外产品的设计思路，也为多通道类型，不适宜在面积小的单栋塑料大棚或日光温室中应用，更鲜见在生产中应用的报道。基于此，北京农业智能装备技术研究中心相关团队针对我国塑料大棚和日光温室设施生产特点，研发了AWF型温室水肥一体化装备，开发了基于主要决策指标（如土壤含水率）的灌溉模型的自动管控系统，进行设施蔬菜生产水肥自动管理（李银坤 等，2017；赵倩 等，2017）。本文拟分析该装备与自动管控技术在塑料大棚叶用莴苣栽培中的应用，对叶用莴苣生长和灌溉水生产效率的影响，旨在从节水、节肥、省工、增产、增收等方面为该装备与技术应用的效果和价值提供数据支持，丰富适用于我国设施生产的水肥一体化装备与技术，推动设施农业节水、节肥技术的创新发展。

1 材料与方法

1.1 试验地点

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（大兴区农业科技创新服务体系项目示范基地）的2栋塑料大棚中进行。2栋塑料大棚均为南北走向，平行排列，棚间距3 m；长×宽均为12 m×5 m，周边无遮挡物，日照条件完全一致。2栋大棚土壤环境条件基本相同，东侧大棚0～20 cm土壤有机质含量23.7 g·kg-1、全氮1.35 g·kg-1、速效磷297.4 mg·kg-1、速效钾183.4 mg·kg-1，田间持水量24.6%（体积含水量）；西侧大棚0～20 cm土壤有机质含量22.1 g·kg-1、全氮1.43 g·kg-1、速效磷326.3 mg·kg-1、速效钾170.9 mg·kg-1，田间持水量24.0%。

1.2 试验设计

供试叶用莴苣（Lactuca sativa L.）品种为美国大速生，共栽培3茬，第1茬于4月19日定植，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。株行距均为30 cm见方。第1茬定植前，撒施有机肥5 000 kg·（667 m2）-1作底肥，其他2茬定植前均撒施复合肥（N-P-K 为 15-15-15）50 kg·（667 m2）-1。

定植缓苗后，东侧大棚按照基地的常规方式进行水肥管理（对照，CK），即依据管理者的经验进行灌溉和追肥，其中追肥是采用压差施肥罐完成，在叶用莴苣快速生长期追施1次水溶性复合肥，施用量为14 kg·（667 m2）-1。西侧大棚采用AWF型水肥一体化装备自动管理（处理，WF），主要是根据叶用莴苣的水肥需求规律、土壤条件等，在可编程序中设定对应的控制参数，包括定植日期、灌溉面积、土壤含水率和光照强度的灌溉阈值及灌溉液浓度（电导率）阈值等，再将水溶性复合肥溶解在母液桶中，选择“自动”，系统执行基于土壤含水率管理决策的自动程序。该过程中，利用电导率传感器将灌溉液浓度调控在阈值范围，进行水、肥一体化管理，其中施肥量由肥液浓度和灌溉量计算得到。对照CK和处理WF均采用相同的滴灌系统，追施同种水溶性复合肥（N-P-K为16-6-32），且其他农事操作保持一致。

AWF型水肥一体化装备（李银坤 等，2017）由控制柜体、液晶触控屏、吸肥器、母液桶（肥液桶）、电磁阀、过滤器、搅拌泵、开关按钮，以及电导率传感器、液位传感器、土壤水分传感器、光照传感器、温湿度传感器等组成（图1）。其中，土壤水分传感器探头布置在20 cm土层处，监测土壤含水率（体积含水率），是主灌溉决策指标；光照传感器和温湿度传感器安装在距地面1.5 m处，监测大棚内光照强度、空气温度和湿度，辅助决策灌溉；电导率传感器监测灌溉液EC值，参与调控肥液和清水电磁阀的开闭，使灌溉液浓度在设定阈值内；流量计安装在装备出液管路起点，用于监测实际灌溉量，判断灌溉终点。该系统硬件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（图2）。AD模拟量采集模块实时接收外围光照传感器、温湿度传感器、流量传感组件和EC传感组件的信号，转化成数字信号后发送至PLC，参与内部模型控制算法，一方面逻辑判断是否启动灌溉，另一方面自动根据本次实际灌溉量停止灌溉，同时PI算法实时调节灌溉液EC值；上位机在线监控，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。该装备具有手/自动两种运行模式。自动模式下，系统根据PLC内置灌溉模型（算法），通过上位机输入的参数值，进行水肥自动管理，包括生育期计数、灌溉决策、灌溉液浓度调控、母液搅拌及缺肥等异常情况报警等（赵倩 等，2017）。

图1 AWF型水肥一体化装备

图2 AWF型水肥一体化控制系统框架图

处理WF采用基于土壤含水率的决策方法：通过人机交互上位触摸屏模块输入灌溉面积S（60 m2）、土壤湿润比p（100%）、灌水计划湿润层h（0.2 m）和水分利用系数η（0.9），灌溉启动时间点（10：00）和定植日期；参考大量研究结果，设定叶用莴苣对应的土壤含水率阈值q0和q1（q0为土壤含水率上限，即田间持水量24.0%，q1为土壤含水率下限值；体积含水率）、光照强度阈值、灌溉液电导率阈值等灌溉决策参数（表1）。系统计算生长发育时间（d），每10 min记录1次、分析数据，根据灌溉量计算公式 M=p×S×h×（q0-q2）/η（q2为实测土壤含水率）（杨志刚，2011）计算和显示理论灌溉量。每天10：00时，系统将各决策指标的实测值与设定下限值进行对比，当土壤含水率测定值q2≤下限值q1，且光照强度测定值≥设定值时，启动灌溉，待灌溉量≥计算灌溉量时，结束本次灌溉；否则当天不启动灌溉（图3）。

1.3 项目测定

本试验中，AWF型水肥一体化装备系统每10 min采集1次并存储土壤含水率、光照强度、空气温度、空气湿度，计算出计算灌溉量，采集并存储实际灌溉量。

在对照CK和处理WF 2个大棚中，将栽培区从北到南均匀划分成3个重复区。叶用莴苣收获前，每重复各取5株（采用五点取样法），株高（从茎基部到植株最高处的长度）、开展度（冠层最宽处）和叶片叶绿素含量（SPAD-502型叶绿素含量测定仪）在田间测定活体样本；叶片长度（叶片基部至叶尖的长度）、叶片宽度（叶片最宽处的长度）、叶片数和单株鲜质量（地上部）则取样保鲜带回实验室测定。同时，取叶用莴苣地上部保鲜带回实验室测品质指标（取样方法同上），包括硝酸盐（NY/1279-2007标准）、可溶性总糖（蒽酮比色法）、粗蛋白（凯氏定氮法）和粗纤维（碱处理法）的含量（曹建康等，2007）。收获时分别统计试验与对照大棚的总产量，根据当日收购价计算销售金额；计算灌溉水的生产效率（叶用莴苣产量与灌溉水总量的比值，kg·m-3）。

表1 叶用莴苣的水肥管理决策参数

图3 AWF型水肥一体化系统控制流程图

1.4 数据处理

试验数据采用Excel软件进行处理，运用SPSS 17.0软件进行差异显著性分析（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 基于AWF型水肥一体化装备的水肥自动管理

处理WF中，AWF型水肥一体化装备处于“自动”运行模式，系统根据决策算法和输入的参数值进行水肥自动管理，系统采集、存储了土壤含水率、光照强度、空气温度及湿度，并计算了灌溉量。以2016年8月1日（叶用莴苣生育后期）为例（图4），土壤含水率先逐渐下降，在10：00时降至19.18%，10：30上升至22.11%，此后呈现极缓慢下降趋势；计算灌溉量则先增大再急剧下降，然后缓慢增加，10：00时计算灌溉量达到最大值0.536 m3，10：30减少至0.266 m3；光照强度先上升再逐级下降至零，10：00时达到了43 625 lx；空气温度和湿度的变化范围分别为15.74～34.68 ℃和28.6%～96.5%。综上可知，上午10：00时，实测土壤含水率低于设定土壤含水率下限（19.2%），且光照强度大于设定下限（5 000 lx），系统分析数据发送了“灌溉”命令，且自动完成了灌溉操作。说明AWF型水肥一体化装备可较好地实现基于灌溉模型与算法的水肥自动管控。

图4 AWF型水肥一体化装备系统自动测定、存储数据（2016年8月1日）

2.2 水肥自动管理对叶用莴苣生长指标和叶绿素含量（SPAD）的影响

水、肥是影响叶用莴苣生长的两个关键因子，科学合理的水肥管理对确保叶用莴苣长势至关重要，与叶片叶绿素含量密切相关。传统栽培管理中，生产者认为大水、大肥是确保叶用莴苣良好长势的关键之一。从表2可以看出，AWF型水肥一体化装备的水肥自动管理条件下（WF），3茬叶用莴苣（除第3茬的株高外）的各生长指标均高于对照，其中第1茬的株高、叶片数、单株叶长×叶宽的总和，第2茬的株高、开展度及第3茬的单株鲜质量均显著高于对照；处理WF和对照叶绿素含量（SPAD）差异不显著。说明基于AWF型水肥一体化装备的水肥自动管理为叶用莴苣栽培提供了良好的水肥管理制度，较好地满足了叶用莴苣生长的水分、养分需求，相比常规管理更有利于促进生长。

2.3 水肥自动管理对叶用莴苣品质的影响

与对照相比，基于AWF型水肥一体化装备的水肥自动管理（WF）对第1茬和第3茬叶用莴苣的粗蛋白、可溶性总糖、还原型VC、粗纤维含量无显著影响，而显著降低了第3茬叶用莴苣的硝酸盐含量（表3）。说明基于AWF型水肥一体化装备的水肥自动管理有利于提高叶用莴苣品质。

表2 水肥自动管理对叶用莴苣生长指标和叶绿素含量的影响

表3 水肥自动管理对叶用莴苣品质的影响

2.4 水肥自动管理对叶用莴苣产量、灌溉量和灌溉水生产效率的影响

水肥管理是蔬菜生产管理的关键，直接影响着作物生长发育，并最终影响产量形成、产品商品性及经济效益。科学合理的水肥供应制度，可适时、适量为作物生长发育提供所需的水分、养分，确保产量，降低水肥用量，提高水分利用效率。从表4可以看出，基于AWF型水肥一体化装备的水肥自动管理（WF），3茬叶用莴苣的产量分别为 2 593.85、1 168.80、1 900.00 kg·（667 m2）-1，均高于对照，产量增幅分别为25.00%、54.75%、11.76%。WF处理的3茬灌溉总量和追肥量均低于对照，其中灌溉总量分别减少了23.84%、21.71%、28.91%，节水效果明显。进一步计算灌溉水生产效率，WF处理的3茬灌溉水生产效率分别为78.60、36.21、58.95 kg·m-3，比对照分别提高了64.13%、97.65%、57.24%。说明基于AWF型水肥一体化装备的水肥自动管理较常规水肥管理合理，可以为叶用莴苣生长提供更科学的水肥管理制度，满足叶用莴苣生长的水肥需求，实现增产和节水节肥，进而提高了灌溉水的生产效益。

表4 水肥自动管理对叶用莴苣产量、灌溉量及灌溉水生产效率的影响

2.5 水肥自动管理对叶用莴苣栽培经济效益的影响

从表5可以看出，每套AWF型水肥一体化装备可管理叶用莴苣栽培的灌溉面积为667 m2，即设备成本总投入16 700元·（667 m2）-1。按照使用年限10 a计算，年折旧费1 670元·（667 m2）-1。按照试验基地的生产茬口安排，全年共定植、收获5茬叶用莴苣。根据本试验结果估算，基于该装备进行叶用莴苣栽培的水肥自动管理，可实现增产3 675元·（667 m2）-1， 省 工 600元·（667 m2）-1， 节肥 245 元·（667 m2）-1，节水 50 m3·（667 m2）-1，则年节本增收达2 850元·（667 m2）-1。

有几点值得说明：一是上述装备的管理面积是限于本试验中所用普通配置，升级核心部件性能可扩大管控面积，从而降低单位面积的成本投入；二是试验基地采用地下水灌溉没有收取费用，本文仅计算节水量，未能估算其经济效益；三是由此带来的生态效益和社会效益很难用货币进行衡量，但是该价值是可观的。从上述分析可知，仅从增产、省工、节肥、节水等几个方面产生的效益就很可观，符合我国设施生产节水、节肥技术创新发展方向，具有较高的应用价值和良好的应用前景。

表5 水肥自动管理对叶用莴苣栽培经济效益的影响

3 结论与讨论

水肥一体化技术是当今世界公认的一项高效节水节肥农业新技术，发达国家农业生产经验表明，推广水肥一体化技术是实现农业可持续发展的关键。传统认知中，将可溶性肥料溶解到水里，用棍棒或机械搅拌，通过田间灌溉系统，随灌溉水一起输送至田间土壤，被作物吸收利用的技术即为水肥一体化技术。传统的水肥一体化技术，水、肥供应仍主要依靠经验或采用简单时间控制，未能真正根据作物需求供应水分和养分，难以突破水肥的精细化、高效化管理瓶颈。通过实时采集作物生长的环境参数和作物生育信息，构建模型将作物生长发育与环境信息耦合，智能决策作物的水肥需求，利用配套灌溉施肥系统，可实现水肥一体精准施入，大大提高灌水和肥料的利用效率（赵春江和郭文忠，2017）。AWF型水肥一体化装备配备了相关信息的实时采集、传输和寄存的传感设备，系统开发了分析、决策和执行等功能；以土壤含水率为主要决策因子的决策方法耦合了作物生长发育所对应的水分需求、土壤含水率和光照强度等信息，该装备的自动管理，可实现适时、适量地将作物生长发育所需水分和养分均匀输送至其根部土壤层。本试验中，在该装备系统控制下，根据管理决策和算法，比对设定参数值与实测值，较好地执行了自动管理程序，即在设定时间点系统检测到土壤含水率q2低于设定下限q1（19.2%），且光照强度高于下限值（5 000 lx）时，灌溉程序启动执行了灌溉指令，并在实际灌溉量达到计算灌溉量时结束本次灌溉。同时，按照计算灌溉量灌溉后，10：30土壤水分传感器采集到灌溉后的最大土壤含水率数据为22.11%，该值低于设定的灌溉上限（24%），即灌溉后土壤含水率低于目标值，这可能与土壤理化性状或土壤水分传感器性能等相关，有待进一步研究。

蔬菜栽培的水肥管理，即及时供应（或补充）作物需要的（或消耗的）水分、养分，如供应（补充）不及时或不足，会影响作物正常生长；过量则导致水、肥资源浪费，甚至造成土壤环境污染。与传统水肥管理相比，AWF型水肥一体化装备的自动管理下叶用莴苣产量提高了11.76%～54.75%，总灌溉量降低了21.71%～28.91%，灌溉水生产效率增幅达57.24%～97.65%。因此认为AWF型水肥一体化智能装备可较好地执行水肥自动管理程序，其系统控制下基于土壤含水率灌溉策略的自动管理，可为叶用莴苣生长提供更合理的水肥管理制度，确保叶用莴苣的长势和品质，节水节肥、增产提效效果显著。该装备与技术的应用符合设施农业节水、节肥技术创新发展方向，对推动我国设施农业水肥一体化技术发展具有重要意义，应用前景非常可观。