农业气象物联网+水肥一体化在复式日光温棚中试验探索效益评估

陈金龙 赵丽丽 吴德根 李俊松

导读：在安徽和县试点开展3.3 hm2针对复式日光温棚二代棚体的农业气象物联网水肥一体化试验探索，为复式日光温棚二代棚体实施物联网水肥一体化工作提供典型示范，同时指出试验需要改进的地方，对农业气象物联网发展也提出了相应的参考建议。

安徽和县是传统蔬菜生产大县，常年蔬菜种植面积达28 681 hm2，其中大棚蔬菜约13 340 hm2，被誉为“中国蔬菜之乡”、长江中下游地区“最大的菜园子”。目前，蔬菜种植棚体大致可分为老百姓常用的简易竹架大棚、蔬菜种植大户采用的钢架大棚和连栋大棚3种，为带动典型示范，做到以点带面，选择复式日光温棚二代棚体开展“农业气象物联网+水肥一体化”探索，该棚体是一种能实现高架越冬栽培的新型棚体，建造成本低、保温性能好、透光性和抗逆性强，其已通过安徽省科技成果鉴定并成功申请专利，目前该棚体广泛应用于和县及周边蔬菜种植大户的蔬菜生产中。

1 试验情况

1.1 试验背景介绍

为了适应现代农业发展需要，着力发展“互联网+”，安徽省气象局2015年初在全省布设农业气象物联网试点，为发挥当地农业特色作用，农业气象物联网落户和县自然而然就应用于蔬菜大棚。

蔬菜大棚传统灌溉方式还是以喷灌为主，施肥以基地人员按照日常化肥配比进行，人工手摇卷帘卷膜进行大棚通风。为改变这一现状，提高蔬菜大棚的精准自动灌溉施肥，智能开关卷帘卷膜实现大棚通风，和县气象蔬菜专家联盟专家多次召开研讨会，就新时期农业气象物联网如何在蔬菜生产过程中更好地发挥作用进行了深入探讨，一致认为可以通过实施农业气象物联网试点，与蔬菜生产结合的方式延伸开展“农业气象物联网+水肥一体化”复式日光温棚试验，彻底改变大棚蔬菜的灌溉施肥方式，解放人工劳力，由单纯的人工开启设备到通过物联网智能化开启设备，切实提高智慧农业的含金量，彰显农业气象物联网科技内涵。

图1 铺设滴灌管（带）

图2 水肥一体化自动灌溉系统

图3 安装电动卷膜

图4 “农业气象物联网+水肥一体化”试验平台展示

和县历阳镇绿源蔬菜种植基地坐落于城西胜利村，离县城8 km的路程，交通便捷。基地共有大棚近33.3 hm2，采用三方合作方式共建，即气象局、蔬菜局和历阳镇政府合作共建，选取其中一处有代表性地块，37个大棚，约3.3 hm2作为“农业气象物联网+水肥一体化”复式日光温棚试验地。

1.2 试验目的

该“农业气象物联网+水肥一体化”复式日光温棚试验，通过物联网主机分析来自气象站与传感器系统捕捉到的土壤墒情信息、大气信息和其他气象信息，控制泵房和水肥一体化施肥机的启闭和大棚自动卷膜系统的启闭，整个过程可由物联网系统智能控制；也可通过手机终端或PC终端远程监视控制，通过远程控制，结合植物生长的水肥需求，做出补水施肥决策，启动灌溉和施肥设备，将水分和肥料渗透植物根部，实现“物联网+水肥一体化”智能自动灌溉，同时结合大棚内温度探测数据，开关大棚卷膜，实现大棚实时通风，真正实现以网连物、以物联网；根据大棚不同作物品种设定气象要素阈值，实现蔬菜大棚灌溉自动化、精准化，节约劳动力成本和生产成本，从而实施“精准农业”工程。

1.3 试验用蔬菜大棚结构

本次试验用的复式日光温棚二代棚体为双坡面塑料薄膜温室，棚体采用双层钢架，2层覆盖保温，跨度5.8 m，顶高3.5 m，长度60 m，在蔬菜基地具有较好的代表性。

1.4 试验开展情况

农业气象物联网建设试验试点布设在试验地中的2个复式日光温棚内，分别安装了大棚温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、3层（15 cm、30 cm、45 cm）土壤温湿度传感器，1套植物生长高清监控设备。

该试验分3期进行。

第一期为和县农业气象物联网水肥一体化项目，主要完成试验的水肥一体化灌溉施肥系统、2个复式日光温棚的电动卷膜系统以及项目的平台展示。实现了水肥一体化自动化灌溉泵房安装，相应的输水管道、过滤系统、水肥一体化系统、灌水器的安装调试和应用；实现2个复式日光温棚的滴灌管带和电动卷膜系统的铺设和应用（图1～4）。

第二期和县农业气象物联网水肥一体化项目二期工程，主要完成试验的其他35个复式日光温棚的电动卷膜系统和所有控制系统板房。

第三期物联网水肥一体化项目提升工程，主要完成灌溉、施肥、卷膜的自动控制系统软硬件建设，实现物联网、水肥一体化灌溉施肥系统、电动卷膜系统智能控制和互联互通（图5、6）。

该试验通过三期建设，采用水肥一体化自控、物联网监控及膜下滴灌等先进技术，完成了“农业气象物联网+水肥一体化”自动灌溉系统，通过该系统用户可实现：电脑和手机实时远程登录，视频查看现场实况；无线传感，种植区实时墒情监测；预警系统，根据数据分析及时灌溉施肥。

2 试验应用效益

2.1 社会效益

和县复式日光温棚的“互联网+”，即“物联网+水肥一体化”，只是和县气象为农服务的缩影。气象为农服务工作首当其冲应该是指导农业生产，尤其是通过项目来带动农业气象服务工作，以部门深入合作为依托，继续创新气象为农服务的方式和手段，而且能够直接指导农业生产，此举不仅降低了企业劳动力成本，还有效提高了蔬菜质量安全监管水平和科技含量，使气象为农服务更加接地气。

①促进政府重视新技术推广应用，建成和县蔬菜物联网控制中心 和县 “农业气象物联网+水肥一体化”复式日光温棚试验，得到县政府支持和高度重视，作为县政府2015年蔬菜博览会期间新技术推广应用；并以此为基点，县政府投资建成蔬菜物联网控制中心并投入使用，推广物联网水肥一体化自动灌溉系统。2016年县政府工作报告中提出“蔬菜物联网控制中心和物联网示范点建成运行”。以和县物联网示范点建成，促成和县蔬菜物联网控制中心的建设，该蔬菜物联网控制中心不仅能节约大量人力物力，更有效提升全县蔬菜质量安全监管水平和蔬菜生产科技水平。物联网示范点建成，开创了马鞍山物联网与蔬菜大棚联姻的先河。

②拓宽“互联网+”工作内涵，提升和县蔬菜产业发展科技含量“互联网+”在和县就是“互联网+蔬菜”，本试验中为“农业气象物联网+蔬菜”，和县一直在思考怎样将基于农业气象物联网技术的“智慧农业云平台”应用于蔬菜生产，怎样将蔬菜日常生产过程中的浇水、施肥自动化与物联网结合，实现自动开启或关闭遮阳网、水帘风机和水泵等指定设备，本试验拓宽了“互联网+”的内涵，种植大户对劳动力的需求大大降低，是新时期蔬菜产业发展面临的主要发展趋势。

③强化部门合作新机制，提升和县蔬菜产业知名度 为加强蔬菜产业的指导和技术支持，和县成立蔬菜产业发展局。和县气象蔬菜专家联盟以该试验试点为契机，通过了气象为农服务合作框架协议，在协议中明确提出要加强部门间的信息共享和技术资源优势互补；通过专家联盟等形式定期进行技术交流和服务会商，拓展合作领域、深化合作内容、完善合作机制等。之后以该试验试点为基础，发挥专家把脉的作用，紧紧围绕和县特色蔬菜产业及经常性的天气会商，提供精细化、针对性的气象服务和蔬菜技术指导；深入蔬菜园区调研风灾情况；突出蔬菜产业发展“十三五”规划技术支撑和部门合作新机制，互通人员交流学习，联合开展蔬菜大棚测温试验研究等。

图5 农业气象物联网与灌溉、施肥、卷膜连接的自动控制系统

图6 “农业气象物联网+水肥一体化”手机集成应用系统

图7 省人大、市县人大代表参观

图8 2015年10月28日安徽新闻联播播放：全省首个蔬菜大棚“物联网+水肥一体化”应用系统投用

在2015年和县第九届蔬菜博览会期间将该试验成果作为“三新”技术成果展示，据不完全统计共计有50批2 000人次到此参观考察（图7），大大提高了和县政府应用“互联网+”成果的科技含量；新闻媒体竞相报道：中国气象报的《气象物联网助推和县特色农业发展》，安徽新闻联播的《全省首个蔬菜大棚“物联网+水肥一体化”应用系统投用》（图8）、市场星报的《马鞍山和县蔬菜引入“物联网”技术可节成本达八成》，大大提高了和县蔬菜产业的知名度。

④延伸和县气象防灾减灾平台，拓展气象服务新模式 结合中央“三农”专项实施，为在决策服务和专业服务中做出新亮点，拓展气象服务新模式，加强气象防灾减灾和气象灾害预警信息发布向县区、乡镇和园区延伸，开发了“和县气象防灾减灾平台”，在3个乡镇、1个园区共计布设6个气象防灾减灾平台展示和服务点；结合在绿源蔬菜种植基地布设的农业气象物联网+水肥一体化复式日光温棚试验建成的物联网水肥一体化灌溉系统，开发了和县“智慧农业，智慧气象”示范平台（图9），通过该展示平台，能实时收集和监控大棚内气温、湿度、土壤温湿度和二氧化碳浓度等要素的数据，方便对大棚进行通风、灌溉等操作，同时参观人员能深入大棚内参观，还有一个直观展示和汇报的场所，此举获得县委、县政府领导的表扬和称赞，认为气象服务无所不在，气象就在身边。

⑤试验试点获省级农业部门肯定，主导编写《复式日光温棚物联网水肥一体化标准》 和县“农业气象物联网+水肥一体化”项目试验试点也引起了省级农业部门的高度重视，浙江省农业部门领导专题调研 “物联网+水肥一体化”项目的实施情况（图10），他指出“物联网+水肥一体化”是智慧农业在现代农业中的最好体现，它的应用和蔬菜园区联产联销，是新事物、好东西，值得推广，希望和县蔬菜局要认真总结经验，不断加大宣传推广的力度，同时要继续加强政策的扶持和引导，尽快普及，力争更上一层楼。和县蔬菜局和气象局按照现有“物联网+水肥一体化”试验试点，主导编写了《复式日光温棚物联网水肥一体化标准手册》，以期对后期发展的物联网与水肥一体化结合提供示范和标准。

图9 “农业气象物联网+水肥一体化”灌溉系统棚内数据展示和监控

图10 省农业农村厅副主任周世其调研“物联网+水肥一体化”项目

2.2 经济效益

①复式日光温棚信息采集和控制 通过实时测量棚内温湿度、二氧化碳浓度等环境参数，以及控制阀门和按钮进行自动化调节，节省了劳动力成本，也达到增加了作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。

据调查，棚内的测温设备，会实时监测棚内温度，如果白天温度过高，管理员不用下田，直接通过手机就能操作，打开棚帘降温；夜间温度低，在家点点手机，棚帘就摇上去了。这一流程如果通过人工完成，1个蔬菜大棚的卷帘操作就需20 min。物联网技术应用到复式日光温棚，可节省人工成本60%～70%。

②复式日光温棚施肥节水灌溉系统 利用传感器感应土壤的水分，控制灌溉系统的阀门打开、关闭，从而达到自动节水灌溉的目的。试验地给每个大棚配置1台4通道4单元施肥机，每1 h最大施肥量200 L，最大流量为5 000 L，比例可根据需要设定，配置2台混肥罐，1台电动搅拌机，4个灌溉单元分别控制1垄作物，灌水器选择直径×管厚×滴灌头间距=16 mm×0.2 mm×330 mm的贴片式滴灌带。结合物联网的管理系统实现通过温度、湿度、时间智能开启关闭灌溉通道，肥料比例精准，自动化程度高。

滴灌试验，选取2处滴灌带取水，6 min后测量2处流量，一处 250 mL，另一处 240 mL，换算为1 h流量，即1个滴灌孔1 h可以出水2.5 L，改造后节约人工近80%。《安徽市场星报》报道过此项技术，并在全县范围内进行推广。

3 试验需改进之处

3.1 试验监测数据的获取

本试验在2个复式日光温棚内安装了气象要素监测传感器，以2个棚内传感器监测的数据代表37个大棚监测数据，其实每个棚面积大小、棚内环境、土壤环境都不一样，用其他棚内的数据代替存在一定的误差。后期应该在每个棚内布设能够监测数据的传感器包，这样监测的数据更准确、更有代表性。

3.2 试验控制阈值的设定

本次试验，未能积累有效时间长度的观测数据，因此在农业气象物联网采集的数据中，大棚温湿度开关温棚卷帘、土壤湿度开关灌溉系统的阈值数据都是通过气象蔬菜专家联盟专家结合天气情况通过会商提供的。后期应加强棚内外的温湿度、棚内土壤温湿度等要素的长时间观测，分析不同天气条件下不同作物的生长状态，控制温棚卷帘的温湿度阈值数据，控制自动浇水施肥的土壤温湿度阈值数据。

4 结语

本试验发现，发展农业气象物联网对提升气象行业服务社会的能力和水平具有十分重要而深远的意义。气象作为物联网应用起步较早的行业，应进一步增强发展农业气象物联网的紧迫性和必要性。

①切实做好农业气象物联网智能应用的顶层设计 以集约化、标准化为原则，设计同一技术体系的存储和共享系统，实现农业气象物联网农业现代化的发展目标，丰富气象现代化内涵。

②农业气象物联网建设与应用示范应有区域性和典型性 结合当地农业特色实际情况，寻找交通方便、基础设施完善、规模经营高附加值的新型农业生产经营主体，结合地方农业部门的规划发展或者在省气象局农网中心指导下开展研究性的有效示范作用，不能盲目跟进。

③示范点对设备和解决方案要实行统一采购和集约部署 物联网设备在使用过程中的损坏、维护和维修成本偏高，因此应选择具有雄厚的技术实力公司承建，以便降低成本、可靠运行，分化风险、提升效益。

④建议浙江省气象局物联网中心与地方政府物联网中心实现融合发展，通过物联网等新兴技术切实发挥气象在精准扶贫和乡村振兴的作用。