绿色高效水肥气灌溉系统研发与应用

谢佩军 张育斌

摘   要  水肥气融合灌溉技术是供氧技术、施肥技术和灌溉技术相结合的一项新技术。通过多学科的交叉，融合控制技术、人工智能技术、机器视觉技术、信息技术与节水灌溉技术，开发出绿色高效水肥气灌溉系统。简介该系统的研发与应用，主要包括水肥气融合模型机理、灌溉控制技术、微纳米气泡发生装置、基于机器视觉的作物营养监测系统设计等，以及水肥气集成技术研究及示范应用。

关键词   水肥气一体化;灌溉控制技术;作物营养监测;微纳米气泡

中图分类号：S725    文献标志码：A    DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.31.020

当前，随着农业节水理论的研究不断深入和相关技术水平的逐渐提高，农业节水技术正日益向信息化、精准化发展，以满足现代农业对灌溉系统的灵活、准确、快捷等要求。水肥气融合灌溉技术是供氧技术、施肥技术和灌溉技术相结合的一项新技术，按照作物生长各个阶段对养分的需求及气候条件等精准补充水肥气，不仅能够显著提高作物的水肥利用效率，还可为土壤提供充足的有效氧，促进作物的生长发育，实现作物的增产提质。水肥气混合智能控制技术能够根据作物生长各个阶段对养分的需求和气候条件等，自动调节灌溉水中营养物质的浓度和数量，大幅度提高化肥利用率，提高作物的产量和品质，减轻肥料对环境的污染，同时还可以大幅节省时间，减少运输、劳动力及燃料等成本。

1 国内外研究现状

水肥气一体化灌溉技术的发展有力促进了现代农业的发展，相较于传统灌溉方式，水肥气融合灌溉系统能够提高水肥利用效率，增产提质，同时也为从根源上缓解农业面源污染提供一种新途径。

1.1 国外研究现状

灌溉施肥技术自20世纪60年代在西方国家开始得到重视与快速发展，以色列、澳大利亚、加拿大、意大利、美国等国对水肥气灌溉技术进行了大量研究及推广应用，取得了巨大的经济效益和社会效益。

21世纪初，美国研发出一种新型节水节能灌溉技术（AUDI技术），通过直接向植物根系输氧的措施来实现根域气体环境的优化，提高作物产量[1]。美国林赛公司设计出一种新型灌溉设备——林赛（lindsay）多功能喷灌机，与其他灌溉形式相比，其具有操作简单、灌溉均匀、节水节能等优势[2]。

以色列Netafim公司生产的耐特佳（Netajet）自动灌溉系统采用NMC-64控制器，拥有基于灌水量控制或时间控制的10个灌溉程序，可以根据总施肥量、时间、肥料的比例和EC值或pH值进行施肥作业，还拥有过滤器反冲洗装置[3]。

意大利的伊瑞泰（IRRITEC）施肥系统从初级到高级共5种，系列设备能够实时调整施肥比例，可以按体积施肥，也可通过控制吸入流量施肥[4]。

爱尔达-祥利（Eldar-Shany）自控技术公司生产的大型农田灌溉计算机控制系统（Elgal Agro）是目前农业计算机控制领域先进的控制系统。公司还生产了肥滴佳（Fertigal）、肥滴杰（FertJet）、肥滴美（Fertmix）等一系列自动灌溉施肥机。

1.2 国内研究现状

我国对水肥气智能灌溉技术的研究起步较晚，但水肥灌溉技术发展和推广较快，市场前景良好。随着国家对农业的逐步重视，国内相关研究机构的专家学者针对水肥气智能灌溉技术开展了大量研究，也取得了诸多成果。

黄蔚等通过增氧灌溉技术对水稻、黄瓜等作物的栽培试验，证明水、肥、气耦合灌溉能促进作物根系生长和提高根系活力，使其能最大限度地从土壤中吸收水分和养分，作物增产效果明显，但没有建立可供推广的预测模型[5]。李元等研究了加气频率和滴灌带埋深等对甜瓜产量、品质及水分利用效率的影响，不同加气频率、地下滴灌带埋深及灌水控制上限对大棚甜瓜果实形态、产量、品质及灌溉水分利用效率的影响[6]。张育斌等提出在灌溉决策中考虑非充分灌溉因素，运用Jensen乘法模型建立“灌水收益”的数学模型，进行了非充分优化灌溉下的决策系统设计[7]。张育斌等设计了基于PID控制、模糊控制和灰色预测控制相结合的控制算法，能有效预测作物的需水量，达到对系统的精确灌溉控制[8]。

综合分析国内外水肥灌溉技术领域的相关文献，水肥耦合及智能控制灌溉研究较多，但基于水肥气集成的多信息融合采集系统、灌溉决策系统的自学习智能系统的研究很少，尤其是可供参考、有推广价值的水肥气预测模型的研究较少。总体上，针对作物营养需求的灌溉技术有一定研究，但基于视觉技术的作物生长及营养状况的实时监测与信息反馈研究较少;水肥控制灌溉研究较多，但缺少水肥气多信息融合采集系统、灌溉决策系统、信息实时传输系统、远程控制中心系统的联动作用，在线自动化程度还有待提高。

2 高效水肥气灌溉系统设计

本系统以提高农田需水、需肥、需气等信息诊断与控制灌溉的智能化水平为设计目标，通过多学科的交叉，融合控制技术、人工智能技术、机器视觉技术、信息技术与节水灌溉技术，开发智能水肥气灌溉系统，并应用于现代农业领域。

2.1 水肥气融合模型机理

通过对水肥气融合中EC值、pH值、离子电解值的非线性、时变性进行分析，深入研究水肥气融合机理，便于后续建立精准、高效的水肥气预测模型。

考虑到水肥气一体化系统是多变量多输出的系统，具有r个输入、m个输出的模型。建模思想：1）建立水肥气多变量单输出的系統模型;2）定义水肥气集成装置中各个物理量;3）利用多变量单输出系统模型建立辨识模型;4）利用递阶辨识原理，提出基于辅助模型的辨识算法，分析水肥气集成装置的施肥量。

2.2 灌溉控制技术

根据不同灌溉方式的技术特点，研究灰色系统理论和控制理论相结合的灰色预测控制技术和模糊逻辑控制技术，开发出系列化绿色高效专用灌溉控制设备。

2.2.1 灰色预测模糊PID控制技术

灰色预测控制是将控制理论与灰色系统理论相结合的一种新型控制方法，适用于在部分数据不确定的情况下，进行数据处理、现象分析、模型建立、系统决策等。水肥气灌溉系统本身是一个实时的、大延时的、非线性的，有不确定因素的复杂系统，系统的滞后性和惯性很大，精确传递函数很难确定，属典型灰色系统。本项目拟将灰色预测控制技术与模糊逻辑控制及PID控制技术结合起来建立灰色预测模糊PID控制器，实现水肥气智能控制。

2.2.2 在线自调整PID模糊控制技术

在线自调整PID模糊控制器以误差e（k）和误差变化率ec（k）作为输入量。根据模糊推理规则对PID的参数Δkp， Δki， ……进行调整，将上述模糊值转换为明确的控制信号，去模糊化作为系统的输入量输入到模糊控制器。

在模糊控制器中按照如下规则进行控制：

（1）

式（1）中，Kp为比例系数;Ki为积分系数;Kd为微分系数;T为采样周期;Ti为积分时间常数;Td为微分时间常数;e（k）、ec（k）分别为误差、误差变化率。

2.3 微纳米气泡发生装置

对微纳米气泡的基本物理性质进行研究，主要包括物理状态、界面性质及传质性质三类，并设计微纳米气泡发生装置。

2.3.1 选择合适的水泵

微纳米氧气气泡发生装置首先通过水泵增压，使空气溶解在水中，继而通过节流释气方式使溶解在水中的空气以微纳米氧气泡的形式释放，因此，应选择合适的水泵使空气溶解在水中。

2.3.2 微纳米氧气发生装置设计

考虑到现有的溶气释气法发生装置均需要大型压气罐和释气罐作为溶气装置，整个设备体积庞大，并且在工作时需要先将空气与水混合，送入压气罐溶解，再通过释气罐释气产生微细气泡，整个工作不连续，降低了微纳米氧气泡的产生效率。本研究对微纳米技术的气体发生装置的设计工作如下：1）提出潜水式节流孔释气微纳米氧气泡发生装置的设计方案;2）实现微纳米氧气泡发生装置的机械结构设计、控制电路的设计;3）在水池内进行微纳米氧气泡发生装置的实验，并对所得微纳米氧气泡混合液进行悬浮时间、含量和微气泡尺寸分布等参数测试。本研究的微纳米氧气发生装置设计详见图1。

2.4 基于机器视觉的作物营养监测系统

研究农作物复合特征与水肥气的关系，建立颜色特征、几何特征、纹理特征等与水肥气用量之间的关系模型，实现对作物营养状况的实时监测，并将相关信息反馈到控制系统。

采用机器视觉相关技术采集高质量的作物图像，进行一系列图像处理，提取颜色特征、几何特征、纹理特征等关键信息，以实现作物营养状况的判断与监测。采集的图像信息多数是多特征、非线性的数据集，特征提取就是用图像算法来提取出图像的信息，将图像上的各个点归类，归为一组特征子集，这些子集往往具有连续的区域或某些相似性。为了提高图像识别的准确率，通常会对多个特征进行重新组合来对图像进行识别。本系统提取颜色、形状和纹理特征进行综合判断。

3 水肥气集成技术研究及示范应用

将信息技术、机器视觉技术和控制技术等应用于农业灌溉温室控制中，实现了远程控制水肥气灌溉，实时监控作物的生长状况，同时在宁波市农业科学研究院示范基地开展系列化水肥气灌溉设备示范应用研究。

基于水肥气集成的智能专家库系统，其关键技术包括知识的获取、知识表示、知识推理和知识重用，通过知识的继承、归纳、集成、运用和管理，建立各种异构知识系统和多种描述形式知识集成的开放设计环境，提高了创新能力。

根据不同地域、场合和作物使用条件，本研究设计并试制出模块化的高中低档水肥气装置，可随时方便地集成到精量施肥灌溉控制系统中。智能水肥气控制设备能科学调节灌溉水中营养物质的浓度和数量，有效提高作物的产量和质量，还能大幅提高化肥和农药的有效利用率，减少对农田生态环境的污染，进一步推进区域农业信息化发展。

参考文献：

[1] Bhattarai SP， Su NH， David J. Oxygenation unlocks yield potentials of crops in oxygen limited soil environments[J]. Advances in Agronomy， 2015， 5（88）：313-337.

[2] Mondal P， Basu M. Adoption of precision agriculture technologies in India and in some developing countries： Scope， present status and strategies[J]. Progress in Natural Science， 2009（6）：659-666.

[3] Sun GX， Li X， WANG XC， et al. Design and testing of a nutrient mixing machine for greenhouse fertigation[J]. Engineering in Agriculture， Environment and food， 2014， 26（2）：260-263.

[4] Alon Tal. Seeking sustainability： Lsraels evolving water management strategy[J]. Science（New York）， 2006，313（5790）：1081-1086.

[5] 黄蔚，肖卫华，张立成，等.一种水肥气高效耦合灌溉系统的设计与试验研究[J].中国农学通报，2018，34（21）：69-74.

[6] 李元，牛文全，许健，等.加气滴灌提高大棚甜瓜品质及灌溉水分利用效率[J].农业工程學报，2016，32（1）：147-154.

[7] 张育斌，魏正英，张磊，等.非充分灌溉下精量灌溉决策方法研究[J].现代电子技术，2017，40（1）：115-118，124.

[8] 张育斌，魏正英，马胜利，等.灰色预测模糊PID灌溉控制技术开发[J].中国农村水利水电，2016（2）：5-8.

（责任编辑：易  婧）