茶园智慧水肥一体化系统设计与应用分析

张冬菊 夏鸽飞 朱登平 蒋亭亭 张中华 吕名礼

摘 要 我国茶园大多分布在丘陵或山区坡地，茶叶的生产管理多依赖经验，管理粗放、标准化程度低、品质参差不齐、整体经济效益较低，急需提高茶园的生产管理水平。随着水肥一体化系统及物联网系统在茶园中的集成应用，茶园的智能化水肥管理、病虫害预防监測、环境因子实时监控、质量溯源等技术逐步应用并取得良好的成效，有效提高了茶叶生产效率，促进了茶叶产业转型升级。基于此，对安徽省祁门县天之红茶园20 hm2基地基于物联网平台的水肥一体化系统应用进行调研，分析其具体设计以及应用效果。

关键词 茶园;水肥一体化;物联网;喷灌

我国有着悠久的茶叶种植历史，茶产业已成为我国农业产业化的重要组成部分。我国茶叶种植具有明显的区域性，主要分布在江南、江北、西南及华南四大区域，多为丘陵或山区坡地种植[1]。目前，人们对茶叶的需求量和品质要求越来越高，为满足市场需求，茶叶种植面积也在急剧增加[2]。

传统的茶叶种植中，茶农主要依靠经验进行管理，种植技术水平较低，管理技术不完善，标准化程度低，茶叶品质参差不齐，且传统种植方式用工量大、成本高，导致茶种植业整体经济效益低，制约了我国茶产业的发展[3-5]。另外，由于缺乏及时准确的气象灾害与病虫害预警，茶叶在春季萌芽期或幼叶期常常遭遇霜冻灾害和病害，产量和质量受到严重影响。

近几年，水肥一体化技术逐步应用于茶业种植中，但在实际应用中，水肥一体化集成技术模式还不够成熟，缺乏精准科学的灌溉策略[6]。随着物联网系统和水肥一体化系统的集成应用，茶园逐步实现了智能化水肥管理、“四情”预防监测、环境因子实时监控、质量溯源等，茶园实现了智能化生产与信息化管理，茶叶的产量和品质得到提高，同时提高了茶叶生产效率，促进茶叶产业转型升级，促使茶叶产业优质快速发展[7]。基于此，对安徽省祁门县天之红茶园基于物联网平台的水肥一体化系统应用进行调研。

1 基地概况及智慧水肥一体化系统设计

1.1 基地概况

项目基地位于安徽省黄山市祁门县的天之红茶园，基地有20 hm2的有机生态茶园。祁山县是红茶之乡，地貌以山地丘陵为主，地势北高南低，气候温和，日照较少，雨量充沛，四季分明。春季冷暖变化大，光照不足，阴雨多;夏季气温高，湿度大，降水集中，易成洪灾;秋季偶有夹秋旱，白天气温高，早晚凉;冬季寒冷湿度小，多晴少雨易干旱。

1.2 水肥一体化系统设计

1.2.1 灌水器选择

灌溉方式对茶树的生长尤为重要，结合南北方气候差异，相关专家也提出了不同的茶园水肥一体化应用方案，喷灌和滴灌是大多数茶园的灌溉方式[4]。天之红茶园采用的是华维双喷嘴雾化喷头，流量330 L·h-1，射程5～8 m，可实现60～300 μm雾化效果，喷头间距6 m×6 m，安装示意图见图1。喷灌灌溉面积大，可控制喷水量和均匀性，能起到调节小气候的作用。另外，在春季“倒春寒”来临时，喷灌结合防冻剂使用，可有效降低茶叶萌芽或嫩叶期突然低温对茶叶造成的冻害，起到一定的防护作用，减少损失。

1.2.2 田间管网设置

茶园水肥一体化田间管网见图2。主要根据当地地形、水源压力及灌溉区域面积设计田间管网，主要包括主干管、支管和辅管。主干管采用华维HDPE热熔直管，韧性好，耐冲击，使用寿命长，不滋生藻类，埋地铺设;支管及辅管采用华维LDPE盘管，韧性强，抗老化能力强。

1.2.3 首部枢纽选择

首部枢纽是智慧水肥一体化系统中的重要组成部分，包括加压系统（离心泵）、变频控制系统、过滤系统（砂石过滤器、叠片过滤器等）、施肥设备（智慧施肥机）等，见图3。

系统运行时，离心泵将灌溉水加压后，输送至过滤系统进行过滤，再借助输水管网输送至灌水器，进行喷灌灌溉。水泵采用华维变频恒压控制系统，具有随开随用的功能，最大限度的降低了人工和系统能耗。首部配置的过滤系统，可对水源进行有效过滤，避免堵塞的发生，保证系统的长期有效运行。施肥机可根据茶叶生长需要进行实时动态调节Ec、pH，满足精准、精量、按需施肥的需求，实现高效水肥一体化灌溉。

1.2.4 物联网系统设计与集成应用

基于基地实际需求设计并配置了物联网系统。该系统包括农抬头物联网云平台系统、智能灌溉控制系统、视频监控系统、农产品溯源系统、“四情监测”系统、物联网信息采集系统、中控设备及数据显示系统等，可对基地茶树生长的空气温湿度、土壤温湿度、光照、风速、风向等环境因子进行采集和监测，对茶树各生长阶段的长势进行动态监测，并对病虫害、降雨量及气象灾害进行预测预警。系统可在PC端和手机端使用，定时将采集到的各种数据通过无线网络发送到监测平台或者管理人员的手机上，可实现随时随地对茶园任何一个区域灌溉、施肥、作物长势及病虫害等方面的管控和监测，大大提高茶园生产管理效率。

2 智慧水肥一体化系统在茶园上的应用效果

2.1 智慧水肥一体化系统使用效果

项目基地20 hm2的天之红茶园采用水肥一体化系统后，可根据茶园土壤养分含量、茶树生长特点及需求规律进行田间管理。华维喜耕田智慧施肥机根据田间传感器监测的数据进行适时、适量、精准施肥灌溉，无需人工便可实现定时、定量灌溉。采用高压雾化喷头喷灌，可使土壤始终保持疏松和适宜的含水量。通过系统应用，目前茶园实现了“两减一增”目标，即减少了肥料使用量，减轻了特殊气候如倒春寒、夏秋干旱对茶园的不利影响，最大限度地提高了茶园产量。

通过物联网系统集成应用，茶园管理人员通过手机APP即可随时随地远程监测茶园管理情况，节省了大量劳动力，实现了茶园科学化、现代化、自动化、智能化管理。

春季是茶园管理的关键时期，在用工极度短缺的情况下，园区利用物联网及水肥一体化系统由之前需要十几名工人管理到现在只需1人，省工35%以上，既减少了人员聚集，又保证了茶树的正常生长需要，保证了茶园水肥按时按需供应，为春茶生产打下了良好基础。

2.2 效益分析

茶园未使用智慧水肥一体化系统时，祁红只采摘春茶，即只在谷雨节气前进行采摘，其余季节由于天气变化、灌溉不充分等原因，茶叶品质难以保障，基本不采，浪费了大量高山茶叶资源，再加上传统茶农习惯于对茶园进行粗放管理，种植不科学，导致茶叶效益未得到充分体现。

应用物联网平台系统及水肥一体化技术后，茶园管理实现了精准灌溉、精准施肥，有效解决了缺水问题，灌溉水利用率充分提高，每667 m2可以节水40%，茶叶的生长不再受干旱天气影响，提高了茶叶产量，茶叶采摘次数增多。项目实施以来，基地茶园的采摘总量比之前增加了15%以上，茶叶产量显著提高。

2.3 品牌效应

项目基地天之红茶园集成应用物联网云平台系统和水肥一体化系统，启动茶园数据化、智能化管理工作，通过“物联网+水肥一体化云平台”建设，实现茶园智慧管理“一指控”。项目基地应用智慧化云平台管理系统，实现了标准化智慧茶园管理，茶叶产量和品质显著提升，市场竞争力和品牌影响力显著提升。

3 结语

天之红20 hm2茶园地处丘陵山地，集成应用物联网云平台与水肥一体化系统后，根据茶树生长特性与水肥需求规律，结合当地气候环境，对茶园各环境因子、茶树生长特性、病虫害等进行实时采集与监测，茶园实现了精准灌溉、精准施肥、智能管控，建成了标准化智慧茶园，实现节水40%，省工35%，增产15%，茶叶品质显著提高，市场竞争力和品牌影响力显著提升，综合效益显著。

参考文献：

[1] 苏火贵，郑靖雅，吴月德，等.茶园水肥一体化技术应用及发展前景[J].广东茶业，2015（Z1）：38-40.

[2] 孙红严，马德新.茶园水肥一体化研究进展[J].陕西农业科学，2019，65（7）：87-90.

[3] 孫海伟，冯殿齐，曹德航.泰山茶优质丰产高效栽培技术[M].济南：山东科学技术出版社，2015.

[4] 孙海伟，张虹，高红，等.北方茶园专用水肥喷、滴灌一体化技术[J].山东林业科技，2017，47（5）：79-81.

[5] 韩沙，马德新.基于物联网的茶园水肥一体化技术推广及应用前景分析[J].农业与技术，2019，39（11）：12-13.

[6] 杨清霖，杨向德，石元值，等.茶园滴灌与水肥一体化技术研究[J].茶叶学报，2019，60（1）：32-37.

[7] 邵维孝.建设标准化生态茶园的技术措施[J].乡村科技，2019（11）：119-120.

（责任编辑：赵中正）