作物水氮智能管理系统的设计与验证

王 敏，刘学勋，臧贺藏，张 杰，王 猛，赵 晴，张建涛，李国强，郑国清

(1.河南省土壤肥料站,河南 郑州 450008；2.河南省农业科学院 农业经济与信息研究所/河南省智慧农业工程技术研究中心，河南 郑州 450002)

河南省是我国重要的粮食主产区，全省粮食种植面积稳定在0.107亿hm2左右，全年粮食产量稳定在650亿kg以上，提高河南省作物产量对扛稳我国粮食安全重任具有重要意义[1]。然而在当前作物规模化种植过程中，存在水氮管理粗放、自动化程度低、信息获取滞后、水氮动态精准调控手段缺乏等问题，不仅导致作物水氮利用效率低，而且带来产品质量和环境污染。因此，提高作物水氮利用效率是促进现代农业快速发展的关键。

目前，我国常规灌溉施肥方式相对比较落后，生产上仍然大水大肥，灌溉水有效利用率仅为40%～50%，远低于以色列、荷兰等国家70%～90%的水平[2-4]。我国农业灌溉用水量占总用水量的60%以上，实现农田高效节水灌溉已成为当务之急。近几年的文献资料表明，国内外学者在水肥一体化系统方面进行了大量报道，实现了水肥的智能控制，基本应用于设施农业[5-11]。以上这些系统针对设施农业进行了大量研究，而目前有关大田作物水氮智能管理系统的研究鲜有报道。鉴于此，基于实时自动采集作物生长环境参数和作物生育信息参数，利用模型构建耦合作物与环境信息，智能决策作物的水氮需求，设计了作物水氮智能管理系统，实现水氮一体精准施入。同时，解决水氮一体化设备成本高、自动化程度低等问题，达到节水、省肥、增产的目的，为其他作物水氮智能调控技术的推广提供理论依据和技术参考。

1 系统设计

1.1 总体结构

作物水氮智能管理系统由感知层、数据层和应用层三部分组成，如图1所示。感知层主要包括环境传感器，通过智能网关实现感知数据的获取、处理、发送及设备控制等；数据层主要应用农业模型对监测获取数据进行存储和分析；应用层通过系统服务终端，控制田间设备，实现作物水氮精准调控。

图1 作物水氮智能管理系统总体结构

1.2 作物水氮智能管理系统硬件设计

作物水氮智能管理系统的硬件设备主要由传感器、控制中心和水氮灌溉系统组件构成，由图2所示。其中传感器主要对环境参数进行实时监测，并将信息实时传输到基地机房数据库中。控制中心主要由PLC控制器和液晶显示屏组成。水氮灌溉系统主要由施肥机、水泵和电磁阀组成，用于控制灌溉施肥管道系统。

图2 作物水氮智能管理系统硬件结构

1.2.1 水氮智能灌溉设备研制 针对田间地头电力供应难、线路敷设麻烦等问题，基于低压输水管道内的压力差原理，研制电磁阀自供电控制模块，实现电磁阀的自供电，省去安装电线环节；基于集成电磁阀控制模块和水氮智能决策技术，研制作物水氮智能灌溉设备，提供施肥配比、工况监测计算与计量功能；施肥装置操控系统提供现场和远程2种控制模式。

1.2.2 水氮智能灌溉设备组成 水氮智能灌溉设备主要由灌溉主机、灌溉控制从站、电磁阀和云平台组成。利用作物前期采集的历史数据，使用彭曼公式和土壤水分、养分平衡公式建立灌溉决策模型和施肥决策模型，实现灌溉量和施肥量的精准控制。该模型可根据实时获取的土壤墒情数据，确定是否需要灌溉以及最佳的灌溉量；基于“变量施肥原理”，确定是否需要施肥以及最佳的施肥量。水氮智能设备使用可编程逻辑控制器与多种传感器，实现对设备灌溉用水流量、单组分肥料用量与水氮混合液的酸碱度和营养液浓度的精准计量。同时设备使用了多种反馈检测方法，可检测水氮智能灌溉设备的水泵运行状况、搅拌机运行状况以及电磁阀等设备开启状况的精准监测。

1.3 作物水氮智能管理软件系统设计

系统采用B/S结构模式，服务器系统为Windows Server 2008，后台数据库为Microsoft SQL Server 2008，开发环境采用Visual Studio 2013、C#和.net网络配置；开发语言采用Java语言，后台程序采用C#语言开发；开发架构采用MVC开发架构，使用Okhttp，Greendao开源框架；前台开发工具为Android Studio，后台开发工具为Visual Studio 2013。采用节水灌溉自动化控制技术、灌溉预报技术和水氮决策模型技术，构建了作物水氮智能管理软件，如图3所示。根据业务逻辑和需求分析，系统主要包括实时监测、氮肥决策、灌溉决策和系统管理4大功能模块：

图3 系统主要功能模块示意图

(1)实时监测模块：包括墒情监测和预警管理。墒情监测主要通过4G网络通信技术实现数据传输，实时显示获取的土壤墒情数据。预警管理是根据土壤墒情监测阈值向用户发送短信，进行预警信息提醒。

(2)肥料决策模块：包括单点调控和区域调控，根据示范区土壤肥力状况，可控制单个电磁阀实现单点肥料调控，也可控制多个电磁阀，实现区域肥料调控。

(3)灌溉决策模块：包括单点调控和区域调控，根据示范区土壤墒情状况，可控制单个电磁阀实现单点水分调控，也可控制多个电磁阀，实现区域水分调控。

(4)系统管理：包括用户管理和传感器管理。用户管理是根据用户权限设置进行统一管理。传感器管理是根据硬件控制设备的类型及基本参数进行传感器信息的新增、编辑、删除和保存。

2 试验验证

2.1 研究区概况

试验在河南省黄泛区农场进行，黄泛区农场位于豫东平原，2017—2019年，平均气温15.3 ℃左右，平均降水量684.6 mm，平均日照时数2 132.9 h，无霜期215～224 d。农场主要种植冬小麦、夏玉米和夏花生；灌溉方式为微喷灌，水源为井水，小麦和玉米于拔节期、灌浆期灌水，花生于开花期和结痂期灌水。氮肥设置：常规管理一次性底施；微喷灌溉模式底施20%，剩余的随微喷施用，其他管理方式同大田。小区面积为120 m2(8 m×15 m)，随机区组排列。试验设2种灌溉方式，分别为微喷灌(水氮一体化)和常规模式。水氮一体化微喷带铺设间距为1.5 m，微喷头流量为100 L/(m·h)，在施用底肥后，根据降雨情况和土壤墒情，利用作物模型智能决策作物的灌溉量。常规模式采用水泵和定时器根据管理人员经验进行灌溉。

2.2 试验结果

2.2.1 水氮智能灌溉模式下作物产量及其构成因素 由表1可以看出，2017—2019年，水氮一体化智能灌溉模式下，河南省黄泛区农场冬小麦穗粒数平均为35.9粒，千粒质量平均为46.4 g，籽粒产量平均为9 150.3 kg/hm2，较常规模式下穗粒数平均增加7.8%，千粒质量平均增加6.4%，籽粒产量平均增加11.5%。夏玉米穗粒数平均为498.7粒，千粒质量平均为342.9 g，籽粒产量平均为10 055.5 kg/hm2；较常规模式下穗粒数平均增加4.3%，千粒质量平均增加5.2%，籽粒产量平均增加14.1%。夏花生单株荚果数平均为11.8个，千粒质量平均为1 995.4 g，籽粒产量平均为5 719.4 kg/hm2；较常规模式下单株荚果数平均增加16.8%，千粒质量平均增加4.6%，籽粒产量平均增加11.9%。可见，水氮一体化智能灌溉模式可以明显提高冬小麦、夏玉米和夏花生的籽粒产量及其产量构成因素。

表1 水氮智能灌溉模式化下作物产量性状

2.2.2 水氮智能灌溉模式下作物灌溉量和施氮量 由表2可以看出，2017—2019年，水氮一体化智能灌溉模式下冬小麦季平均投入纯氮251.5 kg/hm2，较常规模式(330.0 kg/hm2)减少纯氮78.5 kg/hm2，节约氮肥23.8%。水氮一体化智能灌溉模式下夏玉米季平均投入纯氮272.0 kg/hm2，较常规模式(351.7 kg/hm2)减少纯氮79.7 kg/hm2，节约氮肥22.7%。水氮一体化智能灌溉下夏花生季平均投入纯氮159.0 kg/hm2，较常规模式(210.0 kg/hm2)减少纯氮51.0 kg/hm2，节约氮肥24.3%。冬小麦和夏玉米、夏花生轮作季平均减少纯氮71.9 kg/hm2，平均单季节约氮肥23.5%。因此，水氮一体化智能灌溉模式可以明显减少氮肥用量。

从表2可以看出，2017—2019年，水氮一体化智能灌溉模式下冬小麦季每季平均灌溉量505.0 m3/hm2，与常规模式(693.3 m3/hm2)相比，水氮一体化智能灌溉模式节水27.2%。水氮一体化智能灌溉模式下夏玉米季每季平均灌溉量580.0 m3/hm2，与常规模式(754.3 m3/hm2)相比，水氮一体化灌溉模式节水23.1%。水氮一体化智能灌溉模式下夏花生季每季平均灌溉量580.0 m3/hm2，与常规模式(783.3 m3/hm2)相比，水氮一体化灌溉模式节水26.0%。水氮一体化智能灌溉模式下冬小麦和夏玉米、夏花生轮作总灌溉量均为1085.0 m3/hm2，常规模式总灌溉量 1 447.6～1 476.6 m3/hm2，水氮一体化智能灌溉模式轮作季平均节水25.8%。因此，水氮一体化智能灌溉模式较常规模式显著减少灌溉量。

表2 2017—2019年不同灌溉模式施氮量和灌溉量

2.2.3 水氮智能灌溉模式下作物经济效益 由表3可知，2017—2019年，在水氮一体化智能灌溉模式下，河南省黄泛区农场冬小麦农资投入平均为3 820.0元/hm2，其他投入平均为2 730.0元/hm2，设备损耗1 030.5元/hm2，合计成本7 580.5元/hm2，平均产值23 684.4元/hm2，效益平均为16 103.9元/hm2；常规模式冬小麦农资投入平均为4 181.1元/hm2，其他投入平均为4 545.5元/hm2，合计成本8 726.6元/hm2，平均产值21 242.0元/hm2，效益平均为12 515.4元/hm2。与常规模式相比，在水氮一体化智能灌溉模式下，冬小麦季增加产值2 442.4 元/hm2，增加效益3 588.5元/hm2，减少成本1 146.1元/hm2。

表3 水氮智能灌溉模式下作物经济效益

在水氮一体化智能灌溉模式下，夏玉米农资投入平均为2 740.0元/hm2，其他投入平均为2 930.0元/hm2，设备损耗1 030.5元/hm2，合计成本6 700.5元/hm2，平均产值15 456.6元/hm2，效益平均为8 756.1元/hm2；常规模式夏玉米农资投入平均为3 106.5元/hm2，其他投入平均为4 742.7元/hm2，合计成本7 849.2元/hm2，平均产值13 550.4元/hm2，效益平均为5 701.2元/hm2。与常规模式相比，在水氮一体化智能灌溉模式下，夏玉米季增加产值1 906.2元/hm2，增加效益3 054.9元/hm2，减少成本1 148.7元/hm2。

在水氮一体化智能灌溉模式下，夏花生农资投入平均为6 000.0元/hm2，其他投入平均为1 480.0元/hm2，设备损耗1 030.5元/hm2，合计成本8 510.5元/hm2，平均产值2 4420.1元/hm2，效益平均为15 909.6元/hm2；常规模式夏花生农资投入平均为6 234.6元/hm2，其他投入平均为3 294.9元/hm2，合计成本9 529.5元/hm2，平均产值21 810.7元/hm2，效益平均为12 281.2元/hm2。与常规模式相比，在水氮一体化智能灌溉模式下，夏花生季增加产值2 609.4元/hm2，增加效益3 628.4元/hm2，减少成本1 019.0元/hm2。

可见，水氮一体化智能灌溉不仅科学增加冬小麦、夏玉米和夏花生籽粒产量，还可以获得较好的经济效益，提高产投比。

3 结论与讨论

据实际调研，大部分作物在种植过程中，灌溉用水和各种化肥并没有得到合理利用，水与肥料利用效率较低，不仅浪费大量人力物力，还对环境保护与水土保持构成严重威胁。本研究研发了作物水氮智能管理一体机软硬件产品，形成以下结论：

(1)针对作物生产中水氮作业效率低等问题，研制出作物水氮智能管理一体机；该一体机按照小麦灌溉制度和施氮方案，将氮肥用量同微喷灌的灌水时间和次数合理调配，通过水氮智能决策模型，可以实现作物水氮精准调控。

(2)针对作物规模化生产灌溉面积大、信息实时传输难、水氮动态精准调控手段缺乏等问题，基于WebGIS和云架构，构建了作物水氮智能管理系统，具有定时定量的精准灌溉及灌溉施肥处方生成等决策功能。利用该系统，农民足不出户就可以对农田精准施氮灌溉，而且可有效提高水氮利用效率。

(3)与常规模式比较，冬小麦—夏玉米或冬小麦—夏花生轮作季水氮一体化智能灌溉可节水25.8%，节氮23.5%。

(4)通过在河南省黄泛区农场水氮智能管理设备的实地布设与试验应用，验证了系统的整体性能达到设计需求，在作物生产中运行稳定，智能灌溉管理科学合理供应作物生长所需水分、氮肥，确保了作物的产量和经济效益。