水肥一体化系统首部研究现状与展望*

何青海，郑磊，褚幼辉，窦青青，慈文亮，孙宜田

(1. 山东省农业机械科学研究院，济南市，250100； 2. 农业农村部华东都市农业重点实验室，济南市，250100； 3. 金正大生态工程集团股份有限公司，山东临沭，276700)

0 引言

据统计，我国用约占世界6%的淡水资源和9%的耕地以及30%左右的化肥，生产出了占世界26%的农产品，养活了世界近20%的人口[1-2]。然而大水漫灌和过量施肥导致了水肥资源浪费、水体污染、土壤酸化等问题，严重影响了农业可持续发展和粮食安全生产。

水肥一体化技术与传统灌溉和施肥模式相比，实现了水肥管理的革命性转变，即渠道输水向管道输水转变、浇地向浇庄稼转变、土壤施肥向作物施肥转变、水肥分开向水肥一体转变[3]。为推进水肥一体化技术的发展，国家近年来相继出台了一系列政策：其中2016年农业部办公厅连续印发了《推进水肥一体化实施方案(2016—2020年)》，对中国水肥一体化的发展做出了战略部署，着力推进水肥一体化技术的本土化、轻型化和产业化；2017年中央1号文件指出加快开发种类齐全、系列配套、性能可靠的节水灌溉技术和产品，大力普及喷灌、滴灌等节水灌溉技术，加大水肥一体化等农艺节水推广力度。

水肥一体化系统首部(以下简称系统首部)，又称灌溉首部，是水肥一体化装备的主体核心设备，主要包括增压设备、过滤装置、施肥装置、量测和控制设备等。本文主要分析国内外常见系统首部的发展现状，不包括过滤装置与河水处理设备[4]，重点分析其结构、原理、控制方式以及新兴技术与装备等应用现状，指出存在问题，探讨其发展方向，为水肥一体化系统及相关设备的发展提供了良好借鉴。

1 系统首部发展现状

1.1 水肥一体化系统

国外水肥一体化技术发展得较早，在发达国家早已大量投入到实际农业生产之中[5]。我国自1974年由墨西哥引进滴灌设备，逐渐开始应用该技术，但一直未在全国大面积推广应用。近年来，随着科学技术的发展，国家政策和经费的大力支持，水肥一体化的研究与应用也得到了进一步的发展。目前对水肥一体化技术及其配套装备也有不同的认识和分类，赵春江等[1]论述了中国水肥一体化装备的特点，从设备的肥料通道、回液模式、水肥配比方式、控制决策、设备运行方式、肥料形式以及管理规模等方面对水肥一体化装备进行了分类，如表1所示。

表1 水肥一体化系统及设备的分类

1.2 系统首部

整个系统首部的核心是施肥机，国内外市场上不同灌溉施肥机生产厂家的型号各不相同，如以色列的Cakon和Netafim、荷兰的Priva Nutriline、意大利的Irritec、北京农业信息技术研究中心、中国农业大学、山东省农业机械科学研究院等施肥机生产企业和研究机构均根据不同作业环境和作业对象推出了不同种类的施肥机，按照机身外形和运行特点大致可分为两类，一类是混合腔式混肥，一类是开放桶式混肥，国内简称为管混式施肥机和罐混式施肥机[6]，施肥机结构决定了系统首部的总体的组合方式，可根据施肥机与灌溉主管路的连接方式，分为支管路注肥旁通式系统首部(管混式)和主管路肥料预混式系统首部(罐混式)。

1.2.1 支管路注肥旁通式

支管路注肥旁通式系统首部结构如图1所示，优点在于主管路流量大，适合大规模种植或大田作物的水肥一体化作业，由于该类系统结构简单，成本较低，国外的入门级机型以及国内的大多设备均采用该种结构，如FERTIKIT系列，山东省农业机械科学研究院研制的果园水肥药一体化系统。

国内其他企业与科研机构也设计了各自的支管路注肥旁通式系统首部，方金虎等[7]设计了一种PLC控制施肥装置，能够实时、动态的采集农业信息，实现农业田的智能灌溉、智能施肥与智能喷雾等自动控制；蔺素丽等[8]设计了一种注入式比例调节自动施肥机，能够实现自动补水、自动混肥、自动施肥，且施肥浓度和流量稳定、可调，自动化程度高；李坚等[9]设计了一种基于吸肥器的小型灌溉施肥机，建立了小型水肥一体灌溉机的优化结构，实现了肥料和水的两次混合，达到提高混肥效率，减少水肥混合时间的目的；王利源等设计了包含井房控制终端、田间控制终端、气象站监测终端和系统平台的高效的水肥一体化自动控制系统；詹宇等设计了一个基于PLC的果园水肥一体化控制系统，通过支持Modbus通讯协议的压力传感器、液位传感器、pH值传感器、EC值传感器和土壤湿度传感器来检测系统运行参数和土壤湿度；李继学等通过改变主管道长度和射流泵间距对吸肥器结构进行优化并分析每条射流泵吸肥量，吸肥器结构优化后，每条射流泵的吸肥量趋于相同。综上所述，支管路注肥旁通式系统首部结构简单，省去了混合罐、搅拌器等设备，节约了设备成本，但提升了控制难度，在管路直径较大的情况下，容易产生混合不均匀的情况，可在主管路中加入混合腔提高均匀性，但该问题的研究较少。

图1 支管路注肥旁通式水肥一体化装备

1.2.2 主管路肥料预混式

主管路肥料预混式系统首部如图2所示，最明显的特征在于有一个混合灌，能够更精准地控制营养液的浓度和PH值，该种结构适用于对营养液浓度要求较高的作物，特别是设施栽培。常见的产品有Fertimix系列、Sharker Pro系列、中国农业大学研制的日光温室封闭室栽培水肥智能调控系统等。

国内的相关院校和科研院所同样做了大量的研究，何青海等采用主管路肥料预混式结构设计了一种智能水肥药一体化系统，该系统不但能够实现独立灌溉，还能实现灌溉施肥、灌溉施药及水肥药一体化；施战备[10]设计了一种灌溉施肥机，采用主管路肥料预混式结构，由混合灌、灌溉管路、回流去路、灌溉泵、流量计、过滤器等组成，结构紧凑，灌溉施肥两用；王丽光等[11]设计了一种主管路肥料预混式水肥一体化施肥机，包括控制系统、主管路系统、注肥系统、检测系统和漫液系统，实现了按需配置水肥。田莉等[12]设计了一款三通道旁路吸肥式水肥一体化自动施肥机，其中混肥系统基于射流器并联，实现对多种单元素液肥的独立吸取。李恺等[13]通过PIPENET软件对设计管路进行仿真，提出优化设计方案，选择合适水泵，以供给文丘里管合适的流量和压力，提升设备吸肥效率和稳定性。综上所述，主管路肥料预混式灌溉首部增设了混合罐，部分系统首部配备了搅拌装置，降低了对肥液浓度的控制难度，适用灌溉区域较小和对肥液浓度敏感的作物，但是对于不同作物的不同浓度定量化控制的研究较少。

图2 主管路肥料预混式水肥一体化装备

2 系统首部的控制方式

施肥机(又称灌溉施肥机、水肥一体机)是系统首部核心，根据施肥机对水泵、电磁阀等执行机构控制方式可分为单体灌溉施肥机和大规模水肥一体化装备，其应用场合和控制方式也各有特点，主要有2种控制方式。

2.1 单机控制系统首部

单机控制系统首部主要是面向小面积地块或单体温室大棚的作物，种植作物的种类单一，需肥规律简单，结合环境参数，根据作物不同的生长阶段实时控制水肥一体化的适量、自动、智能灌溉施肥。

在中国市面上常见的施肥机多为单体灌溉施肥机，大多国外设备的通信协议自成体系不对外开放，很难与国内的其它设备进行组网，国内对单体灌溉施肥机的研究已较为成熟，该类设备应用广泛。宁玉伟等[14]研制了基于单片机控制的定量灌溉系统，可实现自动与手动2种灌溉模式的切换，并可对电磁阀启闭时间进行设定；李伟等采用PLC控制技术，进行了自动化灌溉施肥系统的设计开发，为将PLC技术引入到灌溉施肥控制系统的后续研究提供了借鉴；么丽丽等[15]设计了基于PLC和MB+的灌溉施肥模糊控制系统，实现自动灌溉施肥；俞卫东等[16]设计了一种基于PLC的智能灌溉施肥机，能实现不同营养液浓度、不同灌溉模式的自动控制；张慧等[17]设计了一种基于PLC和MCGS的水肥一体化系统，同时使用变频器达到恒压灌溉的目的；孟莎莎等[18]利用传感器采集数据控制农田按需灌溉、按量施肥，实现自动灌溉施肥和监控管理；曾文果等[19]基于可编程控制器设计的柑橘根部灌溉施肥控制系统，可以实现全自动的根部灌溉和施肥。李帅帅等[20]建立了描述二次混肥特性的数学模型，设计开发了一套具有二次混肥特性的以MSP430单片机为主控的营养液pH值控制系统。黄语燕等[21]设计的水肥一体化施肥系统能根据不同作物需求设置施肥、灌溉策略，且能够实现分区域灌溉，不同区域水肥参数可单独设置，自动完成水肥一体化灌溉。成金海等[22]使用以ESP8266为主控芯片的集成板卡实时采集农田温湿度数据、光照强度，定期采集土壤的pH值和电导率，并模拟水肥系统的启动和报警状态。李继学等设计了一套水肥一体化远程自动控制系统，通过触摸屏对施肥机实现本地控制，借助手机APP或电脑网站可以远距离控制施肥机完成相关指令。目前单机控制系统首部占据了主流市场，该类控制方式能实现基本的逻辑控制和自动化功能，对于采用工业触摸屏+PLC的控制系统，能够通过组态软件实现简单的配方操作，满足常规的灌溉施肥需求。

图3 单体灌溉施肥控制系统

2.2 大规模水肥一体化装备

大规模水肥一体化装备主要是针对大面积的多种作物生产而开发的大规模灌溉施肥智能管理系统，多用于农业园区和大规模农业生产基地的水肥管理，一般需要做配肥站、储肥罐和多个分区监测站。灌溉施肥智能管理系统可设定作物种类、启动程序自动实现不同作物的肥料配比、溶解、混匀和输送等。基于不同作物生长规律和环境条件融合的灌溉施肥决策模型，实现整个农业园区或生产基地水肥综合管理。

国外大规模水肥一体化已得到广泛的应用，但仅有部分产品进口到中国，以色列的Galileo控制网是其中的代表，近年来该项技术成为国内研究的热点。邓晓栋等[23]设计了基于ZigBee的水肥一体化智能灌溉系统，用户在服务器端控制水池、肥料池或者混合池电磁阀的打开，进而用滴灌的方式对农田进行水或者水肥的灌溉；江新兰等[24]设计了基于两线解码技术和云计算的设施农业水肥一体化智能云灌溉系统，该系统通过两线解码技术，确定设施农业中不同环境条件下作物生长的水肥需求和灌溉施肥制度；翟晶等[25]在设施大棚条件下，对基于物联网技术的水肥一体化系统在草莓种植上的应用效果进行了研究；孔德志等[26]设计了一种基于模糊控制的灌溉施肥系统，运用物联网技术构建无线传感器网络，实现不同营养液浓度、不同灌溉模式的灌溉施肥所需营养液的精准调配；赵兴杰等[27]设计了一种基于物联网的水肥一体化系统，完成土肥信息采集、传输、分析、施肥灌溉方案设计及自动控制，进一步简化操作程序、提高水肥利用效率；师志刚等[28]以物联网技术为支撑，对水肥一体化智能灌溉系统进行设计及效益分析，该系统主要包括智慧平台、田间灌溉控制系统、智能施肥系统等8个组成部分。李凤芝等[29]按照传统物联网系统的体系结构，设计了基于物联网的水肥一体化系统的数据采集、数据传输、应用控制三部分。

图4 网络水肥一体化装备控制系统

石莹[30]设计了基于物联网技术的水肥一体化服务云平台，水肥一体机的设计、区域环境数据监测采集设备的设计、数据处理、分析及预测。张宾宾等给出了智能水肥一体化云控制体系的概念，按照多层化、对象化、并行化、数据服务化思路，设计出一种具备云计算思想与特点的智能水肥一体化控制体系框架。随着信息技术与物联网的发展，云计算、大数据已经应用到水肥一体化的控制系统，现场控制器的通讯功能、智能网关的计算功能不断提升，以云服务器+智能终端的控制模式已经有大规模的应用。该类控制方式能够实现多种信息的采集与可视化管理，同时也为智能算法在水肥自动决策系统中得以应用，但目前成本较高，普通用户难以应用。

3 系统首部的新结构

水肥一体化系统终端设备的技术模式主要包括滴灌式、循环式、喷灌/微喷灌式等[31]，常规的技术模式对系统首部的结构影响不大。随着水肥一体化技术的发展多样化，系统首部的结构也有了新的变化。

3.1 水肥机+传统装备

3.1.1 水肥机+喷灌溉类装备

邹露阳等[32]为研究豫北地区喷灌水肥一体化条件下不同种植密度和施氮频次对土壤水分、硝态氮含量及冬小麦产量的影响，在传统的喷灌机上配备水肥机，发现在相应种植密度和施氮频次为当地冬小麦生育期的最优措施。高效灌溉技术的发展以及便宜的塑料管道大量生产，水肥一体化技术应用于各种农田的灌溉施肥中，而水肥一体化装备也发展多样化，从传统的与滴灌、喷灌等设备结合发展到与洒水车、喷雾机等移动式灌溉施肥一体式装备。滴灌机和喷灌机将传统滴灌系统和喷灌系统首部枢纽各项设备功能进行集成，无需拆卸和安装，可独立完成作业；在多种水源条件下均可进行灌溉作业，实现移动便携式滴灌，适用范围广泛，尤其适合应急抗旱时使用。

3.1.2 水肥机+移动式滴灌装备

王雅云等[33]提出了适合丘陵山区的移动式滴灌水肥一体化模式，即采用滴灌设备和移动式拖拉机，使用增压泵将注入施肥罐的肥液和水箱中的水从滴灌设备按照水肥兼顾的原则滴灌到作物根部，以达到水肥高效利用。赵亚丽等[34]对移动式滴灌在齐齐哈尔市抗旱灌溉中的应用与推广进行了研究，提出了适合丘陵山区的移动式滴灌水肥一体化模式，即采用滴灌设备和移动式拖拉机，使用增压泵将注入施肥罐的肥液和水箱中的水从滴灌设备按照水肥兼顾的原则滴灌到作物根部，以达到水肥高效利用。

3.2 水肥机+新技术

3.2.1 水肥机+信息检测系统

农业物联网为当今现代农业技术研发的热点之一，将水肥一体化技术和物联网技术结合起来应用于农业生产，水肥一体化系统及装备按照环境参数及作物的需水需肥规律，结合农艺专家数据库，给出合理的水肥实施方案，使传统农业生产中的灌溉、施肥、喷药，不再依靠农民经验与感觉。陈满等[35]设计了基于多传感器的变量施肥控制系统，结合采集的多源传感信息，实现实时变量施肥控制。高菊等[36]设计了一种基于MBus的水肥一体化灌溉系统，采用MBus总线，提供基于电力线的载波通讯，可以同时完成节点供电和通讯功能。卢超等[37]设计了一种分布式无线自动浇灌系统，采用NRF905模块进行无线通信，构成“一对多”的通信网络。

3.2.2 水肥机+智能专家系统

农机农艺融合是整个农业机械行业的发展方向，水肥一体化技术及装备也将走农机农艺的道路，不同作物不同生长周期的需水规律、需肥规律以智能专家系统的方式与水肥一体化装备结合，“指导”装备的自动运行，实现水肥一体化系统及装备的自动化，并且先进智能专家系统带有自学习功能，能够自动更新系统专家数据库，从而拥有更广泛的适用性和更高的可靠性，进而推进水肥一体化系统向真正的智能化方向发展。

吴景来等[38]将模糊控制技术应用到水肥一体化控制设备，提高水肥一体化灌溉施肥机的水肥利用效率，实现水肥一体化自动精准灌溉施肥。王丽娟等[39]将模糊控制应用于水肥一体化控制设备，设计二维模糊控制系统，用Matlab软件对此系统进行仿真，并和传统的PID控制系统进行对比，效果理想。李莉等[40]采用土壤水分传感器对草莓果期基质含水率进行实时监测，通过对基质含水率随时间变化的规律分析，并结合日平均温度进行K-means聚类分析，提出一种草莓优化灌溉策略。

4 存在问题

综上分析，水肥一体化系统首部硬件结构较为完善，控制系统中尚存在两大类问题：“短板问题”和“难点问题”。短板问题主要包括：控制逻辑的不优、自动化功能程度不高；难点问题主要包括：土壤与作物生理信息检测系统不完善、水肥智能决策系统缺失。

4.1 短板问题

系统首部控制系统的控制逻辑难以与现代的灌溉工艺相适应，比如水肥一体化灌溉时，施肥会带入大量阳离子，而灌溉水在过滤后仍有泥沙颗粒，施肥与细小泥沙颗粒相互作用加剧了滴头堵塞问题；另外灌水均匀度低的问题严重，尤其是在地势落差较大的地区，灌水均匀度低已成为微灌技术推广的瓶颈。市场上的灌溉首部尚没有针对该问题的自动控制方案，目前常规设备中的控制逻辑单一，难以满足控制系统的需求。

市场上常见水肥一体化装备，自动化水平低，仍需要人工手动操作，常规的自动控制技术，比如：通过设定不同的土壤水分阈值自动启停灌溉系统，通过设定不同的EC值的上下限自动关闭施肥系统(在目前技术条件下不建议自动启动施肥系统)等。该类技术是工业自动化中的常规技术，然则在系统首部的控制系统中鲜有应用，建议相关技术人员将工业自动技术引入到农业工程中来，提升水肥一体化系统首部的技术短板。

4.2 难点问题

土壤与作物生理信息是水肥精准施用的重要依据，如不知土壤中的营养状况，庄稼是不是“渴了”“饿了”，水肥的精准施用无从谈起。土壤与作物生理信息原位在线检测技术，是制约水肥一体化发展的卡脖子技术，信息的快速获取是制约水肥一体化系统首部技术水平的难点问题。

如果庄稼“渴了”“饿了”，应该提供多少水、多少肥？众多农艺专家已经针对不同的作物进行了大量研究，探明不同作物的需水需肥规律，但目前的系统首部大多是依靠人力进行判断，缺少水肥智能决策系统。如何根据环境信息参数、作物长势与营养情况以及水肥需求规律，开发水肥智能决策系统，进行定时定量按需灌溉施肥，是目前的技术难点。目前的一些研究已经将关注的焦点从土壤转移到植物本体上来，通过光谱技术、显微技术等快速检测植物的生命体征与营养状况，但该类技术的成本高、实时性差，对技术人员要求较高，难以推广应用。

5 系统首部发展趋势

5.1 控制终端型系统首部

随着电子与信息技术的发展，终端控制设备带有网络传输功能，同时网络传输设备(网关)的边缘计算功能也越来越强。在不需要复计算的场合，如系统首部电磁阀、水泵的控制，带有边缘计算功能的网关即可实现基本的控制功能，如研华科技的物联网智能终端RTU：ADAM-3600，如需复杂计算，该设备将数据上传上云端，由云服务器负责计算。该模式一方面由网关负责控制，减少了终端控制器(如单片机、PLC等)投入，降低了成本；另一方面网关设备进行了前期的数据处理，减轻了云服务器的计算压力。采用该模式的系统首部设备结构简单，投入少，是小型农场和种植大户的首选，具有较大的发展潜力。

5.2 控制中心型系统首部

水肥一体化的目标是解决庄稼的温饱问题，让庄稼“吃好”“喝好”，有一个适宜的生长环境并能够高产高质。针对大型农场和规模化的合作社开发系统首部控制系统，功能越来越全面，除了管理灌溉施肥的田间作业外，实现了对整个园区的环境信息、作物信息、农机信息、人员信息进行统一管理和调配，逐步形成了一个以水肥施用为核心，以高产高质为目标的田园管理系统。中心控制器也由常规的单片机、PLC变成的计算机、服务器，配置越来越好，功能越来越全，能够全面的满足用户对种植区域数字化管理的需求，也是目前研究的重要方向之一。在操作系统方面，基于云服务集成是该类系统首部的核心，操作界面也由常规的触控按钮向虚拟场景转变，未来的系统首部在操作上更直观、更便捷。

5.3 系统首部智能化控制系统发展

目前市场上所谓的“智能化装备”远远没有达到智能的水平，只能称其为“自动化的初级阶段”，距离全面实现自动化还有很长的路要走。众多生产厂家，把触摸屏、手机、电脑控制定义为智能化控制是不恰当的，本质还是手动操作，与智能控制和自动控制有本质的区别。由田间信息采集系统和智能决策系统组成的水肥一体化系统首部实现无需人手动操作，系统自动化运行，是目前一个主要的发展方向。

关于系统首部的智能技术提升方面，也不能太悲观，2019年中国灌溉发展大会上各种新装备也陆续涌现，如：双控制系统的系统首部，可针对大田作物、设施蔬菜等不同种植模式的选择不同的控制模式；恒浓度施肥系统首部，采用比例阀精准控制肥液体浓度的施肥系统，将恒定浓度营养液精准施用；具有自动灌溉功能的系统首部，可根据土壤水分自动启停的灌溉系统等等。特别是一些小企业，在系统首部控制系统上做的诸多改进可圈可点。虽然智能化技术的全面应用仍然遥远，但不远的前方有好多工作要做。

6 结论

综上所述，水肥一体化系统首部得到了广泛的关注和应用，学者们对水肥一体化技术的理论研究和实际意义方面做出了大量研究，特别是在控制系统方面有了较大的变革，并且系统首部在与常规装备的结合过程中出现了很多新模式、新技术、新装备。然而这些已有的研究结论和新兴的技术装备尚处于起步阶段，存在大量的短板问题和难点问题。对于系统首部存在的问题和发展方向，笔者主要从控制系统方面提出了一些建议和思考，希望在行业内能起到抛砖引玉的作用，为专家学者们今后的研究功能齐全、系统稳定、农民爱用的产品提供些许借鉴。