农业灌溉用时序控制装置研发及其在基质栽培小西瓜上的应用

岳焕芳，胡潇怡，孟范玉，安顺伟，胡 瓒，周孝秋，许鹤鸣，王克武*

（1.北京市农业技术推广站，北京 100029；2.北京市弘科农场，北京 102446）

随着农业从业人员老龄化的加剧，自动控制设备具有减少劳动量，提高工作效率等优势，使用需求日益增加。水肥管理是一项重要的农事管理技术，实现自动化管理有利于提高生产效率，科学化的水肥管理可提高作物产量和品质[1]。灌溉决策是自动灌溉控制系统的核心，其优质性和广适性决定了自动控制系统的应用价值，相关研究已成为农业灌溉节水的热点。目前常用的自动灌溉决策为时序控制法[2]，需要根据经验设定启动时间和灌溉量（灌溉时长），该方法简单易推广，技术门槛低。时序控制器目前主要有国外进口的控制器和国内简易的时序开关，国外控制器价格较高，功能复杂，很多控制功能在国内农业生产中使用率较低。国内简易的时序控制开关主要应用场景并不是农业生产，只能实现单个阀门控制，设备功能与农业生产需求存在脱节等问题。为了更便捷地实现时序灌溉自动控制，笔者于2020年集成研发了农业灌溉用时序控制装置[3]，界面由旋钮和按键组成，操作简单，可以实现4个阀门综合控制，成本低廉，有利于推动农业自动化的发展。

小西瓜具有口感好，营养丰富，经济价值高等优点，已成为北京郊区设施农业的主栽作物之一[4]。基质栽培可以有效减少土传病害的发生，已成为主要的栽培模式。西瓜需水量较大[5]，基质栽培采用少量多次的水肥管理策略，利用自动灌溉控制装置，可以减少用工，提高劳动效率。为了检验农业灌溉用时序控制装置的田间应用效果，同时摸索出基质栽培条件下，小西瓜的适宜灌溉定额，本试验设置了不同的灌溉量处理，通过对比小西瓜的生长指标、产量和品质，最终得出了适宜的田间应用参数，为基质栽培小西瓜的水肥管理提供数据支撑。

1 农业灌溉用时序控制装置研发

农业灌溉用时序控制装置可以实现4组通道综合控制，装置体积小，方便悬挂。控制面板设计简单，主要包括显示屏幕、旋钮和按键3个主功能区。第一，屏幕可以显示系统实时时间、电磁阀目前的状态（ON/OFF）以及设置过程中的数据显示。第二，旋钮功能区主要包括4个旋钮：第1个旋钮设置启动时间的时，第2个旋钮设置启动时间的分，第3个旋钮设置单次的工作时长，第4个旋钮选择管理通道。第三，按键功能区主要包括4个按键：第1个按键为功能选择，共包括10个功能选择，第1～7为设置每天启动的时间段，8为手动/自动启动选择，9为设置系统时间，10为格式化系统；第2个按键为移位功能，在设置系统时间时，进行移位分别设置时、分；第3个按键为加/减功能，可以选择1～10功能中的其中1个，在设置系统时间时，可以上下加减数字；第4个按键为确认键（图1）。该设备覆盖了时序控制法的技术需求，技术门槛低，性价比高，适合小规模生产基地的自动化灌溉使用，可减少灌溉用工。

图1 农业灌溉用时序控制装置控制界面设计示意（单位：mm）

2 农业灌溉用时序控制装置在基质栽培小西瓜上的应用

2018年在北京市房山区弘科农场日光温室内开展农业灌溉用时序控制装置在基质栽培小西瓜上的应用试验，试验地点位于北纬N39°37′33.53″、东经E115°57′49.64″，供试小西瓜品种为“超越梦想”，栽培方式为槽式混配基质栽培，2018年8月15日定植，10月17日拉秧，单行种植，667 m2定植976株。利用滴箭进行灌溉，灌水器流量为2 L/h。

2.1 农业灌溉用时序控制装置的应用方法

田间应用期间，为了实现灌溉自动控制，利用自主研发的农业灌溉用时序控制装置控制抽水泵和电磁阀的启闭，例如，使用者想要设置每天09：00灌溉10 min，首先按第1个按键进入功能1，旋转第1个旋钮到时间9，第2个旋钮旋转到00，第3个旋钮旋转到10 min，最后按确认键即可，步骤简单，抽水泵和电磁阀到达09：00则开始工作，进行田间灌溉，09：10则停止工作，灌溉停止，配合文丘里或者比例施肥器，实现水肥一体化。整个生育期运行正常，没有出现故障，基地技术员反馈该设备操作简便，容易掌握使用流程，省时、省工，适合在京郊地区推广应用。

2.2 农业灌溉用时序控制装置灌溉量的确定

水分管理对于作物生长具有重要意义，合理的灌溉制度是实现高产优质的必要条件，根据作物不同生育阶段水分需求，合理供应水分，可以实现高产高效的目的。为了确定农业灌溉用时序控制装置在小西瓜栽培中的最佳灌溉量，设计了3个不同的灌溉量处理，采用农业灌溉用时序控制装置设置灌溉参数，进行自动灌溉。每天均灌溉2次，单次灌溉时长不同，即灌水定额不同，具体试验设计见表1。采用营养液施肥，苗期EC值控制在1.5～1.8 mS/cm，开花期EC值控制在1.8～2.0 mS/cm，结瓜期EC值控制在2.0～2.5 mS/cm，整个生育期营养液pH值控制在5.5～6.0。

表1 试验设计

2.2.1 不同灌水定额对小西瓜生长指标的影响

图2为不同灌水定额对小西瓜株高和茎粗的影响，从图中可以看出，T3的株高大于其他处理，9月10日T3的株高为175.2 cm，比T1和T2分别增加28.7%和3.3%。小西瓜茎粗呈现先增加后下降再上升的趋势，8月30日是小西瓜茎粗为整个生育期最大值，T3为4.698 mm，比T1和T2增加了8.6%和4.4%。

图2 不同灌水定额对小西瓜株高和茎粗的影响

2.2.2 不同灌水定额对小西瓜品质的影响

表2为不同灌水定额对小西瓜品质的影响，从表中可以看出，T1处理的瓜长为17.06 cm，为3个处理中最高。T1处理的小西瓜心糖含量为12.06%，比T2和T3分别提高了1.82和2.02个百分点，T1的边糖含量为8.52%，比T2和T3分别提高了0.20和0.34个百分点，T1处理的小西瓜品质最佳。

表2 不同灌水定额对小西瓜品质的影响

2.2.3 不同灌水定额对小西瓜产量的影响

图3为不同灌水定额对小西瓜产量的影响，T2处理667 m2用水为145.8 m3，667 m2产量为1 527.6 kg，水分生产效率为10.5 kg/m3，T1和T3的667 m2产量分别为1 086.3 kg和1 162.2 kg，水分生产效率分别为9.2 kg/m3和6.5 kg/m3，T2的667 m2产量分别比T1和T3增加了40.6%和31.4%，水分生产效率分别提高了13.4%和60.4%。

图3 不同灌水定额对小西瓜产量的影响

2.2.4 小结

试验结果表明，不同灌溉制度可以影响小西瓜生长、产量和品质，与前人研究结果一致[6]，T1处理667 m2用水117.6 m3，水分生产效率为9.2 kg/m3，小西瓜心糖含量为12.06%，边糖含量为8.52%，品质最佳。由于近年来追求高品质农产品成为发展趋势，以高糖度小西瓜为生产目标、推荐T1处理用于小西瓜水分管理。