水肥一体化技术在南丰蜜桔栽培中的应用分析

邓升谭淋露郭庆冰卢江海曹腾飞

(1.江西省水利科学院，江西 南昌 330029；2.江西省科学技术信息研究所，江西 南昌 330000)

引言

为深入贯彻习近平总书记节水优先的治水方针，党中央高度重视节水工作，国务院办公厅印发了《国家农业节水纲要(2012—2020年)》，全面部署并推进农业节水工作，提出要把节水灌溉作为发展现代化农业的一项根本性指标，水利部、国家发展改革委按照2021年中央一号文件要求，印发了《“十四五”重大农业节水供水工程实施方案》，明确应大力普及并推广节水灌溉技术。2022年，叶建春省长在江西省农业发展大会上强调，为了应对极端高温干旱天气带来的严峻挑战，必须全力以赴，努力维护产量和供给。将深入实施现代种业提升工程，不断开展优势特色农业关键核心技术的联合攻关，以促进农业经济的稳中向好。水肥一体化灌溉技术俨然成为江西省发展高效农业的重要保障。

在农业节水领域，国内外诸多研究表明，农艺节水可以显著降低用水成本，同时有效促进增产增收[1,2]。康德奎等[3-5]从工程、农艺、应用等方面提出了相关的技术措施和影响因素研究，取得了较好的成效和推广；孙仕军等、李娜等[6,7]从标准化建设方面提出了农业节水技术标准，为促进农业节水可持续发展提供了理论依据。本文以江西省农村生态水利科研示范基地为例，通过基于物联网的水肥一体化灌溉技术在南丰蜜桔栽培中的实际应用效果，分析该项技术在南丰蜜桔的种植应用是否可行、适应、可推广，以期为江西省推广使用水肥一体化灌溉系统提供参考。

1 水肥一体化灌溉技术

1.1 水肥一体化

水肥一体化技术是水肥同步供应与使用，涉及灌溉、栽培与耕种的一项农业综合技术[8]。在土壤含养量及作物需肥量等规律基础上，结合作物根系耐肥度，将肥料配制成相应肥液，通过压力系统，与水一起均衡匀速、定时定量输送到作物根系进行灌溉施肥[9-11]。相较于传统的漫灌和畦灌等落后灌溉方式，水肥一体化的新型灌溉技术更加高效和环保，灌溉系统有着节水节肥、省时减工、提质增效等优点[12-14]，实施水肥一体化技术，遵循了习近平总书记提出的重点关注减轻土壤和水资源短缺，促进农业发展方式改革的目标。水肥一体化系统因其安装简单、使用便利、精度较高，在我国北方和部分南方地区的果蔬、花卉、药材等经济作物栽培中得到了广泛的应用[15]。

1.2 水肥一体化技术优势

1.2.1 节约水肥资源，水肥供给均衡

传统耕作灌溉模式下，灌溉及施肥均以漫灌式为主，投入了大量人力物力，效果却难以保障。水肥一体化技术能有效达到蜜桔各生长期对水和肥的需求，又可将水肥的消耗量控制在需求区间，有效节约水肥资源。同时，水肥一体化可根据蜜桔在不同生长期的养分需求规律进行适时适量施肥，实现按需所取的科学供给模式，更好地满足蜜桔生长需求。

1.2.2 集约人力资源，系统运作高效

水肥一体化技术使得作物灌溉和施肥过程变得更加便利、高效，且具有较高的自动化、集约化，无需投入大量人力，仅需开阀及倾倒肥料入桶即可，单人就能实现整个园区的灌溉施肥工作。

1.2.3 降低病害发生，提高果实品质

实施水肥一体化，有效提高了水肥利用率，满足蜜桔不同时期生长需要，抗病害能力也随之提高，滴灌灌溉可阻隔病菌传播，降低病虫害发生。同时，传统的灌溉模式，若土壤湿度过高则可能导致烂根，而水肥一体化可保障土壤透气性及相应湿度，在果实成熟前很少出现烂果。

2 水肥一体化技术应用

2.1 基本情况

江西省水利科学院农村生态水利科研示范基地(以下简称“基地”)，坐落南丰县白舍镇茶亭村，距县城20km，位于江西省抚州市南部，为南丰蜜桔主产区，多年平均气温为18.2℃，多年平均降水量1802mm·6h-1。基地建于2004年，种植面积36hm2，栽培南丰蜜桔1.8万株，致力于通过规范化管理和集中式生产来打造南丰蜜橘生态示范园，成为一个规模宏大的农业生产基地，平均产量2300kg·667m-2，精品率90%以上。地形为低丘陵区，土壤为红壤，容重约1.34g·cm-3，田间持水量为26.8%。

图1 项目区总体平面图

项目区(E116°9′，N26°58′)自然条件良好，交通便利，土壤丰沃，但传统的灌水施肥及粗放管理方式，导致蜜桔水肥利用效率偏低，不合理的灌溉方式导致蜜桔产量和品质下降，这种情况对当地农业经济的长期可持续性造成了极大的阻碍。同时，因为该项目区的地形复杂，山峦陡峭，水土流失和源头污染非常严重，给当地的农业生产和生态环境带来了巨大的挑战。为解决灌溉难、施肥难，特别是在旱季靠天吃饭的问题，彻底改善灌溉问题，在项目区安装一套基于物联网的水肥一体化灌溉系统，在灌溉的同时随水施肥，项目投入使用约2a。

2.2 系统布设

通过物联网技术，水肥一体化灌溉系统旨在实现“一控两减”的目标，特别适用于大规模种植作物，如水果、蔬菜和花卉。这种系统能够有效地控制和管理水肥，提高作物的产量和质量。这个系统能够有效地解决大规模种植和集约化管理中的一些问题，如广阔的种植面积、人力资源匮乏、高需求的劳动力、低效率的管理、水肥效益不佳和品质无法控制。通过现场控制、移动控制和中央控制等不同的管理模式，能够高效协助园区管理人员对种植区域进行全面的水肥管理，显著提高水肥的利用效率。大幅提升产量和品质。

水肥一体化灌溉系统主要由水源、泵房和管网等系统组成，如图2所示。水源系统主要是以引河水为水源，为了避免灌水器堵塞，需要采取过滤措施。首部泵房系统包含变频恒压控制柜、压力流量监测设备、管网保护设备，如泄压阀和持压阀。此外，还有多级过滤系统和施肥控制系统。管网系统由主干管、支管、管网保护设备(如排气阀、泄水阀和减压阀)、田间毛管和末端灌水器组成。灌溉技术的发展已经大幅改进，现在更多地使用滴灌和微喷灌等方法。

图2 水肥一体化灌溉系统框架图

2.3 项目建设

本系统建设以实现灌溉水肥的精准管控为目标，在掌握蜜桔各生育期的需水吸肥规律的基础上，为了确定蜜桔的最佳灌溉和施肥时间，需要精确掌握灌水量和施肥量的参数。此外，还需要对蜜桔植株的生长生态环境进行全方位监控，并使用先进的传感技术来监测气象因子、土壤墒情和作物生长等指标。通过远程传输监测数据，可以利用有线和无线通信技术进行数据筛选、分析和决策。通过中控平台对蜜桔植株的生长情况进行实时监控，并做出明智的决策，采取最佳的南丰蜜桔灌溉与施肥制度。

控制器在农业生产中起着至关重要的作用，其能够帮助农民进行自动化灌溉和施肥。如今，许多人都在使用一体化水肥设备，能够同时进行灌溉和施肥。这些设备通常具有触摸式界面，能够根据需要进行个性化操作，并且能够实现多种不同的灌溉和施肥方案。根据不同应用需求，采取定时、定量、定浓度、定方式等不同灌溉模式，真正实现按需施肥，定额用水，提高水资源及化肥利用率。另外，随着智能手机的广泛使用，通过一个按钮就能进行种植管理变得越来越容易。通过连接到中央控制平台、现场控制器和手机终端，可以有效构建多种管理模式，包括集中控制、移动控制和随时随地控制，极大地提高了园区的管理水平和效率。

项目区的水肥一体化灌溉系统项目实施主要包括以下内容。确定灌溉方式。本次南丰蜜桔水肥一体化灌溉项目，是在连片种植基础上，建立“管道+滴灌+微喷灌”灌溉系统，分区灌溉；传统灌溉方式管理粗放，责任难以落实到位，效益难以有效发挥，采用水肥一体化灌溉技术能够有效激发种植户的积极性，并有效提高管理水平。设备安装调试。水源充足的前提下，通过建设蓄水池及压力泵站，安装相应配套管件及灌溉设施，安装完成后进行调试以确保实现水肥一体化种植要求，同时对主管道冲洗保压，保证水压维持在合理范围内，适时检查滴头，保障能够正常运作，避免出现爆管、漏水等现象。投入运行使用。在蜜桔整个生长期，采用水费一体化灌溉设备进行施肥和灌水，项目区分为滴灌灌溉区域和微喷灌灌溉区域，设置好灌溉时长、灌水速率等参数，开启一体化灌溉系统进行工作，无需人工看守，仅需待灌溉结束，进行设备清洗，做好相应的维养和管理。

2.4 效益分析

基于物联网的水肥一体化灌溉系统的效益十分显著，相对于传统耕作模式，主要表现在节约水肥资源、提高作物质量等经济效益，助力规模发展、促进农业节水等社会效益，改善生态环境、推动农业发展等环境效益。通过对本次基地蜜桔种植的水肥一体化应用的分析，通过引入水肥一体化自动控制灌溉系统，实现对灌溉和施肥的全面自动化，并将其纳入集约化和信息化管理中，可以大幅度减少园区管理用工，使得80%以上的人力成本下降，同时还能够将每667m2土地的用水量减少30%，化肥使用量也会减少25%。通过使用这个系统，可以添加各种有益的微量元素，从而大幅提高蜜橘果实的品质，并且带来显著的经济收益。通过大力推广这个系统，不仅能够降低农业种植者进入市场的难度，还能够有效地降低农业生产中所面临的风险，操作简易、便捷的数字化技术，通过提供专业指导和培训，帮助许多初学者迅速掌握技能，并为其提供必要的经验支持。

2.4.1 经济效益

园区采用自动化灌溉和水肥一体化系统，显著提高灌溉精度、降低劳动强度，原来需近10人管理，现只需1～2人，省工80%以上，自动灌溉大大减少了灌溉不均匀、跑冒滴漏等现象，节水达30%，节肥25%以上。同时，极大改善了蜜桔生长环境，降低了病虫害发生，增产了20%，提高了蜜桔品质，带动了销售利润。

2.4.2 社会效益

实践证明，自动化灌溉结合水肥一体化非常适合于集中连片的蜜桔种植模式，能够大力助推江西省土地流转和规模化经营，信息化管理模式，能够有效促进从农业大省向农业强省迈进。同时，引导种植户树立节水省肥观念，增强节水意识，为深入推进农业水价综合改革提供良好环境。

2.4.3 环境效益

传统“大水大肥”的管理模式，造成了水资源浪费，破坏了农业生态，如水位和地力下降、水土污染等，实施水肥一体化措施后，显著减少了用水量和化肥用量，促进农产品绿色化和农业发展可持续化。同时，有助于缓解农业面源污染现状，改善大气、水体、土壤等质量，实现农业现代化发展。

3 水肥一体化应用前景

蜜桔园区由原粗放灌溉改造成基于物联网的水肥一体化灌溉，运行2a来，通过大幅度改进灌溉条件，已经大幅提升了水肥利用效率，并且采用了自动化灌溉和水肥一体化系统，这个工程的效益非常显著，并且投资成本很小，可以有效减少对耕地的占用。此外，该系统的运行更为方便，维护更为简单，管理更为便捷，成本更低，可以降低当地农户的劳动成本，减轻其负担，并增加农民收入。虽然目前蜜桔种植水肥一体化技术依然有亟待改进之处，如水肥一体化对于肥料种类的基本要求较高，施肥时肥料质量不佳可能导致沉淀，从而导致管道堵塞，并且相应的滴头也可能因为雨水浸湿而被淤泥堵塞等。然而，经过全面优化和提升，可以确保水肥一体化技术得到充分应用，并解决目前存在的问题。

由此可见，基于物联网的水肥一体化灌溉系统先进实用，具有广泛的适用性，在江西省乃至全国的桔园栽培中具有可观的应用前景，随着国家一控两减战略、高标准农田建设、旱作节水项目、数字农业等一系列现代农业扶持政策的落地，首先要解决规模化土地的水肥管理问题，因此，本项目的推广应用可以作为江西省完成新增高效节水灌溉目标任务的重要保障。