适用于丘陵荔枝果园的水肥一体化系统设计及运维管理

谭剑锋，罗海据，刘海峰,2，谢秋波,2，陈万云

（1.广州市健坤网络科技发展有限公司，广东 广州 510630 ；2.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630）

0 引言

荔枝是我国著名的亚热带水果，我国是荔枝生产大国和消费大国，现有荔枝种植面积55 万hm2，广东省是我国荔枝的主要核心产区，种植面积约26 万hm2，其中粤西地区的丘陵地带为主要产区之一[1]。丘陵果园具有坡度大，灌溉管理操作不便、耗费人工等客观难点，灌溉、营养供给是荔枝的高效丰产栽培关键要素之一[2-3]。水肥一体化技术应用在果园上具备显著的效益：①能明显改善果树的生长情况；研究表明，可明显改善幼龄果树的生长，对促进新梢生长、增大短枝叶面积和幼果横径、提高叶绿素含量，光合速率及蒸腾速率具有显著作用，且有利于提早果树开花结实[4]。②作物对水分、营养成分是同步协同进行，适当的水分有利于加快作物对养分的吸收及同化，土壤中水分过多会导致土壤中营养元素浓度降低，不利于作物对营养的吸收。合理的施肥浓度、用量可降低地表水分的蒸发量，提高果树产量，增加果树对肥料、水分的利用效率；在苹果栽培上应用，节约用水37%、节约肥料7%～15%，水分利用效率提高1.2～1.5 kg/m3，产量提高34.1%～45.1%[5]。③改善土壤环境，灌溉更加均匀，一定程度上可克服施加肥料造成的土壤板结；同时也可降低土壤容重，增加土壤孔隙度，有效保持土壤墒情，有利于土壤有机质的分解以及土壤的微生物群落的多样性[6]。④可较大幅度减少肥料施用量，降低地下水资源污染的风险、土壤次生盐渍化的发生以及水体的富营养化[7]。⑤在降低劳动力的成本投入上有显著效果，增加荔枝果园的经济收益。

荔枝果树生长较其他果树存在一定的差异，基于广东丘陵地区的地理特性、荔枝的农艺等要求进行合理化设计，建立切实可行的运维管理是水肥一体化应用发挥“提质增效降成本”效益的关键要点。

1 丘陵荔枝果园地理环境特点

优产荔枝果园一般选址的气候环境为年平均气温21～23 ℃，一月平均温度13～17 ℃，冬季绝对低温不低于-1 ℃，年降雨量1 500～2 100 mm，年日照时数1 800～2 100 h，且土壤质量良好，疏松肥沃，土层深厚，有机质含量丰富，pH 值为5.5～6.5，地下水位1 m 以下，保水保肥、透气性良好。丘陵果园一般存在坡度较大、作业车辆通达率较低等特点，因此水肥一体化应用是丘陵荔枝果园水肥供给的重要保障措施。

2 荔枝的栽培管理农艺要求

荔枝果树优质栽培管理的农艺要求主要聚焦于需水量供给、营养肥料可人工调控的关键要点。荔枝属于多年生果树，为实现优产丰产的目的，在其不同生长阶段和生长时期作应结合农艺要求进行调控管理。

2.1 荔枝需水要求

荔枝果树灌溉管理应根据不同的生长时间（阶段）的需水量进行灌溉调控。生长关键时期可分为枝梢生长期、花芽分化期和果实发育期。以上3 个时期的水分影响主要有：①枝梢生长期，高温高湿的气候条件，枝梢抽生整齐、生长迅速、生长量大[8]。②花芽分化期，需水量较少，花芽期、水分供给过多时，容易导致落花；水分妨碍昆虫授粉活动，冲淡柱头粘液从而影响花粉萌发，花期缩短，柱头粘液干燥使花粉不能萌发，影响授粉受精。③果实发育期，灌溉过多则土壤中积水过多，影响作物根系吸收活动，导致大量而集中的落果与裂果；缺水则果实发育不良，或造成提早成熟等不良现象。

综合以上，荔枝果树营养生长时间需要较大灌溉量，生殖生长时期需要根据花芽分化、坐果、采收时间进行合理调节，应尽可能少量多次的调控。

2.2 荔枝营养供给要求

荔枝树生长特性可按幼龄树、结果树进行划分，且其栽种营养管理特点不同：幼龄树期荔枝果树主要以促进营养生长，“培强培壮”为主要栽培管理方向，为进入结果树阶段做好基础。幼龄树在第1 年栽种期施加氮、磷、钾均衡型肥料为主；第2 年萌芽前和叶片转绿前各施肥一次，以氮、磷、钾均衡型肥料为主，并此后每4 个月施肥1 次；第3 年萌芽前和叶片转绿前各施肥一次，施加氮、磷、钾均衡型肥料为主，增施磷钾肥，利于第4 年开花结果，此后每6个月施肥1 次[9]；同时，可适当追加叶面肥喷施，促进新梢生长[10]。

结果树主要以促进生殖生长为主、兼顾营养生长的栽培管理方式。研究结果表明，荔枝结果树叶片养分含量需求氮＞钾＞磷，且磷、钾的需求逐步增加，需要适当补充磷、钾养分，花、叶、果实的表明花的发育需要较多的磷、钾供给，结果树施肥量需要根据果树结果量来判定[11]。每株结果100 kg 的正常荔枝的用肥比例为氮:磷:钾=3.0 : 1.0 : 2.5[9,12,13]。

通过水肥一体化技术对荔枝果树进行营养供给，能较好实现按需供给，根据不同时期的养分元素供给且能实现多次少量施加，提高肥料养分利用效率。

3 适用于丘陵荔枝果园的水肥一体化应用系统设计

3.1 基本要求

应用于丘陵荔枝果园的水肥一体化应用设计主要立足以下3 个方面进行考量：①基于荔枝的生长特性、园区环境等进行适用化、实用化设计；②充分考虑成本效益，从尽可能降低运营、运行成本的角度出发，进行组件、设备的选型；③保证一定的智能化水平，即尽可能引入部署施肥决策系统，实现作物灌溉决策智能化[14]。

3.2 系统组成

如表1 所示，智能水肥一体化技术应用系统主要由蓄水系统、灌溉首部、配肥系统、施肥系统、给水管网灌溉系统、智能物联网监测系统、施肥决策控制软件（平台）等组成[15]，各系统及其整体部署可参考图1 实施部署。

图1 水肥一体化技术整体系统组合应用图

表1 水肥一体化技术应用系统组成

3.3 子系统设计细节要求

基于广东地区丘陵地理环境的特点、荔枝生长需水要求、营养供给等农艺要求，以实际需求为参考基准，充分考虑系统升级的盈余量进行各子系统应用设计，以实现荔枝果园水肥供给的最适用解决方案。

3.3.1 蓄水系统

蓄水系统各组件的部署见图2，蓄水系统应尽可能设置在丘陵荔枝果园的顶部等自然海拔最高点，为灌溉首部提供缓冲，减少压力损失。水源点选定应选择稳定、充足、安全的水源地（深水井、河水、湖水），水源点应按就近原则选取。蓄水池应配备自动抽水控制模块，能感知控制进行自动补水，满足园区内所有荔枝果树最高需水阶段的用水要求，且应设置不低于10%～20%的冗余量。

图3 智能水肥控制系应用图

3.3.2 灌溉首部

灌溉首部需要根据灌溉系统管道对水中杂质的要求、建设成本等综合选定砂石过滤器、离心过滤器、自动反冲洗砂石过滤器、叠片过滤器等一种或多种过滤组合。同时，灌溉增压、恒压供水变频控制器应根据灌溉压力需求、输出流量需求、进水吸程要求、灌溉管网距离、用电环境等要求综合考虑部署。

3.3.3 配肥系统

配肥系统可根据灌溉用量、肥料类别等综合考虑配肥池的配置，根据荔枝果树的氮、磷、钾、钙、镁等元素的需肥规律，选择商品性肥料或自行配备水溶肥料母液经稀释后使用，肥料母液应“现配现用”，同时应注意各元素母液配置分配，防止因产生离子反应而造成沉淀。

3.3.4 施肥系统

施肥系统根据荔枝果园的面积选择泵吸法、泵注法、旁路文丘里注肥法、比例施肥泵注肥法、智能水肥控制器、旁路施肥机等部署，丘陵地带大面积灌溉宜选择智能水肥控制器（旁路式），可基于建设预算以及控制精度要求，尽可能选择智能化水肥灌溉系统控制的配肥系统，可实现荔枝水肥供给的精准调控。

3.3.5 给水管网灌溉系统

管网应根据控制面积大小、水量分配层次可分为4 个等级，如主网管、支网管等，管网设计应主要考虑管道用量尽可能少、管网压力尽可能保持均匀，管道铺设纵横断面尽可能平顺，减少折点，有较大起伏时避免产生负压，支管应与种植方向一致且应沿道路铺设，在管道起伏高处应设置排气装置，低处应设置泄水装置；阀门布置应根据灌溉面积、灌溉次序等合理安排，应尽可能采用太阳能供电可远程控制电磁阀门，实现智能化控制；终端灌溉应根据荔枝品种的栽种特性及用途选择压力补充滴灌头等，应选择外径为16 mm 或20 mm 的管道为宜，使用喷头的宜采用PVC 材质管道安装。

3.3.6 智能物联网监测系统

智能物联网监测系统主要包括气象站、其他环境感知传感器及作物，根据实际的灌溉所相关因素数据类型要求进行部署，为施肥决策控制提供准确的数据支撑，物联网传感器应选择采用无线传输、实时在线型设备，其类型根据荔枝生长相关参数的采集可参考图4 进行进行选型确认，土壤盐分、土壤水分、土壤pH 传感器为常用物联网监测应用设备。

图4 智能物联网传感器类型

3.3.7 施肥决策控制软件

施肥决策控制软件（平台）可根据智能物联网监测系统的感知环境、荔枝果树的生长情况，结合农艺设定技术控制，根据果树实际需求，实现智能化决策控制水肥一体化灌溉。由广州市健坤网络科技发展有限公司开发并已广泛推广、使用的施肥决策控制应用端软件如图5 所示。可实现水肥一体化系统的实时状态监测、设备运行控制、数据采集、施肥决策调控等智能化应用。

图5 水肥一体化智能施肥决策控制软件（平台）

3.4 智能化提升设计要求

智能水肥一体化技术，是在水肥一体化应用的基础上进行智能化提升，其关键在于通过智能物联网传感器对作物生长情况实现数据化，综合作物生长的生理学、生物学规律，以水肥一体化灌溉系统为终端执行机构，实现作物生长的精准化调控。水肥一体化智能施肥决策系统应用见图5。其是智能化、信息化赋能农业的重要体现：①根据荔枝品种生长习性而确定灌溉的频率及灌溉用肥类别的种类，结合经验，设置常规灌溉策略；②根据实践，基于作物生长变化、天气变化调控适应、较优的策略，特别作物需水、需肥高峰需要密切关注，并结合物联网传感器的数据进行分析，实现“有依所施”；③根据种植荔枝的位置，各条带坡度有显著差异，不同生长期日耗水强度会有所不同，所需灌溉补给的强度与生长期间降雨量和地下水补给条件息息相关。因此，合理确定各阶段的灌溉定额是十分必要的，对实现各生长期的精确灌溉有重要意义。

4 水肥一体化应用系统的运维管理要求

荔枝果园园区的整体灌溉面积较大，完备的设施功能才能保障作物的水肥供给，因此建后的运营管理工作不可或缺，其中管网巡检、电控设施巡检等是运维管理的关键环节。

水肥一体化系统建成后应建立可靠的运营管理制度，对设备、管道进行定期检查检修，为园区内作物的水肥灌溉提供保障。水肥一体化运营管理关键要求包括：①管网系统定期巡视，为保障多级管网系统的安全运行，应定期进行检查巡视[16]；管道应适时冲洗管理，检查用水水质，并彻底清洗管网。果园水源大部分来源于山塘水或河水，水中的泥沙、腐蚀杂质污物易造成管道内污物沉积现象，堵塞管道出水口。冲洗时，优先清洗不常用灌区管道，利用高压水流依次反复冲洗过滤设备，如水泵、干管、支管和毛管的末端[17]。②对水肥一体化系统用电控部分定期巡检，确保水泵、各电器元件性能良好，并做好备件的检测，避免因雷雨天气导致电气元件损坏后造成系统的不可用。③提高技术人员的业务水平，水肥一体化系统管理者应熟悉水肥一体化应用的运行流程，且必须了解和熟悉所管理的灌溉系统的分区及其面积、种植数量和操作程序，此外需要组织学习培训，加强业务技能培训，不断提高技术管理人员的操作水平。④园区可根据实际情况合理安排巡检项目及周期，必须做到责任到人，做好运营管理台账记录，确保工作有序开展。

5 结语

地理条件的限制给丘陵山地农业的发展带来一定的困难，但丘陵地区的生态环境好，能生产口感佳、营养丰富的荔枝，随着荔枝产业的不断发展，丘陵荔枝果园智能水肥一体化技术的应用将得到普及。果园经营者应该提高对水肥一体化技术的认知水平，同时需基于水肥一体化技术应用条件，结合荔枝果树生长习性、季节、环境等要素调整栽培管理技术。

智能化、数字化技术已在农业农村领域得到阶段性发展，未来将是农业生产中的基础技术选项，农业经营者应尽快提升自身的信息化素养，把握并在实际生产中应用水肥一体化技术，发挥这类技术的作用，让水肥一体化技术在丘陵果园中得到较好应用，从而切实提升果园的综合收益。