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　　摘要：水肥一體化技術(shù)促進(jìn)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，節(jié)水節(jié)肥。本文結(jié)合太陽能供電自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)與上海市浦東大團(tuán)鎮(zhèn)露地栽培桃樹水肥一體化系統(tǒng)中的地噴及上噴系統(tǒng)、金山廊下鎮(zhèn)設(shè)施葡萄地埋滴灌系統(tǒng)所應(yīng)用的不同節(jié)水灌溉設(shè)備，探討節(jié)水灌溉設(shè)備與太陽能供電的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)在果樹水肥一體化中的集成應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：節(jié)水灌溉 太陽能供電自動(dòng)控制 果樹水肥一體化

　　0引言

　　水肥一體化是將灌溉與施肥融為一體的技術(shù)，具有肥效快、肥料利用率高、節(jié)肥省力等優(yōu)點(diǎn)，可有效減少水傳播病害的幾率，是未來高效、安全農(nóng)業(yè)的必然選擇。

　　水肥一體化是個(gè)技術(shù)鏈，必須以適宜果樹栽培實(shí)際的節(jié)水灌溉設(shè)備作為保障，以適用于高效水肥一體化技術(shù)的自動(dòng)控制設(shè)備作為依托才能滿足生產(chǎn)需求和水肥一體化的技術(shù)要求。本論文旨在通過介紹節(jié)水灌溉設(shè)備以及自動(dòng)控制系統(tǒng)在本市設(shè)施葡萄、露地桃樹等水肥一體化中的集成和應(yīng)用，提供一種各項(xiàng)技術(shù)相互協(xié)調(diào)、省工省肥、具有示范推廣作用的果樹水肥一體化栽培模式，為果樹生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供思路。

　　1系統(tǒng)配置

　　1.1概況

　　本文分別結(jié)合上海市浦東大團(tuán)鎮(zhèn)的露地栽培桃樹，以及金山廊下鎮(zhèn)設(shè)施葡萄的水肥一體化應(yīng)用實(shí)際，介紹灌溉設(shè)備及其自動(dòng)控制情況。

　　其中浦東桃樹基地露地栽培總面積達(dá)55畝，桃樹樹齡較大，其行距一般為4米，株距一般為3米，2015年4月起安裝地噴系統(tǒng)，2015年11月起安裝上噴系統(tǒng);金山葡萄基地設(shè)施栽培總面積達(dá)80畝，葡萄設(shè)施栽培的株距、行距因設(shè)施情況不同各有差異，2015年3月起安裝地埋滴灌系統(tǒng)。

　　1.2灌溉系統(tǒng)配置

　　1.2.1浦東桃樹基地

　　桃樹基地安裝首部一套，配有兩臺(tái)水泵 、比例施肥器、疊片過濾器、砂石過濾器、各種閥、變頻恒壓控制柜等。水泵功率11kw，流量40m3/h，揚(yáng)程50m，備用水泵功率5.5kw，流量30m3/h。比例施肥器串聯(lián)安裝，將母液按設(shè)定比例吸入施肥器，送到下游管路。疊片過濾器過濾較小雜質(zhì)，反沖洗砂石過濾器過濾較大雜物，截獲污物能力強(qiáng)。變頻恒壓控制柜利用遠(yuǎn)程壓力表輸送壓力信號(hào)至變頻器，來控制水泵運(yùn)行，保持設(shè)定供水壓力。

　　采用地面微噴及頂部噴淋兩套灌溉模式相結(jié)合的方式，種植區(qū)域設(shè)11個(gè)地噴輪灌組與上噴輪灌組，各輪灌組有獨(dú)立電磁閥和手動(dòng)閥控制。每棵樹樹干處均勻布置4個(gè)地面微噴頭，每棵桃樹頂上設(shè)置1個(gè)上掛式微噴灌水器。地噴頭選取流量0~50L/h，射程0.6m，工作壓力0.1~0.25MPa的果樹灌水器，噴頭的灌水量及射程可調(diào);上噴頭選取流量40L/h，射程3m，工作壓力0.2~0.3MPa的旋轉(zhuǎn)微噴頭。地噴灌溉系統(tǒng)示意圖見圖1，獨(dú)有設(shè)計(jì)、實(shí)施的上噴系統(tǒng)示意圖見圖2。

　　圖1.桃樹地噴灌溉系統(tǒng)示意圖

　　圖2 桃樹上噴灌溉系統(tǒng)示意圖

　　1.2.2金山葡萄基地

　　葡萄基地安裝首部二套，各首部配兩臺(tái)水泵 、自動(dòng)定時(shí)反沖網(wǎng)式過濾器、變頻恒壓控制柜等。水泵功率4kw，流量35m3/h，揚(yáng)程21m。葡萄基地全自動(dòng)變頻恒壓灌溉系統(tǒng)首部示意圖見圖3。

　　采用地埋滴灌管方式灌溉，共設(shè) 6個(gè)輪灌組，每組有獨(dú)立電磁閥和手動(dòng)閥進(jìn)行控制，各組設(shè)有獨(dú)立環(huán)形兩端恒壓緩釋注肥器，并在泵房首部設(shè)有大型兩端恒壓緩釋注肥器。每行葡萄設(shè)置一條反濾防堵地埋滴灌管，入土埋深約200mm。滴灌管內(nèi)設(shè)有內(nèi)鑲管柱式反濾滴頭，能有效防堵。

　　圖3 葡萄基地自動(dòng)變頻恒壓灌溉系統(tǒng)首部示意圖

　　1.3控制系統(tǒng)配置

　　兩個(gè)基地均采用群控?zé)o線太陽能土壤濕度控制自動(dòng)灌溉系統(tǒng);系統(tǒng)由控制主機(jī)，室外子域控制器組成。主機(jī)與子域控制器之間通過無線通訊模塊通訊。每個(gè)灌溉區(qū)可設(shè)置三種工作模式：①土壤濕度自動(dòng)控制灌溉;②用土壤濕度控制+限制灌溉時(shí)間;③定時(shí)灌溉。所有設(shè)置信息都由用戶在主機(jī)設(shè)置完成后發(fā)送到子域控制器。主控制器連接電腦后，由電腦軟件控制主機(jī)，可保存濕度、灌溉、報(bào)錯(cuò)等歷史信息，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)泵的自動(dòng)控制。通過瀏覽器登陸，隨時(shí)隨地查看、設(shè)置、控制系統(tǒng)。主機(jī)具有3G通訊功能，用戶可通過手機(jī)查詢各個(gè)灌溉區(qū)域當(dāng)前工作狀態(tài)或控制各個(gè)灌溉區(qū)域閥門啟閉。主機(jī)放置在室內(nèi)。系統(tǒng)配備各輪灌分區(qū)單獨(dú)的土壤溫濕度傳感器、管道壓力傳感器或流量傳感器，傳感器設(shè)置在典型位置，實(shí)時(shí)采集、傳輸數(shù)據(jù)。

　　各輪灌組設(shè)有獨(dú)立的子域控制器，其與主控制器之間通訊距離為500m。子域控制器及大容量蓄電池安裝于控制箱內(nèi)，控制箱外配裝大面積太陽能板，保證高效充電。子域控制器與脈沖式電磁閥相連接，控制其啟閉。其中，葡萄基地因各輪灌組采用獨(dú)立的施肥裝置，因此室外控制箱內(nèi)裝有緩釋施肥器，示意圖見圖4。

　　圖4.葡萄基地子域控制箱內(nèi)部構(gòu)造圖

　　2分析與討論

　　2.1優(yōu)勢(shì)

　　節(jié)水灌溉設(shè)備將帶有肥料的灌溉水高效、均勻、緩慢、穩(wěn)定、及時(shí)、可控、準(zhǔn)確地輸送到了果樹根部土壤;采用基于物聯(lián)網(wǎng)的管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)無人值守和可追溯。節(jié)水灌溉設(shè)備和自動(dòng)控制系統(tǒng)在果樹水肥一體化技術(shù)上的集成應(yīng)用，具有顯著的提質(zhì)、省水、省肥、省工等效果，有一定的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益。

　　1、提高水肥利用率。直接向果樹根部供水，大幅度減少水分蒸發(fā)，提高水分利用率;將溶解后的肥料近乎等量地輸送到果樹根系附近土壤區(qū)域，保證了根系對(duì)營養(yǎng)成分的迅速吸收，實(shí)現(xiàn)了肥料的高效利用。[1]

　　2、節(jié)省人工。減輕灌溉、施肥勞動(dòng)強(qiáng)度，降低勞動(dòng)力成本，利于果園標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。[2]

　　3、提高土壤利用率，改善土壤環(huán)境。有效保持土壤濕度，利于土壤微生物群落的多樣性、土壤有機(jī)質(zhì)的分解、植物營養(yǎng)的礦化及養(yǎng)分循環(huán)[3];此外，可減少肥料用量，減少土壤次生鹽漬化和對(duì)地下水的污染。[4]

　　4、提高果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量。解決土壤水氣矛盾，進(jìn)而影響樹體根系分布，利于果樹生長和高產(chǎn)。[5]

　　除以上共同優(yōu)點(diǎn)外，兩個(gè)基地應(yīng)用的技術(shù)還有各自的特點(diǎn)：

　　2.1.1反濾防堵地下埋設(shè)滴灌技術(shù)

　　葡萄基地采用具有反濾防堵技術(shù)的地埋滴灌管灌溉施肥方式，有以下優(yōu)勢(shì)：

　　1、水源過濾要求低?？捎行Х乐刮锢矶氯⒒瘜W(xué)堵塞和生物堵塞，從而降低灌溉水質(zhì)要求，一般過濾器濾網(wǎng)采用80目以上即可，極大減少了首部過濾壓力，降低過濾器的配置成本及清洗過濾器的人工成本。

　　2、肥料選取面廣。降低對(duì)肥料水溶性的要求，拓寬了肥料選擇范圍，節(jié)省成本，便于操作。

　　3、既可埋入土壤進(jìn)行地下滴灌施肥，又可用于地表滴灌施肥，且灌溉和施肥緩慢、均勻、穩(wěn)定。

　　4、減少地表雜草生長。將灌溉水直接供往果樹根系，既保證植物生長需水，又保持地表土干燥，抑制了地表雜草的生長，減少果園病蟲害發(fā)生。

　　2.1.2地面微噴與頂部噴淋系統(tǒng)

　　桃樹的根系分布范圍基本與樹冠直徑相同，根系有明顯的向水性、向肥性，不宜采用點(diǎn)狀或線狀濕潤的灌溉施肥方式，因此桃樹基地采用地面微灌，有以下優(yōu)勢(shì)：

　　1、可在桃樹根部形成范圍可控的圓形濕潤圈。

　　2、灌水強(qiáng)度適中，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)。保證桃樹不同生育階段的水肥供給。

　　3、低強(qiáng)度灌水在冬季可緩慢提升地溫，在夏季可有效降低局部溫度，改善局部小氣候，為桃樹營造適宜的生長環(huán)境(溫度、濕度等)，促進(jìn)冠層上下氣流交換，減少落果、裂果等現(xiàn)象，保證豐產(chǎn)，改善果實(shí)品質(zhì)。

　　結(jié)合水蜜桃種植經(jīng)驗(yàn)，桃樹基地配套采用的頂部噴淋有以下優(yōu)勢(shì)：

　　1、采用均勻的噴淋灌水器，在樹冠上部形成細(xì)密的旋轉(zhuǎn)雨簾來模擬降雨，避免早春桃樹芽發(fā)育前遇霜凍以及干旱高溫季節(jié)補(bǔ)水量不及時(shí)等情況對(duì)果樹生長造成的損害。

　　2、直接給植株枝葉補(bǔ)充水分，配合地面微噴灌溉對(duì)果樹根系的補(bǔ)水作用，為桃樹共同營造最適宜的立體水、肥、氣、熱生長環(huán)境。

　　3、可有效地噴灑葉面肥，補(bǔ)充果實(shí)生長所需營養(yǎng)。

　　4、可實(shí)現(xiàn)及時(shí)、均勻、便捷打藥，有效進(jìn)行病蟲害防控。

　　2.1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)

　　基于物聯(lián)網(wǎng)以及傳感器的自動(dòng)控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，通過對(duì)土壤濕度、環(huán)境信息、管道壓力等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和分析，結(jié)合果樹的生長階段、需水規(guī)律和測(cè)土施肥配方來指導(dǎo)灌溉施肥，實(shí)現(xiàn)適量、精準(zhǔn)、便捷的管理控制。

　　兩個(gè)基地均采用太陽能供電的無線控制方式，解決了線路鋪設(shè)施工不便、成本過高，大面積管理不便等問題，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制提供了簡(jiǎn)單易行的技術(shù)方法。

　　2.2問題

　　結(jié)合兩個(gè)基地實(shí)行水肥一體化技術(shù)的情況，可以看出在上海地區(qū)推廣果樹水肥一體化存在很多困難和問題，主要表現(xiàn)在果農(nóng)缺乏節(jié)水節(jié)肥意識(shí)、盲目過量灌溉施肥現(xiàn)象嚴(yán)重、系統(tǒng)的一次性投入較大、國產(chǎn)灌溉器材的可靠性還不高、關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)施設(shè)備還不完全配套、缺少技術(shù)集成示范及智能專家系統(tǒng)技術(shù)等方面，此外還有以下一些問題：

　　1、與世界發(fā)達(dá)國家相比，我國水肥一體化技術(shù)在果樹上的應(yīng)用仍然十分有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家[4]，迫切需要大力推廣示范。

　　2、上海地區(qū)大部分果農(nóng)的種植區(qū)域分散、面積小且果樹栽培行株距不規(guī)范，集中經(jīng)營的合作社或家庭農(nóng)場(chǎng)少，不利于一次性投入較高的成套設(shè)備的安裝使用[6]。

　　3、桃樹露地設(shè)置上噴系統(tǒng)的性價(jià)比不太高。

　　4、葡萄基地采用的地埋滴灌管方式，地表無法直觀觀測(cè)濕潤情況，影響果農(nóng)的使用積極性。

　　5、可能影響果樹根系生長。對(duì)葡萄而言，長期使用地埋滴灌管模式進(jìn)行灌溉施肥，可能會(huì)造成濕潤區(qū)域邊緣的鹽分累積，會(huì)對(duì)葡萄的生長造成一定程度的限根效應(yīng)。[7]對(duì)桃樹而言，地噴頭附近的根系密度增加，而非濕潤區(qū)根系生長受到抑制，少量多次的灌溉方式會(huì)導(dǎo)致桃樹根系分布變淺。[8]

　　6、新建灌溉首部用泵房的合理設(shè)置、灌溉用水的水源水質(zhì)保證、蓄水池設(shè)置與否，對(duì)果樹水肥一體化的實(shí)施及正常使用具有較大影響。

　　7、果農(nóng)文化水平低，且因生產(chǎn)、經(jīng)營忽略對(duì)水肥一體化系統(tǒng)裝置的日常維護(hù)保養(yǎng)，對(duì)系統(tǒng)的正常安全使用有較大影響。

　　2.3進(jìn)一步研究的建議

　　1、節(jié)水灌溉、水肥一體化、自動(dòng)化控制都是未來農(nóng)林業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，政府部門加強(qiáng)政策引導(dǎo)，各級(jí)相關(guān)單位增大宣傳力度，選派專業(yè)技術(shù)人員深入果樹種植第一線進(jìn)行培訓(xùn)和指導(dǎo)，進(jìn)一步促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的推廣應(yīng)用。

　　2、水肥一體化技術(shù)涉及到農(nóng)田水利、農(nóng)業(yè)機(jī)械、栽培管理、土壤營養(yǎng)、自動(dòng)控制、信息管理、農(nóng)業(yè)經(jīng)營管理等眾多學(xué)科，應(yīng)增強(qiáng)學(xué)科間的學(xué)術(shù)交流，彼此促進(jìn)，共同提高，形成水肥一體化技術(shù)集成，為果樹種植高效高質(zhì)高產(chǎn)提供有力的技術(shù)支撐。

　　3、為全面推動(dòng)水肥一體化技術(shù)的普及應(yīng)用，必須研發(fā)更多性能優(yōu)良、安裝方便、操作簡(jiǎn)易、成本低廉、適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠的高性價(jià)比成套灌溉設(shè)備、施肥設(shè)備和自動(dòng)控制設(shè)備。

　　4、相關(guān)設(shè)備和控制系統(tǒng)的使用需要一定的操作管理水平，須加強(qiáng)對(duì)相關(guān)人員的技術(shù)指導(dǎo)和培訓(xùn)，培養(yǎng)一批能獨(dú)立操作和使用該項(xiàng)技術(shù)的專業(yè)人員來切實(shí)做好系統(tǒng)的日常維護(hù)保養(yǎng)工作。

　　5、加強(qiáng)不同果樹水肥耦合下高效機(jī)理的研究，不斷優(yōu)化灌溉施肥制度，全面提升農(nóng)田水肥利用效率;編制成熟的專家系統(tǒng)及自動(dòng)控制應(yīng)用程序，為果樹的生長提供合理、精準(zhǔn)的灌溉、施肥制度。

　　6、研究太陽能供電的WIFI或3G果園監(jiān)控圖像、視頻采集傳輸、報(bào)警裝置等系統(tǒng)。

　　7、探尋適應(yīng)果樹栽培的新型種植生產(chǎn)方式，研究適用于實(shí)施果園機(jī)械化作業(yè)的水肥一體化模式。

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　　作者簡(jiǎn)介

　　闕寧磊，男，1961年10月，上海市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，高級(jí)工程師，農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域。上海市閔行區(qū)南華街55號(hào)，021-62200610-201，quenl@sina.com。