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智能水肥一體化技術(shù)與裝備的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 

摘要: 針對目前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在的水肥投入量大、產(chǎn)出低，各類要素綜合利用效率低的現(xiàn)狀，本文論述了水肥一體化技術(shù)在節(jié)水、節(jié)肥、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量、減少病蟲害發(fā)生并降低農(nóng)業(yè)污染等方面所具有的突出優(yōu)勢，并被認(rèn)為是目前改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀的重要關(guān)鍵技術(shù)之一。智能水肥一體化技術(shù)的開發(fā)、應(yīng)用和推廣更是一項加速升級傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)管理模式、促進我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的新的模式和技術(shù)途徑，可有力支撐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。本文綜述了現(xiàn)有水肥一體化技術(shù)的發(fā)展研究與應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的缺憾和不足，并指出了該技術(shù)與裝備的發(fā)展方向及關(guān)鍵技術(shù)。

1. 引言

截止到2019年的年底，我國人口已突破14億人，隨著城鎮(zhèn)化率的提高和城鎮(zhèn)化速度的不斷加快，人均耕地占有面積逐步呈現(xiàn)越發(fā)緊張的態(tài)勢。同時，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民群眾生活水平的不斷提升，大眾對物質(zhì)生活提出了更高的要求，亟需農(nóng)業(yè)領(lǐng)域提供門類差異、質(zhì)優(yōu)價廉、層次多樣的農(nóng)產(chǎn)品。因此，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨著單位面積產(chǎn)量與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量雙重加速升級的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。同時，隨著農(nóng)業(yè)人口向城鎮(zhèn)的不斷聚集，直接從事農(nóng)業(yè)勞動的總量人數(shù)，尤其是青壯年人數(shù)出現(xiàn)大幅下降，因此農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨規(guī)?；a(chǎn)趨勢尤其緊迫，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須依托機械化、自動化和智能化的技術(shù)和手段來替代傳統(tǒng)的作業(yè)與運營模式，以不斷提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率和效益。

眾所周知，支撐農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的最為關(guān)鍵的資源為水資源，而我國水資源嚴(yán)重缺乏，人均淡水量僅占世界人均淡水量的1/4。據(jù)統(tǒng)計，目前農(nóng)業(yè)領(lǐng)域每年灌溉用水的缺口就達(dá)300億立方米以上，而且在我國的很多地區(qū)農(nóng)業(yè)用水方式極不合理，存在大量浪費現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計分析，目前我國農(nóng)業(yè)用水有效利用率平均不到40%左右，與發(fā)達(dá)國家(如美國、日本、西歐等)農(nóng)業(yè)用水有效利用率80%的狀況差距較大，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在節(jié)水方面還有很大的提升空間。同時，我國作為一個肥料生產(chǎn)和消費大國。每年使用的肥料約占世界總施肥量的1/3，達(dá)到6000多萬噸，但肥料的有效利用率逐年降低，自1980年至2014年，我國化肥施用總量增長4.5倍左右，而同期我國各類糧食產(chǎn)量的總量僅增長了82.8%，化肥消耗量增速遠(yuǎn)超過糧食產(chǎn)量的增速，目前平均僅有30%左右被作物生長所吸收，很多地區(qū)的農(nóng)戶為了追求高產(chǎn)量，而一味增加化肥的施肥量，這種不根據(jù)農(nóng)作物自身生長發(fā)育營養(yǎng)元素的需求，盲目增加施肥的方式，不僅造成了大量的肥料浪費，還帶來土壤板結(jié)、酸化等一系列隱患，非常不利于我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)農(nóng)業(yè)部公布的數(shù)據(jù)，現(xiàn)行我國農(nóng)作物畝均化肥用量達(dá)到21.9公斤，遠(yuǎn)高于世界平均水平的每畝8公斤，是美國用量的2.6倍，歐盟用量的2.5倍。綜上來看，水肥用量的高投入與高消耗、低效能產(chǎn)出已成為制約我國農(nóng)業(yè)實現(xiàn)持續(xù)健康發(fā)展的攔路虎和絆腳石 ，必須通過科技手段予以攻克和解決。

水肥一體化技術(shù)是當(dāng)今世界公認(rèn)的一項高效節(jié)水、保肥、低污染、綠色與可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)，其實現(xiàn)方法通常一般提前按比例將水和肥料混合，借助管路的壓力直接輸運到作物營養(yǎng)物質(zhì)的吸收區(qū)(根部)，快速、穩(wěn)定、精準(zhǔn)地完成灌溉施肥的全過程，在業(yè)界又被稱為灌溉施肥、水肥耦合等 。這一技術(shù)不僅實現(xiàn)了水肥的高效綜合利用，還能有效控制作物根系的濕度(特別是溫室大棚)，減少了作物病蟲害發(fā)生的概率以及農(nóng)藥的使用量，在節(jié)約成本投入的同時，可大幅降低對水土的污染 。不僅如此，水肥一體化技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用在改善土壤品質(zhì)、保持土壤營養(yǎng)物質(zhì)、防止土地鹽漬化、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量方面也有顯著效果，目前被越來越多的大型農(nóng)場所采用。水肥一體化技術(shù)自誕生以來，尤其是在最近幾十年的發(fā)展過程中，許多國家(尤其是發(fā)達(dá)國家)在水肥一體化技術(shù)開發(fā)方面投入了巨大精力，尤其是研制了大量的水肥一體化裝備及相關(guān)的元器件，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效低耗發(fā)展做出了巨大貢獻。

2. 國內(nèi)外水肥一體化技術(shù)應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

2.1. 國外水肥一體化技術(shù)研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

水肥一體化技術(shù)的核心和起點是滴灌技術(shù)，誕生于19世紀(jì)的中后期，在20世紀(jì)的中期之后，伴隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，滴灌技術(shù)的發(fā)展逐漸走上了快車道并趨于不斷完善和成熟，在之后的50年時間里，水肥一體化技術(shù)在全世界迅猛發(fā)展。作為一個最嚴(yán)重缺水的國家之一，20世紀(jì)60年代初以色列逐漸開始在國內(nèi)普及水肥一體化技術(shù)，并在1964年建成了覆蓋全國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的水肥一體化灌溉系統(tǒng)，肥料溶解到水中進行滴灌的灌溉模式應(yīng)用面積占全國耕地的一半以上，到了80年代初期，經(jīng)過近20年的技術(shù)發(fā)展，以色列水肥一體化技術(shù)更加成熟，施肥管控系統(tǒng)和作業(yè)模式更加精準(zhǔn)化、自動化和智能化，目前水肥一體化作業(yè)模式已覆蓋以色列80%以上的灌溉耕地，研發(fā)出灌溉施肥技術(shù)Netafim和Bermad舉世聞名，引領(lǐng)世界水肥一體化的發(fā)展方向。

同時，作為世界上最大的經(jīng)濟體和發(fā)達(dá)國家，美國在20世紀(jì)初期就建成其國內(nèi)第一個滴灌工程，其目前是世界上微灌面積最大的國家，并握有大量的肥料和水肥一體化裝備的專利技術(shù)，在其國內(nèi)農(nóng)業(yè)比較發(fā)達(dá)的州，已建立了比較完善的水肥一體化設(shè)施及服務(wù)體系 。西歐國家的荷蘭，在50年代初期開始廣泛利用水肥一體化技術(shù)大力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，研制和開發(fā)了大量適于水肥一體化應(yīng)用的精確配比的各類液體肥料和對應(yīng)的施肥裝備。目前，舉世聞名的荷蘭溫室無土栽培技術(shù)和控制方式已經(jīng)完全實現(xiàn)了自動化控制，荷蘭開發(fā)的著名的Priva技術(shù)和HortiMax技術(shù)目前已經(jīng)在世界其他國家廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟效益和社會效益 。另外，其他發(fā)達(dá)國家如德國、澳大利亞、日本等國也非常重視水肥一體化技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，目前這些發(fā)達(dá)國家在水肥一體化技術(shù)方面的研究投入很大，發(fā)展也比較迅猛。尤其是澳大利亞，該國在國內(nèi)大力推行國家水安全計劃，從國家層面重視水肥一體化技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，逐步建立土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)用以指導(dǎo)施肥 。目前，部分發(fā)達(dá)國家的水肥控制系統(tǒng)運用了傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)，采集環(huán)境數(shù)據(jù)信息，根據(jù)數(shù)據(jù)信息的需要，控制系統(tǒng)及時調(diào)整外部設(shè)備和水肥的配比，個別地方基本實現(xiàn)了智能化灌溉施肥 。

2.2.國內(nèi)水肥一體化技術(shù)應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

我國于1974年從墨西哥引進滴灌技術(shù)，并購置了部分設(shè)備開始進行小范圍的種植實驗和探索，自此開啟了我國水肥一體化技術(shù)的研究先河。1980年，我國成功自主研制出了第一代適于某些區(qū)域應(yīng)用的水肥一體化滴灌裝備，同時在國家“863計劃”、“科技支撐計劃”以及一些地方科研投入的大力支持下，我國的水肥一體化技術(shù)與裝備研發(fā)逐漸進入了快車道。尤其是自1995年以后，國家逐漸加大了對水肥一體化技術(shù)的支持力度，進入21世紀(jì)以后，我國逐漸開始將理論研究和技術(shù)開發(fā)與實踐經(jīng)驗緊密結(jié)合起來，在大量專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)、系列化的水肥一體化裝備和控制系統(tǒng)等方面，均有了突飛猛進的發(fā)展。目前，蔬菜尤其是溫室大棚內(nèi)各類作物、水果、玉米、小麥、棉花等作物的水肥一體化技術(shù)已經(jīng)進入了規(guī)?；瘧?yīng)用階段，特別需要說明的是，我國新疆大力實施的棉花膜下滴灌與施肥技術(shù)已達(dá)到國際領(lǐng)先水平。隨著科技的進步和國家在水肥一體化技術(shù)和裝備方面研發(fā)投入加大，我國在水肥一體化灌溉施肥耕地面積上將邁上一個大的臺階。

3. 智能水肥一體化技術(shù)目前存在的系列問題和不足

水肥一體化技術(shù)和裝備研發(fā)方面目前雖取得了較大的進步，但在應(yīng)用中還存在系列問題和不足，與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藝的需求還存在很大的差距，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 智能水肥一體化裝備所需的精準(zhǔn)傳感器嚴(yán)重缺失，作業(yè)方式粗放、細(xì)節(jié)還不可控

水肥一體化系統(tǒng)需要構(gòu)建智能監(jiān)測系統(tǒng)，而該系統(tǒng)需大量不同的傳感器，但現(xiàn)階段我國嚴(yán)重欠缺各類精度的傳感器，特別是測量土壤肥料元素及含量的傳感器，現(xiàn)有的土壤元素傳感器測量速度慢，測量精度低且極易受污染失效，不能滿足應(yīng)用需求。另外，目前我國使用的很大一部分設(shè)備是簡易性的水肥一體化裝備，主要是施肥槍和水槍改造的施肥器，通過施肥槍將配置好的肥料直接注入作物根系周邊的土壤 ，這類裝備結(jié)構(gòu)簡單、操作和使用方便，但是用量很難控制。另外，對于丘陵山區(qū)地區(qū)，利用肥池與田地之間的高度差產(chǎn)生的重力，通過開關(guān)控制水量和肥量，將水肥輸送到灌溉位置，但該裝置受水壓變化大，混肥不均勻，施肥精度低，難易精確控制。

2) 作物生長模型嚴(yán)重缺乏，肥料與水的混合比例缺乏理論依據(jù)，水肥的用量均是靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗

實現(xiàn)智能決策需要大量的作物生長發(fā)育模型構(gòu)建生長模型庫，但我國現(xiàn)有的作物生長模型不足以構(gòu)建準(zhǔn)確的模型庫。一種作物生長模型的建立需要花費大量的人力、物力和時間，僅一種作物的生長模型就需要進行大量的對比觀察實驗，觀察時間以年為單位，耗時持久花費眾多，且具有很大的不確定性。目前，廣泛應(yīng)用的壓差式施肥罐就存在此類問題，該設(shè)備在工作時通過前后進出口的壓力差，使水進入灌體，將充分混合的肥液壓入灌溉管路，但水肥配比不易控制，且需多次添加肥料，添加量也沒有依據(jù)，全靠經(jīng)驗。此外，在操作過程中，供肥用的注肥泵如受外界或管路的影響，肥液進入管路的流量不穩(wěn)定，容易造成水肥配備不均勻，導(dǎo)致不同時間點的施肥量差距較大。

3) 智能水肥一體化裝備控制的精準(zhǔn)算法嚴(yán)重欠缺，還沒有完整的體系支撐

生物模型建立、數(shù)據(jù)處理以及自動控制等方面都需要精準(zhǔn)的算法支撐，我國精準(zhǔn)算法發(fā)展研究較快，已經(jīng)接近國際頂尖算法的研究水平，而且部分精準(zhǔn)算法的研究成果也部分應(yīng)用于我國水肥一體化裝備研發(fā)中，這部分裝備的控制精度目前也有了明顯的改善和提高，但在不同地域的適應(yīng)性還有待進一步的提高。

4) 適于水肥一體化智能管控與應(yīng)用的肥料供給嚴(yán)重不足

目前，我國液體肥料嚴(yán)重欠缺，很多液體需要從國外進口。我國最常用的肥料還是以水溶性肥料為主，現(xiàn)有的這些水溶性肥料在和水混合后，大多存在溶解效果較差、容易出現(xiàn)沉淀、雜志含量高等突出問題，很容易出現(xiàn)水肥配比濃度不均勻、且不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致在后續(xù)滴灌中易出現(xiàn)堵塞灌溉管路和滴頭的問題。此外，目前市面上銷售的肥料大多具有腐蝕性，灌溉和施肥所用的裝備與元器件經(jīng)常受到腐蝕和侵蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備的使用壽命大幅縮短。尤其需要特別說明的是，由于傳感器的精度和信息提取能力極易受腐蝕的影響，因此現(xiàn)有的肥料很容易造成現(xiàn)有傳感器有限使用壽命的降低和使用周期內(nèi)靈敏度降低等問題，給水肥一體化整個系統(tǒng)造成很大的損失和破壞。

5) 現(xiàn)有設(shè)備的地域適應(yīng)性差、自適應(yīng)能力不高

目前我國大部分的水肥一體化裝備應(yīng)用的領(lǐng)域較為集中，如棉花、果樹、大棚蔬菜等，且一套裝備只適用一種或者兩種作物，而且需要進行繁瑣的調(diào)整，不能或者很難實現(xiàn)一機多用，適應(yīng)性較差，給農(nóng)戶增加了較多的成本。不僅如此，部分裝備由于研發(fā)的理論和簡化模擬等步驟，以及實驗環(huán)境和條件的不利，使研發(fā)的設(shè)備僅適用于特定的地區(qū)與環(huán)境，普適性較差，實際應(yīng)用還存在不少問題。

6) 其他問題

除上述列舉的問題外，在我國部分干旱地區(qū)還存在水分蒸發(fā)過快，長期使用水肥一體化設(shè)備出現(xiàn)的土壤鹽漬化現(xiàn)象如何解決的問題；長時間灌溉過程中滴頭出現(xiàn)的化學(xué)堵塞和生物堵塞現(xiàn)象；水肥一體化技術(shù)涉及機械、電子、農(nóng)學(xué)、植保等多學(xué)科的交叉，目前在該技術(shù)開發(fā)等方面還面臨技術(shù)儲備不足，還缺乏專門的研發(fā)人才等。

4. 智能化水肥一體化技術(shù)與裝備發(fā)展方向

下面以圖1所示的水肥一體化田間作業(yè)為例，探討后續(xù)智能化的水肥一體化技術(shù)和裝備的發(fā)展方向和特征。

1) 實時智能監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)將助力水肥一體化向智能化方向發(fā)展：實時智能監(jiān)測系統(tǒng)(如圖1中環(huán)境監(jiān)測)可實時監(jiān)測作物的生長發(fā)育狀況以及作物生長環(huán)境的變化，包括溫度、濕度、氣流速度、CO2濃度、土壤各元素的含量、土壤的PH值等，而作物的生長發(fā)育以及各個時期所需要的水、肥、光、溫等由其自身屬性所確定，也就是由作物的生長模型來確定。這就需要對水肥的“供給側(cè)”進行測定，以作物生理性的需要為出發(fā)點，建立作物的生長模型，以此模型根據(jù)不同的生長期計算核準(zhǔn)所需提供作物根部土壤的含水率(墑情，以地塊中設(shè)置的傳感器為數(shù)據(jù)依據(jù)進行綜合判定)，并將該數(shù)據(jù)實時提供給基于環(huán)境監(jiān)測與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的智能監(jiān)測系統(tǒng)，綜合判定水肥的供給與否、供給量的多少為宜。因此，實時智能監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)是水肥一體化技術(shù)必須克服的首要問題。

2) 大功率無線遠(yuǎn)程高精度傳感器技術(shù)開發(fā)：如圖1中地塊1中水肥測定傳感器需要提取并生成控制系統(tǒng)可認(rèn)可的數(shù)據(jù)，作物周邊土壤中的各類肥料含量、土壤中水分的含量均需要精準(zhǔn)測定并將信號傳輸給水肥一體化裝備的控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)根據(jù)作物生長模型的模擬數(shù)據(jù)進行判斷，是否啟動設(shè)備進行水肥的供給，而在供給過程中，傳感器需要進行不間斷的檢測水肥滴灌中各個參數(shù)的變化，并準(zhǔn)時提供給控制系統(tǒng)，改變設(shè)備允許的狀態(tài)。上述工作必須依附于大功率無線遠(yuǎn)程高精度傳感器的支持作用。

3) 智能遠(yuǎn)程自動控制技術(shù)的開發(fā)：當(dāng)智能監(jiān)控系統(tǒng)將采集的環(huán)境的數(shù)據(jù)信息、肥料存儲裝置中肥料的量值、并結(jié)合智能數(shù)據(jù)算法，實時監(jiān)測水肥配比和流量數(shù)值，通過自動控制設(shè)備的運轉(zhuǎn)和閥塊的閉合，并在運轉(zhuǎn)中適時對肥液的濃度進行自動的調(diào)整，能夠自行完成自動灌溉與施肥。

4) 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)集成與分析技術(shù)：根據(jù)前述的實時智能監(jiān)測系統(tǒng)，能夠根據(jù)生產(chǎn)要素進行作物長勢的剖析、作物成熟度、產(chǎn)量等的分析，并對后續(xù)測土配方施肥、病蟲害預(yù)警分析等，為后續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供智能化的指導(dǎo)。

5. 結(jié)論

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須堅持高科技技術(shù)手段支撐下的高效低耗的戰(zhàn)略決策，水肥一體化技術(shù)在提高水肥的綜合利用率、改善土壤性質(zhì)提升地力、減少農(nóng)業(yè)污染和提升作物品質(zhì)方面具有顯著優(yōu)勢，必定是支撐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的支柱技術(shù)之一，也是改變我國由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代節(jié)約水肥、綠色可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式的必由之路，尤其是智能水肥一體化技術(shù)的開發(fā)、推廣和大范圍應(yīng)用，是實現(xiàn)我國由農(nóng)業(yè)大國到農(nóng)業(yè)強國的重要途徑和手段。隨著傳感器技術(shù)、信號及其無線傳輸技術(shù)、智能遠(yuǎn)程自動控制技術(shù)、大數(shù)據(jù)提取與數(shù)據(jù)處理/分析技術(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與精準(zhǔn)算法及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和在水肥一體化技術(shù)及裝備中的推廣應(yīng)用，將進一步推動我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)沿著綠色、可持續(xù)、高效低耗的方向快速發(fā)展，為“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略的實施貢獻科技的力量和支撐。

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