智能水肥一体化灌溉施肥研究

来源:华文易迅 时间:2022-08-25 09:00:00

水肥一体化技术是现代农业生产中同时作用于作物根系的一种新型节水灌溉技术，目前已逐渐成为一种发展趋势，自动化灌溉施肥技术被认为是目前提高养分利用率最有效的方法之一[1]。灌水施肥的主要优点是均匀、精确，在控制灌水量、施肥量、施肥时间等参数方面都能保持较高的稳定性和精确度，以提高水肥利用率。避免施肥在表土干燥时造成挥发损失、缓慢溶解，最终导致肥效发挥缓慢，既能节约氮肥，又能保护环境。水肥一体化技术已在设施农业栽培中得到广泛应用[2]、果园(3)、棉花等大田作物(4)种植[4]，并在其它作物(5)上有显著的经济效益，取得了显著的经济和社会效益[6]。研究开发和推广高效的水肥一体化技术具有重要的应用价值。

先后推出了一台水肥一体机，通过不断升级优化机械结构，大大减少了人工，提高了生产效率[7]。但是，传统的水肥机不能在配比过程中获得水肥浓度的信息，因此不能实现自动配比，也不能实现肥料减施。近年来，智能水肥一体化设备通过增加水、肥等流量传感器来控制施肥量，以间接地感知水肥浓度，从而提高肥料利用率[8]，这类方法是通过实现灌溉液的动态调节来实现节水增效。国内外的研究工作者对智能水肥一体化灌溉施肥作了大量的工作。王成[9]、韦立德[10]和韩启彪[11]对传统的灌溉施肥系统进行了研究和优化，使其可直接应用于灌溉施肥自动控制系统；付强等[12]，刘永华等[13]，赵景波等[14]和吴琦等[15]从智能调控设备、智能吸肥设备和智能施肥算法等不同方面开展智能水肥一体化施肥研究，大大提高了传统水肥一体化灌溉施肥系统的智能化程度。Yermiyahu等[16]以色列使用传感器网络远程监测作物的水肥状况，从而实现了综合灌溉和施肥。Pawlowski等[17]在西班牙温室灌溉过程预报控制方案中，建立了水分模型触发作物灌溉施肥系统来完成精确的水肥施用。Jayakumar等[18]研究了印度南部椰子的生长参数与自动喷灌系统的相关性，从而开发出一种高性能的椰子灌溉施肥设备。对特定的作物和特定情景进行了优化，但缺乏一般性，没有很好的推广应用。智能化灌溉施肥硬件也有了一定的发展，主要的水肥一体化设备有以色列的Netajet自动施肥机、Fertijet施肥机。

[19]，国内WGF-6-12自动施肥机[20]、SYJ-2型液肥变量施肥机[21]和旁路吸肥自动施肥机[22]等，促进了节水灌溉与施肥新技术的应用和发展。但是，这类自动施肥装置需对农田灌溉设备进行升级改造，费用大，后期维护费用高。

随着物联网、云计算、人工智能等技术的迅速发展，为水肥一体化灌溉施肥提供了新的思路与方法[23]。赵进等[24]研究开发了一套基于物联网远程控制技术的水肥一体化智能系统，将物联网远程控制技术引入到肥水一体技术中；江新兰等[25]开发了基于两线解码技术的水肥一体化灌溉系统，系统控制结构的复杂性有所下降；骆东松、姜浩[26]设计了农业水肥一体化智能监测系统，利用物联网和传感器技术实现远距离灌溉与施肥；姜岩等[27，28]将农业专家系统和物联网技术相结合，提出了基于专家系统的水肥智能系统，对氮磷、钾、钾进行优化。但是，上述智能化一体化肥水设备主要针对一种氮、磷、钾肥，而农户实际使用化肥生产的复合水溶肥，设置不同的施肥输入输出装置来进行施肥，不但增加了管道系统的复杂程度，而且大大增加了成本。与此同时，农民为了降低成本，更倾向于使用当地的天然水体来施肥。所以，对于复合肥及本地水体，直接原位准确感知配比各环节的水肥浓度，从而精确调节肥水比例，对于明显提高肥料利用率具有重要现实意义。

首先，本文以水肥一体化智能灌溉施肥系统为研究对象，针对当地农区时复合肥精确配肥的需要，创新性地提出了可用于现场的水肥浓度智能配比思想，本文从水肥浓度智能感知方法、水肥浓度智能感知模型、水肥浓度智能感知模型、精确配比系统等方面进行了深入的研究，以一级原位水肥浓度为模型，建立了一套二次水肥精确配比体系，建立了第一级原位水肥浓度模型，并集成了无触点电导仪，在此基础上，利用数据分析算法，从传感器实时监测的一系列浓度梯度的肥料溶液中，建立了一套智能感知和精确配比系统，并对模型进行优化。然后构建了水肥浓度智能感知与精确配比系统框架，并通过3种水体模拟在线施肥试验，验证了系统的有效性，并同时评价了电导率对水肥配比浓度的影响。本文所提出的在线水肥智能感知与精确配比系统具有系统结构简单、肥水配合精确、成本低廉等优点，易于与现有的水肥一体化或人工配肥系统相结合，在设施农业栽培、果园栽培、经济作物栽培等环境条件下的精量配比及智能施肥，具有一定的实用推广价值。