□國家農業(yè)智能裝備工程技術研究中心設施工程部主任、研究員 郭文忠

水肥一體化是當前世界公認的一項高效節(jié)水節(jié)肥的農業(yè)新技術，主要根據土壤特性和作物生長規(guī)律，利用灌溉設備同時把水分和養(yǎng)分均勻、準確、定時定量地供應給作物。近年來，為了推行水肥一體化技術，我國出臺了一系列政策、農業(yè)部下發(fā)了一系列文件。水肥一體化得到了我國政策和經濟上的大力支持，也得到了廣泛的運用。

水肥一體化技術的發(fā)展

自20世紀60年代，發(fā)達國家已大范圍推廣應用灌溉施肥技術，荷蘭、以色列和日本等發(fā)達國家如今技術相當成熟。我國的水肥一體化技術自1974年由墨西哥引進滴灌設備算起，也有近40年的發(fā)展歷史。最初我國幾乎所有大型設備都從發(fā)達國家引進，但由于國內的農業(yè)生產模式、農業(yè)生產結構、農業(yè)生產區(qū)域都是比較復雜的，這些設備要適應我國農業(yè)環(huán)境比較困難。隨著科技的發(fā)展，我國也根據實際需求自主研發(fā)了一些適用于國內的自動化灌溉和水肥供給系統，并在生產中得到了應用。

目前國內應用的眾多灌溉施肥裝備缺乏水肥的智能決策及配套系統技術，且基于時間控制策略與作物環(huán)境相關性不強、水肥決策的智能化水平低、普及性并不樂觀，尤其針對規(guī)?；a區(qū)的水肥管理，尚缺少大型園區(qū)或基地水肥綜合管理系統?？梢?，我國在水肥一體化方面急需一套成熟實用、普及廣、功能穩(wěn)定以及配套齊全的科學產品，特別是針對大規(guī)模生產基地多作物水肥管理的裝備及配套需求迫切。

水肥一體化設備分類眾多

水肥一體化裝備根據不同的劃分標準有不同的分類，主要有以下分類標準：

根據認識分類，可分為傳統水肥一體化技術和現代水肥一體化技術。傳統水肥一體化技術是將可溶肥料溶解到水里，使用棍棒或機械攪拌，通過田間放水灌溉或田間管道，更進一步的還通過添加的滴灌或微噴灌等裝置均勻地進入田間土壤中，被作物吸收利用。現代水肥一體化技術則通過實時自動采集作物生長環(huán)境參數和作物生育信息參數，通過模型構建耦合作物與環(huán)境信息，智能決策作物的水肥需求，通過配套施肥系統，實現水肥一體精準施入。

根據設備施肥通道分類，分為單通道水肥一體化設備和多通道水肥一體化設備。單通道水肥一體化設備主要是針對作物需肥簡單，用于單一肥料來源設計開發(fā)的小型自動或智能灌溉施肥機，只有一個吸肥通道，結構緊湊，便于拆卸，操作簡便，價格低廉，故障率低。多通道水肥一體化設備針對作物在不同生育期需肥不同能夠及時調整肥料成分而開發(fā)的大中型灌溉施肥機，由多個吸肥通道，可設定配比比例，啟動程序和系統自動配比。

根據回液是否處理，可分為開放式水肥一體化設備和封閉式水肥一體化設備。開放式水肥一體化設備是針對溶解肥料或營養(yǎng)液不回收的水肥一體化系統開發(fā)的灌溉施肥機。多用于土壤栽培或不做回收系統的基質栽培，無回收系統和過濾消毒凈化系統。封閉式水肥一體化設備針對于溶解肥料或營養(yǎng)液可回收的水肥一體化系統開發(fā)的灌溉施肥機。多用于水培、霧培或有回收系統的基質栽培，需要做回收系統和過濾消毒凈化系統。

根據肥料和水源的配比方式來分類，可分為機械注入式設備、自動配肥式設備和智能配肥式設備。機械注入式是指在灌溉時，采用人工、泵、壓差式施肥罐或文丘里吸肥等裝置將肥料倒入或注入直接灌溉田間的小水渠或水管中，隨灌溉水使用肥料的一種措施。自動配肥式是在灌溉配肥時，根據作物的灌溉施肥的指標或閾值，設定肥料配比程序，通過文丘里或施肥泵，采用工業(yè)化控制程序，控制電磁閥，實現肥料的自動配比，是目前常用的自動化配比方式。智能配肥式是根據作物的生育期不同的施肥需水特征，耦合生產區(qū)環(huán)境因素構建智能決策模型，經過電腦運行計算，智能判斷控制系統執(zhí)行水肥一體化設備系統完成灌溉施肥。

根據灌溉施肥機的控制決策來分類，有經驗決策法、時序控制法、環(huán)境參數法和模型決策法。經驗決策法完全憑借生產者/管理者在長期工作中積累的經驗以及解決問題所形成的慣性思維方式，對具體作物生產過程中水肥施用時間和用量的決策判斷。時序控制法一般則根據當地的土壤類型、氣候及作物的生長狀況等實際情況，由管理者/用戶對灌溉和施肥的啟動及關閉時間進行提前設定，從時間尺度上控制水肥用量。環(huán)境參數法通過采集環(huán)境信息，主要是光照輻射積累量或者土壤含水量，主要依據對作物生長具有重要影響的某一環(huán)境參數控制水肥的施用時間及用量，在控制程序中設定閾值，也有將多個關鍵環(huán)境參數進行耦合而實現水肥控制的方法。模型決策法根據不同作物的水肥需求特征，構建基于物聯網技術的灌溉施肥模型，采集田間作物生長信息和環(huán)境信息，經過運算形成水肥管理決策，智能控制灌溉施肥機運行配肥和田間灌溉動作，這是最高級的控制決策方法，也是智能水肥一體化設備重要體現。

根據灌溉施肥的運行方式來分類，有將灌溉施肥機安裝在大型移動噴灌機，隨著噴灌機的移動進行灌溉施肥，也有灌溉施肥機安裝在卡車上，分片區(qū)操作，可減少管道的鋪設或減少安裝施肥機的數量。

根據肥料形式來分類，存在無機水肥一體化系統和有機水肥一體化系統。無機水肥一體化系統是針對化學合成方法生產的單一型或復合型水溶性肥料的施用設計開發(fā)的水肥一體化系統，用于土壤栽培和無土栽培的非有機生產中。該系統可配備單一吸肥通道或多個吸肥通道，分別用于復合型無機肥施用，及氮、磷、鉀等多種單一型無機肥源的配比混合施用。有機水肥一體化系統是針對液態(tài)有機肥源的制備和施用設計開發(fā)的，它由有機液肥發(fā)酵子系統和有機灌溉液肥管理子系統兩部分組成，與微灌灌溉系統結合，在有機農業(yè)生產的水肥管理中應用。有機液肥發(fā)酵子系統主要包括發(fā)酵罐體、循環(huán)系統、供氧系統和多級過濾系統等，用于制備有機液肥；有機灌溉液肥管理子系統包括有機灌溉液濃度控制系統和灌溉管理系統。

根據管理規(guī)模來分類，存在單體或小規(guī)模水肥一體化管理系統和大規(guī)模水肥一體化管理系統。單體或小規(guī)模水肥一體化管理系統主要是針對單體溫室或小面積的作物生產而開發(fā)的小規(guī)模灌溉施肥管理系統，作物種類單一，需肥簡單，可以自動實現作物不同生育階段的肥料配比，在自動控制模式下根據作物生長階段、光照強度和土壤條件等實現實時、適量、自動、智能灌溉施肥。大規(guī)模水肥一體化管理系統主要是針對大面積的多種作物生產而開發(fā)的大規(guī)模灌溉施肥智能管理系統，多用于農業(yè)園區(qū)和生產基地的水肥管理，需要做配肥站、儲肥罐和多個分區(qū)監(jiān)測站；可設定作物種類、啟動程序自動實現不同作物的肥料配比、溶解、混勻和輸送等。這種設備基于不同作物生長規(guī)律和環(huán)境條件融合的灌溉施肥決策模型，可以實現整個農業(yè)園區(qū)或生產基地水肥綜合管理。

未來，水肥一體化發(fā)展方向為：第一，結合互聯網和水肥智能管理，使用指標決策和邏輯決策共同構建大規(guī)模水肥一體化管理系統。第二，探索大型園區(qū)或基地高效節(jié)約低耗的水肥管理模式，實現作物生產基地的水肥管理的互聯互通。第三，建立區(qū)域性或全國性水肥管理網絡，促進我國農業(yè)的信息化和智能化發(fā)展。