陳金龍 趙麗麗 吳德根 李俊松

導(dǎo)讀：在安徽和縣試點開展3.3 hm2針對復(fù)式日光溫棚二代棚體的農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)水肥一體化試驗探索，為復(fù)式日光溫棚二代棚體實施物聯(lián)網(wǎng)水肥一體化工作提供典型示范，同時指出試驗需要改進(jìn)的地方，對農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展也提出了相應(yīng)的參考建議。

安徽和縣是傳統(tǒng)蔬菜生產(chǎn)大縣，常年蔬菜種植面積達(dá)28 681 hm2，其中大棚蔬菜約13 340 hm2，被譽為“中國蔬菜之鄉(xiāng)”、長江中下游地區(qū)“最大的菜園子”。目前，蔬菜種植棚體大致可分為老百姓常用的簡易竹架大棚、蔬菜種植大戶采用的鋼架大棚和連棟大棚3種，為帶動典型示范，做到以點帶面，選擇復(fù)式日光溫棚二代棚體開展“農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化”探索，該棚體是一種能實現(xiàn)高架越冬栽培的新型棚體，建造成本低、保溫性能好、透光性和抗逆性強，其已通過安徽省科技成果鑒定并成功申請專利，目前該棚體廣泛應(yīng)用于和縣及周邊蔬菜種植大戶的蔬菜生產(chǎn)中。

1 試驗情況

1.1 試驗背景介紹

為了適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需要，著力發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+”，安徽省氣象局2015年初在全省布設(shè)農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)試點，為發(fā)揮當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)特色作用，農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)落戶和縣自然而然就應(yīng)用于蔬菜大棚。

蔬菜大棚傳統(tǒng)灌溉方式還是以噴灌為主，施肥以基地人員按照日常化肥配比進(jìn)行，人工手搖卷簾卷膜進(jìn)行大棚通風(fēng)。為改變這一現(xiàn)狀，提高蔬菜大棚的精準(zhǔn)自動灌溉施肥，智能開關(guān)卷簾卷膜實現(xiàn)大棚通風(fēng)，和縣氣象蔬菜專家聯(lián)盟專家多次召開研討會，就新時期農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)如何在蔬菜生產(chǎn)過程中更好地發(fā)揮作用進(jìn)行了深入探討，一致認(rèn)為可以通過實施農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)試點，與蔬菜生產(chǎn)結(jié)合的方式延伸開展“農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化”復(fù)式日光溫棚試驗，徹底改變大棚蔬菜的灌溉施肥方式，解放人工勞力，由單純的人工開啟設(shè)備到通過物聯(lián)網(wǎng)智能化開啟設(shè)備，切實提高智慧農(nóng)業(yè)的含金量，彰顯農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)科技內(nèi)涵。

圖1 鋪設(shè)滴灌管（帶）

圖2 水肥一體化自動灌溉系統(tǒng)

圖3 安裝電動卷膜

圖4 “農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化”試驗平臺展示

和縣歷陽鎮(zhèn)綠源蔬菜種植基地坐落于城西勝利村，離縣城8 km的路程，交通便捷?；毓灿写笈锝?3.3 hm2，采用三方合作方式共建，即氣象局、蔬菜局和歷陽鎮(zhèn)政府合作共建，選取其中一處有代表性地塊，37個大棚，約3.3 hm2作為“農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化”復(fù)式日光溫棚試驗地。

1.2 試驗?zāi)康?/h3>

該“農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化”復(fù)式日光溫棚試驗，通過物聯(lián)網(wǎng)主機分析來自氣象站與傳感器系統(tǒng)捕捉到的土壤墑情信息、大氣信息和其他氣象信息，控制泵房和水肥一體化施肥機的啟閉和大棚自動卷膜系統(tǒng)的啟閉，整個過程可由物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)智能控制；也可通過手機終端或PC終端遠(yuǎn)程監(jiān)視控制，通過遠(yuǎn)程控制，結(jié)合植物生長的水肥需求，做出補水施肥決策，啟動灌溉和施肥設(shè)備，將水分和肥料滲透植物根部，實現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化”智能自動灌溉，同時結(jié)合大棚內(nèi)溫度探測數(shù)據(jù)，開關(guān)大棚卷膜，實現(xiàn)大棚實時通風(fēng)，真正實現(xiàn)以網(wǎng)連物、以物聯(lián)網(wǎng)；根據(jù)大棚不同作物品種設(shè)定氣象要素閾值，實現(xiàn)蔬菜大棚灌溉自動化、精準(zhǔn)化，節(jié)約勞動力成本和生產(chǎn)成本，從而實施“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”工程。

1.3 試驗用蔬菜大棚結(jié)構(gòu)

本次試驗用的復(fù)式日光溫棚二代棚體為雙坡面塑料薄膜溫室，棚體采用雙層鋼架，2層覆蓋保溫，跨度5.8 m，頂高3.5 m，長度60 m，在蔬菜基地具有較好的代表性。

1.4 試驗開展情況

農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)試驗試點布設(shè)在試驗地中的2個復(fù)式日光溫棚內(nèi)，分別安裝了大棚溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、3層（15 cm、30 cm、45 cm）土壤溫濕度傳感器，1套植物生長高清監(jiān)控設(shè)備。

該試驗分3期進(jìn)行。

第一期為和縣農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)水肥一體化項目，主要完成試驗的水肥一體化灌溉施肥系統(tǒng)、2個復(fù)式日光溫棚的電動卷膜系統(tǒng)以及項目的平臺展示。實現(xiàn)了水肥一體化自動化灌溉泵房安裝，相應(yīng)的輸水管道、過濾系統(tǒng)、水肥一體化系統(tǒng)、灌水器的安裝調(diào)試和應(yīng)用；實現(xiàn)2個復(fù)式日光溫棚的滴灌管帶和電動卷膜系統(tǒng)的鋪設(shè)和應(yīng)用（圖1～4）。

第二期和縣農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)水肥一體化項目二期工程，主要完成試驗的其他35個復(fù)式日光溫棚的電動卷膜系統(tǒng)和所有控制系統(tǒng)板房。

第三期物聯(lián)網(wǎng)水肥一體化項目提升工程，主要完成灌溉、施肥、卷膜的自動控制系統(tǒng)軟硬件建設(shè)，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)、水肥一體化灌溉施肥系統(tǒng)、電動卷膜系統(tǒng)智能控制和互聯(lián)互通（圖5、6）。

該試驗通過三期建設(shè)，采用水肥一體化自控、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控及膜下滴灌等先進(jìn)技術(shù)，完成了“農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化”自動灌溉系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)用戶可實現(xiàn)：電腦和手機實時遠(yuǎn)程登錄，視頻查看現(xiàn)場實況；無線傳感，種植區(qū)實時墑情監(jiān)測；預(yù)警系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析及時灌溉施肥。

2 試驗應(yīng)用效益

2.1 社會效益

和縣復(fù)式日光溫棚的“互聯(lián)網(wǎng)+”，即“物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化”，只是和縣氣象為農(nóng)服務(wù)的縮影。氣象為農(nóng)服務(wù)工作首當(dāng)其沖應(yīng)該是指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，尤其是通過項目來帶動農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)工作，以部門深入合作為依托，繼續(xù)創(chuàng)新氣象為農(nóng)服務(wù)的方式和手段，而且能夠直接指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，此舉不僅降低了企業(yè)勞動力成本，還有效提高了蔬菜質(zhì)量安全監(jiān)管水平和科技含量，使氣象為農(nóng)服務(wù)更加接地氣。

①促進(jìn)政府重視新技術(shù)推廣應(yīng)用，建成和縣蔬菜物聯(lián)網(wǎng)控制中心 和縣 “農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化”復(fù)式日光溫棚試驗，得到縣政府支持和高度重視，作為縣政府2015年蔬菜博覽會期間新技術(shù)推廣應(yīng)用；并以此為基點，縣政府投資建成蔬菜物聯(lián)網(wǎng)控制中心并投入使用，推廣物聯(lián)網(wǎng)水肥一體化自動灌溉系統(tǒng)。2016年縣政府工作報告中提出“蔬菜物聯(lián)網(wǎng)控制中心和物聯(lián)網(wǎng)示范點建成運行”。以和縣物聯(lián)網(wǎng)示范點建成，促成和縣蔬菜物聯(lián)網(wǎng)控制中心的建設(shè)，該蔬菜物聯(lián)網(wǎng)控制中心不僅能節(jié)約大量人力物力，更有效提升全縣蔬菜質(zhì)量安全監(jiān)管水平和蔬菜生產(chǎn)科技水平。物聯(lián)網(wǎng)示范點建成，開創(chuàng)了馬鞍山物聯(lián)網(wǎng)與蔬菜大棚聯(lián)姻的先河。

②拓寬“互聯(lián)網(wǎng)+”工作內(nèi)涵，提升和縣蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展科技含量“互聯(lián)網(wǎng)+”在和縣就是“互聯(lián)網(wǎng)+蔬菜”，本試驗中為“農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)+蔬菜”，和縣一直在思考怎樣將基于農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“智慧農(nóng)業(yè)云平臺”應(yīng)用于蔬菜生產(chǎn)，怎樣將蔬菜日常生產(chǎn)過程中的澆水、施肥自動化與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，實現(xiàn)自動開啟或關(guān)閉遮陽網(wǎng)、水簾風(fēng)機和水泵等指定設(shè)備，本試驗拓寬了“互聯(lián)網(wǎng)+”的內(nèi)涵，種植大戶對勞動力的需求大大降低，是新時期蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的主要發(fā)展趨勢。

③強化部門合作新機制，提升和縣蔬菜產(chǎn)業(yè)知名度 為加強蔬菜產(chǎn)業(yè)的指導(dǎo)和技術(shù)支持，和縣成立蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展局。和縣氣象蔬菜專家聯(lián)盟以該試驗試點為契機，通過了氣象為農(nóng)服務(wù)合作框架協(xié)議，在協(xié)議中明確提出要加強部門間的信息共享和技術(shù)資源優(yōu)勢互補；通過專家聯(lián)盟等形式定期進(jìn)行技術(shù)交流和服務(wù)會商，拓展合作領(lǐng)域、深化合作內(nèi)容、完善合作機制等。之后以該試驗試點為基礎(chǔ)，發(fā)揮專家把脈的作用，緊緊圍繞和縣特色蔬菜產(chǎn)業(yè)及經(jīng)常性的天氣會商，提供精細(xì)化、針對性的氣象服務(wù)和蔬菜技術(shù)指導(dǎo)；深入蔬菜園區(qū)調(diào)研風(fēng)災(zāi)情況；突出蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃技術(shù)支撐和部門合作新機制，互通人員交流學(xué)習(xí)，聯(lián)合開展蔬菜大棚測溫試驗研究等。

圖5 農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)與灌溉、施肥、卷膜連接的自動控制系統(tǒng)

圖6 “農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化”手機集成應(yīng)用系統(tǒng)

圖7 省人大、市縣人大代表參觀

圖8 2015年10月28日安徽新聞聯(lián)播播放：全省首個蔬菜大棚“物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化”應(yīng)用系統(tǒng)投用

在2015年和縣第九屆蔬菜博覽會期間將該試驗成果作為“三新”技術(shù)成果展示，據(jù)不完全統(tǒng)計共計有50批2 000人次到此參觀考察（圖7），大大提高了和縣政府應(yīng)用“互聯(lián)網(wǎng)+”成果的科技含量；新聞媒體競相報道：中國氣象報的《氣象物聯(lián)網(wǎng)助推和縣特色農(nóng)業(yè)發(fā)展》，安徽新聞聯(lián)播的《全省首個蔬菜大棚“物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化”應(yīng)用系統(tǒng)投用》（圖8）、市場星報的《馬鞍山和縣蔬菜引入“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)可節(jié)成本達(dá)八成》，大大提高了和縣蔬菜產(chǎn)業(yè)的知名度。

④延伸和縣氣象防災(zāi)減災(zāi)平臺，拓展氣象服務(wù)新模式 結(jié)合中央“三農(nóng)”專項實施，為在決策服務(wù)和專業(yè)服務(wù)中做出新亮點，拓展氣象服務(wù)新模式，加強氣象防災(zāi)減災(zāi)和氣象災(zāi)害預(yù)警信息發(fā)布向縣區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和園區(qū)延伸，開發(fā)了“和縣氣象防災(zāi)減災(zāi)平臺”，在3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、1個園區(qū)共計布設(shè)6個氣象防災(zāi)減災(zāi)平臺展示和服務(wù)點；結(jié)合在綠源蔬菜種植基地布設(shè)的農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化復(fù)式日光溫棚試驗建成的物聯(lián)網(wǎng)水肥一體化灌溉系統(tǒng)，開發(fā)了和縣“智慧農(nóng)業(yè)，智慧氣象”示范平臺（圖9），通過該展示平臺，能實時收集和監(jiān)控大棚內(nèi)氣溫、濕度、土壤溫濕度和二氧化碳濃度等要素的數(shù)據(jù)，方便對大棚進(jìn)行通風(fēng)、灌溉等操作，同時參觀人員能深入大棚內(nèi)參觀，還有一個直觀展示和匯報的場所，此舉獲得縣委、縣政府領(lǐng)導(dǎo)的表揚和稱贊，認(rèn)為氣象服務(wù)無所不在，氣象就在身邊。

⑤試驗試點獲省級農(nóng)業(yè)部門肯定，主導(dǎo)編寫《復(fù)式日光溫棚物聯(lián)網(wǎng)水肥一體化標(biāo)準(zhǔn)》 和縣“農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化”項目試驗試點也引起了省級農(nóng)業(yè)部門的高度重視，浙江省農(nóng)業(yè)部門領(lǐng)導(dǎo)專題調(diào)研 “物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化”項目的實施情況（圖10），他指出“物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化”是智慧農(nóng)業(yè)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的最好體現(xiàn)，它的應(yīng)用和蔬菜園區(qū)聯(lián)產(chǎn)聯(lián)銷，是新事物、好東西，值得推廣，希望和縣蔬菜局要認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗，不斷加大宣傳推廣的力度，同時要繼續(xù)加強政策的扶持和引導(dǎo)，盡快普及，力爭更上一層樓。和縣蔬菜局和氣象局按照現(xiàn)有“物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化”試驗試點，主導(dǎo)編寫了《復(fù)式日光溫棚物聯(lián)網(wǎng)水肥一體化標(biāo)準(zhǔn)手冊》，以期對后期發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)與水肥一體化結(jié)合提供示范和標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 “農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化”灌溉系統(tǒng)棚內(nèi)數(shù)據(jù)展示和監(jiān)控

圖10 省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳副主任周世其調(diào)研“物聯(lián)網(wǎng)+水肥一體化”項目

2.2 經(jīng)濟效益

①復(fù)式日光溫棚信息采集和控制 通過實時測量棚內(nèi)溫濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)，以及控制閥門和按鈕進(jìn)行自動化調(diào)節(jié)，節(jié)省了勞動力成本，也達(dá)到增加了作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟效益的目的。

據(jù)調(diào)查，棚內(nèi)的測溫設(shè)備，會實時監(jiān)測棚內(nèi)溫度，如果白天溫度過高，管理員不用下田，直接通過手機就能操作，打開棚簾降溫；夜間溫度低，在家點點手機，棚簾就搖上去了。這一流程如果通過人工完成，1個蔬菜大棚的卷簾操作就需20 min。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到復(fù)式日光溫棚，可節(jié)省人工成本60%～70%。

②復(fù)式日光溫棚施肥節(jié)水灌溉系統(tǒng) 利用傳感器感應(yīng)土壤的水分，控制灌溉系統(tǒng)的閥門打開、關(guān)閉，從而達(dá)到自動節(jié)水灌溉的目的。試驗地給每個大棚配置1臺4通道4單元施肥機，每1 h最大施肥量200 L，最大流量為5 000 L，比例可根據(jù)需要設(shè)定，配置2臺混肥罐，1臺電動攪拌機，4個灌溉單元分別控制1壟作物，灌水器選擇直徑×管厚×滴灌頭間距=16 mm×0.2 mm×330 mm的貼片式滴灌帶。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的管理系統(tǒng)實現(xiàn)通過溫度、濕度、時間智能開啟關(guān)閉灌溉通道，肥料比例精準(zhǔn)，自動化程度高。

滴灌試驗，選取2處滴灌帶取水，6 min后測量2處流量，一處 250 mL，另一處 240 mL，換算為1 h流量，即1個滴灌孔1 h可以出水2.5 L，改造后節(jié)約人工近80%?！栋不帐袌鲂菆蟆穲蟮肋^此項技術(shù)，并在全縣范圍內(nèi)進(jìn)行推廣。

3 試驗需改進(jìn)之處

3.1 試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取

本試驗在2個復(fù)式日光溫棚內(nèi)安裝了氣象要素監(jiān)測傳感器，以2個棚內(nèi)傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)代表37個大棚監(jiān)測數(shù)據(jù)，其實每個棚面積大小、棚內(nèi)環(huán)境、土壤環(huán)境都不一樣，用其他棚內(nèi)的數(shù)據(jù)代替存在一定的誤差。后期應(yīng)該在每個棚內(nèi)布設(shè)能夠監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳感器包，這樣監(jiān)測的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、更有代表性。

3.2 試驗控制閾值的設(shè)定

本次試驗，未能積累有效時間長度的觀測數(shù)據(jù)，因此在農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)中，大棚溫濕度開關(guān)溫棚卷簾、土壤濕度開關(guān)灌溉系統(tǒng)的閾值數(shù)據(jù)都是通過氣象蔬菜專家聯(lián)盟專家結(jié)合天氣情況通過會商提供的。后期應(yīng)加強棚內(nèi)外的溫濕度、棚內(nèi)土壤溫濕度等要素的長時間觀測，分析不同天氣條件下不同作物的生長狀態(tài)，控制溫棚卷簾的溫濕度閾值數(shù)據(jù)，控制自動澆水施肥的土壤溫濕度閾值數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

本試驗發(fā)現(xiàn)，發(fā)展農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)對提升氣象行業(yè)服務(wù)社會的能力和水平具有十分重要而深遠(yuǎn)的意義。氣象作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用起步較早的行業(yè)，應(yīng)進(jìn)一步增強發(fā)展農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)的緊迫性和必要性。

①切實做好農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)智能應(yīng)用的頂層設(shè)計 以集約化、標(biāo)準(zhǔn)化為原則，設(shè)計同一技術(shù)體系的存儲和共享系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展目標(biāo)，豐富氣象現(xiàn)代化內(nèi)涵。

②農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)與應(yīng)用示范應(yīng)有區(qū)域性和典型性 結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)特色實際情況，尋找交通方便、基礎(chǔ)設(shè)施完善、規(guī)模經(jīng)營高附加值的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營主體，結(jié)合地方農(nóng)業(yè)部門的規(guī)劃發(fā)展或者在省氣象局農(nóng)網(wǎng)中心指導(dǎo)下開展研究性的有效示范作用，不能盲目跟進(jìn)。

③示范點對設(shè)備和解決方案要實行統(tǒng)一采購和集約部署 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在使用過程中的損壞、維護(hù)和維修成本偏高，因此應(yīng)選擇具有雄厚的技術(shù)實力公司承建，以便降低成本、可靠運行，分化風(fēng)險、提升效益。

④建議浙江省氣象局物聯(lián)網(wǎng)中心與地方政府物聯(lián)網(wǎng)中心實現(xiàn)融合發(fā)展，通過物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)切實發(fā)揮氣象在精準(zhǔn)扶貧和鄉(xiāng)村振興的作用。