江景濤，楊然兵，張 健，李俊良，李曉波，楊文卿

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

0 引言

水肥一體化技術(shù)憑借節(jié)水、節(jié)肥、增產(chǎn)和環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)農(nóng)業(yè)中得到迅速發(fā)展。水分和養(yǎng)分的合理供給和平衡供應(yīng)是保證作物健康生長(zhǎng)、提高產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。標(biāo)準(zhǔn)的水肥投入比例是馬鈴薯中間管理環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。雖然目前市場(chǎng)上有諸多先進(jìn)的水肥一體化設(shè)備，但是由于缺乏技術(shù)規(guī)程，在實(shí)際的生產(chǎn)中仍然存在許多的不合理操作，造成水肥濃度不均勻、系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定和系統(tǒng)使用壽命減少等?；诖?，本規(guī)程結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)需求，闡述了智能馬鈴薯水肥一體化系統(tǒng)的術(shù)語(yǔ)和定義，制定了智能馬鈴薯水肥一體化系統(tǒng)的設(shè)施要求、硬件系統(tǒng)操作規(guī)程、軟件系統(tǒng)操作規(guī)程、播種和設(shè)施維護(hù)等，為廣大馬鈴薯種植用戶(hù)提供了合理的技術(shù)參考[1]。

1 規(guī)范性引用文件

以下引用的文件對(duì)于本規(guī)程的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本規(guī)程。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規(guī)程[2]。

GB 4285《農(nóng)藥安全使用標(biāo)準(zhǔn)》；GB 5084《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》；GB/T 8321《農(nóng)藥合理使用準(zhǔn)則(一)—(九)》；GB/T 10002.1《給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》；GB/T 10002.2《給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管件》；GB/T 13664《低壓輸水灌溉用硬聚乙烯(PVC-U)管材》；GB 18133《馬鈴薯種薯》；NY/T 391《綠色食品產(chǎn)地環(huán)境技術(shù)條件》；NY/T 393《綠色食品：農(nóng)藥使用準(zhǔn)則》；NY/T 394《綠色食品：肥料使用準(zhǔn)則》；NY/T 496《肥料合理使用準(zhǔn)則通則》；NY 525《有機(jī)肥料》；NY 1106《含腐植酸水溶肥料》；NY 1107《大量元素水溶肥料》；NY/T 1276《農(nóng)藥安全使用規(guī)范總則》；NY 1428《微量元素水溶肥料》；NY 1429《含氨基酸水溶肥料》；NY 2266《中量元素水溶肥料》；NY/T 2624《水肥一體化技術(shù)規(guī)范總則》；NY/T 5010《無(wú)公害農(nóng)產(chǎn)品：種植業(yè)產(chǎn)地環(huán)境條件》；NY5221 《無(wú)公害食品 薯芋類(lèi)蔬菜標(biāo)準(zhǔn)》。

2 術(shù)語(yǔ)和定義

2.1 微灌

微灌是指利用微灌系統(tǒng)，將灌溉水輸送、分配到田間，通過(guò)灌水器以微小的流量濕潤(rùn)作物根部附近土壤的一種局部灌水技術(shù)。

2.2 水肥一體化

水肥一體化是指根據(jù)作物需求，對(duì)農(nóng)田水分和養(yǎng)分進(jìn)行綜合調(diào)控和一體化管理，以水促肥、以肥調(diào)水，實(shí)現(xiàn)水肥耦合的技術(shù)，可全面提升農(nóng)田水肥利用效率。該項(xiàng)技術(shù)通常需借助于微灌系統(tǒng)，將灌溉和施肥結(jié)合起來(lái)，以微灌系統(tǒng)中的水為載體，在灌溉的同時(shí)進(jìn)行施肥，實(shí)現(xiàn)水和肥一體化的利用和管理，使水和肥料在土壤中以?xún)?yōu)化的組合狀態(tài)供應(yīng)給作物吸收利用[3]。

2.3 農(nóng)家肥料

農(nóng)家肥料指含有動(dòng)植物殘?bào)w和排泄物等生物物質(zhì)的肥料，它們不會(huì)對(duì)環(huán)境和作物產(chǎn)生不良影響。農(nóng)家肥料在制備過(guò)程中，必須經(jīng)無(wú)害化處理，以殺滅各種寄生蟲(chóng)卵、病原菌和雜草種子，去除有害有機(jī)酸和有害氣體，達(dá)到相關(guān)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[4]。農(nóng)家肥料主要包括堆肥、漚肥、灰肥、廄肥、沼氣肥和餅肥等。

2.4 商品有機(jī)肥

商品有機(jī)肥指主要來(lái)源于植物和(或)動(dòng)物，施于土壤，以供植物營(yíng)養(yǎng)為其主要功能的含碳物料，其氮、磷、鉀3種養(yǎng)分的總含量在5%以上，有機(jī)質(zhì)含量在45%以上。

2.5 水溶肥料

水溶肥料指易溶于水的肥料，經(jīng)水溶解或稀釋后，用于灌溉施肥、葉面施肥、無(wú)土栽培和浸種蘸根等用途的液體或固體肥料，包括大、中、微量元素及含腐植酸、含氨基酸等類(lèi)型[5]。

3 操作規(guī)程

3.1 主機(jī)啟動(dòng)前規(guī)程

3.1.1 系統(tǒng)運(yùn)行前的準(zhǔn)備

運(yùn)行前需要檢測(cè)系統(tǒng)是否按照設(shè)計(jì)要求安裝到位，檢測(cè)系統(tǒng)的水肥一體化主機(jī)和各種顯示儀表是否正常，重點(diǎn)檢測(cè)主管道上的壓力表和肥料濃度傳感器的物理連接是否可靠牢固，檢測(cè)輸水管道是否正常，對(duì)損壞和漏水的管段進(jìn)行修復(fù)替換。

3.1.2 檢測(cè)水泵與電機(jī)

檢測(cè)水泵與電機(jī)所顯示的電壓頻率是否與供電電壓相符，檢測(cè)電機(jī)外殼是否可靠牢固，是否有漏油現(xiàn)象。

3.1.3 檢測(cè)過(guò)濾器設(shè)備

設(shè)備運(yùn)行之前，重點(diǎn)檢測(cè)自動(dòng)反沖洗疊片過(guò)濾器和自動(dòng)反沖洗砂石過(guò)濾器與主管道的連接是否可靠，檢測(cè)自動(dòng)反沖洗控制器是否啟動(dòng)正常，以確保過(guò)濾器可以進(jìn)行延時(shí)反沖洗。

3.1.4 檢測(cè)母液桶

檢測(cè)母液桶零部件是否與水肥一體化系統(tǒng)連接可靠牢固，查看母液桶中是否存在上次未使用完的肥料，以及是否有藻類(lèi)等物質(zhì)的產(chǎn)生，若有藻類(lèi)等固體物，在設(shè)備運(yùn)至吸肥之前，必須清除，防止堵塞水肥一體化系統(tǒng)。

3.1.5 檢查供電柜

檢查供電柜是否有電線(xiàn)松動(dòng)，接地保護(hù)是否正常，絕緣漆包線(xiàn)是否有脫落。

3.2 設(shè)備使用操作規(guī)程

3.2.1 水泵啟動(dòng)規(guī)程

在水泵啟動(dòng)之前，首先關(guān)閉總閥門(mén)，并打開(kāi)準(zhǔn)備灌水的管道上所有的排氣閥門(mén)，然后啟動(dòng)水泵向主管道中緩慢地注水，啟動(dòng)后觀察設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，是否有異常聲音，在確認(rèn)正常啟動(dòng)的情況下，開(kāi)啟控制田間灌溉的所有主管道閥門(mén)。在設(shè)備進(jìn)行正常的運(yùn)轉(zhuǎn)后，觀察壓力表的數(shù)值是否正常，并且到田間巡回檢查灌區(qū)支管道、毛管道及灌水器是否有漏水卸壓現(xiàn)象[6-7]。

3.2.2 灌水系統(tǒng)操作規(guī)程

首次使用水肥一體化系統(tǒng)時(shí)，必須進(jìn)行管道沖水沖洗，禁止在系統(tǒng)首次運(yùn)行時(shí)進(jìn)行混肥操作。沖水前應(yīng)該開(kāi)啟排污閥門(mén)和進(jìn)排氣閥，關(guān)閉所有的控制閥門(mén)，在沖水時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)觀察排氣裝置是否正常排氣，防止因排氣裝置工作不良而導(dǎo)致的混肥效果不佳，管道沖洗結(jié)束后應(yīng)緩慢關(guān)閉泄水閥們[8]。在單次水肥混合灌溉結(jié)束后，要對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行沖洗，清除掉殘留在各級(jí)管道中的肥料，在各級(jí)管道清洗結(jié)束之后，應(yīng)充分排凈水分，把堵頭回裝。在初次灌水時(shí)，由于土壤團(tuán)粒疏松，水滴容易直接順著土塊空襲流到溝中，沒(méi)有在土壤的橫截面橫向濕潤(rùn)，所以要短時(shí)間、多次、間歇性地灌水，讓土壤橫截面形成毛細(xì)管，促使水分向橫向分散。

3.2.3 混肥操作規(guī)程

在混肥時(shí)，要保證吸肥器和出水過(guò)濾器暢通，文丘里施肥器開(kāi)始吸肥時(shí)觀察三條吸肥通道的流量計(jì)數(shù)值是否發(fā)生變化，如遇到堵塞，應(yīng)該及時(shí)清洗，在施肥過(guò)程中，當(dāng)肥料桶內(nèi)的肥料即將吸干時(shí)，應(yīng)關(guān)閉吸肥通道，防止氣體進(jìn)入泵體產(chǎn)生氣蝕[9-10]。

3.2.4 施肥方法操作規(guī)程

電機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)后，管道正常供水，壓力穩(wěn)定后，吸肥泵調(diào)整壓力，開(kāi)始注肥，注肥時(shí)需要操作人員照看，隨時(shí)觀察壓力的數(shù)值變化和吸肥量變化，觀察此時(shí)的注肥壓力是否比主管中的壓力稍微大一點(diǎn)，保證肥料可以順利地進(jìn)入主管道中，但是過(guò)大的主管道壓力會(huì)引起肥料的倒流。單次灌溉施肥結(jié)束之后，再灌10 min的清水，把主管道內(nèi)殘留的肥料送達(dá)植物的根部[11]。

3.2.5 灌溉時(shí)間規(guī)程

在利用水肥一體化系統(tǒng)灌溉時(shí)，通過(guò)恒壓供水系統(tǒng)控制水壓力，壓力保持在0.20～0.35 MPa的灌溉穩(wěn)定性效果最佳。灌溉時(shí)間選擇上午和下午，此時(shí)經(jīng)過(guò)滴灌后低溫可以快速地回升，滴灌時(shí)間根據(jù)馬鈴薯不同的生長(zhǎng)周期進(jìn)行適宜地調(diào)整，經(jīng)過(guò)測(cè)定，在高溫季節(jié)滴灌20 min，可以降低6～8 ℃[12]。

3.2.6 灌水器清洗規(guī)程

每到3～4次混肥灌溉結(jié)束之后，要進(jìn)行灌水器的清洗，需要把滴灌帶末端的堵頭打開(kāi)進(jìn)行徹底的沖抵，防止固體小顆粒的肥料累積堵塞滴頭，若只進(jìn)行灌水操作則不需要清洗。

3.3 灌溉系統(tǒng)操作規(guī)程

3.3.1 手動(dòng)控制程序操作規(guī)程

手動(dòng)控制程序可以人為進(jìn)行管道內(nèi)水壓力、滴頭流速等調(diào)整，并且與手機(jī)APP同步。在手動(dòng)程序控制中，水壓力要與吸肥速度關(guān)系協(xié)調(diào)。使用手動(dòng)控制時(shí)，需要時(shí)刻關(guān)注主管道壓力表和吸肥通道的壓力表是否在正常的范圍之內(nèi)。若在混肥模式下，手動(dòng)控制模式切換成自動(dòng)控制模式，此時(shí)不可以強(qiáng)制給水肥一體化系統(tǒng)斷電，以免造成電磁閥門(mén)的不正常啟動(dòng)，降低水肥一體化系統(tǒng)的使用壽命。

3.3.2 灌區(qū)時(shí)控程序操作規(guī)程

灌區(qū)時(shí)控程序，可以人為設(shè)定時(shí)間，計(jì)時(shí)器自動(dòng)計(jì)時(shí)，時(shí)間達(dá)到后，中央處理器會(huì)進(jìn)行動(dòng)作控制其他灌區(qū)的電磁動(dòng)作，若想人為改變灌溉時(shí)間，在電磁閥動(dòng)作之后，切換到手動(dòng)控制模式中選擇灌區(qū)，設(shè)定灌溉時(shí)間即可，不可人為操作灌區(qū)的物理閥門(mén)。若人為進(jìn)行閥門(mén)的啟停，會(huì)導(dǎo)致多個(gè)灌區(qū)同時(shí)灌溉，此時(shí)需要重新進(jìn)入灌區(qū)時(shí)控操作程序，重新設(shè)置灌區(qū)時(shí)控時(shí)間[13]。

3.3.3 輪灌模式程序操作規(guī)程

輪灌模式程序會(huì)自動(dòng)控制多個(gè)地塊進(jìn)行輪灌作業(yè)。在計(jì)時(shí)器結(jié)束之后，自動(dòng)開(kāi)啟電磁閥，若想改變輪灌地塊，需要切換到手動(dòng)控制程序進(jìn)行地塊的選擇，切勿直接進(jìn)行人為的物理干預(yù)。

3.3.4 參數(shù)設(shè)置程序操作規(guī)程

參數(shù)設(shè)置程序操作過(guò)程，主要包括文丘里的吸肥速度設(shè)定、吸肥濃度設(shè)定、EC值上下限數(shù)值設(shè)定和誤差范圍數(shù)值調(diào)整等操作[14]。在設(shè)置參數(shù)值時(shí)，要充分結(jié)合當(dāng)前配置的水管壓力和滴頭流速，切勿在短時(shí)間內(nèi)頻繁地進(jìn)行水肥濃度的調(diào)整，如單次變更的水肥濃度調(diào)整變化數(shù)值較大，混肥循環(huán)管道會(huì)暫時(shí)關(guān)閉，通過(guò)閉環(huán)系統(tǒng)逐步提升水肥濃度，此時(shí)主管中沒(méi)有肥料，吸肥管道的流量計(jì)顯示為零，不能強(qiáng)制給水肥一體化系統(tǒng)斷電，等濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值之后，水肥主機(jī)開(kāi)始重新混肥。

3.3.5 手機(jī)APP遠(yuǎn)程操作規(guī)程

所有的操作均可通過(guò)手機(jī)APP進(jìn)行。在使用手機(jī)遠(yuǎn)程APP時(shí)，要特別注意主管道、吸肥管道上的壓力表和流量計(jì)是否在合理的范圍之內(nèi)。觀察土壤墑情采集站采集到的土壤濕度是否發(fā)生變化，EC數(shù)值是否發(fā)生變化，以此判斷水肥一體化系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。若匹配有田間攝像管理系統(tǒng)，通過(guò)手機(jī)APP移動(dòng)端觀察水肥主機(jī)是否正常啟動(dòng)，是否出現(xiàn)異常。

4 設(shè)施維護(hù)操作規(guī)程

4.1 過(guò)濾器

為了保證水肥一體化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，供水系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)灌溉水源類(lèi)型及水質(zhì)情況，選用自動(dòng)反沖洗砂石過(guò)濾器+自動(dòng)反沖洗疊片過(guò)濾器、自動(dòng)反沖洗砂石過(guò)濾器+自動(dòng)反沖洗網(wǎng)式過(guò)濾器、離心過(guò)濾器+自動(dòng)反沖洗疊片過(guò)濾器、離心過(guò)濾器+自動(dòng)反沖洗網(wǎng)式過(guò)濾器等兩級(jí)系統(tǒng)[15]。為保證過(guò)濾器的穩(wěn)定工作，宜選用帶有反沖冼裝置的過(guò)濾器作為過(guò)濾設(shè)備，若沒(méi)有反沖洗功能，則應(yīng)定期拆出過(guò)濾器的濾盤(pán)進(jìn)行清洗，以保持水流暢通。經(jīng)常監(jiān)測(cè)水泵運(yùn)行情況，一般過(guò)濾器前后壓力相差應(yīng)在10～60 kPa，若壓力超過(guò)70 kPa，表明過(guò)濾器已被堵塞，應(yīng)盡快清洗過(guò)濾盤(pán)片[16]。

4.2 滴灌帶

滴灌肥液前先滴清水5～10 min，肥液滴完后再滴清水10～15 min，以延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，防止肥液結(jié)晶堵塞滴灌孔。發(fā)現(xiàn)滴灌孔堵塞時(shí)，可打開(kāi)滴灌帶末端的封口，用水流沖刷滴灌帶內(nèi)雜物，以使滴灌孔暢通[17]。

4.3 動(dòng)力設(shè)備

電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)之前，檢查三相電源的接頭接線(xiàn)是否牢固可靠，電機(jī)外殼的接地線(xiàn)是否可靠等。電機(jī)應(yīng)經(jīng)常除塵，保持干燥清潔，若在使用量比較頻繁的時(shí)間段，定期對(duì)電機(jī)進(jìn)行檢查。

4.4 細(xì)小部件

水肥一體化系統(tǒng)是一套精密的灌溉設(shè)備。許多的部件為塑料制品，在使用過(guò)程中要注意多個(gè)操作步驟密切配合，不可以用力過(guò)猛地扭動(dòng)各個(gè)旋鈕和開(kāi)關(guān)，在打開(kāi)各個(gè)容器時(shí)，主要細(xì)小的部件要按照原來(lái)的樣子[18]。

水肥一體化系統(tǒng)的使用壽命與保養(yǎng)程度有很大關(guān)系，保養(yǎng)的好，水肥濃度配比精準(zhǔn)，設(shè)備噪聲小，運(yùn)行穩(wěn)定，效益越持久。

5 馬鈴薯種植技術(shù)

5.1 產(chǎn)地環(huán)境

5.1.1 田塊選擇

應(yīng)選擇排灌方便、土層深厚、土壤結(jié)構(gòu)疏松、中性或微酸性的砂壤土或壤土。產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量應(yīng)符合NY/T—391或NY5010的規(guī)定。

5.1.2 灌溉水源

灌溉系統(tǒng)水源必須清潔、無(wú)污染，水質(zhì)應(yīng)符合GB 5084的相關(guān)要求。

5.2 品種選擇

選擇符合GB18133—2012質(zhì)量要求的一級(jí)種(G3)以上級(jí)別種薯。常用品種有荷蘭7號(hào)、東農(nóng)303、荷蘭15號(hào)和魯引1號(hào)等。種薯一般選擇脫毒種薯，所選種薯要表面光滑、種芽健壯、大小均勻、無(wú)病蟲(chóng)危害、無(wú)腐爛和無(wú)破損[19]。

5.3 種薯處理

5.3.1 切種

切塊時(shí)充分利用頂端優(yōu)勢(shì)，螺旋式向頂端斜切，最后按頂芽一分為二或一分為四，以每塊35～40 g為宜，并要保證有1～2個(gè)以上健全的芽眼。切塊的整個(gè)過(guò)程都要注意切刀的消毒，防止切刀傳染病害，當(dāng)切刀切到病薯時(shí)應(yīng)及時(shí)淘汰病爛薯，并立即用0.1%高錳酸鉀或75%酒精清洗刀片，兩把刀交替使用[20]。

5.3.2 拌種

選用70%甲基托布津2.5 kg+科博2.5 kg均勻拌入100 kg滑石粉成為粉劑，或選用70%甲基托布津4.0 kg+72%的農(nóng)用鏈霉素1.0 kg均勻拌入100 kg滑石粉成為粉劑，拌10 000 kg薯塊。

5.3.3 催芽

晾干刀口后放在溫度為18～20 ℃的室內(nèi)采用層積法催芽，待芽長(zhǎng)到2～3 cm時(shí)，放在散射光下晾曬，芽綠化變粗后即可播種。

5.4 整地施肥

選擇土壤肥沃、地勢(shì)平坦、排灌方便、耕作層深厚、土質(zhì)疏松的砂壤土或壤土，土壤理化性狀良好，土壤pH值5.5～7.5。前茬作物收獲后及時(shí)將田間作物殘?bào)w，特別是病葉、病株清除處理，盡早深耕，耕深20 cm以上，并在冬季凍垡、曬垡，播前細(xì)耙兩遍，耙實(shí)耙透，達(dá)到耕層細(xì)碎無(wú)坷垃、田面平整無(wú)根茬，上虛下實(shí)，地面平整[21]。

每667 m2施腐熟的農(nóng)家肥3～4 m3、硫酸鉀型三元復(fù)合肥(N-P2O5-K2O為17-6-22)70 kg作基肥。農(nóng)家肥于旋耕時(shí)翻耕入土，復(fù)合肥在旋耕時(shí)施入一半，另一半在播種時(shí)隨播種機(jī)一起施入。

5.5 播種

5.5.1 播種時(shí)間

春播應(yīng)防晚霜的危害，在10 cm地溫穩(wěn)定在7～8 ℃即可播種，一般在3月中下旬至4月上中旬。

5.5.2 播種密度

應(yīng)根據(jù)品種、土壤水肥條件和生產(chǎn)目的而定。一般早熟品種宜密，中晚熟品種宜??；商品薯宜稀，種薯宜密。宜采用一壟雙行種植，小行距20 cm，大行距50～60 cm，株距20～25 cm，每666.7 m2定植5 500～6 000株。

5.5.3 播種方法

選用機(jī)械播種，一次性完成起壟、開(kāi)溝、播種、施肥、噴藥、鋪設(shè)滴灌帶和覆膜覆土等工序，提高作業(yè)效率。一壟雙行種植，要求壟距90～100 cm，壟寬60 cm，溝寬40 cm，壟高20～25 cm；雙行播種，小行距20 cm，大行距50～60 cm，播深10～12 cm[22-23]。

播種時(shí)隨機(jī)施肥、噴藥和鋪設(shè)滴灌帶，播種后壟上覆膜，膜上覆土，覆土厚度要保持2～3 cm，并且每隔4～5 m在地膜上橫向壓一條土帶，以防止地膜被風(fēng)掀起。播完后檢查地膜有無(wú)破損，發(fā)現(xiàn)破損及時(shí)封堵，出苗至現(xiàn)蕾期間要保持膜面完好。