大棚滴灌施肥自动化技术研究进展

托普物联网开创智慧农业新时代！大棚滴灌施肥自动化技术研究进展摘要:托普物联网指出大棚滴灌施肥自动化是指肥料随同灌溉水进入田间的过程,是施肥和灌溉技术相结合的一项新技术,是精确施肥与精确灌溉相结合的产物。本文比较详细地介绍了滴灌随水施肥的原理、优点、国内外大棚滴灌施肥自动化技术方面的研究进展，以及这一技术在我国的应用前景及存在问题等。关键词:滴灌施肥研究进展引言随着人口的不断增长，人类一方面需要继续提高作物产量，另一方面又需防止因化肥施用量过高和施用方式不当而引起的环境污染。解决这个问题的关键技术之一是综合调控土壤－作物系统中水分、养分等的运移、贮存、转化以及相应的生态效应，以达到增加产量、节约水肥资源、提高环境质量的目的。化肥在世界农业生产所取得的巨大进步中发挥了重要作用。据估计，世界农作物增产的30％～60％来自化肥。然而，普遍存在的问题是化肥利用率低，肥料生产效益长期徘徊在较低水平。在施用化肥总量中，氮肥占有相当大的比重，约为60％左右。我国氮肥利用率为30％～50％，其中水稻平均为33％～38％，麦类作物为28％～41％，国外一般氮肥利用率为50％～60％，50％左右的氮素从各个环节损失掉。因此，合理施用氮肥对于农业生产具有举足轻重的作用。为了合理有效地施用化肥，提高氮肥利用率，国内外农学工作者做了大量的工作，也取得了很多有效经验。仅从施肥来看，传统的施肥方法就有撒施、集中施（包括穴施、沟施、环状及放射施等）、分层施用、叶面施用等，以上施肥方法虽然在不同程度上有利于提高肥料的利用效率，但结果都不太理想。近年来，随着节水灌溉技术的发展，与其相结合的大棚滴灌施肥自动化技术的应用引起人们的关注。大棚滴灌施肥自动化是定量供给作物水分和养分及维持适宜水分和养分浓度的有效方法[1]。美国的微灌面积从1981年的185000hm2,增加到1995年的1000000hm2,约占总灌溉面积的5%[2]。而在以色列微灌面积占总灌溉面积的75～80%[3]。我国的滴灌技术已由干旱地区向半干旱地区延伸,从单一的节水向施肥、调温、植保、改善作物生长环境的综合增产措施发托普物联网开创智慧农业新时代！展[4]。大棚滴灌施肥自动化能够改善水分和养分管理,具有提高产量和品质的潜在能力,减少水分和养分渗漏,降低总需水量[2,5],减轻施肥对环境的污染[6]。本文比较详细地介绍了滴灌随水施肥的原理、优点、国内外大棚滴灌施肥自动化技术方面的研究进展，以及这一技术在我国的应用前景及存在问题等。1大棚滴灌施肥自动化技术简介1.1大棚滴灌施肥自动化技术的概念大棚滴灌施肥自动化是指肥料随同灌溉水进入田间的过程,是施肥技术和灌溉技术相结合的一项新技术,是精确施肥与精确灌溉相结合的产物。滴灌施肥技术是根据作物生长各阶段对养分的需求和土壤养分的供给状况,准确将肥料补加和均匀施在作物根系附近,并被根系直接吸收利用的一种施肥方法。采用大棚滴灌施肥自动化技术可以很方便地调节灌溉水中营养物质的数量和浓度,使其与植物的需要和气候条件相适应;可以大幅度提高化肥利用率;提高养分的有效性;促进植物根系对养分的吸收;提高作物的产量和质量;减少养分向根系分布区以下土层的淋失;还可以大幅度节省时间、运输、劳动力及燃料等费用,实施精确施肥.大棚滴灌施肥自动化的原则是根据作物的吸收规律提供养分,需要多少提供多少[7]。1.2大棚滴灌施肥自动化的方法按照控制方式的不同,大棚滴灌施肥自动化可分为两大类:一类是按比例供肥,其特点是以恒定的养分比例向灌溉水中供肥,供肥速率与滴灌速率成比例.施肥量一般用灌溉水的养分浓度表示,如文丘里注入法和供肥泵法.另一类是定量供肥又称为总量控制,其特点是整个施肥过程中养分浓度是变化的,施肥量一般用千克/公顷表示,如带旁通的贮肥罐法如图2所示.按比例供肥系统价格昂贵,但可以实现精确施肥,主要用于轻质和砂质等保肥能力差的土壤；定量供肥系统投入较小,操作简单,但不能实现精确施肥,适用于保肥能力较强的土壤。托普物联网开创智慧农业新时代！1.3滴灌施肥下水分和养分在土壤中的分布特点滴灌的特点是水从点水源进入土壤,然后向各个方向扩散。土壤类型、滴头流量和每次灌溉的水量等均会影响水分在土壤中分布。对一种土壤来说,滴头流量的增加会引起水湿润土壤垂直深度变浅,以滴头为圆心的半径变大。如果给定灌溉水量和滴头流量,则砂土中水分湿润深度比壤土要深,但半径变小[8,11]。由于大棚滴灌施肥自动化频率高,土壤水分含量变化不大,有利于作物吸收水分和养分,可提高肥料的利用率,特别是磷[9,10]。随着从滴头到湿润边缘距离增加,不被吸附的离子如NO3-浓度也随之增加。壤土的湿润区域其离子浓度梯度比砂土要大,滴头流量大的比流量小的浓度梯度大。而吸附态养分在土壤中的移动性比非吸附态养分要低得多,养分在粘土比砂土易被吸附,因而养分在质地细的土壤的移动性比质地粗的土壤要慢。据研究,NO3-和水分在土壤中分布相似,而磷在砂土和粘土的分布分别是距滴头11cm和6cm[12]。增加滴头流量,离滴头越远,NO3-浓度越高,易积聚在湿润土壤边缘,但磷并不增加。如用盐水灌溉时,在湿润土壤边缘盐分很快积聚到有害作物生长的浓度[8,9,10]。在滴灌条件下,尽管土壤交换性钾量很高,但作物最大钾吸收时期,仍要通过灌溉水补充钾[13]。由于交换性钾从土壤固相进入溶液影响着作物对钾的吸收,当施用钾肥后,土壤中溶液钾的浓度提高,使钾的吸收量增加。2大棚滴灌施肥自动化的研究进展2.1国外滴灌施肥技术研究进展托普物联网开创智慧农业新时代！目前，大棚滴灌施肥自动化己成为一些国家作物施肥的常规措施，以以色列为例，全国果树、花卉、温室栽培作物和多数大田作物均采用了这一施肥技术[14,31]，取得了显著的效果，成为以色列农业取得举世公认成就的主要支撑技术。随着可持续发展观念在人们意识中的加强，滴灌施肥在资源利用和环境保护方面的突出作用引起了越来越多学者的关注[32,33]。现代滴水灌溉技术方法于1960年左右开始于以色列，之后，美国、澳大利亚、南非等陆续开展了这一方面的研究和应用，并在世界其他一些地方推广应用[34]。世界上滴水灌溉面积的增加十分迅速，1981年~1986年的5年间增长了63%，1981年一1991年间增长了329%，2000年预计将达到3亿hm【2，15】。在以色列，75%以上的灌溉面积采用了这一技术，在一些发展中国家，滴灌的发展也很快，如印度、墨西哥等，滴水灌溉面积也达6万hm2以上【16】。自1971年来，先后召开了5次滴水灌溉的国际学术会议，对这一技术的研究和应用成果进行了交流。滴水灌溉时，灌溉水仅湿润土壤的局部，由于受水分的限制，作物根系也主要分布在这一区域，这一区域之外的养分难以为作物根系吸收，因此.肥料撒施方法的效果受到限制，这时，肥料条施的效果优于肥料撒施【18】。在以色列，对于一年生作物，尝试将肥料注入灌溉水中，取得了显著的效果。对滴灌的多年生作物，开始时采用将肥料于降雨季节施入，借助降雨将肥料带入根区。之后的研究发现，对于多年生作物，也可采用大棚滴灌施肥自动化的方法。设施栽培蔬菜、花卉生产的发展，对水肥调控技术提出的要求越来越高，为灌概施肥技术应用提供了市场【19】。这一技术显示出的巨大的应用潜力，是对其研究的推动力所在[35]。肥料注入灌溉系统的装置由最初的简易设备，发展到由计算机控制的可随时检测和调整肥料加入种类、数量的自动化系统。生产者可根据需要，选择所需的装备。常见的将肥料加入滴灌系统的方法可分为两种【20，21】:一种为肥料罐法，根据进出肥料罐两端水流压力差的不同，通过水流将肥料带入灌溉系统中。其优点是成本低，固体或液体肥料均适宜;缺点是不易控制加入肥料的浓度，即肥料的加入属定性的，不适合对养分控制要求严格的温室栽培的需要。另一类是采用肥料泵的方法，将肥料注入灌溉系统，这一方法可定量地控制加入肥料的数量。根据肥料泵工作原理的不同，可将该法进一步分为:借助水流产生的负压将托普物联网开创智慧农业新时代！肥料加入灌水系统的流量计法，以色列生产的Netafim，美国生产的Dama泵即属于此【22,36,37】；借助电能或水流等将肥料加入灌溉系统的肥料泵法，代表性的有以色列生产的TMB、Amiad及法国生产的Dosatron泵。前一类泵价格相对便宜，但有水头的损失，且加月巴料的速率相对较低:后一类泵克服了前一种泵的缺点，但成本相对较高。滴灌施肥加入的肥料，在发展初期多是固体肥料如（NH4）2SO4、KCl等，存在的问题是操作不便，成本相对较高，容易发生滴头堵塞等。之后，一些肥料公司针对性地开发了适合滴灌施肥的液体肥料，或溶解度高的固体肥料【23，24】。这些肥料多以尿素、硝酸按为氮源，以磷酸或磷酸铵为磷源，以硝酸钾、氯化钾或硫酸钾为钾源，溶液的pH均呈酸性，以防止钙镁等元素与磷反应形成难溶性盐堵塞滴头。施用肥料的种类也由单质肥料发展到复合肥料和微里元素肥料。在滴灌施肥发达的~些国家，如以色列、美国等形成了有效的推广服务体系，为生产者提供相应的技术服务，包括滴灌施肥器械的选择和安装、肥料品种的选择和配制，不同条件下栽培不同作物适宜的施肥数量等[38]。随着信息技术的发展，计算机控制的可有效调节水分和肥料加入时间、数量等的自动化系统，越来越多地应用于滴灌施肥领域[39,41]。美国、以色列等国已通过互联网将生产者和农技服务部门有效地连接起来，通过网络，农技部门可为生产者提供施肥建议，解答生产者遇到的问题[40]。自1970年左右开始，以色列、美国等国的研究人员先后开展了滴灌施肥方面的试验研究，肯定了这一施肥措施的效果【25，26】。已有学者对此进行了评述【27，28，29】，1995年在以色列理工大学召开的大棚滴灌施肥自动化国际学术会议就此进行了交流。在此，仅就一些结果作简要论述[42,43,44]。2.2国内滴灌施肥技术进展随着农村经济的快速发展和人民群众生活水平的不断提高，国内温室大棚及相应配套的灌溉栽培技术发展迅速。温室水肥耦合技术是当前发展高产、高效、优质农业的一项关键技术。为了温室种植区农业用水获取更高产值，山东省在示范区现代化温室中对西红柿的水肥耦合技术进行了研究，取得了显著的效果。在现代温室大棚中，作物的栽培是以无土栽培槽为根系生长的主环境，以种植点作为作物接受营养点，即在栽培槽的种植点上定植作物，系统将根据作物的要求，托普物联网开创智慧农业新时代！在定时系统和环境控制系统的综合影响下，来确定最后灌水量和灌水时间[45]。系统采用综合指标EC值来控制其水、肥，肥料是一种全素化学肥料，根据一定的比例配制而成，包含16种主要元素，同时含多种微量元素。以西红柿滴灌施肥为例【30】，2.5株/m2的情况下，25.4L的营养液可以收获1kg的西红柿，而每年每株平均生产20kg,每公顷需营养液量12700m3，每公顷产西红柿50万kg，每立方米营养液约含肥料0.8kg，由此可见，该系统充分实现了作物生长适宜环境的要求，不但达到了高度节水的条件，而且使水肥藕合实现了最佳状态[46]。近年来己有一些滴灌与施肥相结合的滴灌施肥技术方面的研究报道。冯绍元等在棉花上进行了滴灌的水肥藕合效应试验，结果表明比常规畦灌节水23.3%一28.7%，并且在相同灌水量条件下可促进肥料的有效率[47]。岳兵、乔立文、吴兴波等在番茄、黄瓜进行滴灌施肥试验结果也表明该技术具有节水省肥、增产增收等优势。山东省土肥站试验，滴灌施肥氮肥利用率在58.9%，冲肥氮肥利用率在27.6%，在作物产量相近或相同的情况下，滴灌施肥与冲施肥相比，节省化肥25.4%，一般每亩节肥投资130~250元.卢丽萍等最近进行了大棚黄瓜滴灌施肥应用技术的研究。3滴灌施肥技术在我国的应用前景我国是一个水资源严重短缺的国家，干旱是制约我国农业发展的主要因素之一[48]。水的有效利用率只有30％～40％，每M3粮食生产能力只有1kg左右。喷灌、滴灌等先进的节水灌溉在我国占总灌溉面积的比例还很小，大多数地区仍沿用地面灌溉。发展节水灌溉，提高农业生产力的潜力很大。除