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1、设施蔬菜水肥一体化精准作业技术我国是蔬菜生产和消费大国，近年来，对蔬菜需求量呈现快速增长的趋势，蔬菜播种面积以每年2%的速度增长，2014年达到2140.5 万公顷140。与种植粮食作物的农田相比，设施蔬菜地具有施肥量大、灌溉频繁的特点，平均每公顷施氮量是大田作物的4.510倍，灌溉量达到47倍141，特别是灌溉施肥配套技术落后、过量施用化肥及不合理的灌溉管理措施造成土壤酸化、次生盐渍化、硝态氮淋失、养分比例失调以及有害微生物的大量繁殖，从而导致蔬菜产量、品质降低， 不仅造成了水分和肥料的大量浪费，同时也产生了突出的土壤退化及农业面源污染等生态与环境问题，已成为限制我国设施蔬菜可持续发展的主要
2、因素。水肥一体化是利用压力和管道灌溉系统，将可溶性固体肥料或液体肥料溶解在水中通过滴头和管道形成滴灌供应给作物吸收利用的一项农业技术142-143,146-150。这项技术具有节水、节肥、省工等众多优点，是迄今较为先进的农田灌溉新技术之一142,146。水肥一体化技术可以大幅提高水肥利用率，并且可以根据蔬菜作物各生育时期对水肥的需求规律，实现作物各生育期水肥的定量、精准供给149-152。5.4.1 水肥一体化在设施蔬菜中的应用水肥一体化技术是现代农业发展的必然，在设施蔬菜生产中具有重要的作用。温室大棚是设施农业最基本的技术实现形式之一，由于它是一个相对封闭的空间，无法直接利用降雨，设施蔬菜生
3、长所需水分完全依靠引水灌溉进行供应153-154。灌溉施肥设备是设施蔬菜的重要组成部分，良好的灌溉施肥技术是设施蔬菜生产的基本保证149,155。由于设施作物与农田作物相比，其生产环境有较大差别，一些适合露地栽培的节水技术（如大型喷灌技术等）并不适宜在温室大棚等设施生产中使用。温室大棚作为一种现代高效农业栽培设施，采用节水灌溉技术除了能节水外，对其增产、增收等效果也提出了更高的要求。水肥一体化技术被认为是现阶段最适用于设施蔬菜的一种灌溉施肥技术，在温室大棚栽培和无土栽培灌溉施肥应用中占有重要的地位157-158。当前，以色列、美国、日本等许多发达国家设施蔬菜的生产已经广泛釆用水肥一体化技术。其
4、中，以色列设施蔬菜内部环境因素大部分实现了微机控制。美国、日本等设施蔬菜栽培中的灌溉施肥方式绝大多数应用了高效的滴灌施肥技术，实现农业生产现代化。随着城乡“菜篮子”工程的迅速发展，我国大力推广和发展设施蔬菜。我国设施蔬菜生产多数采用传统的灌溉技术，水肥利用率低下， 因此发展与设施蔬菜相配套的水肥一体化技术尤为重要153-154。水肥一体化技术的广泛应用，既有助于破解当前在发展现代农业过程中面临水资源匮乏难题，又可改善蔬菜等设施作物的生产环境、降低生产成本、提高经济效益，实现资源节约和环境友好的目标152,157,159-162。随着工农业技术的进步，设施蔬菜生产已开始采用各种数控（自动化控制）
5、系统，极大地提高了灌溉施肥工作的效率和水肥管理水平。水肥一体化系统已逐渐成为设施蔬菜灌溉施肥系统中的重要基本配套设备。随着设施蔬菜的发展，现代农业高效用水的需要对设施蔬菜生产水分管理的要求越来越高153-154。近年来，许多国家一直将设施蔬菜中的灌溉施肥技术作为一项重要研究课题，进而幵展大量的研究和试验工作，尤其是设施蔬菜中水肥一体化系统的自动化控制及其在作物上应用效果研究155,157-158,165。经过二十多年的发展，我国设施蔬菜水肥一体化技术有了很大的进步，但总体上我国设施节水灌溉技术在诸多方面相比发达国家仍存在较大差距仍需要引进和吸收国外的先进技术。5.4.2 智能灌溉施肥设备目前很
6、多先进国家水肥一体化设备采用互联网技术、EC/pH综合控制、气候控制系统、循环加热降温系统、自动排水反冲洗系统、喷雾控制系统等，达到全自动混配肥、精准、智能化灌溉施肥管控一体化的产品已成规模化生产142,155,158。以色列Eldarshany 公司提供Frtimix ， Fertigal ， Fertijet 自动灌溉施肥器等产品，在先进的 Galileo/Elgal系列计算机控制系统，结合灵活多变的组态化操作界面能够为用户提供专家级灌溉施肥服务166。耐特菲姆（Netafim）公司的灌溉施肥产品NETAJET，FERTIKIT已经标准化，规格化。需要的器件设备都可进行灵活组装，完整的组建
7、设备和控制器是电脑控制， 快速方便，全部自动化。运行全新的混肥技术无空气混肥，功耗低， 水、肥参数控制非常稳定。荷兰Priva公司的NuterFit、Nutriflex和Nutrijet三种系列灌溉施肥机。全部实现了在水肥一体化工作的精确性，作物一对一管理，无须水泵，标准模块组件，多种科学水肥配比 方案。截至目前，我国现代化设施蔬菜栽培中采用的先进灌溉设备几乎都引自设施农业发达的欧美国家，但系统设备成本高，扩展性差，操作繁琐，英文界面，技术门槛高157-158。国内正在开展自动化精量灌溉施肥机研制与开发，采用PLC（Programmable Logic Controller）控制技术、PWM（
8、Pulse Width Modulation）调节技术、模糊逻辑控制， 在线监测系统，实现精确配肥与灌溉156,163-165。天津水利科学研究所研制的FICS型温室滴灌施肥机，采用人工干预，定时定量，条件控制三种方式，功能性强。北京农业信息技术研究中心早期研制的“肥能达”施肥机，高效自动化精量灌溉，施肥模式逻辑性强，中文界面、统一软件管理，旁路安装。以上产品实现了自动化的水肥灌溉，但智能程度不高，系统控制方式单一，以定时控制系统为主，功能不全面、可靠性，稳定性，EC/pH长期准确度差、通用性差155,158,165。近年来， 国家农业智能装备工程技术研究中心针对不同生产区域、栽培作物、作物品
9、种、栽培模式、管理体系等需求研发了系列水肥一体化综合管理系统与智能装备，如M-WF型、AWF型水肥一体化智能装备，在北京、内蒙、重庆、江西等地示范推广，取得了良好的示范效应和用户好评。同时，应北京、宁夏、新疆等有机蔬菜生产基地的特殊需求， 研发了有机水肥一体化智能装备及控制系统，在人机交互操作下，通过可编程控制系统对有机营养液制备、营养液配比与灌溉的智能管控，应用于设施、大田及果园作物的有机生产中，实现有机水肥一体化智能管理。在以上研究开发的基础上，针对我国大型农业园区的水肥施用量普遍偏高，过多的灌溉导致作物根系缺氧、田间病虫害严重、养分淋洗损失、地下水污染等问题141,145,153。开发了
10、基于物联网技术的大型园区分布式水肥管理系统，以实现高产高效、节水低耗为目标， 融节水灌溉技术、农艺节水技术、管理节水技术为一体，谋求经济效益、社会效益、生态环境效益等综合效应的最佳，以不同作物生育期内水肥管理为研究对象，结合不同作物生理发育时间、水肥需求规律， 进行环境、生态因子特征指数选取与调整，构建以不同作物生长发育模型为基础的水肥一体化决策模型和水肥一体化装备的配套高效高产栽培技术体系。实现大型设施蔬菜生产基地的水肥管理的互联互通，管理所有的“物联网”精准灌溉控制系统，建立大型园区或基地的设施蔬菜水肥管理网络，实现设施蔬菜生产基地的少人化管理，降低生产成本，提高设施蔬菜的产量和品质，提高
11、园区综合经济效益， 促进设施农业的信息化和智能化发展。5.4.3 设施蔬菜水肥一体化发展趋势5.4.3.1 设施蔬菜水肥一体化向科学化方向发展1. 设施蔬菜水肥需求特征大数据分析与一体化控制策略研究 通过收集整理国内外关于设施蔬菜水肥需求特征的海量数据，融合设施蔬菜温室内实时获取的环境因子数据，采用在线分析处理（On-Line Transaction Processing, OLAP）、多源数据回归、数据智能筛分等大数据分析技术，挖掘形成典型设施蔬菜的水肥吸收规律定量化分析结果及控制阈值。基于大数据的整理剖析，提出基于设施蔬菜生育期的水肥需求规律，从定植或播种开始，按照作物生育期的进展， 结合
12、生长环境因子的变化构建水肥应用的控制策略，在实际应用中进行验证和调整，逐步完善优化不同栽培种类和栽培环境的水肥需求优化控制策略。2. 设施蔬菜水肥一体化专用高效肥料筛选与开发根据不同栽培季节、不同作物种类的养分吸收规律，结合提高作物生长后期土壤根际微生物活性的要求，针对性地研发可溶性强、养分浓度高、营养配比合理的水肥一体化专用肥料和全溶性的营养液肥。以有机物料为发酵原材料，根据设施有机栽培中主要作物生育规律和养分需求特征，发酵富含有益微生物的高N、高P、高K有机液肥；再通过对有机液肥中微量营养元素的补充与调配151,169，继而开发多功能蔬菜专用性有机液肥。3. 设施蔬菜水肥一体化技术将向智能
13、化发展以设施蔬菜优质高产、大幅度降低水肥消耗为基本目标，基于设施蔬菜集群水肥耦合机理构建的智能决策模型，采用分布式管道与专用管道相结合的水肥通道，构建由中央控制系统、肥料配比系统、管道输送系统以及局部监测系统等部分组成的水肥一体化精准管理系统体系；借助物联网技术和最优化管道设计理念，开展配套的水肥一体化智能装备升级的研究，实现对集群设施蔬菜水分和肥料的集中管理和配比；并根据不同作物种类、不同土壤肥力、不同生育期以及不同栽培茬口的作物水肥需求特征，建立分布式的控制模块单元，采集并分析作物生长特征与环境因子信息，实现对控制单元中作物水肥的一体化精确管控。5.4.3.2 设施蔬菜灌水肥一体化向着标准
14、化体系发展1. 设施蔬菜水肥一体化系统向着节水器材标准规范化生产目前，市场上节水器材规格参差不齐，严重制约了我国节水灌溉事业的发展。因此在未来的发展中，通过节水器材技术标准、技术规范和管理规程的编制，逐步形成行业标准和国家标准，以规范节水器材生产，减少因为节水器材不规范而引起的浪费，提高水肥利用效率。2. 水肥一体化技术规范标准化的逐渐形成目前的水肥一体化各个施肥环节没有形成统一标准，效率低下， 因而在未来的水肥一体化进程中，应对设备选择、设备安装、栽培、施肥、灌溉制度等各个环节进行规范，以此形成技术标准，提高效率。5.4.3.3 设施蔬菜水肥一体化向规模化、区域化和产业化发展当前设施蔬菜水肥一体化技术已经由过去局部试验示范发展为大面积推广应用，辐射范围由华北地区扩大到西北干旱区、东北寒温带和华南亚热带地区，覆盖了设施栽培、无土栽培等多种栽培模式。华南地区利用灌溉注入有机液肥等技术形式使水肥一体化技术日趋丰富和完善。另外，设施蔬菜水肥一体化技术未来发展方向表现为由过去单体设施结构或者小面积的管理系统，发展为大型园区或生产基地的设施蔬菜水肥一体化的集中综合管理，可以进一步升级实现更大区域的若干个园区或生产基地作物水肥一体化的集中综合管理，既便于小范围的控制，也便于宏观控制和生产管理决策。