水肥一體化的定義和設備的分類
根據認識來分類
傳統水肥一體化技術 將可溶肥料溶解到水裡，棍棒或機械攪拌，通過田間放水灌溉或田間管道，更進一步的還通過滴灌或微噴灌等裝置均勻的進入田間土壤中，被作物吸收利用的技術。
現代水肥一體化技術 通過實時自動採集作物生長環境參數和作物生育信息參數，通過模型構建耦合作物與環境信息，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，大大提高灌水和肥料的利用效率。
根據設備肥料通道來分類
單通道水肥一體化設備 該種設備主要是針對作物需肥簡單，用於單一肥料來源設計開發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、便於拆卸、操作簡便、價格低廉、故障率低，可滿足單體溫室或大田作物的應用，農戶易掌握，推廣面積大（圖1）。
圖1 單通道水肥一體化設備
多通道水肥一體化設備 該種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。肥料來源都是可溶解的，各組分配製溶解液儲存在儲液桶，通過管道連接對應吸肥通道，進入灌溉施肥機配肥，隨水進入到田間。這種設備需要專業技術人員操作，根據不同的控制策略自動或智能運行（圖2）。
圖2 多通道水肥一體化設備
根據回液是否處理來分類
開放式水肥一體化設備 該種設備是針對於溶解肥料或營養液不回收的水肥一體化系統開發的灌溉施肥機。多用於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淨化系統。
封閉式水肥一體化設備 該種設備是針對溶解肥料或營養液可回收的水肥一體化系統開發的灌溉施肥機。多用於水培、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淨化系統。過濾消毒淨化系統由慢砂過濾、紫外消毒、臭氧消毒、加熱消毒等功能選配組成，水肥利用率高，是一種可以實現零排放的水肥一體化系統。
根據肥料和水源的配比方式來分類
機械注入式 該方法是指在灌溉時，採用人工、泵、壓差式施肥罐或文丘裡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（圖3）。
自動配肥式 該方法是指在灌溉配肥時，根據作物的灌溉施肥指標或閾值，設定肥料配比程序，通過文丘裡或施肥泵，採用工業化控制程序，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 這種方法是根據作物生育期不同的施肥需水特徵，耦合生產區環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行水肥一體化設備系統完成灌溉施肥。近年來，採用養分原位監測技術採集到的作物土壤的養分水分信息，對決策模型的參數進行適時修正已經成為重要的研究方向，也是將來水肥一體化系統智能化程度的重要評判依據和未來水肥一體化應用的重要方向。
根據灌溉施肥機的控制決策來分類
經驗決策法 該方法完全憑藉生產者或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進行決策判斷。
時序控制法 該方法一般根據當地的土壤類型、氣候及作物的生長狀況等實際情況，由管理者或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。
環境參數法 該方法通過採集環境信息，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，也有將多個關鍵環境參數進行耦合而實現水肥控制的方法。
模型決策法 該方法根據不同作物的水肥需求特徵，構建基於物聯網技術的灌溉施肥模型，採集田間作物生長信息和環境信息，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的重要體現（圖4）。
圖4 作物水肥決策模型示意圖
根據灌溉施肥的運行方式來分類
固定式施肥機 將灌溉施肥機安裝在固定的地點，專門建造設備房，配套安裝砂石過濾、反衝洗過濾系統，對水質要求高的還可以安裝淨化水裝置，通過管道網進入田間。
移動式施肥機 將灌溉施肥機安裝在大型移動噴灌機上，隨著噴灌機的移動進行灌溉施肥。也有將灌溉施肥機安裝在卡車上，分片區操作，可減少管道的鋪設或減少安裝施肥機的數量。陸紹德等開發的HJYDS-1型移動式水肥藥一體化施肥車，主要由輪式拖卡車、水肥箱（高低各1個）、加壓設備等組成。該施肥機適合於面積較大的種植作物，一次性可灌溉面積更大，工效更高，可利用的範圍更廣，實用性更強，具有節約成本的特點，更適合於規模化種植基地。
根據肥料形式來分類
無機水肥一體化系統 該種設備是針對化學合成方法生產的單一型或複合型水溶性肥料的施用設計開發的水肥一體化系統，用於土壤栽培和無土栽培的非有機生產。該系統可配備單一吸肥通道或多個吸肥通道，分別用於複合型無機肥施用，及氮、磷、鉀等多種單一型無機肥源的配比混合施用。這種設備有利於提高勞動效率，實現水肥自動化、智能化管理，已在生產中推廣應用（圖5）。
圖5 無機水肥一體化系統
有機水肥一體化系統 該種設備是針對液態有機肥源的製備和施用設計開發的，它（圖6）由有機液肥發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，在有機農業生產的水肥管理中應用。有機液肥發酵子系統主要包括髮酵罐體、循環系統、供氧系統和多級過濾系統等，用於製備有機液肥；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，根據灌溉策略可實現有機生產的水肥一體化、精細化和自動化管理。
圖6 有機水肥一體化系統
根據管理規模來分類
單體或小規模水肥一體化管理系統 這種設備主要是針對單體溫室或小面積的作物生產而開發的小規模灌溉施肥管理系統，作物種類單一，需肥簡單，可以通過吸肥泵或文丘裡自動吸取生產人員在作物不同生育階段準備的水溶肥料，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。
大規模水肥一體化管理系統 該種設備主要是針對大面積的多種作物生產而開發的大規模灌溉施肥智能管理系統（圖7），多用於農業園區和生產基地的水肥管理，需要做配肥站、儲肥罐和多個分區監測站。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。基於不同作物生長規律和環境條件融合的灌溉施肥決策模型，實現整個農業園區或生產基地水肥綜合管理。
圖7 基於“物聯網”技術的水肥一體化智能裝備架構圖
中國作物水肥一體化設備的發展方向
由於中國地域廣闊，種植的作物種類多、栽培方式多樣、栽培季節差異大、田間配套設施條件不同、管理水平高低不同，各地科研工作者或企業相繼開發了多種形式的國產灌溉施肥機，對水肥一體化的推廣起到了積極的作用。因此，無論從國家政策要求，還是國內實際市場需求，研發適合中國國情的水肥一體化裝備及配套系統體系非常必要，這對於大力推進中國現代農業智能化發展具有重要意義。
圖8 基於“物聯網”技術的水肥一體化綜合管理系統示意圖
因此，在農業生產活動中，通過物聯網+水肥綜合管理系統（圖8），實時自動採集作物生產區環境參數和作物生育信息參數，並通過指標決策或模型決策控制系統進行智能灌溉施肥，通過對土壤水肥的精確控制實現水肥一體精準施入，大大提高灌水和肥料的利用效率。探索大型園區或基地高效節約低耗的水肥管理模式，具有覆蓋生產示範園區和生產基地的能力，最終實現作物生產基地水肥管理的互聯互通，管理所有的“物聯網”精準灌溉控制系統，建立區域性或全國性水肥管理網絡，實現農業生產基地的少人化管理，降低生產成本，減少肥料投入，節約農業用水，提高作物的產量和品質，提高生產區綜合經濟效益，促進中國農業的信息化和智能化發展。由此可見，基於物聯網技術的作物水肥綜合管理在我國農業現代化發展中具有廣闊的應用前景。
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