郭洪恩 李俊林 劉波 張玉浩 張文東 何青海
摘? 要:本文針對(duì)設(shè)施結(jié)構(gòu)宜機(jī)性差、水肥藥管理不科學(xué)、設(shè)施缺乏環(huán)境自動(dòng)調(diào)控、灌溉水利用系數(shù)低等問題,設(shè)計(jì)建造新型可移動(dòng)裝配式節(jié)能日光溫室,建立傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和精準(zhǔn)灌溉施肥智能決策機(jī)制;探究研究設(shè)施內(nèi)部的溫、光、濕、氣分布與變化規(guī)律,構(gòu)建作物和果實(shí)生長與環(huán)境要素之間的反饋控制模型,突破微咸水農(nóng)業(yè)安全與高效利用技術(shù),最大程度減小土壤鹽害,助力設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效、提檔升級(jí)。
關(guān)鍵詞:新型溫室;裝配式建造;水肥一體化;設(shè)施環(huán)控;植物參數(shù)檢測(cè);微咸水處理
1 引言
經(jīng)過30多年的發(fā)展,我國設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)取得了巨大成就,保障了蔬菜周年供應(yīng),促進(jìn)了農(nóng)民增收,帶動(dòng)了城鄉(xiāng)勞動(dòng)力就業(yè),提高了資源利用效率。目前設(shè)施蔬菜發(fā)展中存在一些問題,一是設(shè)施蔬菜發(fā)展的統(tǒng)籌規(guī)劃與科學(xué)引導(dǎo)不足;二是隨著設(shè)施蔬菜肥水管理不科學(xué);三是設(shè)施缺乏環(huán)境自動(dòng)調(diào)控;四是灌溉水利用系數(shù)低。新型日光溫室生產(chǎn)提質(zhì)增效技術(shù),主要包括裝配式溫室建造、溫室水肥藥精準(zhǔn)施用、溫室環(huán)境智能控制、微咸水處理等技術(shù)。通過新型日光溫室建造技術(shù),節(jié)約了溫室建造成本,提高了土地利用效率;通過推廣設(shè)施蔬菜水肥規(guī)律數(shù)字化及智能決策技術(shù)、智能灌溉施肥一體化精準(zhǔn)管控技術(shù),提高了溫室水肥管理水平[1];應(yīng)用溫室環(huán)境信息監(jiān)測(cè)與溫室環(huán)境自適應(yīng)精準(zhǔn)控制系統(tǒng),能夠減少勞動(dòng)力投入,節(jié)約人工成本;微咸水處理技術(shù)的應(yīng)用,能夠節(jié)約淡水資源,打破淡水資源短缺限制設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸。
2 裝配式可移動(dòng)新型溫室建造技術(shù)
針對(duì)現(xiàn)在日光溫室建造成本高,破壞耕層結(jié)構(gòu),土地利用率低和不便拆裝等諸多問題,設(shè)計(jì)建造新型可移動(dòng)裝配式節(jié)能日光溫室。裝配式可移動(dòng)新型日光溫室土地利用效率高、保溫性好、病害少產(chǎn)量高、安裝便捷可移動(dòng),建造方便,能極大降低對(duì)耕層結(jié)構(gòu)的破壞,且造價(jià)只有傳統(tǒng)溫室的50%[2]。
2.1 裝配式精制大拱棚建造技術(shù)
針對(duì)傳統(tǒng)拱圓大棚保溫性差、使用范圍窄,喜溫設(shè)施蔬菜越冬困難等問題,研究大空間節(jié)能保溫技術(shù)和模塊化結(jié)構(gòu)組裝技術(shù),建立標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)模式,制定統(tǒng)一規(guī)范的零配件標(biāo)準(zhǔn),研制大空間裝配式精制大拱棚(見圖1)。該技術(shù)安裝便捷、拆卸簡單,土地利用率高,空間大,既有利于機(jī)械化作業(yè),又具有良好的保溫效果可以越冬栽培。
2.2 裝配式新型日光溫室建造技術(shù)
針對(duì)傳統(tǒng)日光溫室對(duì)土地表層結(jié)構(gòu)破壞性大、土地利用率低、建設(shè)成本高等問題,根據(jù)地質(zhì)條件和氣候特征,就地取材,采用作物秸稈作為后墻和山墻材料,優(yōu)化溫室棚體結(jié)構(gòu),研制裝配式新型日光溫室,完善新型日光溫室建造技術(shù)體系(見圖2)。該技術(shù)不破壞土層表面結(jié)構(gòu),降低建造成本、提高土地利用效率,易工廠化批量生產(chǎn),且采光、保溫、蓄熱、通風(fēng)性能好。
3 溫室水肥精準(zhǔn)施用技術(shù)
粗放式的水肥施用和管理不僅造成了水資源和肥料嚴(yán)重浪費(fèi),也影響了設(shè)施作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。因此,根據(jù)設(shè)施作物生長環(huán)境及最適宜生長條件,建立傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),通過采集的數(shù)據(jù)建立精準(zhǔn)灌溉施肥智能決策,包括施水肥量、施水肥時(shí)間以及施用位置,最后通過軟硬件結(jié)合設(shè)計(jì)整套設(shè)施生產(chǎn)要素(水、肥)綜合監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素(水、肥)精準(zhǔn)施用,用最少的水、肥施用量達(dá)到最大的收益[3]。
3.1 設(shè)施蔬菜水肥規(guī)律數(shù)字化及智能決策技術(shù)
目前常規(guī)的水肥一體技術(shù)裝備難以根據(jù)設(shè)施蔬菜不同生育周期的水分、養(yǎng)分需求進(jìn)行灌溉施肥。探明作物對(duì)土壤水分和氮肥脅迫的響應(yīng)程度及對(duì)水肥脅迫環(huán)境的適應(yīng)過程和機(jī)制,揭示土壤水分養(yǎng)分—作物生理響應(yīng)之間的耦合關(guān)系,構(gòu)建基于土壤水分—作物生理實(shí)時(shí)檢測(cè)的灌溉模型,開發(fā)水肥一體化智能決策系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)水分養(yǎng)分的定時(shí)定量按需管理。
3.2 智能灌溉施肥一體化裝備及遠(yuǎn)程云管控技術(shù)
針對(duì)目前灌溉施肥裝備智能化程度低、操作不便的問題,開展園區(qū)水肥精細(xì)化管理與溫室云端控制技術(shù)研究,研制開發(fā)水肥一體化智能調(diào)控裝備,開發(fā)基于電腦、觸摸屏、手機(jī)協(xié)同控制的水肥智能管理軟件,構(gòu)建水肥智能管理遠(yuǎn)程控制平臺(tái),智能控制水肥裝備精量作業(yè),達(dá)到省水、省肥、省工、高效的目的。
4 溫室環(huán)境智能精準(zhǔn)控制技術(shù)
日光溫室作為北方省份設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要形式,具有投資少、保溫好、節(jié)約能源的優(yōu)點(diǎn),但依托人工經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的設(shè)施水肥、環(huán)境調(diào)控以及落后的生產(chǎn)管理方式導(dǎo)致其生產(chǎn)效率低下、經(jīng)濟(jì)效益下降。因此,結(jié)合現(xiàn)代日光溫室結(jié)構(gòu)特點(diǎn),研究設(shè)施內(nèi)部的溫、光、濕、氣分布與變化規(guī)律,建立作物和果實(shí)生長與環(huán)境要素之間的反饋控制模型,研制自適應(yīng)控制系統(tǒng)是當(dāng)前日光溫室智能化生產(chǎn)的迫切需求與發(fā)展方向。
4.1 溫室環(huán)境信息監(jiān)測(cè)與種植環(huán)境參數(shù)預(yù)警技術(shù)
針對(duì)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)過程中田間信息采集設(shè)備參數(shù)單一、集成化低的問題,開展農(nóng)田信息采集技術(shù)集成研究,篩選適用于監(jiān)測(cè)溫室環(huán)境參數(shù)的傳感器,集成研發(fā)智能環(huán)境監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)種植區(qū)域的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境信息全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),為精準(zhǔn)灌溉、施肥提供依據(jù),并為用戶提供信息顯示、實(shí)時(shí)提醒、報(bào)警等。
4.2 基于最優(yōu)種植的溫室環(huán)境自適應(yīng)精準(zhǔn)控制技術(shù)
研發(fā)智能環(huán)控裝備,通過傳感器精確采集溫室中光照、溫度、濕度和CO2濃度,采集數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)焦芾砥脚_(tái)進(jìn)行儲(chǔ)存分析,可根據(jù)設(shè)定的閾值,控制卷簾、風(fēng)機(jī)、遮陰等設(shè)備,通過遠(yuǎn)程在線平臺(tái)和手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,實(shí)現(xiàn)溫室大棚環(huán)境智能調(diào)節(jié)[4]。
5 微咸水農(nóng)業(yè)安全與高效利用技術(shù)
在鹽堿地改良與利用過程中,節(jié)約淡水資源、開發(fā)和利用非常規(guī)水資源尤為重要。微咸水(礦化度為2~5g/L)是我國重要的非常規(guī)水資源,中國地下微咸水資源量約為 2×1010m3/a,其中可開采量為1.3×1010m3/a。合理利用微咸水資源有助于節(jié)約淡水資源,增加可利用耕地面積,提高耕地產(chǎn)能。微咸水安全高效利用技術(shù)的核心是最大程度減弱微咸水灌溉造成的土壤鹽害問題,保障作物正常生長。
5.1 微咸水膜分離電滲析處理技術(shù)
電滲析技術(shù)是一種常用的膜分離技術(shù),具有回收率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。電滲析法是在外加電流的作用下,利用離子交換膜的選擇透過性使溶液中的陰、陽離子發(fā)生遷移,導(dǎo)致鹽分濃度降低。電滲析技術(shù)可以通過改變電流、電壓滿足不同鹽分濃度咸水淡化的要求,同時(shí)還能有效去除水中多余的硝酸鹽、氟化物等污染物,其節(jié)能和實(shí)用環(huán)保的特點(diǎn)符合現(xiàn)代工業(yè)要求,適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。電滲析技術(shù)處理后的微咸水可用于為農(nóng)業(yè)灌溉用水提供新的水源,打破了淡水資源短缺限制設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸[5]。微咸水電滲析處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活,操作維修方便,通過調(diào)節(jié)水箱可實(shí)現(xiàn)對(duì)高鹽量廢液的高效回收利用,高濃度苦咸水回收率可達(dá)到80%以上,有利于節(jié)約淡水資源。
5.2鹽堿地改良微咸水結(jié)冰灌溉技術(shù)
利用咸水與淡水冰點(diǎn)溫度的差異進(jìn)行咸水結(jié)冰灌溉是鹽堿地改良的一項(xiàng)特色技術(shù),對(duì)于大部分鹽漬化地區(qū),冬季溫度可降至咸水冰點(diǎn),在12月至翌年1月,溫度低于-5℃時(shí)可進(jìn)行咸水結(jié)冰灌溉。灌溉后表層土壤中的咸水結(jié)冰,由于咸水冰點(diǎn)低于淡水,春季氣溫回升后,咸、淡水分離入滲,表現(xiàn)為礦化度較高的咸水先融出,礦化度較低的淡水后融出,淡水冰融化后能夠淋洗前期咸水冰融化所積累的鹽分(見圖3)。
此外,咸水冰富含的 Mg2+、Ca2+水合半徑較小,且易置換出土壤膠體上的Na+,淡水冰融化后,Na+隨融水下滲而淋洗至深層土壤,減少作物根區(qū)鹽分量。土壤中Mg2+和 Ca2+的移動(dòng)性弱于Na+,故咸水冰融化下滲后發(fā)生的離子交換過程可導(dǎo)致土壤SAR逐漸降低。在置換Na+、降低SAR的同時(shí),隨水分滲入的大量陽離子使土壤總電解質(zhì)濃度升高,促進(jìn)陽離子遷移至土壤表面,土壤顆粒的絮凝作用增強(qiáng),有益于團(tuán)聚體形成,使鹽漬化土壤團(tuán)聚性增強(qiáng)[6]。咸水結(jié)冰灌溉不僅降低了土壤(0~30cm)鹽分量,還使土壤團(tuán)聚體中Ca2+、K+、HCO3-等離子濃度提高,增加土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑,有利于土壤離子平衡、改善土壤結(jié)構(gòu)。
6 結(jié)論
第一,新型可移動(dòng)裝配式節(jié)能日光溫室可解決溫室建造成本高,破壞耕層結(jié)構(gòu),土地利用率低和不便拆裝等諸多問題,具有土地利用效率高、保溫性好、安裝便捷可移動(dòng),建造方便等優(yōu)點(diǎn),能極大降低對(duì)耕層結(jié)構(gòu)的破壞,且造價(jià)只有傳統(tǒng)溫室的50%。
第二,根據(jù)設(shè)施作物生長環(huán)境及最適宜生長條件,建立傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),通過采集的數(shù)據(jù)建立精準(zhǔn)灌溉施肥智能決策,最后結(jié)合整套設(shè)施系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)水肥藥智能精準(zhǔn)施用的目的。
第三,結(jié)合當(dāng)前日光溫室結(jié)構(gòu)特點(diǎn),研究設(shè)施內(nèi)部的溫、光、濕、氣分布與變化規(guī)律,建立作物和果實(shí)生長與環(huán)境要素之間的反饋控制模型,研究溫室環(huán)境智能精準(zhǔn)控制技術(shù),可以顯著提升設(shè)施生產(chǎn)效率,增加經(jīng)濟(jì)效益。
第四,通過微咸水電滲析技術(shù)和結(jié)冰灌溉模式,合理利用鹽堿地區(qū)龐大的微咸水資源,有助于節(jié)約淡水,增加可利用耕地面積,提高耕地產(chǎn)能,能最大程度減弱微咸水灌溉造成的土壤鹽害問題,保障作物正常生長。
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作者簡介:第一作者:郭洪恩,男,研究員,碩士,主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備研究工作。
*通訊作者:何青海,男,高級(jí)工程師,碩士,主要從事農(nóng)業(yè)智慧節(jié)水技術(shù)與裝備研究工作。