设施葡萄智能化水肥管理体系研究.pdf

73 中国土壤与肥料 2022 1 doi 10 11838 sfsc 1673 6257 20521 设施葡萄智能化水肥管理体系研究 李增源 1 王绍雷 2 姬廷廷 1 张卫峰 1 1 中国农业大学资源与环境学院 中国农业大学农业绿色发展研究院 中国农业大学农业绿色发展学院 北京 100193 2 中国农业大学曲周实验站 河北 曲周 057250 摘 要 当前设施葡萄栽培中水肥盲目投入问题严重 因为缺乏灌溉决策标准导致农户实际生产中难以合理应用 水肥一体化技术 利用基于 NB IoT 网络传输的固态电阻传感器设备对设施葡萄根系土壤水分进行实时监测 建 立了基于土壤水分张力的设施葡萄灌溉决策指标 并依托水肥一体化设备实现自动灌溉 研究结果表明 智能灌 溉与施肥结合的综合管理比农户常规管理单穗重提高 161 g 产量提高 20 2 t hm 2 可溶性固形物含量提高 31 1 含酸量降低 21 9 维生素 C 含量增加 4 13 mg 100 g 用水量下降至 2016 t hm 2 相比于农户滴灌方式节水效率达 到 33 3 灌溉和施肥总成本节省 32 2 以萌芽至开花前土壤水分压力低于 30 kPa 果实生长期低于 200 kPa 设 置灌溉决策指标基本可以实现设施水量平衡 根据土壤养分供应和作物目标产量养分吸收量设置肥料投入定额 可以用于设施葡萄水肥一体化体系智能管理 关键词 智能化 水肥管理 传感器 灌溉决策 中国设施葡萄产业发展迅速 截至2016年我 国设施葡萄种植面积已达23 07万hm 2 占葡萄总 面积的 26 6 居全球第一 1 但我国的设施栽培 基本沿用露地栽培技术 投入甚至更高 尤其是尚 未构建环境调控与水肥调控一体化技术 盲目增加 水肥投入反而加剧了枝条营养过旺 设施湿度增加 等风险 导致产量不稳定 品质不能保证 生产水 平远低于发达国家 2 水肥一体化技术可以控制水 分和养分投入 已成为发达国家设施葡萄生产中主 流技术 3 国内已有研究采用灌溉定额决策方法的 水肥一体化技术节水率可达50 4 水分利用率 和肥料利用率均可提高40 左右 5 6 并能调节 果树生长量 7 提高产量和品质 4 8 但这些技 术依赖专业的技术指导 农户实际应用较为困难 再加上我国设施管理水平相对较低 传感器装备基 础水平差 难以和传感器等物联网技术进行融合 导致我国设施葡萄中水肥一体化技术发展缓慢 目前一些灌溉决策指标的研究集中在适宜灌溉阈 值对生长 产量和品质的影响方面 9 11 虽然不同 研究中的灌溉决策有着一定的参考作用 但不同品 种和地区的灌溉阈值不尽相同 大多数灌溉决策的 建立依赖于特定土壤的田间持水量 对其他地区和 土壤环境下的葡萄种植难以提供可靠有效的参考 因此 选择不受土壤类型和特定位置影响的土壤水 分传感器 12 来反映葡萄生长过程的水分亏缺情况 并及时进行灌溉决策 配合目标产量法进行水肥一 体化应用 是具有实际应用前景的技术途径 目前 基于土壤水分张力原理的决策指标在葡萄上仅有少 量研究于盆栽条件下开展 原因是传统土壤水分张 力计在实际生产中只能测定 80 85 kPa 的土壤水 吸力 无法满足灌溉需求 且测定费时费力 时效 性差 难以及时指导灌溉 随着传感器技术和物联网技术的发展 智能化 决策葡萄水肥需求来实现水肥的精准施用成为发展 趋势 美国 以色列等发达国家已经对智能化灌溉 施肥综合系统进行了研究并取得一些成果 13 发 展较快且具有代表性的是固态电阻传感设备 利用 土壤水分张力和电阻之间的相关关系测量土壤水分 张力 具体方法是将一对高度耐腐蚀的电极嵌入颗 粒状基质中模拟根系吸收水分所需要的能量 即土 壤水分张力 单位用kPa表示 于1978年开始投 入生产 帮助种植户提高灌溉效率 近些年配合物 联网系统已经成为科学调控灌溉管理制度的成熟 工具 被广泛应用于生产研究 12 14 16 我国智能 化传感器研发近两年发展迅速 但在实际生产中的 收稿日期 2020 08 27 录用日期 2020 10 25 基金项目 国家重点研发计划 2016YFD0201303 作者简介 李增源 1993 博士研究生 研究方向为植物营养 E mail 514851596 通讯作者 张卫峰 E mail wfzhang 74 中国土壤与肥料 2022 1 应用不多 除却基础设施不完善之外 传感器等先 进决策工具和农学技术还未实现匹配是主要的问 题 17 1 材料与方法 1 1 试验地概况 试验于2018年9月到2019年9月在河北省 邯郸市曲周县曲周镇胡近口村德众普萄生态科普 园 36 48 22 7 N 114 59 35 3 E 的温室大棚 中进行 供试土壤有机质为 12 3 g kg 全氮为 1 43 g kg 有效磷为 86 1 mg kg 速效钾为 614 mg kg pH为8 2 供试葡萄品种为弗雷无核 也称火焰 无核 欧美种 种植年限为5年 架型为双十字 V 形架 行距2 m 株距0 7 m 于棚内每一行 葡萄垄上铺设国产1寸PE材质滴灌带 主进水管 道安装国内科芯公司产的NB IoT智能电磁阀和智 能水表进行灌水开关控制和水量监测 在简易的塑 料施肥桶内加装一个 12 V 的小型电泵来抽取肥液 并添加开关采用注入式施肥方式控制施肥 1 2 试验设计 选择面积为 2988 m 2 166 m 18 m 的一个 塑料大棚进行试验 采用 十 字法将大棚分为 4 块 分别对应农户传统水肥处理 FT 灌溉施肥 综合管理 IM 优化灌溉处理 OI 优化施肥 处理 OF 4 个处理 每个处理 3 个重复 FT处理 采用水肥一体化方式进行施肥和浇 水 但施肥量 施肥时间 灌溉量和灌溉时间遵循 农户传统 各时期灌水量见表 1 各时期土壤水分 压力情况见图1 各时期施肥量见表2 基肥用复 合肥 15 9 16 硫酸镁 中微量元素肥 膨果 肥用复合肥 15 9 16 OI 处理 根据安装在棚内的土壤水分压力传感 器数值反映的土壤干燥情况在整个葡萄生长期进行 灌溉 土壤水分压力值对应的土壤干燥程度分级标 准 18 为 0 10 kPa 饱和土壤 10 30 kPa 土 壤足够湿润 正在湿润 30 60 kPa 灌溉通常 范围 60 200 kPa 土壤变得干旱和危险 参照 这一阈值 本试验设置的灌溉决策阈值为开花前保 持土壤水分压力值低于 30 kPa 是因为升温闷棚至 新梢生长期需要足够的水分促使葡萄萌发和新梢抽 出 而开花期不浇水则必须在开花前进行足够的水 分补充 开花期后根据土壤情况减少灌溉次数 但 保持土壤水分压力值小于200 kPa 这是因为后期 水分应该保持适量而不能过多 防止掉粒 裂果和 成熟时间推迟 各时期土壤水分张力情况见图1 各时期灌溉次数及灌溉量见表 1 施肥量和施肥时 期与 FT 处理保持一致 表 2 表 1 优化灌水和农户常规各时期的 灌溉次数及灌溉量 处理 升温 期 萌芽 前 萌芽 期 开花 前 膨大 期 着色 期 总计 FT 灌溉次数 1 0 1 1 1 1 5 灌溉量 t hm 2 940 5 0 0 223 5 153 0 1399 5 307 5 3024 0 OI 灌溉次数 1 1 1 2 3 2 10 灌溉量 t hm 2 606 0 120 0 57 0 87 0 613 5 532 5 2016 0 图 1 农户常规和优化灌水对 土壤水分张力的影响 表 2 试验施肥处理 kg hm 2 处理 养分 基肥 开花前 膨大期 着色期 总和 FT N 62 50 0 00 61 30 0 00 123 80 P 2 O 5 33 75 0 00 111 75 78 00 223 50 K 2 O 60 00 0 00 111 00 58 50 229 50 OF N 112 50 33 75 56 25 22 50 225 00 P 2 O 5 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 K 2 O 51 50 0 00 25 75 25 75 103 00 OF 处理 选择面积为 747 m 2 83 m 9 m 的 地块作为小区 按照河北省丰产园的标准选择 30 0 t hm 2 产量目标 利用目标产量法 19 进行肥料用 量计算 其中氮素投入总量控制在225 kg hm 2 比 农户传统投入量增长 81 7 主要是因为该园区连 续多年重视磷 钾肥 轻视氮肥导致土壤氮含量不 足而磷 钾含量过量 由于土壤中磷含量过高 优 化处理中完全不用磷肥 计算结果及养分投入量见 表 2 为了配合水肥一体化操作 肥料类型为基肥 75 中国土壤与肥料 2022 1 用尿素 硫酸钾 开花前尿素 膨大期尿素 硫酸 钾 着色期尿素 硫酸钾 提前配置好各施肥期的 肥料溶于施肥桶中 施肥时先用手机端软件打开灌 水管道电磁阀通水 后通过手机端软件打开开关控 制简易施肥桶中的电泵工作进行注入式施肥 灌水 量和灌水时间与 FT 处理保持一致 表 1 IM处理 选择面积为747 m 2 83 m 9 m 的 地块作为试验小区 灌溉定额与OI处理灌溉量相 同 表 1 施肥方案与 OF 处理相同 表 2 4 个处理中其他操作和管理均相同 均在基肥 投入相同量腐熟鸡粪和羊粪 开花前喷施等量锌 肥 开花后喷施等量硼肥 膨大期交替喷施等量的 磷酸二氢钾和糖醇钙肥 1 3 传感器布置及监测 施肥灌溉的位点与作物根系分布和栽培管理模式 密切相关 研究表明 地上灌溉方式传感器应布置在 根系吸收水分的临界区域 20 也可将2个水分探头 安装在根系分布的上下临界层 且深处水分传感器的 埋设深度应是浅处的2倍 21 史岩等 22 研究发现 土壤水分探头的适宜埋设深度为地表下10 30 60 和 100 cm 杨绍辉等 23 通过分析土壤含水率垂向变 化规律发现土壤水分传感器安装在地表下10 20和 50 cm 即可监测 0 100 cm 土层的水分情况 综合来 看 葡萄的土壤水分监测需将传感器安置在根系的集 中区域 必须先测定葡萄根系的深度和范围 根据根 系分布范围确定传感器布置的深度和位置 2018年9月选择壕沟剖面法对试验棚进行根 系调查 因株距较小 选择主干间进行剖面挖掘较 为困难 因此选择在主干两侧行间位置进行双剖面 的挖掘 观察根系分布情况 整个大棚选择以对角 线为基准 在对角线范围选择两端和中间 3 个位置 附近随机选择两株葡萄 共计对 6 株葡萄树进行剖 面挖掘和观察 壕沟共深70 cm 取距离主根水平 方向每 10 cm 10 cm 的土块装袋 用清水洗根 并 用根系扫描仪进行根系扫描并记录结果 结果显示 试验棚内葡萄根系分布范围为水平方向 0 70 cm 垂直方向0 50 cm 根系整体分布在距离主根水 平 0 40 cm 垂直距离 0 30 cm 区域内 而总 根长在距离主根水平 0 10 cm 垂直 10 20 cm 区域分布最密集 达到3161 cm 而吸收根 径 级0 2 mm 在距离主根水平0 10 cm 垂直 10 20 cm 处分布最密集 达到 1132 cm 因此将 土壤水分传感器布置在垂直 20 cm 处最合适 考虑 机械操作便利性 选择垄上距离葡萄主干向西 5 cm 处最为合适 在各试验小区中间一行葡萄架位置上安装西班 牙产的eVineyard一体式传感器各两个 均匀分布 于同一行上 土壤水分传感器探头安装在距离主干 向西 5 cm 垂直 20 cm 深的位置 自动监测记录土 壤水分压力情况 根据两台传感器的压力平均值进 行灌溉操作判定 当压力值超过阈值时通过软件打 开电磁阀及时灌溉 流程见图 2 图 2 传感器监测及自动灌溉控制示意图 1 4 测定指标 新梢长度 新梢长度是葡萄生长的关键指标 也影响葡萄养分累积和转移过程 新梢摘心前用卷 尺测量各处理随机选取的15条结果枝基部到顶端 的长度 取其平均值 单位为cm 测样时期为萌 芽后至摘心操作前 测样时间间隔为 3 d 左右 日 期为3月9日 3月12日 3月15日 3月19日 3月21日 3月24日 3月27日和3月31日 76 中国土壤与肥料 2022 1 新梢茎粗 新梢摘心前和成熟期 每个处理随 机调查15条结果枝 用游标卡尺测量结果枝第3 节间的平凹面粗度 单位为mm 测样时期为整个 生长期 测样时间间隔为1个月 日期为3月20 日 4 月 20 日 5 月 20 日 6 月 20 日 新梢叶片 SPAD 新梢摘心前和成熟期 每个 处理随机调查15条结果枝 用SPAD仪测量结果 枝第4叶片的SPAD值 精确到0 1 测样时期为 整个生长期 测样间隔为20 d 日期为4月5日 4月25日 5月15日 6月5日和6月25日 产量和单穗重 葡萄收获期测定 每个处理 随机选取 15 株正常结果树 记录每株葡萄果穗数 并随机选取10穗葡萄测定单穗重 取平均值 计 算单株产量 折算成每公顷产量 单株产量 公 顷株数 单位为 t hm 2 果实横径 将测产中随机选取的10穗葡萄作 为样品 然后分别从果穗上 中 下取3粒果实 共30粒 用游标卡尺测定果实横径 单位为mm 电子天平称单粒重 单位为 g 内在品质 葡萄成熟期采样测定 可溶性固形 物用糖度计测定 单位为 可滴定酸通过 NaOH 中和滴定法测定 单位为 维生素C含量采用 2 6 二氯靛酚滴定法测定 单位为 mg 100 g 水分利用效率 WUE 采用灌溉水利用效率即 葡萄的产量与灌水量之比来表示 氮肥偏生产力 PFPN 采用葡萄鲜果产量与 氮肥投入量之比表示 2 结果与分析 2 1 对设施葡萄生长指标的影响 2 1 1 新梢长度 4个处理中 FT处理3月9日新梢长度最短 但水肥的过量供应导致生长速率较快 后期与OF 和 IM 处理无显著性差异 但显著高于 OI 处理 反 映出水肥对新梢生长的调节作用 通过降低灌水量 能够显著避免新梢徒长 而肥料的投入特别是氮肥 用量的提高对新梢长度有明显的促进作用 图 3 不同处理对新梢长度的影响 注 小写字母不同表示处理间差异显著 P 0 05 下同 2 1 2 新梢茎粗 通过对新梢茎粗的分析 图4 发现 新梢茎 粗在3 4和6月各处理间均没有显著差异 仅5 月有一定差异 其中 OF 和 IM 处理显著高于 FT 处 理 而与OI处理无差异 说明灌水量减少并不会 影响新梢茎粗 再配套合理施肥反而有利于葡萄新 梢茎粗的增加 2 1 3 SPAD 值 图5显示 各处理在生长后期叶片SPAD值 趋于一致 但前期SPAD值表现出差异 OF处理 通过增加前期氮肥投入 叶片SPAD值显著高于 FT 处理 反映出随着氮肥投入的增加 光合作用 和营养转化能力加强 OI处理降低灌溉量并没有 显著改变叶片SPAD值 而IM处理在生长中期 77 中国土壤与肥料 2022 1 SPAD值显著高于FT处理 这反映出氮肥是决定 叶片 SPAD 值的主要因素 而适当降低灌溉量不会 降低叶片 SPAD 值 图 4 不同处理对新梢茎粗的影响 图 5 不同处理对叶片 SPAD 值的影响 2 1 4 果实横径 图6显示 5月初果期果实横径处理间没有差 异 从6月开始随着果实生长各个处理间差异显 现 其中OI OF和IM处理均能够显著提高果实 横径 不同处理对果实横径促进作用的时间先后顺 序为OF处理最早 其次为IM处理 最后为OI处 理 这表明肥料的合理施用是决定果实横径快速增 长的主要因素 水分的合理供应也能够显著增加果 实横径 但效果弱于合理施肥 2 2 对设施葡萄产量与品质指标的影响 2 2 1 单穗重 单株穗数 单粒重和产量 通过对产量指标进行分析 表3 看到 OI OF和IM处理能够显著提高单穗重和单粒重 但对 于单株穗数和产量而言 OI 和OF处理并没有显著提 升穗数和产量 而水肥交互作用的IM处理能够显著 提升穗数和产量 null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null 日期 月 日 果实横径 null null null null 图 6 不同处理对果实横径的影响 表 3 不同处理下的单穗重 单株穗数 单粒重和产量 处理 单穗重 g 单株穗数 单粒重 g 产量 t hm 2 FT 204 15c 11 0 0 8b 1 82 0 07b 16 7 0 3b OI 274 15b 12 0 0 6ab 2 42 0 15a 23 6 2 8b OF 344 18a 12 0 1 0b 2 65 0 06a 27 3 4 9ab IM 365 17a 15 0 1 2a 2 54 0 11a 37 0 3 4a 注 同列小写字母不同表示处理间差异显著 P 40 mg kg 为极高水平 必须要考虑土壤磷钾含量过量的问 题 而从氮钾的投入来看 投入总量基本与果实携 走量一致 其中存在少许偏差在于本试验没有对水 肥一体化技术中肥料溶液的浓度进行控制 因此肥 料的投入量与水分之间的耦合关系还有优化空间 但总体而言 在设施果园中 由于常年大量投入养 分 普遍存在土壤养分盈余 尤其是磷钾等 基于 养分吸收规律和土壤测试的施肥决策体系具有普遍 应用的价值 在智能滴灌施肥体系中 NB IoT网络支持低 功耗 高连接要求的传感器设备进行高效连接 传 感器实时监测的流量费用大大降低且待机时间更 长 装配基于 NB IoT 网络的 eVineyard 一体式传 感器以15 min 次的频率进行实时监测能够满足及 时决策和控制的要求 同时开发手机端控制体系进 行远程控制 以简易的施肥罐和智能化电磁阀 智 能水表建立灌溉施肥自动控制使低成本的水肥一体 化应用成为可能 可以预见 未来低成本高效率的 NB IoT 网络和支持设备将有广阔的发展空间 参考文献 1 国家统计局 中国统计年鉴 M 北京 中国统计出版社 2019 2 王海波 王孝娣 王宝亮 等 中国设施葡萄产业现状及发 展对策 J 中外葡萄与葡萄酒 2009 9 61 65 3 李传哲 许仙菊 马洪波 等 水肥一体化技术提高水肥利 用效率研究进展 J 江苏农业学报 2017 33 2 469 475 4 林华 李疆 干旱荒漠地区葡萄滴灌试验 J 新疆农业大 学学报 2003 4 62 64 5 杜中平 以色列节水灌溉与水肥一体化考察报告 J 青海 农林科技 2012 4 17 20 6 李咏梅 任军 刘慧涛 等 以色列 水肥一体化 技术简 介与启示 J 吉林农业科学 2014 39 3 91 93 7 苏培玺 施来成 塑料薄膜滴灌带在沙地葡萄节水中的应用 研究 J 干旱地区农业研究 2000 18 4 94 98 8 钟辉 钟公诒 杨筠文 等 生长后期节水灌溉对葡萄产 量及品质的影响试验初探 J 南方园艺 2010 21 5 14 15 9 黄冠华 沈荣开 张瑜芳 作物水分生产函数与农田非充分 灌溉研究述评 J 水科学进展 1995 3 248 254 10 梁鹏 部分根域干燥栽培条件下葡萄树体生长及根域土壤水 分调控研究 D 上海 上海交通大学 2009 11 刘洪光 何新林 王雅琴 等 调亏灌溉对滴灌葡萄耗水规 律及产量的影响研究 J 灌溉排水学报 2010 29 6 109 111 12 Soulis K X Elmaloglou S Dercas N Investigating the effects of soil moisture sensors positioning and accuracy on soil moisture based drip irrigation scheduling systems J Agricultural Water Management 2015 148 31 258 268 13 宗哲英 王帅 王海超 等 水肥一体化技术在设施农业中 的研究与建议 J 内蒙古农业大学学报 自然科学版 2020 41 1 97 100 14 Shock C Pereira A Feibert E Field comparison of soil moisture sensing using neutron thermalization frequency domain Tensiometer and Granular Matrix Sensor Devices Relevance to precision irrigation J Journal of Water Resource and Protection 2016 8 2 154 167 15 Mill n S Casades s J Campillo C et al Using soil moisture sensors for automated irrigation scheduling in a plum crop J Water 2019 11 10 2061 16 Hartz T Drip irrigation and fertigation management of celery M California University of California Cooperative Extension 1999 17 Basso B Antle J Digital agriculture to design sustainable agricultural systems J Nature Sustainability 2020 3 4 254 256 18 Irmak S Payero J O Van De Walle B et al Principles 80 中国土壤与肥料 2022 1 and operational characteristics of Watermark granular matrix sensor to measure soil water status and its practical applications for irrigation management in various soil textures J Biological Systems Engineering 2014 26 9 1 14 19 张福锁 陈新平 陈清 中国主要作物施肥指南 M 北 京 中国农业大学出版社 2009 96 99 20 Haise H R Hagan R M Soil plant and evaporative measurements as criteria for scheduling irrigation J Irrigation of Agricultural Lands 1967 11 575 604 21 Brouwer C Prins K Kay M et al Irrigation water management irrigation methods J Training Manual 1988 9 5 5 7 22 史岩 李帆 孙凯 等 墒情监测中土壤水分传感器埋设位 置研究 J 莱阳农学院学报 2006 3 179 184 23 杨绍辉 王一鸣 孙凯 基于土壤含水率垂向变化规律的 水分传感器布设 J 农业机械学报 2008 5 104 107 24 Cancela J Fandi nullo M Rey B et al Automatic irrigation system based on dual crop coefficient soil and plant water status for Vitis vinifera cv Godello and cv Menc a J Agricultural Water Management 2015 151 52 63 25 Abrisqueta I Vera J Tapia L et al Soil water content criteria for peach trees water stress detection during the postharvest period J Agricultural Water Management 2011 104 62 67 26 Zsofi Z Toth E Varadi G et al The effect of progressive drought on water relations and photosynthetic performance of two grapevine cultivars Vitis vinifera L J Acta Biologica Szegediensis 2008 52 2 321 322 27 娄玉穗 王世平 苗玉彬 等 不同灌溉阈值对 巨峰 葡 萄树体生长与果实品质的影响 J 果树学报 2018 35 1 46 55 Research on intelligent water and fertilizer management system of greenhouse grape LI Zeng yuan 1 WANG Shao lei 2 JI Ting ting 1 ZHANG Wei feng 1 1 College of Resources and Environment China Agricultural University Institute of Agricultural Green Development China Agricultural University College of Agricultural Green Development China Agricultural University Beijing 100193 2 Quzhou Experimental Station China Agricultural University Quzhou Hebei 057250 Abstract The blind investment of water and fertilizer is a serious problem in protected viticulture at present because of the lack of irrigation decision making standard it is difficult for farmers to apply water and fertilizer integration technology in practice In this study eVineyard integrated sensor based on NB IoT network was used to monitor soil moisture of greenhouse grape root system in real time and the irrigation decision making index of greenhouse grape based on soil moisture pressure was established and relying on water and fertilizer integration equipment to achieve automatic irrigation The results showed that compared with the famer management the ear weight of the integrated management of intelligent irrigation and fertilization was increased by 161 g the yield was increased by 20 2 t hm 2 the content of soluble solids increased by 31 1 acid content was decreased by 21 9 and vitamin C content was increased by 4 13 mg 100 g Compared with farmernulls drip irrigation the water saving efficiency reached 33 3 water consumption dropped to 2016 t hm 2 and the total cost of irrigation and fertilization saved by 32 2 Water balance can be achieved by setting irrigation decision making index with soil water pressure less than 30 kPa in germination to flowering and less than 200 kPa in fruit growth according to the nutrient supply of soil and the nutrient absorption of crop target yield and the fertilizer input quota can be used for the intelligent management of grape water and fertilizer integrated system Key words intelligent water and fertilizer management sensor irrigation decision making