農(nóng)田水利中智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用研究

摘要：水資源短缺、土壤退化和天氣變化等因素的影響，使傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉模式越來(lái)越難以適應(yīng)。為了提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，保證糧食安全，智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。智慧農(nóng)業(yè)是利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術(shù)，把現(xiàn)代信息技術(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有機(jī)地融合在一起，從而達(dá)到對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精確經(jīng)營(yíng)。由于常規(guī)灌溉模式多依靠人工進(jìn)行，會(huì)造成水資源浪費(fèi)、灌溉不均、作物長(zhǎng)勢(shì)不平衡等問(wèn)題。而智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)是一種通過(guò)對(duì)土壤水分、天氣、農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而達(dá)到精確灌溉的目的。既可提高用水效率，又可減少成本支出，提高糧食產(chǎn)量及質(zhì)量。關(guān)鍵詞：農(nóng)田水利；智慧農(nóng)業(yè)；灌溉系統(tǒng)；應(yīng)用研究農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，如何有效地使用水資源，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展具有十分重大的意義。近幾年，隨著我國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的大力扶持，研發(fā)和普及智慧農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)已逐步被列為重要的政策。智慧農(nóng)業(yè)就是將各種現(xiàn)代信息科技應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的灌溉和生產(chǎn)過(guò)程中，使農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)向智能化、精準(zhǔn)化、高效化方向發(fā)展。針對(duì)目前農(nóng)田水利管理中普遍存在的資源浪費(fèi)、管理不善、低效等問(wèn)題，智慧農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)能夠通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并與現(xiàn)代灌溉科技相融合，達(dá)到精確灌溉的目的。這樣既可以有效地提高用水效率，又可以減少資源浪費(fèi)[1]。但是，目前我國(guó)在智慧農(nóng)業(yè)灌溉中還存在著技術(shù)普及率低、農(nóng)戶(hù)接受程度低等問(wèn)題。因此，要提高農(nóng)戶(hù)對(duì)智慧農(nóng)業(yè)的認(rèn)識(shí)，提高智慧農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)應(yīng)用熱情。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)政府扶持等措施，為推進(jìn)我國(guó)現(xiàn)代節(jié)水技術(shù)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用的重要性作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，要想成為一個(gè)真正的農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)，還有很長(zhǎng)遠(yuǎn)的路要走，因?yàn)樵缙谵r(nóng)業(yè)種植長(zhǎng)期無(wú)序的灌溉方式，造成水資源的有效利用率不到50%，而大量的水資源被其他植物吸收、蒸發(fā)或污染，這與國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略不相符。所以，提高農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的智慧化水平，可以最大限度地提高水資源的利用效率，從而有效地緩解我國(guó)的缺水狀況[2]。目前，我國(guó)農(nóng)田普遍沿用的是以“漫灌”為主的灌水模式，而不是以“滴灌”或“噴淋”等更節(jié)約水資源的模式。傳統(tǒng)的漫灌模式存在著灌水效率低下、水量不能準(zhǔn)確到達(dá)作物植株根系等問(wèn)題，導(dǎo)致大量水分從地表散失或進(jìn)入地下，導(dǎo)致水資源的浪費(fèi)。另外，傳統(tǒng)的漫灌模式很難實(shí)現(xiàn)對(duì)灌水次數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控，極易出現(xiàn)超量灌水，進(jìn)而造成水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)和土地鹽漬化等問(wèn)題。因此，采用智慧化的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)，可以降低農(nóng)民在生產(chǎn)過(guò)程中的時(shí)間費(fèi)用，并且通過(guò)信息化處理等方法，可以對(duì)降水概率、土壤含水量等數(shù)據(jù)進(jìn)行更加準(zhǔn)確和全面的計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)智慧化灌溉，防止人為因素對(duì)作物的生長(zhǎng)造成的影響。2農(nóng)田水利中智慧農(nóng)業(yè)灌溉應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)2.1技術(shù)適應(yīng)性與農(nóng)民接受度低智慧灌溉系統(tǒng)的技術(shù)適應(yīng)問(wèn)題主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的復(fù)雜多變特點(diǎn)上。智慧灌溉系統(tǒng)的發(fā)展離不開(kāi)高科技，如傳感器、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、數(shù)據(jù)處理軟件等，對(duì)相關(guān)人員具有較高的要求。但在很多農(nóng)村地區(qū)，農(nóng)戶(hù)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)水平比較低，而且沒(méi)有足夠的技術(shù)來(lái)維護(hù)和操作智能設(shè)備，這給農(nóng)戶(hù)帶來(lái)了許多困擾，如不能準(zhǔn)確設(shè)定灌溉參數(shù)、不能及時(shí)處理灌溉問(wèn)題等[3]。例如，有些農(nóng)戶(hù)在應(yīng)用土壤水分傳感器時(shí)，由于對(duì)其工作機(jī)理不明，不能準(zhǔn)確地知道什么時(shí)候該澆水，造成灌水低效，乃至過(guò)量灌水。其次，很多農(nóng)戶(hù)習(xí)慣采用傳統(tǒng)的灌水方法，他們擔(dān)心智能灌溉系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)更高的費(fèi)用和更大的危險(xiǎn)。如有些農(nóng)戶(hù)在試驗(yàn)中采用全自動(dòng)噴灌裝置，但因缺少相應(yīng)的技術(shù)知識(shí)，在第一次應(yīng)用中出現(xiàn)許多問(wèn)題，造成糧食減產(chǎn)。這些經(jīng)歷讓他們對(duì)智能灌溉系統(tǒng)抱有抗拒之心。2.2數(shù)據(jù)隱私與安全問(wèn)題首先，針對(duì)農(nóng)戶(hù)的個(gè)人資料與生產(chǎn)資料的安全問(wèn)題。在很多場(chǎng)景中，農(nóng)民都要把他們的生產(chǎn)信息上傳到云平臺(tái)來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和輔助決策。其中，除了農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)信息外，還包含了一些重要的個(gè)人信息，如農(nóng)民的身份信息、種植規(guī)模、種植方式等。農(nóng)民個(gè)人信息一旦被非法用戶(hù)獲得，不僅會(huì)使農(nóng)民的經(jīng)營(yíng)秘密遭到侵犯，而且還會(huì)損害農(nóng)民的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力和經(jīng)濟(jì)效益。其次，數(shù)據(jù)的安全性也是不容忽視的問(wèn)題。目前很多智能節(jié)水灌溉技術(shù)都是基于互聯(lián)網(wǎng)接入與云計(jì)算技術(shù)，其在傳輸、儲(chǔ)存等環(huán)節(jié)極易遭受黑客的攻擊。例如，黑客可以利用網(wǎng)絡(luò)入侵來(lái)獲得對(duì)該系統(tǒng)的控制，從而改變其灌溉方案，造成耕地過(guò)量灌水或水資源短缺，從而對(duì)作物的生產(chǎn)產(chǎn)生直接的影響。另外，由于系統(tǒng)故障和自然災(zāi)害等原因，還會(huì)造成信息的損失和破壞[4]。此外，目前我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品信息資源的整合與協(xié)同還存在諸多問(wèn)題。盡管信息共享可以推動(dòng)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展與創(chuàng)新，但是在實(shí)踐中，如何在保證農(nóng)民個(gè)人信息安全的基礎(chǔ)上，有效地進(jìn)行信息共享，仍然是一個(gè)難題。很多農(nóng)民在分享信息時(shí)表現(xiàn)得很小心，因?yàn)樗麄兒ε伦约旱男畔⒈粸E用或者被利用來(lái)進(jìn)行不正當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)。為此，必須構(gòu)建一個(gè)健全的信息分享制度，并在此基礎(chǔ)上制定一個(gè)清晰的法規(guī)體系。2.3投資成本與經(jīng)濟(jì)可行性智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)往往具有很高的初始投入。這包括設(shè)備的購(gòu)買(mǎi)，安裝和調(diào)試的成本。例如，智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用，需要對(duì)其進(jìn)行傳感器、控制器、信息傳送等環(huán)節(jié)的綜合投資，往往要達(dá)到幾萬(wàn)乃至幾十萬(wàn)。如此高的費(fèi)用，讓很多中小型種植戶(hù)都感到了巨大的財(cái)務(wù)壓力。另外，由于經(jīng)濟(jì)條件的限制，很多農(nóng)戶(hù)在進(jìn)行節(jié)水灌溉時(shí)，往往采用手工澆灌的方法，而沒(méi)有采用高技術(shù)的智能化灌溉技術(shù)。其次，智能灌溉技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性還與作物品種、氣候條件和市場(chǎng)需要等諸多相關(guān)因素有關(guān)。在某些地方，常規(guī)的灌溉方法還是比較經(jīng)濟(jì)和容易處理的。例如，在水源充足、天氣潮濕的地方，農(nóng)戶(hù)由于投資回報(bào)時(shí)間長(zhǎng)，有潛在的用水浪費(fèi)等風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的選擇不太積極。另外，農(nóng)產(chǎn)品的價(jià)格起伏也讓農(nóng)戶(hù)失去了對(duì)智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的投資信心，尤其是在面對(duì)不明朗的市場(chǎng)行情時(shí)，很多農(nóng)戶(hù)會(huì)采取觀望態(tài)度，而不愿馬上進(jìn)行技術(shù)改造。另外，智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的運(yùn)維費(fèi)用也是不容忽視的。盡管在初期能夠有效地改善用水利用率，但是當(dāng)其發(fā)生失效時(shí)，維修成本會(huì)比較高。另外，對(duì)農(nóng)戶(hù)而言，他們還需要專(zhuān)業(yè)的技能和訓(xùn)練才能掌握這種高科技產(chǎn)品。部分區(qū)域農(nóng)戶(hù)缺少相應(yīng)的知識(shí)基礎(chǔ)，缺少相應(yīng)的訓(xùn)練手段，致使其在智能灌溉中無(wú)法發(fā)揮應(yīng)有的作用。同時(shí)，政府與市場(chǎng)的配套也是制約智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素。若能給予適當(dāng)補(bǔ)助、低息貸款或科技訓(xùn)練，則可降低農(nóng)戶(hù)的財(cái)務(wù)壓力，增強(qiáng)農(nóng)戶(hù)對(duì)智慧型灌區(qū)的接受程度。另外，在當(dāng)前對(duì)可持續(xù)農(nóng)業(yè)及節(jié)水意識(shí)日益增強(qiáng)的背景下，智能節(jié)水技術(shù)在將來(lái)的發(fā)展中可能會(huì)逐漸改善。3智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)在農(nóng)田水利中的實(shí)現(xiàn)3.1農(nóng)業(yè)灌溉的實(shí)施監(jiān)測(cè)與管理在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中，采用智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)是提高農(nóng)田水利設(shè)施運(yùn)行效率的一種有效途徑。通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉的實(shí)施監(jiān)測(cè)與管理，農(nóng)戶(hù)可以對(duì)土壤水分、氣候變化及需水量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，進(jìn)行合理灌溉，達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的[5]。以某大型農(nóng)場(chǎng)為例，引進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，以提高灌區(qū)的智能化程度。智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)配備有土壤濕度傳感器、氣象站及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤濕度的采集與傳遞。在實(shí)際應(yīng)用中，將土壤濕度傳感器埋入地下，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤含水量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。氣象觀測(cè)站實(shí)時(shí)記錄溫度、濕度和降水量。該裝置在偵測(cè)到的土壤水分含量降至一個(gè)特定的臨界值時(shí)，就會(huì)發(fā)出警告，提醒管理者。通過(guò)移動(dòng)軟件，管理員可以隨時(shí)看到實(shí)時(shí)信息，并針對(duì)各農(nóng)作物的需水量特征，制定出最優(yōu)的灌水方案。例如，在持續(xù)無(wú)雨情況下，若稻田土壤含水量低于20%，該裝置將會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟灌水裝置，保證稻田在最重要的生長(zhǎng)時(shí)期獲得充足的用水。而針對(duì)小麥作物，會(huì)在整個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)，依據(jù)小麥的需水量變化規(guī)律，及時(shí)調(diào)節(jié)灌水次數(shù)及灌水量，以防止因灌水過(guò)度而導(dǎo)致的水土流失及土壤鹽堿化。3.2農(nóng)作物生長(zhǎng)期間的精準(zhǔn)灌溉技術(shù)以玉米種植為例，在整個(gè)生長(zhǎng)期，各生長(zhǎng)期對(duì)水量的需求各不相同。針對(duì)玉米苗期、拔節(jié)期和灌漿期三個(gè)時(shí)期的具體情況，提出精確灌水方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米生長(zhǎng)期的精確控制。例如苗期，由于玉米根系還沒(méi)有完全發(fā)育，對(duì)土壤的濕度要求較高，所以該系統(tǒng)能夠通過(guò)對(duì)傳感器的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤的滴灌或者是噴灌。而在拔節(jié)階段，由于玉米長(zhǎng)勢(shì)較快，需要更多的水，因此可以加大澆水次數(shù)和澆水量，保證作物不受干旱影響。另外，精準(zhǔn)灌溉還具有與氣象數(shù)據(jù)相融合的智能調(diào)節(jié)功能，通過(guò)與氣象站相連，可以獲得降水、溫度、濕度等氣象參數(shù)，避免在降雨前灌溉，降低用水成本。同時(shí)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析，為農(nóng)戶(hù)提供合理灌溉決策，農(nóng)戶(hù)可根據(jù)玉米生長(zhǎng)期的歷史資料，掌握各氣象因素對(duì)用水量的影響，從而制定出更為合理的灌溉計(jì)劃。3.3農(nóng)業(yè)灌溉的遠(yuǎn)程控制技術(shù)以果園種植灌溉為例，果樹(shù)苗木生長(zhǎng)階段的土壤濕度和養(yǎng)分供給非常重要。智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)可設(shè)定較為頻繁的灌溉周期，保證苗木得到充分的水分供應(yīng)，從而使其根系健康成長(zhǎng)。隨著果實(shí)的成熟，對(duì)用水的要求也越來(lái)越高，特別是在花期和結(jié)果階段。此時(shí)，該系統(tǒng)能夠依據(jù)天氣狀況以及果園的長(zhǎng)勢(shì)狀況，對(duì)灌水進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。例如，在溫度上升或降水變少時(shí)，該裝置就能根據(jù)果園的需要，不斷加大澆水次數(shù)和灌水量。在水果成熟階段，水分管理對(duì)果品質(zhì)量及產(chǎn)量有很大的影響。這時(shí)，可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制澆水來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹(shù)的精確澆水，防止因過(guò)量澆水而引起的裂果和因缺水而引起的果實(shí)干癟。最終，在果樹(shù)休眠期間，對(duì)水量的要求明顯下降，這時(shí)，該裝置會(huì)依據(jù)土壤的濕度情況以及氣候的改變而停止?jié)菜ＷC果園在休眠期間能夠獲得適宜的休息，并維持了土壤中的水量平衡。3.4自動(dòng)化灌溉設(shè)備3.4.1微噴灌溉系統(tǒng)微型噴灌技術(shù)是一項(xiàng)新型的節(jié)水技術(shù)，它在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了越來(lái)越多地使用，它在節(jié)水、節(jié)能等方面具有重要的意義。微型噴灌是一種智能化的噴灌裝置，它的主要特點(diǎn)是采用了先進(jìn)的噴頭設(shè)計(jì)以及智能控制模塊。這種噴霧裝置是利用微型噴嘴將水噴霧成極小的液滴，并將其噴灑到作物根系上，不僅可以保持較高的濕度，還可以降低水分的散失。此方法尤其適用于對(duì)濕度有很高需求的果樹(shù)和蔬菜種植領(lǐng)域。微噴技術(shù)相對(duì)于常規(guī)的漫灌或滴灌，可實(shí)現(xiàn)對(duì)種植區(qū)域內(nèi)特定范圍作物的直接噴灑，降低水資源的損失。國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料表明，采用微型噴灌技術(shù)，其水分利用率可達(dá)90%，比常規(guī)噴灌的60%～70%的水資源利用率有所提高。特別是在缺水地區(qū)，它可以有效地支撐可持續(xù)的農(nóng)業(yè)發(fā)展[6]。在實(shí)踐應(yīng)用中，微噴灌技術(shù)常常和土壤水分傳感器組成一體化的智能化灌溉系統(tǒng)，該傳感器可以對(duì)地面上的水分進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并將其信息傳輸?shù)街醒肟刂浦行摹Ｔ谕寥篮窟_(dá)到規(guī)定的臨界值時(shí)，可進(jìn)行微量噴灑，保證了作物的正常生長(zhǎng)，這種智慧化的管理模式，既可有效地利用水資源，又可有效地減少人工干預(yù)造成的誤差。3.4.2滴灌系統(tǒng)滴灌系統(tǒng)可將水直接傳輸至作物根系，從而達(dá)到精確灌溉的目的。這樣既可以降低水分的蒸發(fā)損失，又可以避免土地的鹽堿化。該系統(tǒng)包括水源、輸水管線(xiàn)、灌水器及控制器等。農(nóng)戶(hù)可以依據(jù)不同的種植時(shí)期、不同的天氣狀況，對(duì)水量、灌水時(shí)機(jī)進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，達(dá)到精細(xì)經(jīng)營(yíng)的目的。以我國(guó)西北部為例，由于氣候干燥，水源極度匱乏。對(duì)于需要大量水分的農(nóng)作物，如稻米和果樹(shù)等，農(nóng)民廣泛使用滴灌系統(tǒng)。由于采用了滴水灌溉技術(shù)，農(nóng)戶(hù)可以把水直接輸送到農(nóng)作物的根系位置，從而降低了水資源的損耗，提高了農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)，提高糧食產(chǎn)量。實(shí)例表明，某果園在采用該技術(shù)后，可使果園增產(chǎn)30%，用水利用率提高50%。另外，實(shí)現(xiàn)滴灌系統(tǒng)的自動(dòng)化也是目前灌溉自動(dòng)化的發(fā)展方向。利用傳感器與數(shù)據(jù)處理等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤水分、氣候等環(huán)境參數(shù)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉方案的優(yōu)化。例如，一些高級(jí)的滴頭裝置上裝有土壤水分感應(yīng)裝置，當(dāng)?shù)孛嫠趾拷档揭欢ǔ潭葧r(shí)，就能自動(dòng)啟動(dòng)澆水，該精準(zhǔn)灌溉技術(shù)在提升用水效率的同時(shí)，也可以減少化肥、農(nóng)藥的使用，推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。4結(jié)語(yǔ)綜上所述，智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)可以對(duì)土壤水分、氣象條件及農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行