水肥浓度智能感知与精准配比系统研制与试验

分类：论文范文 发表时间：2020-09-03 09:51

　　摘要: 为解决农场当地当时的复合肥料精准化配料问题，本研究将水肥一体化智能灌溉施肥系统作为研究对象，构建了水肥浓度智能感知与精准配比系统。首先提出现场在线水肥溶液智能感知模型的快速建立方法，利用数据分析算法从传感器实时监测的一系列浓度梯度的肥料溶液中挖掘出模型。其次基于上述模型设计水肥浓度智能感知与精准配比系统的框架结构，阐述系统工作原理；并通过三种水体模拟在线配肥验证了该系统原位指导水肥浓度配比的有效性，同时评价了水体电导率对水肥配比浓度的干扰。试验结果表明，正则化条件下二阶的多项式拟合曲线是表达溶液电导率与水肥浓度的变化关系最优的模型，相关系数R2均大于0.999，由此模型可得出用户关心的复合肥各指标浓度。三种水体模拟在线配肥结果表明，水体会干扰电导率导致无法准确反演水肥配比的浓度，相对偏差值超过了0.1。因此，本研究提出的在线水肥智能感知与精准配比系统实现了消除当地水体电导率对水肥配比准确性的干扰，通过模型计算实现复合肥精准化配比，并得出各指标浓度。该系统结构简单，配比精准，易与现有水肥一体机或者人工配肥系统结合使用，可广泛应用于设施农业栽培、果园栽培和大田经济作物栽培等环境下的精准智能施肥。

　　关键词: 水肥一体化；电导率；感知；精准配比；系统建模；多项式拟合

　　1 引 言

　　在现代农业生产中，将灌溉与施肥结合一同作用于作物根系的水肥一体化技术已逐渐成为趋势，自动灌溉施肥技术被认为是当今世界提高养分利用率的最有效方法之一[1]。灌溉施肥的主要优点是施肥均匀、准确，可以稳定且高精度地控制灌水量、施肥量、施肥时间等参数，从而提高水肥的利用效率，避免肥料施在较干的表土层引起挥发损失、溶解慢，最终导致肥效发挥慢的问题，既节约氮肥又有利于环境保护。水肥一体化技术已广泛应用于设施农业栽培[2]、果园栽培[3]和棉花等大田作物栽培[4]，以及经济效益较好的其他作物[5]栽培，并取得了显著的经济和社会效益[6]。因此，研发与推广高效的水肥一体化技术具有重要的应用价值。

　　2 试验设计与方案

　　2.1　仪器与试剂

　　水肥感知与配比模型试验所需仪器和设备：MSP60-3A注射泵（慧宇伟业（北京）流体设备有限公司），雷磁DDSJ-308A型电导率仪（带两支铂黑电导率探头，电极常数和量程分别为k=0.957，2~20，000S/cm；k=10.57，2~200 mS/cm；上海仪电科学仪器股份有限公司）；分析天平（北京赛多利斯仪器公司）；超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）。

　　水肥感知与配比模型试验所需试剂和材料：芭田水溶肥料13-6-40（深圳市芭田生态工程股份有限公司），芭田水溶肥料20-20-20（深圳市芭田生态工程股份有限公司），超纯水（18.25 MΩ·cm），150 mm定量滤纸（生工生物工程（上海）股份有限公司）。

　　水样采集与前处理：采集安徽省合肥市董铺水库水体，用定量滤纸进行过滤，滤液作为水肥在线配比试验的水库水。直接收集安徽省合肥市自来水厂市政供水作为自来水体。

　　2.2　试验方案

　　为解决农场复合肥料精准化配料问题，本研究建立如图1所示的试验方案：将复合肥料进行标准化检验，获得各项指标的具体数值；在实验室采用纯水配置一系列浓度梯度的复合肥溶液，进行电导率测试试验；获取的电导率数据进行水肥感知模型构建，通过回归拟合筛选出最优模型；设计搭建硬件水肥精准配比硬件系统；采集自然水体，在硬件系统中通过先投肥料再持续加液的方式模拟农场复合肥料配比，在每个浓度特征点即时采集水肥溶液中电导率参数；通过筛选出的最优模型指导自然水体配肥的模型校验，并进行模型评价。

　　3 试验结果与讨论

　　3.1　复合肥料检验值

　　为了更精确地评价不同回归曲线，委托安徽省产品质量监督检验研究院对本研究采购的两种水溶肥进行了标准化检测。两种水溶复合肥N、P2O5及K2O含量的详细数据展示在表1中，这些数据将作为基准值。

　　3.2　水肥浓度智能感知模型构建

　　针对复合肥料配比中的智能感知问题，研究通过感知每种复合肥料配比中关键浓度点，建立电导率与水溶肥浓度关系的回归模型的方法来实现。本节探讨构建复合肥料配比的智能感知模型的合理性。

　　表2是采用的两种肥料在8个浓度水平下的电导率检测结果，这些关键特征浓度点为建立回归模型提供支持。表2结果表明，溶液电导率和溶液浓度呈正相关，浓度越大电导率越高。根据水肥浓度智能感知方法对两种肥料进行不同阶的曲线拟合，溶液的电导率与水肥浓度的变化关系可以分别用图2的不同曲线进行描述。

　　4 水肥浓度智能感知与精准配比系统设计

　　4.1　结构设计

　　面对实际生产中复合肥料的智能感知与精准配比问题，在完成合理的复合肥料配比的智能感知模型构建后，本研究提出基于在配肥现场原位电导率速测的两级水肥配比系统作为智能感知的模型构建的硬件载体。此配比系统包括一级水肥浓度智能感知模型建立子系统与二级水肥精准配比子系统，水肥一体配肥系统结构如图4所示。

　　一级系统设计为便携式装置，亦可与现有传统水肥系统兼容，主要基于在线原位电导率探头自动采集水肥溶液的电导率数据，实时构建水肥浓度智能感知模型。一级系统主要包括一台精密的加液泵，可实现准确定量加液；一只大量程在线电导率探头，一只水肥配比塑料桶，以及配套的控制、感知与模型建立软件。二级系统设计为动态精准配肥装置，在水肥浓度智能感知模型的基础上，依据不同肥料浓度需求进行配肥决策，自动进行肥料浓度的配比。二级系统主要包括一台加液水泵，支持定量加液控制；一只大量程在线电导率探头，用于实时检测水肥浓度变化，并反馈给配肥控制机构；一只流动稀释混肥罐，一个复合肥加肥装置，用来按需添加和存储肥液，一套施肥管路用于水肥传输，以及配套的用户交互、控制软件。

　　4.2　水肥配比系统试验和模型校验

　　前期走访调研发现，农户为节约成本，配肥过程中采用的水体种类繁多。考虑到农场当时当地配肥所用水体的水质问题，为了探究水体本身的电导率是否与实验室采用纯水建立的模型的不同、是否会干扰水肥智能配比系统等问题，同时，农场采用流动注水方式配肥，与实验室提前配制样本溶液、再逐一检测的方式不同，本研究建立了一种近似原位配肥环境的装置与方法，试图实现在现场即时建立匹配当地水体的水肥浓度智能感知模型，用以指导农户精确配肥。通过不同水体的配比试验从而验证本研究提出的水肥智能感知配比系统在面对当时当地的水体具有较好的宽容性与一致性，实现从试验环境到生产环境的推广。

　　参考文献：

　　[1] 徐志龙, 乔晓君. 自动灌溉施肥机在设施生产中的应用[J]. 农业工程技术(温室园艺), 2008(6): 15-16.XU Z, QIAO X. Application of automatic irrigation and fertilizer applicator in facility production[J]. Agriculture Engineering Technology (Greenhouse & Horticulture), 2008(6): 15-16.

　　[2] 李友丽, 李银坤, 郭文忠, 等. 有机栽培水肥一体化系统设计与试验[J]. 农业机械学报, 2016, 47(S1): 273-279.LI Y, LI Y, GUO W, et al. Design and test of integrated water and fertilizer system in organic cultivation[J]. Transactions of the CSAM, 2016, 47(S1): 273-279.

　　[3] 章伟. 渭北旱塬苹果及葡萄水肥一体化技术研究[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2016.ZHANG W. Application of fertigation in apple and grape orchard in Weibei arid plateau[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2016.

　　作者金洲 1,4, 张俊卿 1,2,4, 郭红燕 1,4, 胡宜敏 1,4, 陈翔宇 1,4*, 黄河 1,4*, 王红艳 3

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