CN110741795A - 一种基于原位土壤养分浓度的设施作物施肥方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及设施农业技术领域，提供一种基于原位土壤养分浓度的设施作物施肥方法及系统，设施作物施肥方法，包括：S1，根据设施作物种类，设定土壤养分含量供应目标值；S2，采集栽培区土层预设深度的原位土壤溶液，测试原位土壤中的养分含量；S3，采集预设深度处原位土壤的实际含水量，计算灌水量与灌溉水中的养分含量；S4，计算施肥的养分供应量；本发明可十分便捷地获取设施作物施肥的养分供应量，具有不破坏土壤、快速决策不同种类设施作物养分供给量的特点，避免了施肥的盲目性，确保了土壤中养分浓度的稳定性，实现了对设施作物生长过程中养分的及时与精准供给。
Description
技术领域
本发明涉及设施农业技术领域，尤其涉及一种基于原位土壤养分浓度的设施作物施肥方法及系统。
背景技术
设施农业属于高投入高产出，资金、技术、劳动力密集型的产业。它是利用人工建造的设施，使传统农业逐步摆脱自然的束缚，走向现代工厂化农业生产的必由之路，同时也是农产品打破传统农业的季节性，实现农产品的反季节上市，进一步满足多元化、多层次消费需求的有效方法。对于设施农业中广泛种植的设施作物而言，设施作物生长快、产量高，对养分的需求量大，仅依靠土壤中的养分难以满足作物生长发育的需求。施肥是设施作物生产中的重要技术环节，也是对设施作物生长过程中养分需求的重要补充。
目前，设施作物施肥主要依据农民经验，施肥量大，施肥时间不适宜。由于缺少对作物实际生长过程中养分吸收、以及养分损失等情况的考虑，造成养分供给量与作物实际养分需求量存在很大偏差，影响设置作物的生长与产量；并且，在施肥时间上，则完全依据经验或实际作物长势而定，盲目性大，造成养分供给与设置作物需求在时间上的不匹配。
如此，这不仅影响到设施作物的产量和品质，且肥料利用率低，养分淋洗严重，还容易导致地下水硝酸盐含量超标严重。因而，对肥料的不合理使用带来的巨大经济损失和环境风险，已成为制约设施农业可持续发展的瓶颈。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种基于原位土壤养分浓度的作物施肥方法及系统，用以解决当前在对设施作物施肥时，存在对肥料的不合理利用，从而带来巨大经济损失和环境风险的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明在一方面提供了一种基于原位土壤养分浓度的设施作物施肥方法，包括：
S1，根据设施作物种类，设定土壤养分含量供应目标值Nt；
S2，采集栽培区土层预设深度为h的原位土壤溶液，测试原位土壤中的养分含量Ns；
S3，采集预设深度处原位土壤的实际含水量Ws，计算灌水量Ir与灌溉水中的养分含量Nw；
S4，计算施肥的养分供应量Na，Na＝Nt-Ns-Nw。
优选的，本发明中当Na>λ×Nt时，进行施肥；否则，不施肥；其中，λ为施肥系数，λ的取值为10％-20％。
优选的，本发明中根据每种设施作物的不同生育期，设定不同的土壤养分含量供应目标值Nt。
优选的，本发明中Ns＝Cs×h×ρ/10；其中，Cs为测试的原位土壤溶液中的养分浓度，ρ为对应土层深度的土壤容重，10为换算系数。
优选的，本发明中Ir＝100×(Wf×α-Ws)×h×ρ；Nw＝10-3×Cw×Ir；其中，Wf为土壤田间持水量，α为控水系数，ρ为对应土层深度的土壤容重，Cw为灌溉水中的养分浓度，100为换算系数，10-3为换算系数。
优选的，本发明中在步骤S2中，测试的原位土壤中养分的类型包括硝态氮、有效磷或有效钾。
优选的，本发明中设置对原位土壤溶液中的养分浓度Cs测试的时间周期为灌水量Ir计算统计时间周期的2倍。
优选的，本发明在另一方面还提供了一种基于上述设施作物施肥方法的施肥系统，包括肥料输送子系统，还包括原位土壤养分测量子系统、原位土壤水分测量子系统、配肥子系统和末端灌溉子系统；所述原位土壤养分测量子系统、所述原位土壤水分测量子系统分别连接所述配肥子系统，所述配肥子系统连接所述肥料输送子系统，所述肥料输送子系统连接所述末端灌溉子系统；所述原位土壤养分测量子系统用于检测原位土壤中养分含量；所述原位土壤水分测量子系统用于检测原位土壤的实际含水量；所述配肥子系统根据所述原位土壤养分测量子系统、所述原位土壤水分测量子系统检测到的数据获取施肥的养分供应量，并配置相应浓度的肥料，将肥料供给至所述肥料输送子系统；所述肥料输送子系统用于将肥料输送至所述末端灌溉子系统，由所述末端灌溉子系统实现对设施作物的灌溉施肥。
优选的，本发明中所述原位土壤养分测量子系统包括土壤溶液采集器、样品测试瓶、离子传感器和动力装置；所述土壤溶液采集器埋设在预设深度的原位土壤中，所述土壤溶液采集器通过第一管路连通所述样品测试瓶，所述样品测试瓶内安装所述离子传感器；所述动力装置通过第二管路连通所述样品测试瓶，以驱动所述土壤溶液采集器采集到的土壤溶液进入至所述样品测试瓶，并由所述离子传感器对相应体积的所述土壤溶液的养分浓度进行检测。
优选的，本发明中所述末端灌溉子系统包括控制阀和灌水器；所述灌水器连通所述肥料输送子系统在输送末端的管路，并在输送末端的管路上安装所述控制阀。
(三)技术效果
本发明提供的设施作物施肥方法，通过对相应种类设施作物的生长过程中历史数据的统计分析，可获取其生长所需的土壤养分含量供应目标值，并基于对原位土壤中的土壤溶液和实际含水量的采集，可分别计算出原位土壤中的养分含量、灌水量及灌溉水中的养分含量，从而可根据简单的算术运算得到施肥的养分供应量，具有不破坏土壤、快速决策不同种类设施作物养分供给量的特点，避免了施肥的盲目性，确保了土壤中养分浓度的稳定性，及对设施作物生长过程中养分的及时与精准供给，为设施作物的水肥精准管理提供了技术支撑。
本发明提供的基于设施作物施肥方法的施肥系统，根据获取的设施作物的养分供应量，可由配肥子系统配置相应浓度的肥料，并通过肥料输送子系统和末端灌溉子系统对设施作物的根际进行施肥，从而实现了对设施作物生长过程中养分的及时与精准供给。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所示的设施作物施肥方法的流程图；
图2为本发明实施例所示的基于上述设施作物施肥方法的的施肥系统结构框图；
图3为本发明实施例所示的原位土壤养分测量子系统的结构示意图。
图中：1、原位土壤养分测量子系统；11、土壤溶液采集器；12、第一管路；13、样品测试瓶；14、离子传感器；15、第二管路；16、动力装置；2、原位土壤水分测量子系统；3、配肥子系统；4、肥料输送子系统；5、末端灌溉子系统。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参见图1，本实施例提供了一种基于原位土壤养分浓度的设施作物施肥方法，包括：
S1，根据设施作物种类，设定土壤养分含量供应目标值Nt；
S2，采集栽培区土层预设深度为h的原位土壤溶液，测试原位土壤中的养分含量Ns；
S3，采集预设深度处原位土壤的实际含水量Ws，计算灌水量Ir与灌溉水中的养分含量Nw；
S4，计算施肥的养分供应量Na，Na＝Nt-Ns-Nw。
具体的，本实施例在对设施作物进行施肥时，关键在于在不破坏土壤，不影响设施作物正常生长的情况下，对设施作物所需的养分供应量进行精确计算，以进行施肥，其中，本实施例优选设施作物为茄果类蔬菜，优选施肥时监测的土壤养分为硝态氮，而原位土壤中养分的类型还可包括有效磷或有效钾。
在具体实施时，首先，通过对相应种类设施作物的生长过程中历史数据的统计分析，来获取其生长所需的土壤养分含量供应目标值Nt(单位：kg/hm2)；然后，通过土壤溶液采集器采集预设深度处原位土壤中土壤溶液，测试土壤溶液的养分浓度Cs(单位：mg/L)，并通过土壤水分传感器采集预设深度处原位土壤的实际含水量Ws(单位：cm3/cm3)，由此，可分别换算得到原位土壤中的养分含量Ns(单位：kg/hm2)、灌水量Ir(单位：m3/hm2)及灌溉水中的养分含量Nw(单位：kg/hm2)，最后，可根据简单的算术运算Na＝Nt-Ns-Nw，得到施肥的养分供应量Na(单位：kg/hm2)，以对设施作物进行施肥灌溉，并待一个施肥周期结束后，重复上述过程，进入下一个循环操作。
由此可见，本实施例所示的设施作物施肥方法，具有不破坏土壤、快速决策不同种类设施作物养分供给量的特点，避免了施肥的盲目性，确保了土壤中养分浓度的稳定性，实现了对设施作物生长过程中养分的及时与精准供给，为设施作物的水肥精准管理提供了技术支撑。
进一步的，本实施例中当Na>λ×Nt时，进行施肥；否则，不施肥；其中，λ为施肥系数，λ的取值为10％-20％。
具体的，通过对施肥条件设置如上判决公式，可确保原位土壤中的养分(肥料)在累计到一定量时，才对设施作物进行施肥，以确保施肥的有效性，否则，在原位土壤中养分的累计量过低，如在累计量低于目标值Nt的10％时即进行施肥操作，施肥的肥料可能难以有效扩散至设置作物的根际，从而不仅造成施肥的浪费，也对设施作物的正常生长与产量带来影响。
进一步的，本实施例中根据每种设施作物的不同生育期，设定不同的土壤养分含量供应目标值Nt。
具体的，由于每种设施作物在不同生育期对养分的需求量是不相同的，从而采用本实施例所示的施肥方法在计算相应种类设施作物的的养分供应量时，应设定不同的目标值Nt。例如，秋冬茬番茄在第一穗、第二穗以及第四穗果膨大期的土壤氮素供应目标值可依次设定为300kg/hm2，220kg/hm2以及190kg/hm2。
进一步的，本实施例中Ns＝Cs×h×ρ/10；其中，Cs为测试的原位土壤溶液中硝态氮的浓度，单位：mg/L；h为原位土壤溶液采集的土层预设深度，优选为30cm；ρ为对应土层深度的土壤容重，单位：g/cm3；10为换算系数。
进一步的，本实施例中Ir＝100×(Wf×α-Ws)×h×ρ；Nw＝10-3×Cw×Ir；其中，Wf为土壤田间持水量，单位：cm3/cm3；α为控水系数，α为70％-90％，优选地，α为90％；ρ为对应土层深度的土壤容重，单位：g/cm3；Cw为灌溉水中的硝态氮浓度，单位：mg/L；100为换算系数，10-3为换算系数。
进一步的，本实施例中设置对原位土壤溶液中的硝态氮浓度Cs测试的时间周期为灌水量Ir计算统计时间周期的2倍。
具体的，由于原位土壤溶液中的硝态氮浓度通常随着施肥灌溉而发生波动，并基于节约用水和防止养分流失的考虑，本实施例可设置Cs测试的时间周期为6-10天，Ir计算统计时间周期为3-5天，优选地，Cs测试的时间周期为10天，Ir计算统计时间周期为5天。
进一步的，参见图2，本实施例还提供了一种基于上述设施作物施肥方法的施肥系统，包括肥料输送子系统4，还包括原位土壤养分测量子系统1、原位土壤水分测量子系统2、配肥子系统3和末端灌溉子系统5；原位土壤养分测量子系统1、原位土壤水分测量子系统2分别连接配肥子系统3，配肥子系统3连接肥料输送子系统4，肥料输送子系统4连接末端灌溉子系统5。
具体的，在本实施例所示的施肥系统在实施时，通过原位土壤养分测量子系统1检测原位土壤中养分含量；通过原位土壤水分测量子系统2检测原位土壤的实际含水量，以计算灌水量，并可根据灌溉水中的养分浓度计算出灌溉水中的养分含量；配肥子系统3根据原位土壤中养分含量和灌溉水中的养分含量，来获取施肥的养分供应量，并配置相应浓度的肥料，该肥料可以为包含氮、磷、钾及其它养分元素的肥液，同时将肥料供给至肥料输送子系统4；肥料输送子系统4通过相应输送管路将肥料输送至末端灌溉子系统5，由末端灌溉子系统5实现对设施作物的灌溉施肥。
进一步的，参见图3，本实施例中原位土壤养分测量子系统1包括土壤溶液采集器11、样品测试瓶13、离子传感器14和动力装置16。
具体的，土壤溶液采集器11埋设在预设深度的原位土壤中，用于提取原位土壤中的溶液，优选地，土壤溶液采集器11不低于3个，在施肥管理区面积较大时，应适当增加土壤溶液采集器11的数量。
与此同时，土壤溶液采集器11通过第一管路12连通样品测试瓶13，样品测试瓶13内安装离子传感器14，其中，样品测试瓶13可自带用于采集的土壤溶液体积的相应测试结构，离子传感器14可为离子选择电极，当在对原位土壤溶液中的硝态氮浓度进行检测时，离子传感器14优选为硝酸根离子选择电极。
另外，动力装置16可采用负压泵，并以第二管路15连通样品测试瓶13，从而通过负压泵对样品测试瓶13内气体的进行抽取，在空气压差的作用下驱动土壤溶液采集器11采集到的土壤溶液进入至样品测试瓶13，并由离子传感器14对相应体积的土壤溶液的养分浓度进行检测。
进一步的，本实施例中原位土壤水分测量子系统2通过土壤水分传感器检测原位土壤的实际含水量，土壤水分传感器可设置六个，并均匀布置在设施作物的行间。
进一步的，本实施例中末端灌溉子系统5包括控制阀和灌水器；灌水器连通肥料输送子系统4在输送末端的管路，并在输送末端的管路上安装控制阀，由此，通过控制开闭控制阀，可将水肥与养分(氮肥)通过灌水器输送至设施作物的根系土壤中。
在此应当指出的是，为了确保施肥系统的自动化运行，可设置总控系统，由总控系统依据工作流程控制各个子系统的工作，确保整个系统的自动化运行。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于原位土壤养分浓度的设施作物施肥方法，其特征在于，包括：
S1，根据设施作物种类，设定土壤养分含量供应目标值Nt；
S2，采集栽培区土层预设深度为h的原位土壤溶液，测试原位土壤中的养分含量Ns；
S3，采集预设深度处原位土壤的实际含水量Ws，计算灌水量Ir与灌溉水中的养分含量Nw；
S4，计算施肥的养分供应量Na，Na＝Nt-Ns-Nw。
2.根据权利要求1所述的设施作物施肥方法，其特征在于，
当Na>λ×Nt时，进行施肥；否则，不施肥；
其中，λ为施肥系数，λ的取值为10％-20％。
3.根据权利要求1所述的设施作物施肥方法，其特征在于，
根据每种设施作物的不同生育期，设定不同的土壤养分含量供应目标值Nt。
4.根据权利要求1所述的设施作物施肥方法，其特征在于，
Ns＝Cs×h×ρ/10；
其中，Cs为测试的原位土壤溶液中的养分浓度，ρ为对应土层深度的土壤容重，10为换算系数。
5.根据权利要求1所述的设施作物施肥方法，其特征在于，
Ir＝100×(Wf×α-Ws)×h×ρ；
Nw＝10-3×Cw×Ir；
其中，Wf为土壤田间持水量，α为控水系数，ρ为对应土层深度的土壤容重，Cw为灌溉水中的养分浓度，100为换算系数，10-3为换算系数。
6.根据权利要求1所述的设施作物施肥方法，其特征在于，
在步骤S2中，测试的原位土壤中养分的类型包括硝态氮、有效磷或有效钾。
7.根据权利要求4所述的设施作物施肥方法，其特征在于，
设置对原位土壤溶液中的养分浓度Cs测试的时间周期为灌水量Ir计算统计时间周期的2倍。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的设施作物施肥方法的施肥系统，包括肥料输送子系统，其特征在于，
还包括原位土壤养分测量子系统、原位土壤水分测量子系统、配肥子系统和末端灌溉子系统；
所述原位土壤养分测量子系统、所述原位土壤水分测量子系统分别连接所述配肥子系统，所述配肥子系统连接所述肥料输送子系统，所述肥料输送子系统连接所述末端灌溉子系统；
所述原位土壤养分测量子系统用于检测原位土壤中养分含量；
所述原位土壤水分测量子系统用于检测原位土壤的实际含水量；
所述配肥子系统根据所述原位土壤养分测量子系统、所述原位土壤水分测量子系统检测到的数据获取施肥的养分供应量，并配置相应浓度的肥料，将肥料供给至所述肥料输送子系统；
所述肥料输送子系统用于将肥料输送至所述末端灌溉子系统，由所述末端灌溉子系统实现对设施作物的灌溉施肥。
9.根据权利要求8所述的施肥系统，其特征在于，
所述原位土壤养分测量子系统包括土壤溶液采集器、样品测试瓶、离子传感器和动力装置；
所述土壤溶液采集器埋设在预设深度的原位土壤中，所述土壤溶液采集器通过第一管路连通所述样品测试瓶，所述样品测试瓶内安装所述离子传感器；
所述动力装置通过第二管路连通所述样品测试瓶，以驱动所述土壤溶液采集器采集到的土壤溶液进入至所述样品测试瓶，并由所述离子传感器对相应体积的所述土壤溶液的养分浓度进行检测。
10.根据权利要求8所述的施肥系统，其特征在于，
所述末端灌溉子系统包括控制阀和灌水器；
所述灌水器连通所述肥料输送子系统在输送末端的管路，并在输送末端的管路上安装所述控制阀。
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