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一种水肥菌一体化智能灌溉设备及其应用

花匠小妙招
2025-05-07 09:36

一种水肥菌一体化智能灌溉设备及其应用

1.本发明属于农业生产技术领域，具体涉及一种水肥菌一体化智能灌溉设备及其在温室大棚作物基质栽培中的应用。

背景技术：

2.温室大棚是现代农业发展的特征之一，虽然我国温室大棚业起步较晚，但发展较快。目前世界塑料大棚和温室面积约420万公顷，设施农业同普通农业相比，产业化程度高，效益好，接受新技术的能力强。而我国面积最大，我国塑料大棚和温室的建设面积已经从20世纪90年代初的40多公顷发展到现在近189万公顷，占世界45％。其中，日光温室面积占比30.5％；塑料大棚面积占比66.6％；连栋温室面积占比2.9％(数据来源：2018农业农村部农业机械化管理司)。
3.温室大棚作物栽培大量地采用水肥一体化的滴灌技术，狭义来讲，就是通过灌溉系统施肥，作物在吸收水分的同时吸收养分。通常与灌溉同时进行的施肥，是在压力作用下，将肥料溶液注入灌溉输水管道而实现的。溶有肥料的灌溉水，通过灌水器(喷头、微喷头和滴头等)，将肥液喷洒到作物上或滴入根区。广义讲，就是把肥料溶解后施用，包含淋施、浇施、喷施、管道施用等。滴灌施肥是一种精确施肥法，只施在根部，显著提高肥料利用率；施肥速度快，千亩面积的施肥可以在1天内完成；灵活、方便、准确地控制施肥时间和数量；显著地增加产量和提高品质，增强作物抵御不良天气的能力；可利用边际土壤种植作物，如沙地、高山陡坡地、轻度盐碱地等；有利于防止肥料淋溶至地下水而污染水体；有利于实现标准化栽培；由于水肥的协调作用，可以显著减少水的用量。
4.微生物在植物生长过程具有特殊的功效，土壤中微生物数量多、繁殖快、活动性强，对植物有非常重要的影响，主要表现在以下方面:(1)分解有机质，土壤微生物是生态系统中的分解者，它们使有机质分解，释放养分，供植物利用。(2)提供矿质元素，有些土壤微生物还能直接对岩石进行分解，如硅酸盐菌能分解土壤中的硅酸盐，并分离出高等植物能吸收的。(3)促进植物生长，土壤微生物生命活动产生的生长激素以及维生素类物质对植物的种子萌发和正常的生长发育能产生良好影响。(4)防止植物病害，某些微生物在不同程度上具有抑制病毒和致病性细菌、真菌的作用，在一定条件下可以成为植物病原菌的拮抗体。(5)分解有毒物质，某些微生物还能把土壤中有毒的h2s，ch4等转化成无毒物质，如硫化细菌能将h2s转化为硫酸盐。
5.传统水肥一体机以土壤湿度作为指标，通过土壤湿度传感器对灌溉系统发出指令，实现灌溉系统自动开启和关闭，存在智能化程度低，安全性不高，控制精度差，农业管理水平低等缺点。

技术实现要素：

6.为了解决现有技术中水肥一体化效能低的问题，发明人提供了一种水肥菌一体化智能灌溉的方法，技术方案如下：
7.一种水肥菌一体化智能灌溉设备，所述的设备包括灌溉系统、智能控制系统和农田生境监测系统，农田生境监测系统将气象信息传输给智能控制系统，通过智能控制系统控制灌溉系统，对农作物进行滴灌。
8.所述的灌溉系统包括3个肥料桶和1个过滤装置；其中，第1桶存放大量元素溶液，第2桶存放微量元素溶液，第3桶存放微生物菌剂；第1、2、3桶的肥料通过过滤装置，进入水肥菌混合管道后，根据智能控制系统的指令对农作物进行灌溉。其中，所述的微生物菌剂中使用的菌株在ph 4-9条件下存活不少于7天。
9.所述的智能控制系统包括灌溉程序控制模块、环境信息接收模块和施肥程序控制模块。
10.所述的农田生境监测系统采集环境因子的实时动态数据，包括温度监测模块、湿度监测模块、光照强度监测模块、风速监测模块、降雨量监测模块和co2浓度监测模块。
11.进一步的，所述的水肥菌一体化智能灌溉设备在温室大棚作物基质栽培中的应用。
12.进一步的，所述的水肥菌一体化智能灌溉设备在番茄、黄瓜、生菜、草莓、辣椒、茄子或西瓜中的一种作物温室栽培中的的应用。
13.区别于现有技术，上述技术方案的优点在于：
14.本发明提出了“水肥菌一体化”提升“水肥一体化”的效能，建立适用于水肥菌一体化的微生物筛选标准，筛选具有耐酸碱保存、寡营养生长、防病促长、分解毒素、提升肥料利用率等的微生物，将特定的微生物添加到水肥菌一体化体系中，通过水为载体逐步地施入基质和土壤，促进植物生长，分解自毒物质，提高植物抗病虫能力，提高肥料利用率，加强微生物在植物栽培中的作用，达到绿色栽培，节本增效，提高产量和质量的目的。
附图说明
15.图1为具体实施方式所述的水肥菌一体化设备结构功能示意图
16.图2为具体实施方式所述的灌溉系统和智能控制系统实物结构简图
17.图3为具体实施方式所述的智能控制系统各模块图
18.图4为具体实施方式所述的温室大棚基质栽培中水肥菌一体化设备使用实景图
具体实施方式
19.为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
20.实施例1
21.水肥菌一体化智能灌溉设备，如图1所示，包括灌溉系统、智能控制系统和农田生境监测系统。农田生境监测系统将气象信息传输给智能控制系统，通过智能控制系统控制灌溉系统，对农作物进行滴灌。
22.1.灌溉系统
23.灌溉系统如图2所示，包括3个肥料桶和1个过滤装置；其中，第1桶存放大量元素溶液，第2桶存放微量元素溶液，第3桶存放微生物菌剂；第1、2、3桶的肥料通过过滤装置，进入水肥菌混合管道后，根据智能控制系统的指令对农作物实施灌溉。
24.适合于水肥菌一体化应用的微生物菌剂，要求微生物本身要有在水/基质中保持一定活力的时间(通常要大于7天)，同时由于水环境和基质环境的寡营养特性，即满足微生物生活的营养条件比较缺乏，还要求微生物本身具有寡营养生长的条件，即在营养不全面的条件下生长。解决上述问题，首先，采用耐酸碱的微生物菌株筛选，可以使得筛选出的微生物具有更强的环境适应力；其次，筛选寡营养生长的微生物菌株；第三，筛选具有抗病促长的菌株。因此，适合于水肥菌一体化应用的菌株筛选标准：(1)微生物菌株在ph 4-9条件下生存不少于7天；(2)寡营养下生长(少碳，即碳氮比低于10；或少氮，即碳氮比高于50)；(3)具有抗病促长的特征(如以尖孢镰刀菌为靶标，抑菌圈直径＞25mm)。
25.2.智能控制系统
26.智能控制系统，如图3所示，包括：灌溉程序控制模块，控制灌溉水量和时间，见图3c；环境信息接收模块，接收农田生境监测系统采集的光、温、湿、雨、日、风等参数，见图3a；施肥程序控制模块，控制n、p、k及微量元素的含量、配比、施肥量和次数，见图3b。通过远程网络可以对智能控制系统进行设置和监控，实现水肥菌一体化滴灌。
27.智能控制系统还包括：手动控制模块，除了根据预设参数进行智能控制外，也可以通过手动控制模块进行实时设置，见图3e；运行状态显示模块，显示灌溉时的各参数，见图3d；系统设置模块，对运行状态显示参数进行设置，见图3f。
28.将大量元素配置成母液装入第1桶，微量元素配置成母液装入第2桶，微生物菌剂配制成母液装入第3桶，通过灌溉系统设定的参数配比，由文丘里吸肥装置，将大量元素、微量元素、微生物菌剂吸入并通过过滤装置，进入混合管道，形成特定浓度的水肥菌灌溉液，由智能控制系统送到栽培基质作物的根部，实现自动定时定量施肥、浇水、施用菌剂的功能。其中，过滤装置采用200目过滤筛网在线过滤。为了防止灌溉液固结导致管道堵塞，施肥后延迟1分钟继续冲水洗管。
29.本水肥菌一体化设备通过设置3桶结构(桶1大量元素，桶2微量元素，桶3微生物菌剂)，可以实现各桶的单一灌溉，也可以实现两两组合，或三桶多元组合灌溉，从而实现水、肥、菌的智能化多元组合。
30.3.农田生境监测系统
31.农田生境监测系统采集环境因子的实时动态数据，包括温度监测模块、湿度监测模块、光照强度监测模块、风速监测模块、降雨量监测模块和co2浓度监测模块。
32.基于农田物联网框架设计，通过设置农田生境小型气象站，集成温、湿、光、风、雨、co2监测模块，采集环境因子的实时动态数据，传输数据到智能控制系统，显示在环境信息接收模块上，通过系统的智能化学习，应用专家系统软件对农田小气候变化(光、温、雨、湿等参数)进行编码，根据编码启动灌溉施肥程序，实现自动控制灌溉系统。
33.本设备可以根据地理气候、作物种类、生长阶段等农田小生境的实时变化，实现了滴灌、施肥、添菌的水肥菌一体化灌溉管理智能化控制，实现了基质(无土)栽培，克服了连作障碍，减少了化学农药的使用，提高了作物产量和品质，节约了用水用肥，减轻劳动强度和用工成本，实现绿色食品生产。
34.实施例2
35.在福州市宦溪镇建立了一套智能温室大棚水肥菌一体化智能灌溉设备，用于番茄的温室栽培，如图4所示。
36.1.水肥菌一体化智能灌溉设备结构
37.(1)农田生境监测系统：集成温、光、湿、风、雨、co2监测等模块，采集环境因子的实时动态数据，包括温度、湿度、光照、风速、降雨量、co2浓度等。
38.(2)灌溉系统：通过灌溉程序的设定，实现水、肥、菌的智能化多元组合(灌溉水，大量元素，微量元素，微生物菌剂，酸碱调控等)。
39.(3)智能控制系统：远程网络控制基质栽培水肥菌一体化，包含了灌溉程序、环境信息、施肥设置、手动控制、运行状态、系统设置功能，实行水肥菌一体化滴灌。
40.2.微生物菌剂中微生物的筛选
41.配置酸性寡营养培养基，以青枯病原菌和枯萎病原菌为靶标，以解磷能力、吲哚乙酸(iaa)含量、吡咯喹啉醌(pqq)含量为指标，筛选微生物菌株。筛选到可作为水肥菌专用菌株的暹罗芽胞杆菌fjat-47226(bacillus siamensis，菌株来源见发明专利申请201910081093.8)，具有耐酸、寡营养生长、抗青枯病和枯萎病、较高解磷能力(无机磷增量为131.14mg/l)，较强的固氮能力(固氮效能为10.51mg/g)，较高iaa含量(8.16mg/l)和pqq含量(21.08μg/ml)的菌株。
42.3.灌溉系统中各桶母液的配制
43.将大量元素配置成母液装入第1桶，配制方法：硝酸钙7.0kg，硝酸铵3.9kg，硫酸镁4.5kg，磷酸二氢钾1.9kg加水定容至200l。
44.微量元素配置成母液装入第2桶，配制方法：螯合铁320g，硼酸45.76g，螯合锰25.83g，螯合锌3.5g，螯合铜1.28g，钼酸铵0.32g，加水定容至200l。
45.微生物菌剂配制成母液装入第3桶，配制方法：400倍稀释暹罗芽胞杆菌fjat-47226发酵液。
46.通过智能程序控制，灌溉前进行200目筛过滤装置在线过滤后，实现大量元素、微量元素、微生物菌剂的单一或多元组合灌溉到温室大棚中。
47.4.番茄的温室栽培方法
48.水肥菌一体化灌溉设备根据地理气候、作物种类、生长阶段，进行施肥灌溉，获得植物的高产。
49.(1)环境信息的采集：通过农田生境监测系统(即农田生境小型气象站)，收集温、光、湿、雨，co2等参数。温度、湿度、光照强度与基质栽培的蒸发量有关，co2参数与作物光合作用有关，温室的控制从遮阳、滴灌、通风、换气等操作进行控制，传输数据到智能控制系统，通过灌溉程序的学习设定，控制灌溉系统，实现自动化、智能化控制。
50.(2)灌溉时间的设置：可根据传回的环境数据自动设置灌溉时间。
51.根据温度和湿度参数，在高温(温度≥32℃)、低湿(湿度≤30％)环境时，灌溉时间设置为6min；适温(温度24-26℃)、低湿(≤30％)时，则灌溉时间设置为4min；适温(温度24-26℃)、适湿(湿度65-85％)时，灌溉时间设置为2min；适温(温度24-26℃)、高湿(湿度大于等于90％)时，不灌溉，时间设置为0min，不进行灌溉。
52.(3)施肥程序的设置：根据作物生长的不同生长期，提示所需的元素和菌剂的使用量，可根据提示进行加料灌溉。
53.番茄全成长期的需肥量较大，各个生育时期对肥量需求又有一定差异，生长前期侧重氮肥，后期侧重钾肥，生育期需要增加施用磷肥，而微生物菌剂在全生长期使用。
54.5.番茄温室栽培的效果
55.一台水肥菌一体化智能灌溉设备可以管控5-10亩的温室大棚。采用水肥菌一体化智能灌溉设备后，一亩一茬基质栽培产出的番茄总产量可达5-10吨，与传统温室栽培相比，可节约用水肥约60％，节约劳动力约70％。
56.综上所述，水肥菌一体化智能灌溉设备使水肥菌一体化与现代温室大棚作物基质栽培相结合，提高了肥料利用率，提升了植物促长抗病能力，促进了植物生长，提高了产量和品质，节约了劳力和成本，实现了作物的绿色生产。不仅可应用于番茄的温室栽培，也适用于黄瓜、生菜、草莓、辣椒、茄子、西瓜等农作物的温室栽培。
57.需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。