蓝莓智能水肥一体技术：高效绿色盆栽的最新进展
杨富云等
蓝莓（Ｖａｃｃｉｎｉｕｍ ｓｐｐ． ）是一种富含酚类物质、抗坏血酸和花青素等营养成分的小浆果，具有改善视力、增强自身免疫力、抗癌、增强记忆力、抗氧化和减缓衰老等功能，经济价值高，开发前景广阔。 蓝莓种植面积不断增加，据统计，截至 ２０２０ 年，栽培蓝莓的国家和区域从２０１６ 年的５８ 个增加至７１ 个，与２０１６年比，栽培总面积达 ２０．５６７ 万 ｈｍ ２ ，增加了 ５５. １５％，与 ２０１２ 年比，总产量增加了 ２ 倍，达到 １３８． ７７ 万 ｔ。
消费市场方面，中国从以智利、秘鲁为代表的 ９ 个蓝莓主产国进口的鲜果总量从 ２０１２ 年的 ４９９ｔ 增长至２０２０ 年的 ２２０４５ｔ，增加了 ４３ 倍多。
在我国很多地区都有蓝莓栽种，但由于其对土壤要求比较苛刻，常规种植不但成本高，而且产量低，蓝莓智能水肥一体高效绿色基质盆栽技术研究是趋势所需 。 成都逸田生态农业科技有限公司通过对蓝莓智能水肥一体高效绿色基质盆栽技术的研究，提出适合四川地区蓝莓基质栽培的最佳配方，并找到水、肥、光、温湿度等与蓝莓基质栽培高产优质的关系，研发水肥一体蓝莓基质栽培智能管理控制系统，最终实现蓝莓自动化标准化绿色高效基质栽培管理技术体系，为四川地区优质高产蓝莓标准化、规模化、自动化提供支撑，也为四川现代化绿色高效农业发展提供理论和实践依据。
１ 盆栽蓝莓技术的发展现状
１． １ 盆栽模式概述
盆栽蓝莓是将蓝莓的根系固定在 ｐＨ、ＥＣ 等都适合蓝莓生长的基质中，通过线上线下监测分析并通过水肥灌溉系统精准适时供给水分和营养，使其高效、高产、优质的一种现代农业栽培模式 。 该模式解决了蓝莓受土质条件影响普遍种不好、产量低的问题，在精准水肥控制的技术体系下，降低种植风险，非常适合产业化种植，观光采摘及城市阳台种植。 同时该模式有效解决了蓝莓改土不到位的种植风险，新栽种苗水果上市期较露地栽培早至少 １ 年，符合现代农业种植的精准控制要求，实现产量与品质的双提升，项目环保，生态，实现农药和肥料“双减”，具有很强的示范效应和科技引领作用。 基质取代自然土作为植物生长物理支撑的栽培方式，基质不带病菌和害虫，几乎不使用农药或少量使用生物类农药即可完成防控，产量高质量均衡，食用更放心。
１． ２ 盆栽要求
１．２． １ 种苗选择 品种纯度≥９５％，品种变异率≤５％，分支数≥２，绕根率≤５％，无病虫害，根系良好，苗龄 １ ～ ２ 年、高度（２０ ～ ４０ｃｍ）与钵大小（１５ｃｍ ×１５ｃｍ）匹配，无病毒。
１．２． ２ 基质 选用块状泥炭、珍珠岩、蛭石、椰槺等有机无机物质，通过配比，达到容重 ０． １ ～ ０. ８ｇ／ｃｍ ３ ，总孔隙度≥４５％，持水孔隙度≥２５％，通气孔隙度≥２０％，ｐＨ ４． ５ ～ ５． ５，电导率≤０． ５ｍｓ／ ｃｍ，稳定性好，无毒害物质。
１． ２． ３ 容器 体积≥２５Ｌ，形状瘦高型，排水透气性、隔热良好，使用寿命 ６ 年以上。
１． ２． ４ 设施大棚建设 应考虑极端高温、极端低温、避雨、抗雪、极端风力、抗冰雹、防鸟防虫、紫外线强度、各物候期对应温度情况、使用寿命及性价比等。
１． ３ 盆栽在国内的应用状况及优势
逸田农业已经在四川省、云南省发展了 １３ 个蓝莓基地，通过盆栽可以准确控制基质最佳含水量及养分供应，各大种植户已在两省建成了规模化盆栽蓝莓基地共计 ４０００ｈｍ ２ 。 在国内其他地区，如广东等光热条件好的地区也在快速发展。 同时盆栽蓝莓轻量化，便于移动，可建成移动果园；换茬也更方便快捷，可迅速实现品种更新；无土传病害、化肥农残、重金属等危害；水肥可循环利用：降低成本，保护环境；降低药品使用，做到绿色标准，产品健康；进行环境因素人为调控，创造最适生长条件。
２ 盆栽蓝莓的智能水肥一体化系统
２． １ 系统总体架构
为实现盆栽蓝莓的水肥精确供给及最适生长环境因子的人为调控，成都逸田生态农业科技有限公司研发了精准水肥一体化系统。 该系统融合传感器技术、自动控制技术、物联网技术等多项技术，实时获取植物生长环境条件及生长发育情况等信息，对比不同物候阶段的蓝莓生长发育模型，智能对比分析和算法解析，并及时实现自动灌溉等操作 。 其中，监测蓝莓的生长发育情况信息包括蒸腾蒸发量、株高、生长量等；监测生长环境条件信息包括工作液及营养液 ｐＨ 和 ＥＣ 以及排灌比、基质墒情、空气温湿度、光照度等。 根据蓝莓的生长发育模型解析以上监测数据，并完成智能调控，能准确快速启动水肥灌溉设施或环境调控设备，及时解决水肥供应不足或生长环境不适等问题，实时满足蓝莓生长所需，管理全程实现信息化、数字化的动态精准。 智能水肥一体化系统总体架构如图 １ 所示。
图 １ 智能水肥一体化系统总体架
２． ２ 系统主要组成
盆栽蓝莓的智能水肥一体化系统主要部分组成包括信息采集模块、智能管控平台、环境调控设备、水肥一体灌溉、灌排液监测分析等。 以上部分相辅相成，共同建构水肥一体化系统，快速实现蓝莓种植过程的精准自动调控。
２．２． １ 信息采集模块 盆栽蓝莓的智能水肥一体化系统的信息采集模块是精准施肥灌溉和生长环境调控的基础，采集模块主要由感应传感器和信号传输网组成，感应传感器将采集的各项生长信息（如蒸腾蒸发量、株高、生长量等）和环境信息（如基质墒情、营养液浓度、营养液酸碱度、光照度、温湿度等）通过信号传输网汇报给智能管控平台 。
２．２． ２ 智能管控平台 智能管控平台是整套系统的核心部分，信息采集模块收集的各项参数通过传输网到达智能管控平台，平台将参数与生长模型或专家预设值进行对比分析和算法解析，快速做出反应，对水肥一体灌溉和环境调控设备进行决策，精准实现水肥控制和环境调控，让蓝莓始终保持在最适条件下茁壮生长。
２．２． ３ 环境调控设备 蓝莓温室内除灌溉施肥的主要设备外，还需要配备其他调节温室环境参数的设施，如卷帘机（实现棚膜的自动开合）、喷雾装置（雾化净水降温或叶面用药用肥）、排风系统（降温或排湿）等设备。
２．２． ４ 水肥一体灌溉 水肥一体灌溉是指在灌水的同时给予营养元素，植物在吸收水分的同时吸收肥料，可以提高肥料利用率，减少肥料浪费，降低环境污染。 该系统由水处理系统（砂石过滤、叠片过滤、反渗透等，根据水质情况进行选配）、配肥系统（配肥机、母液储存装置、工作液储存装置等）、灌溉系统（动力泵、过滤装置、田间灌溉首部、田间管网、滴灌系统等）、尾水回收处理（紫外消毒、双氧水供给等）等部分组成。 水肥一体灌溉控制系统可以快速配肥混肥，将水肥精准灌溉到每一盆蓝莓。
２． ２． ５ 灌排液监测分析 通过 ＰＧＭ（Ｐｌａｎｔ ＧｒｏｗＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）系统实时在线监测工作液和排出液，设置的排液比为 １５％ ～ ２０％，工作液 ＥＣ 值为 ０． ８ ～１. ５ｍｓ／ ｃｍ、ｐＨ 为 ５． ０ ～５． ８ 等一套监控指标。 数据传回管控平台并根据蓝莓植株不同长势、植株的蒸腾量以及不同发育时期对养分的需求，结合目标养分的参考范围等算法，适时调整水肥配方和灌溉，实现自动精准水肥灌溉。
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３ 盆栽蓝莓智能水肥一体化系统构建
３． １ 生长环境信息采集系统
蓝莓生长环境信息采集系统采集的信息包含影响蓝莓生长发育的温室内气象环境信息以及蓝莓生长发育实时情况数据等，温室内气象环境信息需要监测的参数主要包括空气温湿度、光照强度、基质水分、基质 ＥＣ 和 ｐＨ。 蓝莓生长各时期最佳温度变化较大，在 ０ ～４０℃之间，环境的湿度变化范围在 ２０％ＲＨ －９５％ＲＨ 之间，为保证测量方便准确，可选用光温湿三合一传感器安装在大棚内高于蓝莓顶部５０ｃｍ 左右位置。 大棚中蓝莓白天生长发育基质体积含水量在 １５％ ～２５％为适宜，最佳基质体积含水量为 １８％ ～ ２０％ ，蓝莓生长最适宜基质 ｐＨ 为 ４～５，基质过酸或过碱都会影响蓝莓生长。 安装基质温湿度传感器，传感器插入蓝莓根部附近基质中，每个轮灌区安装一套 ＰＧＭ 监测装置（监测植株蒸腾蒸发量、工作液及排液量和 ｐＨ 及 ＥＣ、灌排比等），在大棚内安装摄像头，实时监测蓝莓生长发育状况 。
蓝莓环境采集系统通过一块中央控制器作为中枢，上层接入网页、客户端或者通过数据接口到手机ＡＰＰ 端，下层接入交换机。 下端交换机可以接入ＴＣＰ 控制器，网络摄像头、４８５ 通信传感器，中央控制器经过手拉手的方式层层连接各级边缘传感器，每级边缘传感器分工不同，分别是采集空气温度、空气湿度、ＥＣ、ｐＨ，泵房采集出水、首部压力值。 通过采集到的数据进行设备的联动控制，基质水分低时控制施肥泵泵肥料，肥料桶缺水时自动控制施肥机对肥料桶从各个母液桶抽肥，并达到系统设定的ＥＣ、ｐＨ。
３． ２ 智能水肥一体化服务平台
蓝莓智能水肥一体化管控平台（图 ２）是温室蓝莓智能水肥一体化系统的核心，该平台主控采用Ａｒｍ － Ｘ８６ 结构，底层环境信息采集的数据会反馈到蓝莓智能水肥平台，从而辅助建立蓝莓数字生长模型。 在需要调控的时候，控制器不会直接控制设备，而是通过蓝莓数字生长模型来综合制定控制策略，控制策略可以看作是一个服务基地的数字孪生，里面包含了有服务基地的基础数据，包括了灌溉施肥数据：工作液 ＥＣ／ ｐＨ 数据、排液 ＥＣ／ ｐＨ 数据、排液比基础值、植株蒸腾蒸发量，同时也有环境信息采集的数据。 通过实时采集的数据不断对蓝莓生长模型进行数字调教，最终达到智能控制的目的。
图 ２ 智能水肥一体化管控平台
蓝莓在营养生长、花芽分化、开花结果、采收等不同生长发育时期需要针对性给予不同量的水分和不同比例的各营养物质，水分及各种营养元素的施用量与施用比例需要进行动态调整，使各种营养元素的配比协调，从而满足蓝莓各阶段正常生长发育的需求 。 本文以成都逸田蓝莓种植基地为例，根据蓝莓年周期内生长发育特点与水肥需求规律，划分灌溉施肥时期，并通过咨询种植专家以及综合基质养分含量、肥料利用率、肥料养分含量、蓝莓产量等多种因素进行综合分析，对不同时期的灌溉施肥量以及肥料配比进行合理规划，建立蓝莓灌溉施肥决策模型，把蓝莓灌溉施肥决策模型写入管控平台，作为决策参考依据，实现水肥精量控制。
基于蓝莓灌溉施肥决策模型，智能水肥一体化管控平台还会根据采集的各项数据进行多次修正，以达到最佳策略参数。 管控平台可以根据实际的基础数据进行 ＰＩＤ 数调、自动调整每一条控制数据，研发人员将人的控制思想逻辑转化为自主编程代码写入 Ｓ７２００，Ｓ７２００ 把采集的各项数据进行对比分析和算法解析，根据最终运算结果下发控制指令。 以盆栽蓝莓控制基质含水量为例，智能水肥一体化系统将水肥经灌溉管网输送至每一盆蓝莓后，自主研发的 ＰＧＭ 会自动进行排灌液监测分析，实时将监测的数据结果汇发到智能管控平台。 平台会根据建立的生长模型及修正后的控制数据来调节给水阀门的开合，过水的时间数据等， 并将控制指令传导 给Ｓ７２００，此过程循环往复直至 ＰＧＭ 监测结果达到基质含水量最佳要求时 Ｓ７２００ 才会停止工作，最终实现盆栽蓝莓基质含水量自动控制和智能调节 。
３． ３ 盆栽蓝莓灌溉施肥系统
蓝莓灌溉施肥系统主要由配肥系统和灌溉系统两部分组成，如图 ３ 所示。 配肥系统由母液储存装置、配肥机、工作液储存装置等组成，经过砂石过滤器和叠片过滤器后的清水同母液储存装置内的母液一起经过配肥机混合成为工作液，配肥机可以精确调节工作液的 ｐＨ 和 ＥＣ，配制好的工作液暂存于工作液储存装置内，待灌溉时通过管网进入田间。 灌溉系统由动力泵、过滤装置、田间灌溉首部、田间管网、滴灌系统等组成，灌溉时工作液被动力泵抽离储存装置，经过滤器到达田间管网，由灌溉首部控制放行，到达滴灌终端时直接进入蓝莓种植盆内，滴灌终端采用高压防漏、高精度滴头，全面保障灌溉效率及灌溉均匀度。 灌溉管网根据种植面积和种植密度计算过水量，综合管损等因素考虑采用 ５０ ～２００ｍｍＰＥ管；动力泵一端连接工作液储存装置，一端连接叠片过滤器；田间首部由电磁阀、破真空阀、排气阀等部件构成；最后肥水到达滴灌终端完成灌溉。
图 ３ 灌溉施肥系统
３． ４ 盆栽蓝莓环境调节设备
蓝莓温室智能水肥一体化系统的环境调节设备有卷膜器、喷雾系统、排风系统等设备。 卷膜器安装在温室外部，一般是四周及顶膜两侧，用于温室温度调节，喷雾装置安装在棚内顶部，用于调节温室温湿度，排风系统主要也是调节温室温湿度，安装在温室两侧位置。 水肥一体化管控平台通过电动开关、数据传输线等连接控制卷帘机、喷雾系统、风机等设备。 通过实时对环境温湿度、光照度、ＣＯ ２ 浓度等生长环境指标的监测，对回传数据进行分析，当空气温度低于 １０℃时自动升温，高于 ３５℃启动喷雾通风降温系统；当空气相对湿度低于 ３０％ 启用喷雾增湿系统，实现了对生长环境的智能调控。
３． ５ 盆栽蓝莓智能水肥一体化系统运作方式
蓝莓温室智能水肥一体化系统中的环境信息采集系统处于常开状态，监测温室内空气温湿度、光照强度、基质含水量、基质及工作液和排液的 ｐＨ 与ＥＣ 值、排液比、植株蒸腾蒸发量等，数据传输到管控中心处理后与设定数据进行对比分析。 当温度过高时管控中心发出指令，卷膜器打开，风机开启，降低温度，传感器监测温度调节到适宜温度后，管控中心发出关闭风机指令；温度过低时管控中心发出指令，卷膜器关闭，风机停止，对温室进行保温。 当空气湿度过高时管控中心发出开启风机指令，风机开启降低空气湿度，当空气湿度过低时管控中心发出开启喷雾系统，喷洒水雾提高空气湿度。 温度调节优先级高于湿度调节。
为保障肥水施用的精准，灌溉采取少量多次的方式，当传感器采集的数据显示需要灌溉时，管控中心控制灌溉系统打开电磁阀，进行灌溉，同时监测流量和灌溉时间，分多次进行灌溉，当传感器采集的数据显示灌溉已经达到目的时，灌溉系统自动结束灌溉。 需要灌溉的前置条件数据包括但不限于基质缺水、排液 ＥＣ 和 ｐＨ 异常、排液量不足、系统推断蒸发量很大等情况，系统可控制单独使用清水或使用工作液，根据需求智能切换。
４ 展望
除目前已经运用的智能水肥灌溉系统外，希望能够实现将实验室检测转移到田间在线检测并实时传输到平台，平台通过设定配方和检测数据比对并制定出新的配方，同时通过开发自动配肥系统实时按照调整后的配方进行自动配肥，真正实现智能水肥一体的全面自动化。 其次在平台中并入更多的传感系统及设施设备控制系统，以实现更多智能环控。最后，不断开发智能农事操控设备及系统，如自动巡视及打药机器人，自动采摘机器人等，将其并入平台系统，真正实现将数字基质蓝莓转变成现代智慧基质蓝莓，并引领推动现代智慧农业的发展。
基金项目：四川省国际科技创新合作项目（２０２１ＹＦＨ００２０）
