一、研究背景
自20世纪90年代新疆生产建设兵团引进滴灌技术以来，在新疆独特的气候环境下，在棉花种植上将覆膜技术与滴灌技术有机结合，使得当前棉花膜下滴灌技术在新疆大田农业生产中得到了前所未有的发展，为中国的棉花产业安全做出了重要贡献。滴灌施肥技术是滴灌系统中主要的组成部分，滴灌施肥技术是对作物完成灌水的同时施用水溶性肥料，实现水和肥一体化的利用和管理，即水肥一体化技术。滴灌施肥技术改变了传统灌水施肥两项独立不同步的模式，作为一种高效的节水省肥技术，滴灌施肥可有效提高中国水肥资源利用率，对缓解农业水资源短缺及降低农田肥料污染具有重要意义。从2000年起，新疆广大肥料科技工作者关于棉花膜下滴灌相配套的施肥技术问题进行了广泛研究。内容包括对棉花膜下滴灌施肥方法与滴灌施肥装置应用等2个部分。近几年来，农业科技工作者对膜下滴灌条件下棉花对养分的需求特性(作物不同生育期养分比例、数量和施用方 法要求等)开展了较为广泛的研究。对于滴灌施肥装置的研究， 国内相关的专家学者将研究内容多集中于在室内条件与模拟环境条件下的滴灌施肥装置水力性能与施肥性能上，对于大田环境下滴灌施肥装置施肥性能的研究甚少，以至于当前大面积推广膜下滴灌技术的今天，与之配套的施肥装置在自动化程度和智能化程度上还很落后。
新疆生产建设兵团膜下滴灌大田施肥多采用压差式施肥罐施肥，这是因为压差式施肥罐具有成本低，操作与维修简单等优点，在国内外得到广泛应用。但是，压差式施肥罐在施肥过程中，在压差的作用下，水流不断进入罐内稀释肥液，因此输出的肥液浓度持续减小。这对于滴灌施肥过程中施肥罐注肥均匀度有非常大的影响。而且压差施肥靠进出口压力差将罐中的固体颗粒直接打入灌溉管网，使得肥料不能充分溶解，造成灌溉管网堵塞，肥料利用率大大降低。在实际生产中农业种植户都是凭借多年的种植经验来进行灌溉施肥，不能正确掌握压差施肥罐科学的施肥策略与施肥制度，从而造成了土壤肥力的流失，以及水资源的大量浪费。
数字农业的发展颠覆了传统农业日出而作、日落而息的手工劳作方式，逐步向集约化、精准化、智能化、数据化方向发展。精准灌溉施肥技术是数字农业发展的重要技术环节。
近年来，伴随着众多肥料厂家开展了大田作物液态肥研发与推广，液态自动施肥技术逐渐成熟，为施肥装备现代化发展起到了重要作用。虽然已经推广多年，但当前液态肥推广规模还是非常小。主要原因如下：第一 ，受工艺条件、储藏条件等因素限制，液态肥难以满足“一地一配方、一户一配方”个性化订制的需求。第二，受磷、钾原料基地不在新疆或远离农业生产区等条件的限制，导致液态肥制造成本较高，较高的液态肥价格还不能被广泛接受；第三，液态肥在储存和运输上较固态肥都要困难或成本较高。
在物联网技术、人工智能技术不断深入发展的背景下，研发、推广固肥自动施肥技术，既可以大量减少人力、物力，财力，又能高效利用水肥资源，对降低农业生产成本、提高生产效率、保护生态环境具有重要意义。
农田固液两用自动施肥控制系统(以下简称自动施肥系统)的研究主要针对目前新疆固态肥自动施肥装置的市场空白及自动施肥装备的技术瓶颈等问题，为实现精准、高效、自动化和数字化施肥管理而开发。自动施肥系统主要由搅拌混肥装置和自动注肥装置构成， 搅拌混肥装置基于4-6m3大容量罐体，可一次加入2-3吨固态肥料，加入一定量清水后自动搅拌混合，使固体肥在施肥罐中实现肥水均匀混合。施肥罐安装有化工液位监测等传感器，主机可实时监测液位高度值实现远程监测施肥用量信息。
自动注肥装置控制部分可以实现现场触控屏和远程PC端手机APP控制。施肥主机界面简单易懂，施肥时只需输入施肥数量、时长等参数，即可实现自动多组轮灌施肥。具有一键启动施肥功能。注肥部分通过设计施肥量和最佳施肥时长来自动调节施肥速率，并且可以根据作物种类、土壤质地设置最佳施肥时段。注肥装置设置有特种注肥器，可以实现固液混态施肥。施肥过程中主机实时监测上传施肥数量、故障报警等信息。通过远程施肥综合管理平台，记录作物全年施肥信息。
测土配方施肥是发展精准农业非常重要的一个基础性环节， 由于尚存在缺乏基础配套设施、从业人员整体素质不高等问题， 从而使得配方施肥推广进程十分缓慢。干旱区已经推广了近6000 万亩的滴灌技术应用，这一平台是推广测土配方施肥，实现精准施肥十分理想的平台。因此，固液两用自动施肥系统的成功研发对加快测土配方精准施肥技术推广具有重要的现实意义。
传统施肥技术最大的问题就在于施肥不均匀造成肥料浪费严重的同时，人工投入成本高。在滴灌水肥一体化仍以固态水溶肥为主的情况下，要解决好固态自动均匀施肥问题，需要从适合肥料开发和满足滴灌施肥装置研发两个角度同步考虑。第一 ，研发溶解度高的能够充分满足滴灌条件下农业生产需要的滴灌复合肥。第二 ，研发的新型膜下滴灌施肥装置需具备肥水混合功能。两个条件的同时满足将会大大提高滴灌条件下肥料的利用率和肥料施入的均匀程度。专用的液体施肥机处于研发推广阶段，而且研发溶解度高的能够充分满足滴灌条件下农业生产需要的滴灌复合肥还需要很长的时间，所以在施肥方式转变阶段研究高效智能型固液两用施肥装备是目前市场的刚性需求。
自动施肥系统主要采用固液混合技术，在田间地头的施肥现场，将便于运输、贮存的固态肥加入施肥罐中混合均匀后随水定量控制施用，具有配方灵活、成本低廉、管理方便等显著优点。同时，本系统结合远程养分综合管理平台，根据土壤供肥能力、目标产量等数据，设计不同生育时段的肥料用量及各元素比例的同时，采集并分析作物生长期间体内养分丰缺动态数据，据此分析结果，实施生长期间配方的动态调控，确保作物生长施肥的精确性、安全性。
(一)推广应用情况
针对固肥自动施肥装备市场空白和液态肥自动施肥系统技术瓶颈问题，研究中心在多年研发生产温室、大田施肥机的基础上，研发了大田固液两用施肥系统，并在南北疆进行一定量的示范推广应用。主要典型案例有：第十四师昆玉市昆仑山枣业精准农业红枣种植示范园1500亩；库尔勒普惠农场棉花种
植应用示范1500亩；吐鲁番地区鲁克沁镇甜瓜种植应用1600亩；伊犁特克斯西梅种植示范园2000亩，142团、
121、石总场、柳毛湾镇、135团、昌吉二六工镇、玛纳 斯林场、精河夏天集水库棉花种植示范园等，总应用面积达到30000余亩。根据两年、50余套的示范应用情况 看，设备运行稳定可靠，数据采集传输精确，得到了用户的高度认可。固液两用施肥管理系统的应用推广，对测土配方施肥技术推广、实现精准施肥、降低施肥成本、促进农村数字农业与信息农业的发展具有重要作用。
(二)经济效益、社会效益
相对于传统施肥技术，自动施肥系统可实现一次加肥、多次精量自动施肥的功能，大幅降低了人工成本。据测算，加肥人工成本每系统可降低80%左右。新疆地区现灌溉施肥顾工费用大约200元/天。而500亩地需要两名灌溉施肥人员，一年灌溉施肥雇工费用为72000元，而灌溉施肥过程中施肥环节主要耗费大量人力和时间。自动施肥系统一次只需投入一个顾工一年的费用就可多年获得收益。
系统控制器可根据土壤类型和作物类型设置最佳施肥时长和最佳施肥时段，使得作物能够充分吸收养分。装置可降低灌溉管网堵塞率，有效提高肥水混合均匀度，既增加了肥料利用率，又降低了肥料的投入量。根据系统两年的推广应用试验得出:根据合理的施肥时段及施肥时长安排，棉花全生育期可节约 用肥10-20 kg/亩自然肥，在戈壁砂质土壤中效果尤为明显，施肥成本下降20-30 kg/亩自然肥。按每公斤肥料3元计算，每个系统管理1000亩计算，每系统可节约20-30吨肥料，节约肥料成本5-10万元。
传统较为粗放的施肥方法，使得未被吸收的化肥存在于土壤、水体和大气中。造成了肥料养分的流失，更是一种巨大的经济损失，严重为害自然生态系统和人体健康。自动施肥系统的应用，响应国家化肥农药零增长政策标，为实现科学施肥、精准施肥、高效施肥发挥应有的作用。使智慧农业现代信息技术与农村生产全面深入融合，提高了农业农村信息化水平。
