1. 引言
随着中国农业生产过程中土地经营方式朝着集约化方向转变 [1] ，传统的漫灌等灌溉模式逐渐不能够适应农业生产的需要。
中心支轴式喷灌机灌溉方式是近年来在中国推广使用的一种模式，其具有使用方便、单次灌溉面积大和灌溉均匀等优点逐渐被广大农户所接受。
水肥一体化技术是在作物灌溉时肥料随水一起灌溉在作物周围，实现精量灌溉，达到节水、省肥和降低劳动力强度等目的。目前，水肥一体化灌溉方式已在中国多地推广应用。
中心支轴式喷灌机灌溉方式和水肥一体化技术在实际应用过程中也存在一些问题，一方面，中心支轴式喷灌机作业面积大 [2] [3] ，同时作业时间长，如何能够实现远程控制？一方面对于水肥一体化技术，在实际作业过程中，由于水位等因素变化，对入口压力影响较大，如何实现水肥精量和均匀喷施？这些问题局限了中心支轴式喷灌机灌溉模式和水肥一体化技术的进一步推广应用 [4] [5] 。
基于以上问题，开发一种基于中心支轴式喷灌机远程控制和施肥控制方法，构建基于远程控制的中心支轴喷灌机水肥一体化灌溉模式。该模式能够有效解决上述问题，并在田间试验应用。
本研究成果对于丰富中心支轴式喷灌机灌溉方式和水肥一体化技术内涵以及增进其推广空间具有重要意义。
2. 中心支轴式喷灌机简介
中心支轴式喷灌机主要由金属(钢)结构系统(中心支座、桁架、塔架车和悬臂)、行走驱动系统(电机、减速器、万向节和传动轴)、电气控制系统(主控箱、集电环、塔盒、指示灯和电缆)、灌水系统(弯管、悬吊管、压力调节器、喷头、配重和末端喷枪组件)和可选配置(地角(臂)系统、施肥/施药装置)等组成。
工作时中心支轴式喷灌机在电气控制系统调控下绕中心支座转动和完成灌溉作业，作业范围为圆形 [6] [7] ；选配末端喷枪时作业范围为矩形 [8] [9] 。
3. 模式构建单元
基于远程控制的中心支轴喷灌机水肥一体化灌溉模式主要由远程控制系统、恒压控制单元、流量控制单元和施肥执行单元等组成，其结构如图1所示。
3.1. 远程控制系统
利用现有的3S技术，通过GSM模块、有线网络发送到监控中心服务器上，与远程服务器建立链接，完成数据存储和处理，从而达到实现了中心支轴喷灌机远程控制的目的。系统模块如图2所示，控制页面如图3所示。
3.2. 恒压供水单元
由压力传感器监测中心支轴喷灌机入口水压力的变化，并将水压力变化数据传送到控制系统，控制系统将信号传递给变频器 [10] ，供水泵在变频器的作用下保持供水压力恒定。
3.3. 流量控制单元
由液位传感器监测水位变化情况，并将水位变化数据传送到控制系统，控制系统将信号传递给变频器，供水泵在变频器的作用下保持流量均匀。
3.4. 施肥执行单元
其主要由注肥泵、施肥灌和变频器等组成。
3.4.1. 注肥泵
注肥泵如图4所示，工作参数如表1所示。
采用单缸卧式单作用柱塞式注肥泵，结合灌溉地块面积和供水机井出水量等影响，灌溉系统入口压力小于0.4 MPa。
3.4.2. 肥液容器
肥液容器采用圆形筒体状，顶部加装电动搅拌器，提高水肥混合效果；为利于排出作业后的肥液和清洗肥液容器，底部采用成锥形结构(支架支撑)。
4. 田间试验应用
4.1. 试验地点及时间
地点为中国农业大学通州实验站；时间：2017~2018年度。
4.2. 试验装置
试验装置如图5所示，结构参数如表2所示。
Table 2. Basic parameters of center-pivot sprinkler for test
表2. 试验用中心支轴式喷灌机基本参数
4.3. 试验对象
冬小麦，品种为农大211。
4.4. 试验结果与分析
试验设置2个处理，每个处理设置重复3次，作业范围为扇形，结果如表3所示。
试验结果表明，较传统中心支轴式喷灌机水肥一体化模式，远程控制中心支轴式喷灌机水肥一体化模式喷洒均匀度指标CU和DU分别提升5.65%和2.39%；产量提高533.8 kg/hm2，其主要得益于能够保证中心支轴喷灌机入口压力恒定和流量均匀。
5. 结论
本文开发了一种基于中心支轴式喷灌机远程控制和施肥控制方法，构建基于远程控制的中心支轴喷灌机水肥一体化灌溉模式。田间试验表明远程控制中心支轴式喷灌机水肥一体化模式能够提升喷洒均匀性和提高产量。该结果有助于丰富中心支轴式喷灌机灌溉方式和水肥一体化技术内涵以及增进其推广空间。
基金项目
黑龙江省农垦总局重点项目“基于大型喷灌机灌溉模式的垦区水资源高效利用技术研究” (编号：HNK125B-04-05)。
参考文献