水肥气一体化智能栽培技术在玉米生产中的应用

玉米不仅是中国重要的粮食作物，且兼有经济、饲料、能量等多重重要属性，是不可或缺的一大战略资源；
玉米秸秆能够用作加工饲料，秸秆还田还可用作土壤肥料，秸秆加工亦能用于燃料制作等。但目前不仅存在于中国、也是全世界共同的一个现状是：水资源非常短缺，传统的如沟灌、漫灌和喷灌等方式易造成水资源浪费，灌水后也易造成作物根系的短暂性缺氧、对其根系呼吸造成抑制。为改善传统灌溉施肥的生产模式、解决上述弊端，本文以玉米为试验对象，提出水肥气一体化智能栽培技术的应用，并在传统农业模式的对照比较下，进行试验研究，进一步明确水肥气一体化智能栽培技术在应用上凸显出的优势，并以此为主要方向探索栽培技术的创新和完善，探索提高作物产量、改善作物形状的有力途径。

1.1 试验地概况

试验选择在河南省永城市某个试验农田，试验所在地气候为暖温带季风气候，该地有分明的四季和充足的光照，日照时间年平均在2 049 h、气温年平均在14.3℃、降水量年平均在871.3 mm，全年无霜期是209 d。该试验农田土壤物理性质：含有机质20 g/kg、有效磷1.2 mg/kg、全氮1.2 g/kg。

1.2 试验设计

供试玉米品种为“郑单958”。2021年5月进行穴播，收获时间为2021年10月。设置2个试验小组，各试验小组以1 m为间隔，以防相互造成影响。其余田间管理方法各小组均相同，并于试验田周围设计有保护行。

2个试验小组分别为传统农业模式和水肥气一体化智能栽培模式，区别在于施肥的方式和是否对土壤进行通气处理。在单因素随机区组设计的前提下展开试验研究；
传统农业模式小组采取的处理方法为：不通气与常规施肥；
水肥气一体化智能栽培试验小组为通气+液肥。

传统农业模式试验小组在全部玉米生育周期中进行12次灌水（并不做通气处理），进行5次施肥，分别在：玉米苗期时施肥1次、喇叭口期时施肥2次，其余2次分别在孕穗期与灌浆期。

智能化技术试验研究组则全程以水肥气一体化智能设备来栽种玉米，包括灌溉系统、施肥系统、通气系统以及过滤系统；
分析其工作原理：（1）进行作物的初始灌溉时，开启供水泵（为恒压状态），促使水流进入过滤器进行过滤，使过滤之后的水分经渗灌管运输至田间，这一流程能够基于PLC实现自动控制，系统根据实际所需进行灌水，并自主调节在灌溉上需要花费的时间。（2）当对作物进行施肥时，将供水泵打开，合理调配施肥用量，注入水分，注入量以施肥罐中预设液位最高值为标准，可超过该液位，或正处于该液位时，暂停注水，受压力影响，施肥罐便可以将液肥注入至渗灌管并作用于试验田。该系统基于自主控制系统，相应实现了对施肥在用量上与时间上的把控与调节，促进养分有效性的提高，由于渗灌管是经地下埋设，所以可以实现水分、养分直接对作物根部产生作用，促进水分、养分的应用效率，并有利于作物根系充分吸收这些水分和养分，避免浪费；
基于养分的转移，为作物生长提供有利基础。（3）通气设备连接供水管、再连接田间渗灌管，当完成灌溉、关闭水泵之后，通气设备随之开启，即开始管道的通气增氧，实现对玉米根系土壤的通气作用、提高土壤中的含氧量。

在本系统中，考虑到玉米无论是在进行能量转换时还是物质合成时，都不能缺少水分加持的这一关键条件，且又要考量到防止灌水量太多而带来呼吸困难的问题、解决水分与养分的难以吸收，尽量避免发生无消耗水的问题；
另外还需要注意，不能由于减少灌水量而导致不足的问题，满足不了玉米基本的生长发育需求，以防作物发生籽粒缺陷、产量降低等后果。同时，考虑到从肥料施用量上的良好把控能够在很大程度上促进增产增效，保证玉米对氮、磷等养分的有效吸收，但也要考虑到若肥料投入较大、会在一定程度上降低肥料养分利用率，所以，要在确保化肥利用效率的基础上，设计适宜的施肥量。另外，土壤中的气体和水分兼具重要性，土壤的通气处理有利于改善作物根系因灌水而导致发生的缺氧问题。综上所述，在本次试验的水肥气一体化智能系统中，施肥量为650 kg/hm²、通气量为 2 000 m³/hm²时，灌水量设计为3 600 m³/hm²。

1.3 测试指标

主要的农艺性状监测指标有：玉米株高、茎粗以及玉米产量；
通过统计这些指标数据，目的是反映玉米生长发育情况和物质积累量；
统计根长、干重的指标数据，目的是反映作物吸收土壤中水分和养分的能力。

1.3.1 关于农艺性状相关指标的测定

玉米进入成熟期，在不同试验处理小组随机则取10株典型玉米，使用游标卡尺对玉米的茎粗进行测定，茎粗的界定为：取玉米根系在土壤上部的第二、第三节中间处测量直径。卷尺测量玉米株高：保持植株和地面的垂直度，对植株最高值进行测量，计算平均数据值；
收获后，测量各小区选定玉米的单穗重量，10株植株相加之和则是玉米产量。

1.3.2 根系指标

取各处理小区有代表性的10株玉米，剪除根系上方气根至茎基部后获得根系，处理好伴随土壤；
均匀烘干即可。基于105℃的温度要求，持续杀青30 min，并烘干到恒重，称量根系干物质重，用于计算根干重。

1.4 数据处理

采取SPSS25.0统计学软件做数据处理，测试指标统一表达形式为：均数±标准差，数据之间的差异值使用t检验方法，测得结果P＜0.05表示差异性大、符合统计学意义。

2个试验组的玉米农艺性状与根系生长数据对照结果见表1所示，由数据可知，相较于传统农业模式，采取水肥气一体化智能栽培技术的试验小组玉米株高平均值提高了1.93%、茎粗平均值提高了7.12%、产量平均值提高了9.18%、根长提高了1.21%、根干重提高了18.55%。提示采用水肥气一体化智能栽培技术能够显著提高玉米的株高、茎粗、产量、根长和根干重，特别是比较产量、根长和根干重数据差异可见，数据有明显差异性（P＜0.05）。提示在玉米栽培中采取水肥气一体化智能栽培技术，既能促进玉米的生长发育、又有利于产量提高。

表1 测得玉米农艺性状指标和产量数据/（±s）

3.1 关于水肥气一体化智能栽培技术的概述

（1）该设备于试验田的应用运行平稳可行，对玉米栽培提出的合理灌水、适宜施肥和有效通气要求均可满足；
设计旁通阀用于田间渗灌，能精准的对作物进行供水、供肥与通气。（2）该设备各组成系统各司其职、运行良好、互不造成干扰，以供水管网用于田间主管道使用，经济性强、适用性高。（3）优化通气系统的设计，风机和田间主管道是相连的，完成灌水之后便可自动进行通气，可以提高土壤的通气效率。（4）过滤系统在该设备组成中有较高的稳定性、较强的过滤能力，能够自主清洗，以防造成田间渗灌管的堵塞，保证作物对水分、养分的充分吸收。（5）充分使用计算机技术进一步实现了智能化、自动化种植技术，并基于设备的精准性为作物提供适宜的水分、肥料与气体，减小劳动力浪费。

3.2 关于该技术设备的结构组成

在该技术设备组成中包括灌溉、过滤、施肥和通气几大主要系统，以及田间渗灌管等。

灌溉系统中设计有供水泵，这一设计目的是向试验田高效疏松作物所需水分，始终保持土壤中适宜的含水量；
并在自动化控制的前提下，实现灌溉管控，科学、规范调节适宜灌水量。

施肥系统的作用设置是把液肥通过管道直接运输到作物根系土壤，最大程度上提高养分吸收率。

通气系统则通过与管道的连接，实现对土壤的通气和增氧，由风机产生气体后，顺着供水管运输至田间地下的渗灌管，并直接到达土壤，针对土壤存在的含水、含气体不均衡问题进行改善。

于过滤系统中设计自动砂石过滤器的装备，设置过滤频次为3～4次灌水间隔，特别是在灌溉液肥之后，可以负责过滤系统的清洗，继而提高该系统的使用寿命和效率。

3.3 智能化栽培技术可促进玉米生产水平提高

在水肥气一体化智能栽培技术中，系统中的水分是从渗灌管出水口朝着土壤四周扩散，促使水分能够在土壤中得到均匀的分布和浸散，从而保证玉米作物有充足的水分获得，基于水分基础的奠定使其得到良好生长。

在水肥气一体化智能栽培技术当中，通常是结束了灌水之后自动开始通气，保证气体于土壤孔隙间的填充和扩散，促使其均匀分布在土壤中，提高土壤透气性。无论是作物根系呼吸还是土壤微生物呼吸，都离不开氧气，而且氧气也是能量转化的关键原料；
这种设计目的是对玉米根部氧供环境进行改善。加之气体的有效运动还可以使水分伴随于此做出运动与扩散，促使水分在土壤中的分布更为均匀，也能使根系与水分充分接触、吸收，并助力于作物的良好发育。处于发育早期阶段时，植株的水、氧消耗量都不高；
至定植期至苗期阶段，植株尚小，根系呼吸弱，不易于产生氧气，因此导致土壤含氧度不足；
进行通气后，则会改善土壤中的含氧量。玉米进入生长后期，根系越来越发达，呼吸作用增强、植株蒸腾作用的强化，都对土壤氧气含量提出很高要求，必须要有充分的氧气供应才能满足玉米此时的生长需求，这时土壤中的氧气被急剧消耗，但在水肥气一体化智能栽培技术当中，氧气不足、不稳定的问题被提前预估到，所以基于通气系统来为玉米生长发育过程提供有效处理，在通气下，土壤中含氧量始终维持稳定，为各个时期玉米需氧都提供了保障，因此有利于植株的生长发育。

另外，水肥气一体化系统在土壤中的分布趋势其优势在于，保证液肥和水适当配比之后进入到土壤中的运动轨迹和水分大致是相同的，从而确保养分能够均匀地分布在土壤当中，为玉米作物根系提供充足养分，促进玉米作物根系的良好成长发育，以此促进玉米产量的提高。

综上所述，由试验结果可见，玉米生产中积极采用水肥气一体化智能栽培技术，能确切提高玉米株高、茎粗、产量、根长和根干重，尤其是在产量、根长与根干重数据上，与传统农业重视模式相比数据差异显著。提示水肥气一体化智能栽培技术从设备的技术要求、结构设计等方面着手，合理且均匀地提供水分、养分与气体，营造玉米良好的生长基础与发育环境，提高玉米的生长与产量。