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本文系国家重点研发计划课题“大田作物精准灌溉施肥控制技术与装备”(项目编号：2017YFD0201502)与江苏省重点研发计划课题“小麦精准高效灌溉水肥一体化关键技术研究”(项目编号：BE2018313)的部分研究内容。
水肥一体化技术是解决农业生产过程中水肥利用率低问题的有效途径。轻小型喷灌机组使用方便，配套设施简单，在水肥一体化过程中发挥着重要的作用。针对喷灌水肥一体化配套灌溉设施价格偏高，智能化产品研发不足等问题，本文采用试验研究和理论分析相结合的方法，对轻小型喷灌机组水肥一体化喷洒水力性能影响规律进行研究，设计了轻小型喷灌机组水肥一体化自动控制系统，实现了灌溉施肥的自动控制。主要研究内容如下：
(1)对轻小型喷灌机组水肥一体化喷洒时不同因素对喷灌施肥均匀性的影响进行试验研究。分析了喷头工作压力、组合间距、安装高度和肥液浓度对喷灌施肥均匀性影响的显著性。结果表明：在系统合理工作参数范围内，喷头工作压力、组合间距、安装高度和肥液浓度对灌溉施肥均匀性具有显著的影响，且工作压力和肥液浓度对灌水、施肥均匀性的影响强于组合间距和安装高度。
(2)对轻小型喷灌机组水肥一体化性能进行试验研究，揭示了不同肥液浓度对轻小型喷灌机组灌溉施肥水力性能的影响规律。结果表明：随着系统中喷洒肥液浓度增大，喷头射程和单个水滴动能变化较小，喷头的组合均匀性系数总体上呈现先减小后增大的趋势；与清水相比，施肥时的水滴平均直径明显增大，在距喷头距离为4~9m范围内，肥液浓度对喷灌强度的影响较大，在距喷头距离为0~6m范围内，施肥时的水滴速度有所降低，在距喷头距离为6~8m范围内，施肥时的水滴速度有所提高。
(3)建立了轻小型喷灌机组水肥一体化喷灌技术指标综合评价体系。主要技术性能指标包括：射程降低系数，喷洒均匀系数，喷灌强度变化系数和水滴直径的比重系数。采用模糊综合评价数学方法，获得0.09%、0.16%、0.19%和0.24%不同施肥浓度下的综合水力性能。结果表明：水肥一体化喷洒时，喷头的射程降低系数很小。随着肥液浓度的增大，喷灌强度变化系数逐渐减小，喷灌均匀性系数有所提升，水滴直径比重系数都达到99%以上。
(4)设计了轻小型喷灌机组水肥一体化自动控制系统并进行了性能测试。控制系统设计主要包括：整体结构设计、硬件设计、软件设计以及触摸屏界面设计。采用土壤温湿度传感器实时检测土壤湿度，并以此作为控制目标，通过控制水泵、电磁阀使土壤湿度稳定在适合作物生长的区间内，建立了灌水控制策略。通过控制注肥泵电压控制施肥量，建立了施肥控制策略。对土壤湿度传感器、自动及手动功能及控制效果分别进行了测试，并采用土壤湿度传感器测量土壤湿度值和采用烘干法测量土壤湿度进行对比，结果表明：土壤湿度传感器测量值与烘干法测量值最大测量相对误差为3.20%，说明土壤湿度数据传输准确可靠。设计了轻小型喷灌机组水肥一体化自动控制系统对照试验方案，为该自动控制系统的改进与完善提供条件。
水肥一体化技术是解决农业生产过程中水肥利用率低问题的有效途径。轻小型喷灌机组使用方便，配套设施简单，在水肥一体化过程中发挥着重要的作用。针对喷灌水肥一体化配套灌溉设施价格偏高，智能化产品研发不足等问题，本文采用试验研究和理论分析相结合的方法，对轻小型喷灌机组水肥一体化喷洒水力性能影响规律进行研究，设计了轻小型喷灌机组水肥一体化自动控制系统，实现了灌溉施肥的自动控制。主要研究内容如下：
(1)对轻小型喷灌机组水肥一体化喷洒时不同因素对喷灌施肥均匀性的影响进行试验研究。分析了喷头工作压力、组合间距、安装高度和肥液浓度对喷灌施肥均匀性影响的显著性。结果表明：在系统合理工作参数范围内，喷头工作压力、组合间距、安装高度和肥液浓度对灌溉施肥均匀性具有显著的影响，且工作压力和肥液浓度对灌水、施肥均匀性的影响强于组合间距和安装高度。
(2)对轻小型喷灌机组水肥一体化性能进行试验研究，揭示了不同肥液浓度对轻小型喷灌机组灌溉施肥水力性能的影响规律。结果表明：随着系统中喷洒肥液浓度增大，喷头射程和单个水滴动能变化较小，喷头的组合均匀性系数总体上呈现先减小后增大的趋势；与清水相比，施肥时的水滴平均直径明显增大，在距喷头距离为4~9m范围内，肥液浓度对喷灌强度的影响较大，在距喷头距离为0~6m范围内，施肥时的水滴速度有所降低，在距喷头距离为6~8m范围内，施肥时的水滴速度有所提高。
(3)建立了轻小型喷灌机组水肥一体化喷灌技术指标综合评价体系。主要技术性能指标包括：射程降低系数，喷洒均匀系数，喷灌强度变化系数和水滴直径的比重系数。采用模糊综合评价数学方法，获得0.09%、0.16%、0.19%和0.24%不同施肥浓度下的综合水力性能。结果表明：水肥一体化喷洒时，喷头的射程降低系数很小。随着肥液浓度的增大，喷灌强度变化系数逐渐减小，喷灌均匀性系数有所提升，水滴直径比重系数都达到99%以上。
(4)设计了轻小型喷灌机组水肥一体化自动控制系统并进行了性能测试。控制系统设计主要包括：整体结构设计、硬件设计、软件设计以及触摸屏界面设计。采用土壤温湿度传感器实时检测土壤湿度，并以此作为控制目标，通过控制水泵、电磁阀使土壤湿度稳定在适合作物生长的区间内，建立了灌水控制策略。通过控制注肥泵电压控制施肥量，建立了施肥控制策略。对土壤湿度传感器、自动及手动功能及控制效果分别进行了测试，并采用土壤湿度传感器测量土壤湿度值和采用烘干法测量土壤湿度进行对比，结果表明：土壤湿度传感器测量值与烘干法测量值最大测量相对误差为3.20%，说明土壤湿度数据传输准确可靠。设计了轻小型喷灌机组水肥一体化自动控制系统对照试验方案，为该自动控制系统的改进与完善提供条件。