青貯玉米智能化灌溉的探索與研究

胡 娜，楊 剛

（寧夏農(nóng)墾勘測設(shè)計院（有限公司）,寧夏 銀川 750011）

1 研究的目的和意義

近幾年隨著高效節(jié)水灌溉工程的快速發(fā)展,常規(guī)的滴灌工程沒有達到預(yù)期的節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)工、增效目標(biāo)[1]。為了解決常規(guī)滴灌工程中出現(xiàn)的問題,在現(xiàn)有1000 畝青貯玉米高效節(jié)水灌溉示范區(qū)的基礎(chǔ)上,改造出地樁,將現(xiàn)有的球閥更換為電磁閥控器,同時配置智能主控器,在田間設(shè)置土壤墑情監(jiān)測點和氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測點,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行自動化操作,達到精準(zhǔn)灌溉、精準(zhǔn)施肥,發(fā)揮土地的最大化效益。然而,智慧農(nóng)業(yè)的建設(shè)和推行僅僅依靠科技的力量是不夠的,田間閥門的自動化控制依然處于試驗階段,土壤墑情監(jiān)測、作物生長指標(biāo)、作物營養(yǎng)成分等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的監(jiān)測結(jié)果都存在相應(yīng)的儀器誤差[2]。智慧農(nóng)業(yè)的建立主要致力于自動化數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和田間儀器的實用性。我們通過人工采集、人工試驗的方式與自動化監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測結(jié)果進行對比分析、找出規(guī)律,其間的差異力求通過人工專家干預(yù)的方式進行調(diào)整,使得田間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更加符合示范區(qū)的實際數(shù)據(jù)。

2 環(huán)境條件分析

示范區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)銀川市賀蘭縣暖泉農(nóng)場,目前1000 畝青貯玉米為常規(guī)的滴灌方式,將現(xiàn)狀球閥改造為電磁閥控器,田間平均布設(shè)6 套數(shù)據(jù)采集器,每處數(shù)據(jù)采集器根據(jù)青貯玉米根系生長分20 cm、40 cm、60 cm布設(shè)3 個土壤水分傳感器,可以實時的將土壤墑情、溫度等信息傳送至物聯(lián)網(wǎng)智能控制平臺,當(dāng)控制平臺顯示土壤含水率達到青貯玉米生長最低值時,可通過智能控制平臺或手機App打開電磁閥控器灌溉[3]。經(jīng)示范區(qū)氣象站數(shù)據(jù)監(jiān)測可知：在青貯玉米整個生育期（4月～9月）,空氣溫度與光照度具有相同變化趨勢,年際之間的變化幅度不大,滿足了青貯玉米在生長時期所需的光溫條件。蒸發(fā)量的高峰期集中在6 月下旬～8 月初,此時正是青貯玉米生長關(guān)鍵期,對于水肥條件的要求最為關(guān)鍵。濕度年際變化幅度較大,對于防治病蟲害具有一定的指導(dǎo)意義。在整個生育期內(nèi)降雨分布極不均勻,且有效降雨稀少,僅占全部降雨9.5%,因此如何合理灌溉,以作物定水,適水生產(chǎn),顯得尤為重要。

3 灌溉分析

3.1 土壤剖面層次結(jié)構(gòu)

試驗期間,在6個土壤傳感器布設(shè)處開挖1.5 m×1.5 m×1.5 m的基坑,對土壤剖面結(jié)構(gòu)及屋里特征進行分析,從耕作層、犁底層和心土層的分布來看,耕層深度在20 cm～30 cm之間,犁底層厚度達13 cm～27 cm不等說明每年犁地深度較淺,犁底層較厚。土壤剖面質(zhì)地以沙壤土為主,夾帶有壤土層、粘土層和沙土層,表現(xiàn)出剖面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,且分布不均勻,給農(nóng)業(yè)措施或田間管理的統(tǒng)一帶來不便。

3.2 灌溉頻次分析

通過在7月～8月份對灌溉頻次的調(diào)查分析,項目區(qū)內(nèi)各輪灌組之間灌水頻次差異較大,灌水平均時長8.1 h,最大13.3 h,最短時長為4.3 h。灌水間隔天數(shù)平均7.4 d,最長間隔時間10.0 d,最短間隔時間5.1 d。灌前土壤含水率平均為19.56%,最小值為10.61%。可見,各輪灌組平均灌水時長、間隔天數(shù)和灌前土壤含水率與灌水方案基本吻合。但最短時長、最短間隔天數(shù)和灌前土壤含水率太小,會導(dǎo)致整體灌水不均,植株旱象層次不齊,長勢整齊度不夠,灌溉前后水分含量變化及灌溉頻次分析見表1。

表1 灌前灌后水分含量變化及灌溉頻次分析

4 施肥分析

了解示范區(qū)土壤養(yǎng)分特征值,可以準(zhǔn)確了解土壤的養(yǎng)分情況,若在數(shù)據(jù)積累過程中,將播種之前的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)記錄在內(nèi),就可以分析土壤元素的貢獻效率,通過土壤-作物之間的養(yǎng)分可以更加準(zhǔn)確的計算施肥量,達到精準(zhǔn)施肥的目的,采集示范區(qū)土壤樣品進行土壤養(yǎng)分特征值的檢測,見表2。

表2 土壤養(yǎng)分特征值

示范區(qū)準(zhǔn)確記錄了青貯玉米整個種植過程中肥料的施用情況,在青貯玉米的抽雄期和吐絲期是需肥的高峰期,共施入純氮元素15.84 kg/畝,純磷元素10.46 kg/畝,純鉀元素2.58 kg/畝,這為后續(xù)建立水肥數(shù)字模型,提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ),見表3。

表3 肥料中大量元素農(nóng)田生產(chǎn)效率

示范區(qū)內(nèi)氮素農(nóng)田生產(chǎn)效率為159.72、磷素農(nóng)田生產(chǎn)效率為241.87、鉀素農(nóng)田生產(chǎn)效率為980.62。若長期對肥料元素進行大量數(shù)據(jù)積累,可以對肥料的選擇以及施肥量的實施具有一定的指導(dǎo)意義,并對后期建立水肥一體化數(shù)字模型,有一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

5 青貯玉米生長產(chǎn)量品質(zhì)分析

示范區(qū)種植的青貯玉米品種為先玉1321和先玉1611,通過對示范區(qū)不同品種青貯玉米生長指標(biāo)調(diào)查可知：不同品種間,田間表現(xiàn)性狀不同,先玉1321 青貯玉米株高、穗位高、整株重明顯高于先玉1611 品種。因此在種植過程中,需要將品種之間的差異性,以及品種區(qū)域適宜性考慮進去,適當(dāng)?shù)淖鲆恍┢贩N篩選試驗,對于后期研究與生產(chǎn)有很大的作用。

收獲期,選取了25 個樣本送試驗室進行檢測,符合青貯玉米品質(zhì)分級及指標(biāo)等級一級標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 25882-2010）,測定結(jié)果見表4。

表4 青貯玉米產(chǎn)量品質(zhì)測定

6 傳感器準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性分析

6.1 傳感器準(zhǔn)確性分析

本次研究重點是通過人工取樣、試驗得出的數(shù)據(jù)與土壤水分傳感器采集的數(shù)據(jù)做對比,田間設(shè)備采集的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確,為后續(xù)模型建立提供基礎(chǔ)保障。本次試驗采用傳統(tǒng)烘干稱重法測定土壤含水量,分20 cm、40 cm、60 cm共3 個層次,試驗區(qū)內(nèi)進行6 點3 重復(fù)取樣。

計算公式：

式中：SWC為土壤含水量,%；W1為土壤鮮樣和鋁盒的總質(zhì)量,g；W2為烘干土樣和鋁盒的總質(zhì)量,g；W3為空鋁盒的質(zhì)量,g。

在水分傳感器所在位置取樣,采用烘干法測定土壤質(zhì)量含水率,并同時記錄傳感器所示含水率（體積含水率）,二者對比結(jié)果見表5。

表5 烘干法含水率與傳感器含水率比對

結(jié)果表明：烘干法測定極差為0.26%～0.93%,變異系數(shù)1.69%～4.02%,傳感器含水率測定極差為0.06%～1.55%,變異系數(shù)為0.24%～5.54%,均符合田間操作需求。

烘干含水率（質(zhì)量含水率）與傳感器含水率（體積含水率）之間呈極顯著正相關(guān),回歸函數(shù)Y（傳感器含水率）=1.5888X（質(zhì)量含水率）-0.2783, R2=0.954,見圖1。

圖1 質(zhì)量含水率與傳感器含水率測定結(jié)果相關(guān)性

6.2 傳感器穩(wěn)定性分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析,各監(jiān)測點基礎(chǔ)水分含量高低均有,布局合理。每個點安裝的三個傳感器之間水分在3 h～6 h內(nèi)變化不大,即在3 h～6 h間采集30～33組數(shù)據(jù),其變異系數(shù)在0.15%～1.48%之間,水分傳感器表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性,見表6。

表6 各采樣點3 h～6 h內(nèi)傳感器水分變化

6.3 水分含量的縱向與橫向變化

縱向距離含水率是指自滴灌帶以下20 cm、40 cm和60 cm處的含水率[4]。橫向距離含水率是指自滴灌帶以下20 cm處作為0 cm,再外移20 cm和40 cm處的含水率,旨在監(jiān)測滴灌帶以下20 cm、玉米株下20 cm以及株外20 cm處的土壤含水率,取樣點位置見圖2,結(jié)果表明：

圖2 水分測定取樣點示意圖

1#點縱向距離平均含水率為14.8%,20 cm和40 cm含水率一致,60 cm含水率低至13.04%,與剖面層次有關(guān),43 cm以下是沙土層,不保水。橫向距離平均含水率為15.9%,三個點水分基本一致,說明1#點灌水程度良好,見圖3；

圖3 垂直距離與20 cm以下水平距離土壤質(zhì)量含水率變化

2#點縱向距離平均含水率為16.6%,含水率隨深度的增加而增加,從剖面結(jié)構(gòu)來看,30 cm～65 cm均為犁底層和鈣積層,質(zhì)地粘重,形成水分聚集的現(xiàn)象。橫向距離平均含水率三個點基本一致,灌水均勻；

3#點明顯灌水不足,僅滴灌帶以下20 cm處水分較高,再往下以及再往外土壤含水率下降突出；

4#點剖面90 cm以內(nèi)為沙壤土,犁底層僅8 cm,水分下滲明顯。橫向距離質(zhì)量含水率降低3 個百分點,即植株外側(cè)土壤水分缺乏；

5#點53 cm以內(nèi)均為砂土層,土壤水分變化不大；

6#點犁底層厚度14 cm,其下為黏土層,耕作層以下水分聚集,水分含量明顯高于耕作層。

6.4 灌水上限與下限推薦值

由表7 看出,玉米滴管條件下,在20 cm深度處土壤含水量隨灌水量的增加而升高,同時離滴灌帶越遠含水率愈低,滴灌帶以下20 cm含水率較高,植株根系以下20 cm次之,植株外側(cè)20 cm含水率最低。從產(chǎn)量分析結(jié)果來看,各處理間產(chǎn)量變化規(guī)律呈二次回歸函數(shù),且二次項系數(shù)為負(fù)值,符合生物學(xué)規(guī)律,回歸函數(shù)達極顯著正相關(guān),最大擬合產(chǎn)量1107.9 kg/畝。處理Ⅳ的產(chǎn)量最高,處理Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的產(chǎn)量差異雖未達顯著性水平,但處理Ⅴ的灌水量顯然超出實際不便應(yīng)用。因此,以第Ⅳ處理的水分指標(biāo)來確定玉米滴灌下限、上限以及監(jiān)測位置具有較強的現(xiàn)實意義。

在這三個位置點的數(shù)據(jù)變化中,滴灌帶以下20 cm的水分會提早達到,此時并不能代表植株對水分的滿足,而植株外側(cè)20 cm、再向下20 cm的位置的含水量達到要求是比較切合實際的,它的含水量作為判斷灌水是否滿足的標(biāo)準(zhǔn)是可行的。擬推薦參數(shù)為表7中的株外20 cm、深度20 cm處的參數(shù)。即當(dāng)該處的體積含水率達到18.03%±0.67%時為灌水指標(biāo)下限,開始灌溉,當(dāng)含水率達到22.84%±1.16%時為灌水上限,停止灌溉。

表7 滴灌玉米耕層20 cm水平距離灌水前后土壤含水率變化

7 結(jié)語

針對示范區(qū)青貯玉米環(huán)境分析、灌溉分析、施肥分析、傳感器準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性分析,青貯玉米智能化水肥一體化灌溉方式較傳統(tǒng)滴灌方式在節(jié)水、節(jié)勞、節(jié)肥方面效益顯著。在后期工作中,記錄、統(tǒng)計、分析各個維度的數(shù)據(jù),通過長系列的數(shù)據(jù)積累,初步建立青貯玉米水肥一體化灌溉數(shù)字模型。在灌溉過程中,由于各種灌溉決策因子在監(jiān)測過程中,受到儀器本身精度、人為操作的影響,監(jiān)測信息還存在一定的不確定性、模糊性,并且各個灌溉決策因子存在不同的量綱。因此在青貯玉米水肥一體化灌溉數(shù)字模型在使用過程中,將不確定性和模糊性的多源灌溉決策信息進行有機融合,以進一步提高灌溉決策的可靠性,為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)奠定基礎(chǔ)。