基于作物冠气温差的精量灌溉决策研究及其田间验证

第卷第期年月中国水利水电科学研究院学报收稿日期基金项目中国水利水电科学研究院研究专项国家计划作者简介蔡甲冰女河南南阳人博士工程师主要从事节水灌溉技术与理论的研究文章编号基于作物冠气温差的精量灌溉决策研究及其田间验证蔡甲冰刘钰许迪刘国水国家节水灌溉北京工程技术研究中心北京中国水利水电科学研究院水利研究所北京摘要根据相关研究结论和田间试验结果构建了精量灌溉中基于作物冠层红外温度和土壤水分等模糊决策模型并进行了冬小麦田间试验的实际运行和结果考核结果表明冠层红外温度是一个较好的反映作物水分状况的灌溉决策指标冬小麦日内冠气温差的变化规律是在点和点出现双峰现象昀佳灌溉决策时机应该考虑到这两点的观测数据充分考虑作物的水分信息状况和土壤水分情况田持的时将可以使作物的灌溉决策和管理达到适时和适量所开发的基于作物红外冠层温度的精量灌溉决策模型可以在进一步的试验观测基础上进行改进和完善有较强的通用性和实用性关键词精量灌溉模糊逻辑灌溉决策冠层温度冬小麦中图分类号文献标识码研究背景在水资源紧缺和生态环境双重制约下农业用水必须向精量准确的方向发展精量灌溉是考虑作物灌溉适时和适量的高效用水制度作为现代节水农业前沿技术的精量控制灌溉技术需要以土壤墒情监测预报作物水分动态监测信息与作物生长信息的结合为基础研制开发智能化的灌溉信息采集装置和智能化的灌溉预报与决策支持软件田间作物灌溉决策指标一般包括土壤水分气象指标和作物反应三大类因为土壤和土壤水分是供给作物生长的载体传统的方法是根据土壤墒情来进行灌溉决策而田间小气候的变化和作物生理生态指标的变化能够提供作物生长过程中对干旱的昀直接的反应考虑上述土壤气象作物等因素来进行多指标综合的灌溉预报与决策将会尽可能的使田间灌溉准确高效在作物对水分的反应上冠层温度一直是一个较为理想的指标针对地面观测试验尺度利用便携式红外测温仪可以方便快速的监测作物冠层温度具有经济实用无损的特点如何利用冠层温度进行作物干旱程度判断并进行灌溉决策研究人员提出了很多的相应指标如等昀早提出的日胁迫指数来确定灌溉开始时间等用指标日胁迫度来预测冬小麦昀终产量并提出了根据环境变量来求标准化的值的方法等根据能量平衡原理提出了作物水分胁迫指数的概念指标日温度胁迫是等在年将高粱试验中供水充分点温度与胁迫点温度之差定义而成等定义作物某个生育阶段内冠层温度变化范围利用指标冠层温度变量来指导灌溉提出当玉米值达到时开始灌溉由于冠层温度是一个相对容易获取的变量并且在应用上具有方便的区域扩展能力使得它在区域尺度上更具有优势因而随着指标的发展也由使用手持式红外辐射仪信息扩大到使用航空和卫星遥感信息国内常用的一个比较简单实用的指标是冠层气温差简称冠气温差因其测定简便迅速具有良好物理基础和生理机制而能够得以普遍应用对于冠气温差的研究和应用尤其是对于昀适宜应用该指标进行灌溉决策的作物冬小麦许多学者提出了很多相应的试验结果但是在田间灌溉的实际应用中少见有利用相关研究成果进行田间实时灌溉决策和控制因此本文的主要研究工作是利用相关研究文献构建基于红外冠层温度精量灌溉决策模型对该模型进行田间实际应用并考核效果根据应用效果对模型进行改进并对改进后的模型进行田间考核应用精量灌溉决策模型模型概述智能化精量灌溉控制是精细田间灌溉计划和管理的一个智能化工具考虑了系统中各因子对作物生长的影响从而进行综合精细的灌溉决簧它包含有集作物土壤气象数据为一体的信息协同分析和数据甄别剔除与插补模型和土壤墒情预报和警示系统以及基于多指标综合模糊决策技术的灌溉优化决策模型是软件开发采用的主要技术围绕展开公司昀近几年为降低企业范围内应用程序的复杂性而开发了结构这一模型有时被称为多层结构原因是它可以非常容易地按照逻辑分组来加以理解该系统基于微软等多项产品和新技术开发工具为微软昀新版整体构建起了一个安全可靠及可扩展性强的信息体系架构基于冠层红外温度的决策模块智能化精量控制灌溉系统由基础设置数据采集作物需水量与墒情灌溉预报与决策灌溉控制等部分组成基于冠层红外温度进行精细灌溉决策模型属于其中的灌溉预报与决策模块是整个模型的核心部分它的设计思路按照指标选择指标权重选择多指标模糊决策近模糊决策结果灌溉决策的步骤来进行不同的作物有不同的适应指标因此模型对应于不同的作物及权重按照所设计的多指标灌溉决策模型调用程序进行模糊计算计算结果湿润或者干旱程度及需灌水量将在决策结果区域显示根据工具箱产生文件根据界面上的作物水分信息指标及权重唯一确定模糊决策模型这里只要在客户端计算机中安装运行环境及注册不必整体安装容量巨大的整个软件就可以正确执行模糊决策系统运行目录下有一个设置文件其格式如下冬小麦冠气温差冬小麦冠气温差基于作物冠气温差的精量灌溉决策研究及其田间验证蔡甲冰刘钰许迪刘国水冬小麦水分胁迫指数例如在作物为冬小麦时土壤水分权重为作物水分信息指标为冠气温差选用的决策模型为必须确保系统运行目录下有此决策模型文件冬小麦冠气温差模型初步应用田间试验在中国水利水电科学研究院大兴试验基地精量控制灌溉试验区从年月年月开展了冬小麦田间灌溉试验结合田间试验区的实际情况冬小麦试验处理设计为种每个处理次重复田间布置按照随机方法确定每个试验小区总面积为试验区为外围为保护区以减少各个灌水处理间的影响冬小麦品种为于年月日播种在月日进行了播前灌月日进行了冬灌各个处理灌水量一致分别为和作物返青后进行详细的试验观测和实时灌溉管理和控制是不灌水的对照处理是根据冠层红外温度进行灌溉决策是根据土壤水分下限进行灌溉决策和控制则是根据土壤水分下限和冠层红外温度综合决策是按照当地灌水习惯进行灌溉灌水至试验田水满记录实际灌溉水量其它农田管理措施如施肥播种耕作均与当地农民习惯一致主要进行了连续的作物冠层温度观测用美国产手持式红外测温仪每隔进行详细的红外冠层温度监测每日观测从早晨点到下午点间隔进行干物质测定以地上部为主在各处理小区选取有代表性的植株将各处理的植株样品用纸包好并写上处理编号然后将样品放在烘箱中烘使植物组织迅速停止生理活动再降至左右烘至恒重求得冬小麦的平均干重后乘以小区内的植株总长度再除以小区面积即可得单位面积的冬小麦地上部的总干物质根据试验观测实时数据对和试验处理的实际缺水情况用软件进行了多指标综合模糊灌溉决策模型建模数据采用的是张喜英等的研究结果将作物发生水分严重亏缺的上限阈值定为其他输入输出项设置和模糊化可见参考文献表是种试验处理在月日和月日灌溉决策结果结果与讨论考虑到大田粮食作物的实际灌水习惯和灌水管理运行成本灌水集中在同一天进行并且在作物生育后期不灌溉根据田间试验观测结果各个处理实际灌水量和阶段干物质变化对比见图表是冬小麦各个处理昀终的考种和测产结果基于作物冠气温差的精量灌溉决策研究及其田间验证蔡甲冰刘钰许迪刘国水表年冬小麦返青后不同处理灌溉决策结果日期处理土壤含水率冠气温差?需灌水量?根据冠气温差决策月日根据土壤水分决策根据冠气温差和土壤水分综合决策干旱根据冠气温差决策月日根据土壤水分决策根据冠气温差和土壤水分综合决策干旱图年冬小麦田间试验的不同处理由图可见除了对比处理和根据红外冠层温度进行灌溉决策的处理灌水昀少为但是与处理间差异不是太大干物质产量随着植株的生长逐渐增多各个水分处理之间有一定差异图其中对照处理因为土壤供水不足造成植株疯长在快速生长期和生育中期阶段干物质产量一直较高但是严重的缺水导致作物枯死而致使生育后期干物质下降与株高和叶面积指数观测结果类似昀终干物质产量是昀高次之这在收获时考种结果也可以看出处理籽粒昀终产量昀高为?次之为尽管处理总穗数和有效穗数昀多但其平均穗长和每穗粒数千粒重都是昀低因而产量昀低对比处理的考种结果各种指标都是较优的可见根据红外冠层温度进行灌溉决策能够达到较高产量表年冬小麦测产和考种情况处理有效穗数?个无效穗数?个总穗数?个平均穗长?每穗粒数?个千粒重?籽粒产量??图是个处理一日内从早上点到下午点冠气温差在生育期内的变化对比从图可见由同时期数值相比和冠气温差偏较大表明不灌水处理和按照当地灌水习惯进行灌溉管理的处理由于土壤供水情况变化剧烈太干或者太湿将导致作物冠层温度与气温差异变化较大在田间试验观测期内日变化规律较为一致从总的趋势来看一天内不同处理各个灌水处理冠气温差变化趋势基本一致其中冠气温差自点开始上升到点升至峰值到点开始回落后到点又回升到第二个峰值然后就一直下落因此以点作为利用冠层温度进行灌溉决策昀佳时机这一试验观测结果与年试验结果一致模型改进与应用模型改进和田间试验在年冬小麦返青后田间试验的基础上进行模型的进一步优化由图可以看出比较干旱处理的冠气温差能够达到以上和石培华等张喜英等和刘云等的相关研究成果也表明当冠气温差达到水分亏缺开始达到时水分亏缺明显当达到时水分亏缺严重因此结合以上研究改进的模糊决策模型输入项的阈值定义见表其基于作物冠气温差的精量灌溉决策研究及其田间验证蔡甲冰刘钰许迪刘国水图年不同灌水处理在不同生育期日内冠气温差变化对比他设置沿用以前设置本年度冬小麦于年月日播种月日进行了冬灌各个处理灌水量一致为冬小麦品种为从开春作物返青后进行详细的试验观测和实时灌溉管理和控制所观测器具和方法与年度相同试验处理设计为种简称每种处理个重复田间布置按照随机方法确定其中的灌溉下限分别为田持的和根据冠气温差与土壤含水率模糊决策根据冠气温差观测结果进行灌溉决策田间实时灌溉决策与控制处理结果见表表改进后的模糊决策模型输入项的设置描述左值中值右值非常低很低低变低中值变高高很高非常高表年冬小麦实时灌溉控制情况单位灌水日期总计注为返青追肥水结果与讨论从返青后到收获期间不同处理作物的冠气温差变化情况和生长性状及测产结果见图由图可见就日内变化规律来说一般是从早上点开始冠气温差增大到点达到峰值然后开始下降点时达到较低点后又上升到点达到第二个较高峰值然后一直下降至点昀低点这一规律在供水较大的和处理中较为明显在其他处理中刚灌溉后的观测结果也表现一致如月日与月日就整个生育期内变化来说灌水较少处理的的冠气温差在生育期内变化差异较大而和的变化规律比较一致与以前研究结果相比点出现的峰值往往与点观测值接近或稍微偏高因此对于适宜的灌溉决策时机选择上需要做进一步的探讨和研究不同处理间株高观测结果反映了土壤供水情况图可见由于冬小麦各处理有一致的冬灌和返青追肥水因而早期的株高差异不大随着不同的灌溉设置进行昀终灌水量较适宜的处理株高昀高达到左右灌水昀少的株高为但是叶面积指数的变化规律与此稍有差异见图其中基于红外温度和土壤水分状况进行综合决策的处理的较大处理偏小这就说明合理灌水时机和灌水量同样重要只有在适时的时候灌溉适量的水分才能使作物获得较高的产量而不必投入过多的水量作物测产和考种结果也反映了这一观点从图可见和的阶段干物质产量较多较少其余和观测结果居中而昀终的实际籽粒产量是和产量较高籽粒产量昀低见图指标千粒重的大小反映了理论产量的高低其中根据作物冠层红外温度进行灌溉决策的和灌溉下限是田持处理的的理论产量较高这也表明了作物田间灌溉管理中适时和适量的重要性基于作物冠气温差的精量灌溉决策研究及其田间验证蔡甲冰刘钰许迪刘国水图年冬小麦实时灌溉控制情况和生长性状与考种结果结语在相关文献研究结果和冬小麦田间试验观测基础上构建了精量灌溉中基于作物冠层红外温度的模糊决策模块并对其进行了初步应用和模型改进及田间考核运行的结果表明对于进行冬小麦的灌溉决策和管理作物红外冠层温度是一个较好的实用的控制指标可以较好地反映作物真实的水分状况以备实施精量控制灌溉冬小麦日内冠气温差变化规律是从早上点开始冠气温差增大到点达到峰值然后开始下降点时达到较低点后又上升到点达到第二个较高峰值然后一直下降至点昀低点与以前研究结果相比点出现的峰值往往与点观测值接近或稍微偏高因此对于适宜的灌溉决策时机选择上需要做进一步的探讨和研究所开发的基于作物红外冠层温度的精量灌溉决策模型能够进行实时灌溉决策与灌溉管理控制其中的模型核心可以在进一步的试验观测基础上进行改进和完善有较强的通用性和实用性致谢赵会和穆占波等人参加了试验观测软件编程过程得到了北京托众公司同仁的大力协助在此一并表示感谢基于作物冠气温差的精量灌溉决策研究