水稻生育期智能间歇灌溉系统研发及应用.pdf

年 月 第 卷 第 期 邓海龙水稻生育期智能间歇灌溉系统研发及应用邓海龙，谢亨旺，付桃秀，王子荣（江西省灌溉试验中心站江西省农业高效节水与面源污染防治重点实验室，江西 南昌 ）收稿日期：；修回日期：；网络出版时间：网络出版地址：基金项目：江西省重点研发计划项目（）；江西省水利厅重大项目（）；江西省水利厅科技推广项目（）第一作者简介：邓海龙（），男，江西吉安人，正高级工程师（通信作者，），主要从事农田节水灌溉技术研究第二作者简介：谢亨旺（），男，江西南康人，正高级工程师（），主要从事农田节水灌溉技术研究摘要：结合数理统计学、机械工程学及信息控制技术，成功研发了水稻生育期智能间歇灌溉系统 通过现场试验，对自动测量数据和人工测量数据进行对比分析发现，灌水量、田间水位测量精度满足要求 水稻灌溉试验数据表明：与间歇灌溉相比，智能间歇灌溉灌排水量和灌排次数明显减少 在灌水量方面，智能间歇灌溉模式比间歇灌溉减少 ，减少幅度为 ，灌水次数减少 次；在降雨有效利用率方面，智能间歇灌溉模式的降雨利用率较间歇灌溉模式提高了 ；在排水量方面，智能间歇灌溉模式下的田间排水量比间歇灌溉减少 ，减少幅度为 ；在产量方面，在肥料运筹及其他管理措施相同的条件下，早晚稻产量均呈现出智能间歇灌溉模式大于间歇灌溉模式，增产率分别为 和 水稻生育期智能灌溉系统应用后具有明显的节水、增产效果，对提高中国作物需水量研究测定的科技水平具有重要意义关键词：智能间歇灌溉系统；系统研发；工作原理；节水；增产中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：邓海龙，谢亨旺，付桃秀，等 水稻生育期智能间歇灌溉系统研发及应用 排灌机械工程学报，（）：，（），（）：，（），（，）：，第 期邓海龙，等水稻生育期智能间歇灌溉系统研发及应用 ，：；目前，中国各省灌溉试验站受自动测量水稻地表水位设备精度不够的限制，沿用的监测方式仍然是人工测针监测，试验人员使用手动测针每天测量水稻作物地表水位变化，根据设定的灌溉制度，当土壤水分达到灌溉水层下限时，便进行灌溉 少数试验站应用高精度液位传感器大致测量地表水层，此种方式因受液位传感器测量精度限制，结合灌溉设备自动灌溉，也只能实现粗略的自动化功能，无法进行精细的节水灌溉并计算需水量，更无法准确识别各个生育期的需水差异，进而无法实现真正的按生育期需水量不同进行每个生育周期独立精细节水、自动、智能灌溉 文中针对作物需水量试验时传统人工观测任务重、工作效率低下、水分控制不精准，且试验人员频繁地接近试验区会干扰和破坏自然状态 因此，文中研发一套水稻生育期智能灌溉系统 ，以期有效解决传统人工测针测量水稻地表水层无法实现自动化的问题，提高工作效率，达到明显的节水和增产效果 水稻生育期智能灌溉简介 系统组成水稻作物生育期智能灌溉系统包括地表灌溉装置、地表水位测量装置、水分监测装置、地下水位监测装置和采集控制箱 地表灌溉装置包括灌溉电磁阀、远程发讯水表和灌溉控制器，灌溉控制器接收计算机发出的灌溉量信号 ，并通过该信号控制灌溉电磁阀的开度 ，远程发讯水表用于反馈校正灌溉量 图 为水稻生育期智能灌溉系统构成示意图图 水稻生育期智能灌溉系统构成示意图 图 为水稻生育期智能灌溉系统框架图 地表水位测量装置包括观测支架和地表水位跟踪仪，地下水位监测装置包括观测井和地下水位监测仪，水分监测装置埋设于地表层的土壤中，主要是在田间无水层的情况下，实时监测土壤含水量的变化，直至土壤含水量达到预先设定的灌溉下限值时，地表灌溉系统启动灌溉 图 水稻生育期智能灌溉系统框架图 排灌机械工程学报第 卷采集控制箱包括灌溉控制器、水分采集器、地下水位采集器及计算机，各个数据采集器用于采集相应传感器的数据并传递给计算机，计算机根据预置的软件考虑水稻作物生育期的用水量需求，从而控制地表灌溉装置和溢流阀门进行精准灌溉，其具有自动化程度高，灌溉精准，节水环保的同时提高水稻的产量等特征 工作原理根据水稻作物生育期需水量变化编写的数据控制采集分析软件实时采集地表水位跟踪仪数据、水分监测装置数据以及地下水位监测装置数据，并根据系统内设置的每个生育期地表水层阈值自动精准控制地表灌溉装置开启；当地表水位跟踪仪数据达到该生育期地表供水上限时，自动控制地表灌溉装置关闭，并把地表灌溉装置的供水量反馈给运行系统保存 当 水分数据达到分蘖后期晒田期设定的下限时（一般根据季节及品种分为田间持水量的 ），地表灌溉装置开启 当地表水位跟踪仪数据达到该分蘖后期晒田期地表水层上限时，自动控制地表灌溉装置关闭，并把地表灌溉装置的供水量反馈给运行系统保存 运行系统在每天早上 ：通过前一天 ：到当天 ：地表水位跟踪仪的数据变化计算出前 天的需水量，若这一天期间出现灌水，系统自动减除供水量增加的水层后再准确计算出真实日需水量图 水稻生育期智能灌溉系统运行控制示意图 主要功能该系统主界面如下：主界面中有 个按钮，分别为“非种植时期”“泡田模式”“浅水灌溉模式”“间歇灌溉模式”和“退出系统”其中，在非水稻种植时期，点击“非种植时期”按钮，系统不自动进行任何灌溉决策；种植水稻前期需要泡田 左右，再进行整地翻种 点击“泡田模式”按钮进入泡田时段设置界面；分别点击“浅水灌溉模式”和“间歇灌溉模式”进入不同灌溉控制界面；点击“退出系统”退出系统图 系统主界面 安装注意事项）地表水位测量装置、水分监测装置和地下水位监测装置安装于测坑或者大田的一侧，地表灌溉装置安装于测坑或者大田相对的另一侧）观测支架为有机玻璃管，有机玻璃管四周开有呈梅花状分布的透水孔，底部采用堵头堵上，有机玻璃管四周采用防止泥沙透过的纱布包裹）观测井为埋设于地下土壤中的塑料管，塑料管四周开有呈梅花状分布的透水孔，塑料管四周采用防止泥沙透过的纱布包裹，埋深为 ）有机玻璃管下部埋设到测坑土面以下 处，通过管卡、螺丝使其安装垂直，地表水位跟踪仪的测针位于有机玻璃管圆心处）水分监测装置包括埋设于土壤表层以下 的土壤水分传感器 试验与应用试验在江西省灌溉试验中心站南昌县向塘试验基地大型综合测坑内进行，测坑试区净面积为（），深度为 ，四周为钢筋砼结构，顶部嵌入 厚、高的钢板 对水稻生育期灌溉系统中地表水位跟踪仪、计量水表、水分监测精度及水稻需水量和产量变化情况进行分析 试验设计文中设置水稻智能间歇灌溉、间歇灌溉 个处理，每个处理设置 个重复 间歇灌溉水层控制标准如下：在水稻返青期保持 水层，分蘖末期晒田 ，黄熟期自然落干；其余阶段，灌水后水层深度达 ，至水层消耗完并使土壤含水率下降到饱和含水率的 左右时再次灌水，如此进行反复地干（无水层，土壤水分在饱和含水率以下）淹（有水层）交替 早晚稻田间水分控制标准见表，表中 为水层深度，为土壤饱和含水率，表示 的土壤饱和含水率，表示分蘖前期土壤水分控制的灌溉下限为 的土壤饱和含水率，灌溉后的水层上限为 的水层深度 第 期邓海龙，等水稻生育期智能间歇灌溉系统研发及应用表 早晚稻间歇灌溉田间水分控制标准 稻别返青期分蘖前期分蘖后期孕穗期抽穗开花期乳熟期黄熟期早稻 后期晒田 后期落干晚稻 后期晒田 后期落干）观测次数与观测时间 观测人员每日 ：定时对智能间歇灌溉、间歇灌溉小区进行 次田间水位观测，如遇降雨、灌排水时，还需加测，用以计算水稻腾发量）测定方法 在田面有水层时，在每个小区或测坑固定位置上，用电测针按规定时间进行观测；在田间无水层时，用补水法确定，采用水表计量）作物需水量分析计算方法 腾发量 测坑观测值为水稻腾发量及水稻作物需水量，即 ，式中：为日腾发量，；为日累计降雨量，以雨量器观测值为准；，分别为前一日和当日测得的田间水面高度，；为当日灌水量，；为当日排渗量，灌水量计算 当田间有水层时，灌水量采取灌后水深与灌前水深的差值乘以试验区面积来计算；若无水层时，采用量水表计量 排水量计算 观测前后水位，其水位差即排水量 有效降雨量 有效降雨量为降雨量与因雨排水量的差值 量水精度分析 水表量测精度分析表 为宁波牌 远程水表率定分析表表 宁波牌 远程水表率定分析表 序号 次 表 中 为测试前的水表读数；为通水后的水表读数；为自记数据；为干簧管计数器数据；为水量称重数据；为人工读数与称重记录差值；为自动计数与称重法记录差值；为通水时间记录 由表 可以得出，在不同流量下，人工读数（表盘）最大误差为 ，最小误差为 ，误差在 内；在不同流量下，干簧管计数（自动）与称重法最大误差为 ，最小为 ，误差在 内 地表智能灌溉系统的灌溉精度达到 的要求 田间水位量测精度分析为了检验仪器在正常使用过程中与人工观测数据的相关性，选择 个测坑小区在 年 月 日 年 月 日晚稻种植试验期间，人工与自记的田间水位、腾发量数据进行相关性分析 ，这 个试验小区每日水位数据对比资料相关性分析，统计表如表 所示，表 中 为最大绝对误差，为系统误差，为绝对误差，为合格点数，为合格率，相关图见图 表 人工观测数据与水位计数据比测结果评定表 测点数试验编号 图 为 ，试验小区每日观测水位相关图，图中 为水位仪记录水位，为人工观测水位图 试验小区每日观测水位相关图 分析得出，试验小区水位仪测定与人工测定的田间水层相关关系为 ，相关系数为 ，其相关性基本上呈 直线；试验小区水位仪测定与人工测定的水位数据相关关系为 ，相关系数为 ；试验小区水位仪测定与人工测定的水位数据相关关系为 ，相关系数为 排灌机械工程学报第 卷 表明水位仪测定与人工测定的日水位数据具有较好的相关性图 试验小区每日观测水位相关图 图 试验小区每日观测水位相关图 水分监测精度分析为了检验仪器在正常使用过程中与人工观测数据的相关性，采取传统的烘干称重法测定土壤质量含水量，测定的是土壤容积含水量，它们之间的换算关系为，其中 为土壤容重 对这 种方法测定的土壤含水量进行对比分析，以重量为基准，计算相对误差在分析过程中，烘干称重法与 测定的含水量相关关系为 ，相关系数 为 ，表明 测定的含水量能真实地反映土壤含水率情况 在实际测试中，将 测得的水分数据代入方程式计算，可拟合出土壤水分真实数据，如图 ，所示图 与传统称重法测定的含水率数据对比图 图 土壤水分数据拟合曲线图 量水稳定性分析水稻作物生育期智能灌溉系统于 年 月完成研发，年 月 日完成现场安装及调试工作，年 月 日 年 月 日，开展了水稻灌溉试验，期间对试验区的灌水量、田间水层、土壤含水率进行现场测定工作 水稻生长过程中，试验区测定的灌水量、水层深度等数据误差满足精度要求，且系统中的地表水位跟踪仪、计量水表（宁波牌 远程水表）、等仪器设备运行稳定，在日常维护人员到位的情况下，控制闸阀、通信模块、地表水位跟踪仪等设备在灌溉期间没有出现故障 应用效果分析水稻智能间歇灌溉系统的应用，实现了土壤水分的实时在线监测，能够精准识别田间无水层时土壤含水量的真实情况，真正做到了按照设定的水分标准进行控制灌溉的要求，有效解决了传统人工观测对水稻自然状态的干扰和破坏，以及灌溉经验管理造成的水分利用效率不高的问题 水稻需水量分析表 为水稻需水量试验各月用水统计表，表中为月用水量，为全生育期用水量 从表 分析可知，早稻智能间歇灌溉模式的年平均需水量为 ，晚稻为 ；早稻间歇灌溉模式的年平均需水量为 ，晚稻为 两者相比较，早稻智能间歇灌溉模式较间歇灌溉模式年平均需求量减少 ，晚稻智能间歇灌溉模式较间歇灌溉模式年平均需求量减少 月中下旬，早稻刚移栽，处于返青期；月，水稻开始进入生长期（分蘖初期、分蘖盛期）；月份，水稻处于生长盛期中（分蘖末期、拔节孕穗期、抽水开花期），需水量达到最大值；月份，水稻正处成熟期（乳熟期、黄熟期），于 月中旬收割；月 日，晚稻完成移栽，逐渐由返青期进入生长期（分蘖初期、分蘖盛期）；月，水稻处于生长盛期中（分蘖末期、拔节孕穗期、第 期邓海龙，等水稻生育期智能间歇灌溉系统研发及应用抽水开花前期）；月，水稻慢慢由抽水开花前期进入乳熟期和成熟期；于 月 日收割表 水稻需水量试验各月用水统计表 稻别灌溉处理试区编号 月 月 月 月 月 月 月早稻智能间歇灌溉间歇灌溉 晚稻智能间歇灌溉间歇灌溉 不同灌溉模式下水稻灌排水量分析表表 为不同灌溉模式水稻灌溉排水定额统计表，表中 为灌溉次数，为灌水量，为排水量，为减少量，为减少率表 不同灌溉模式水稻灌溉排水定额统计表 稻别灌溉处理试区编号灌溉定额排水定额 次 次 早稻智能间歇灌溉间歇灌溉 平均值 平均值 晚稻智能间歇灌溉间歇灌溉 平均值 平均值 由表 分析可知，在肥料用量和施肥方式一致的前提下，早稻智能间歇灌溉模式下的田间灌水 次，灌水量 ，间歇灌溉模式下的灌水次数 次，田间灌水量 ，智能间歇灌溉模式相对间歇灌溉模式田间灌水量减少 ，减少率为 ；晚稻智能间歇灌溉模式下的田间灌水次数 次，灌水量 ，间歇灌溉模式下的田间灌水次数 次，灌水量 智能间歇灌溉模式比间歇灌溉灌水次数少 次，灌水量减少 ，减少率为 ；早稻智能间歇灌溉模式全生育期排水次数 次，排水定额为 ，间歇灌溉模式全生育期排水次数 次，排水定额为 智能间歇灌溉模式下的田间排水量比间歇灌溉减少 ，减少率为 晚稻智能间歇灌溉全生育期排水定额与间歇灌溉模式一样，均为 不同灌溉模式下水稻产量分析表 为不同灌溉模式下水稻产量及产量构成因子，表中 为穗长，粒为每穗粒数，为有效穗，为结实率，为产量，为千粒重，为平均产量由表 分析可知，在肥料运筹及其他管理措施相同的条件下，早稻的有效穗间歇智能灌溉明显高于间歇灌溉，晚稻的有效穗各个处理之间的差异性不是很显著；早晚稻的每穗总粒数呈现出间歇智能灌溉处理高于间歇灌溉处理，早晚稻的结实率间歇智能灌溉略高于间歇灌溉；早稻智能间歇灌溉处理的小区产量达到 ，较间歇灌溉处理增产 ；晚稻智能间歇灌溉处理的小区产量达到 ，较间歇灌溉处理增产 试验应用表明：智能间歇灌溉处理具有一定的增产效果，主要体现在间歇智能灌溉有效地提高了早晚稻有效穗 排灌机械工程学报第 卷表 不同灌溉模式下水稻产量及产量构成因子 稻别试验处理试区编号 粒 万 （）（）早稻智能间歇灌溉间歇灌溉 晚稻智能间歇灌溉间歇灌溉 注：同一列中不同小写字母表示差异达 的显著水平 结论）依托江西省灌溉试验中心站 余年水稻作物需水量灌溉试验数据，研发了一套水稻生育期智能间歇灌溉系统，实现了水稻地表水层的自动化测量，同时解决了部分试验人员应用液位传感器测量水稻地表水层变化精度不足的问题，液位传感器测量精度为 左右，地表水位跟踪仪实验室测量精度为 ，大田实际应用环境为 ）智能间歇灌溉模式较间歇灌溉模式具有一定的节水效果，晚稻节水效果尤为明显 晚稻智能间歇灌溉模式较间歇灌溉模式年平均需水量减少 在灌水量方面：智能间歇灌溉模式比间歇灌溉减少 ，减少幅度为 ，灌水次数减少 次）智能间歇灌溉模式较间歇灌溉模式具有一定的增产效果 智能间歇灌溉模式较间歇灌溉模式早稻增产 ，晚稻增产 参考文献（）王富庆，崔远来，邓海龙，等 一种考虑水稻作物生育期的 智 能 节 水 灌 溉 系 统 及 灌 溉 方 法：中 国：邓海龙 基于 型蒸发自动测试仪的水稻作物需水量分析研究 江西水利科技，（）：，（）：（）王富庆，许雅欣，高士佩，等 自动地下轨道称重式蒸渗仪测控系统的研制 中国农村水利水电，（）：，（）：（）杨琳，吴光星，罗玉峰 基于物联网的智能灌溉系统开发与应用 智能城市，（）：，（）：（）陈梦婷，杨琳，吴光星，等 考虑降雨有效利用的水稻灌溉模式的优化 排灌机械工程学报，（）：，（）：（）王佳明，陈思，荆腾，等 无土栽培远程灌溉控制系统 排灌机械工程学报，（）：，（）：（）李仰斌，刘俊萍 中国节水灌溉装备与技术发展展望 排灌机械工程学报，（）：，（）：（）赵庆建，王昌海，丁胜，等 农业智能灌溉系统关键技术研发 江苏科技信息，（）：，（）：（）刘怀利 农田水利智能灌溉监控系统研究 水资源开发与管理，（）：（下转第 页）排灌机械工程学报第 卷穴盘苗水分和氮素利用效率的影响 华北农学报，（）：，（）：（），（）：，：沈红香，王志忠，陈原，等 不同规格穴盘和基质处理对垂吊长寿花扦插苗生长的影响 中国农学通报，（）：，（）：（），（）：李建设，刘宏久，郑佳琦，等 灌溉时间和灌水量对黄瓜穴盘苗生长及生理的影响 江苏农业学报，（）：，（）：（）郭永青，李建明，邹志荣，等 不同补充灌溉量对番茄幼苗生长的影响 西北农业学报，（）：，（）：（）（责任编辑徐云峰）檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨（上接第 页），（）：（）陈立军 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