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灌溉决策方法对河西地区滴灌春玉米生长和产量的影响研究

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灌溉决策方法对河西地区滴灌春玉米生长和产量的影响研究

作者：杨睿西北农林科技大学

学位级别：硕士

河西地区干旱缺水、水分利用效率低,适宜的灌溉制度对于春玉米增产和水分高效利用具有重要意义。本文研究了三种灌溉决策方法(基于土壤水分、蒸散量、土水势)对河西地区膜下滴灌春玉米生长、产量及水氮利用效率的影响。基于土壤水分的... 详细信息

河西地区干旱缺水、水分利用效率低,适宜的灌溉制度对于春玉米增产和水分高效利用具有重要意义。本文研究了三种灌溉决策方法(基于土壤水分、蒸散量、土水势)对河西地区膜下滴灌春玉米生长、产量及水氮利用效率的影响。基于土壤水分的灌溉决策方法设置90%、70%和50%可利用土壤含水量作为灌水下限(分别用CK、W1、W2表示),灌水上限均为田间持水量;基于蒸散量的灌溉决策方法设置为每周一灌(EP100、EP80分别表示100%和80%过去一周实际蒸散量,EF100、EF80分别表示100%和80%未来一周预测蒸散量),每周蒸散量与每周降雨量之差即为灌水定额;基于土水势的灌溉决策方法设置-25 k Pa、-45 k Pa和-65 k Pa(P25、P45、P65表示)三个灌水下限,灌水上限均为-5 k Pa。主要取得以下研究结果:(1)灌溉决策方法对于春玉米生长指标有显著影响。同一灌溉决策方法下,灌水量越大,春玉米株高、叶面积和干物质积累增长越快。适当减小灌溉频率,增加灌水定额对于春玉米的茎粗增长更有利。各灌溉决策最优处理下的干物质积累表现为W1、EP100和P25无显著性差异,而EP100处理下的灌溉水量最小。各灌溉决策最优处理下的籽粒灌浆速率表现为W1>EP100>P25,且无显著性差异。(2)春玉米生理指标对于水分的响应灵敏。基于过去蒸散量调控的灌溉处理下的SPAD值整体表现最为优异,过高或过低的水分处理均会使SPAD积累受到抑制。不同灌溉决策下的春玉米净光合速率也有相似的规律,抽雄期时各灌溉决策下最优处理分别为W1、EP100和P65,而灌溉水量较大的CK和P25处理下的净光合速率相对较低。正午叶水势则与该时期灌水量成正比,灌浆期时各组内最优处理分别为CK、EP100和P25。(3)不同灌溉决策处理下的春玉米产量和水分利用效率差异显著。不同灌溉决策方法下春玉米产量基本表现为随灌溉定额增大而增大。作物耗水量也与灌溉定额成正比,然而,产量与耗水量之间并不是简单的线性关系。CK和W1处理的产量分别比EP100高出2.34%和6.90%,但是耗水量分别比EP100高出了26.13%和27.35%。EP100和EP80处理的水分利用效率显著高于CK、W和P处理,说明不同灌溉决策方法下春玉米产量表现优异的处理中,基于蒸散量调控的灌溉在水量分配上优于其他灌溉决策方法,利于春玉米植株利用更多水分在产量的形成上。春玉米的氮素利用效率随各处理下的灌溉定额先增大后减小,各灌溉决策处理下,E处理的氮素利用效率最高,而E处理的氮素利用效率最低。(4)不同灌溉决策方法有其优缺点和适用性。基于土壤水分和基于土水势的灌溉决策方法受限于监测仪器的精度、准确度、成本和监测范围,而基于蒸散量调控灌溉的方法具有数据准确易获取,效率高,人力成本低,适用范围广等优点。此外,基于过去蒸散量调控的灌溉方法准确度和效率比未来蒸散量调控的灌溉方法高。基于过去蒸散量调控的处理比较,EP100与EP80处理下的产量和水分利用效率均无显著性差异,而EP80处理下的总灌溉水量消耗较小,且灌溉水利用效率更高。综合考虑各因素,基于过去蒸散量调控灌溉,每周灌水定额为80%ET推荐为最适合河西地区春玉米高效稳产的灌溉决策方法。

关键词：春玉米河西地区灌溉决策蒸散量产量

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基于信息融合的冬小麦灌溉决策系统研究

基于信息融合的冬小麦灌溉决策系统研究

作者：张慧河南科技学院

学位级别：硕士

目前农田灌溉主要以农民的经验为主,缺乏科学的灌溉决策容易引起冬小麦的减产减质。冬小麦作为河南主要农作物之一,如何提高冬小麦灌溉用水利用率,对河南节水农业的发展至关重要,虽然国内外学者在灌溉领域的研究成果丰硕,但多是对土壤... 详细信息

目前农田灌溉主要以农民的经验为主,缺乏科学的灌溉决策容易引起冬小麦的减产减质。冬小麦作为河南主要农作物之一,如何提高冬小麦灌溉用水利用率,对河南节水农业的发展至关重要,虽然国内外学者在灌溉领域的研究成果丰硕,但多是对土壤墒情、需水量等单个指标进行监测和预报,不能全面科学的指导灌溉。因此,本研究以河南新乡地区的冬小麦为研究对象,综合考虑气象、作物生长状况、土壤水分等因素的影响,将信息融合和数据预测相关算法引入到灌溉决策领域,构建基于信息融合的冬小麦灌溉决策模型,设计相应的灌溉决策系统。本文的主要工作如下:(1)确定灌溉决策模型的决策指标。对历史数据、田间实测数据和气象预报数据进行采集和预处理,研究影响灌溉决策关键指标的变化情况,利用皮尔逊相关系数法对不同来源的影响因子进行相关性分析,选择相关系数在0.4中等强相关以上的影响因子作为模型决策指标。(2)构建基于信息融合冬小麦灌溉决策模型。利用D-S证据理论对表层土壤含水量、冬小麦水分胁迫指数和蒸发蒸腾量三个核心指标进行信息融合,利用特征层融合结果对决策层训练样本数据作灌溉标记并参与灌溉决策模型多指标决策;决策层通过深度神经网络对训练样本数据进行模型训练、学习,利用验证样本数据对模型进行更新、验证,得到灌溉决策模型的精确度为95.24%、准确率为96%、召回率为92%、相对误差为0.07。通过对三个指标决策和多指标决策结果和灌溉用水量的模型对比分析,结果表明本文建立的冬小麦灌溉决策模型的整体评价结果较好。(3)设计灌溉决策系统。结合灌溉决策模型的需求,对硬件设备进行筛选,设计数据采集和灌溉控制模块。分析验证系统平台的工作流程,建立后台数据库,设计实现系统平台各个功能模块。通过测试,灌溉决策系统达到了预期设计要求。本研究通过综合考虑气象、作物本身、土壤墒情等因素的影响,建立基于信息融合的冬小麦灌溉决策模型,设计灌溉决策系统,为节水灌溉和农业现代化提供参考,具有一定的现实意义。

关键词：信息融合灌溉决策 D-S证据理论深度神经网络

基于无人机多光谱的猕猴桃果园灌溉决策支持系统设计与试验

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基于无人机多光谱的猕猴桃果园灌溉决策支持系统设计与试验

作者：邓俊涛西北农林科技大学

学位级别：硕士

水是农业生产中不可或缺的自然资源,土壤含水率(Soil Water Content,SWC)更是决定植物生长的关键因素,准确估计SWC可以为精准灌溉提供可靠的参考。但是猕猴桃果园特有的种植状况使得传统的大田SWC估算方式难以获得较好的效果,且灌溉策... 详细信息

水是农业生产中不可或缺的自然资源,土壤含水率(Soil Water Content,SWC)更是决定植物生长的关键因素,准确估计SWC可以为精准灌溉提供可靠的参考。但是猕猴桃果园特有的种植状况使得传统的大田SWC估算方式难以获得较好的效果,且灌溉策略不够细致。为了准确地估算果实膨大期徐香猕猴桃植株的根域土壤含水率(Root Soil Water Content,RSWC)并制定精准灌溉策略,本研究以2021、2022年果实膨大期的徐香猕猴桃果树为研究对象,讨论了通过无人机多光谱遥感平台结合智能算法和物联网设备进行RSWC估算和精准灌溉的可行性。研究主要采集RSWC、多光谱以及气象数据。分析不同植被指数与RSWC的相关性显著性;建立3种RSWC反演模型,结合Penman-Monteith法实现对单株果树RSWC的精确估算与灌溉决策;设计部署灌溉决策支持系统软硬件,验证系统在实际应用中的准确性与系统执行效果,实现了试验区域精准灌溉。本文的主要工作及结论如下:(1)建模植被指数筛选。利用遥感与地面实测数据,统计试验期间的土壤含水率及植被指数(VIs)变化。对8个植被指数和果实膨大期猕猴桃RSWC进行皮尔逊与单因素方差分析,确定对RSWC敏感的植被指数。结果表明:重归一化植被指数(RDVI)和绿度归一化植被指数(g NDVI)与RSWC表现出较好的相关性(皮尔逊相关系数分别为0.744)与显著性(P值分别为0.007),适合作为RSWC反演模型的输入。(2)反演模型建立。分别基于多层感知机(Multilayer Perceptron,MLP)、卷积回归神经网络(Convolutional Regression Neural Network,CRNN)和多元线性回归建立3种RSWC反演模型,研究不同采样尺寸对模型精度的影响,定义2个卷积衍生植被指数(Convolution derived Vegetation Indices,CVIs)并基于该指数建立多元回归模型。结果表明:采样区域对角线和面积与模型精度有较高的相关性(R2=0.991和0.993),确定采样最佳宽度为300 px;CVIs与RSWC有着较高的相关性(皮尔逊相关系数分别为-0.83和0.86)。3个RSWC反演模型在所有样本上的决定系数分别为0.565、0.743和0.636,均方根误差分别为2.516%、0.887%和1.219%。(3)灌溉决策支持系统软硬件设计。灌溉系统由数据采集、决策与控制及执行与反馈3个部分组成,其硬件包括无人机、气象站、计算机、Lo Ra收发机、太阳能控制器、采集器、JNBL 15电磁阀、YF-B5传感器和微喷灌。硬件系统依靠Lo Ra无线通信和485通信组成一个整体,控制器接收计算机命令并操作阀体进行灌溉,计算机通过采集器返回的信息判断灌溉状态,最终形成控制闭环。灌溉系统软件开发包括决策模型实现、控制界面编写和线程分配,决策模型以气象数据和Penman-Monteith法计算的标准作物腾发量作为参考,使用MLP反演模型估算RSWC并插值计算不同植株的灌溉量;控制界面使用Py Qt5进行编写并通过pyinstaller打包为可执行文件。(4)灌溉决策支持系统试验验证。试验中采集果实膨大期试验区域气象、土壤及遥感数据,使用灌溉决策软件对各数据进行自动处理,生成灌溉策略并通过硬件执行。分别对系统估算的RSWC准确性和系统执行后土壤含水率变化进行评价。结果表明:灌溉系统对RSWC的估算决定系数为0.685,均方根误差为2.466%,绝对误差小于3.47%,可以较为准确的估算RSWC空间分布。经过灌溉系统决策与控制灌溉,将原先不同的RSWC(26%±8%)控制在近似水平(34%±3%),并使植株RSWC略高于100%田间持水量,达成精准灌溉目标。使用灌溉决策支持系统对试验区域精准灌溉,最终使得用水量从4.12 m降低到了2.24 m,降低了46%。灌溉控制系统可以实现对果实膨大期不同RSWC植株的变量灌溉并在一定程度上节省水量。

关键词：无人机灌溉决策多光谱机器学习土壤含水率

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膜下滴灌棉花自动灌溉适宜决策方式研究

膜下滴灌棉花自动灌溉适宜决策方式研究

作者：胡慧玲中国农业科学院

学位级别：硕士

南疆地区光热资源丰富,是我国棉花的主产区,干旱少雨和土壤母质含盐量高是限制当地棉花生产的主要因子。随着电子信息技术的快速发展和人力成本的增加,采用自动灌溉技术将是提升水资源的利用效率和效益的主要发展方向。为探寻经济可行... 详细信息

南疆地区光热资源丰富,是我国棉花的主产区,干旱少雨和土壤母质含盐量高是限制当地棉花生产的主要因子。随着电子信息技术的快速发展和人力成本的增加,采用自动灌溉技术将是提升水资源的利用效率和效益的主要发展方向。为探寻经济可行的南疆膜下滴灌棉田自动灌溉技术,本文从土壤水分传感器的筛选、土壤水分传感器的科学布设及灌溉决策等方面进行了系统研究,采用预实验与大田试验相结合,根据误差、产量、品质等指标筛选分析适宜的技术模式。明确6种土壤水分传感器对盐分的敏感性,分析其在不同土壤水分及盐分条件下的测量精确度和准确度,确定所需埋设的传感器;通过大田试验,研究不同埋设位置下与剖面平均土壤含水率相对误差最小的点,确定自动灌溉系统中土壤水分传感器最佳埋设位置;最终基于大田试验研究土壤水分决策、气象信息决策和综合决策对棉花生长指标、地上部干物质量、产量及品质等指标的影响,确定了南疆滴灌棉田适宜的灌溉决策方式。取得的主要研究结果如下:(1)筛选出适用于南疆高盐土壤使用的土壤水分传感器。土壤水分传感器的精确度和准确度受土壤盐分和土壤水分的影响,标定前,CSF11、ML2x传感器的准确度较高且精确度表现稳定,EC-5、TDR305H传感器由于受土壤盐分和土壤水分的双重影响,准确度和精确度较低。校准后,四种传感器的准确度和精确度明显改善。综合准确度、精确度和价格因素,在南疆盐碱地可选用EC-5传感器。(2)确定南疆膜下滴灌棉田土壤水分传感器适宜的埋设位置。发现南疆典型土壤(砂质壤土)的土壤剖面为膜下0～60cm土层或膜下+裸地0～60cm土层、种植模式为一膜两带六行时,土壤含水率监测点适宜的埋设深度在地表以下22～34cm处,横向距离在距膜中心44～78cm处,传感器数量为1个。(3)提出适宜的自动灌溉决策方式。分析三种决策方式对棉花产量和品质的影响,发现增加灌溉定额能促进棉花株高和叶面积的生长,在棉花生育期结束时,气象信息决策的株高、叶面积指数、地上部干物质积累量显著低于土壤水分决策的株高、叶面积指数、地上部干物质积累量。其次,灌水定额的增加会显著影响棉花籽棉产量,气象信息决策的籽棉产量显著低于土壤水分决策的籽棉产量,但三种灌溉决策方式对棉花各项纤维品质无显著影响。综合考虑棉花产量和WUE,推荐南疆棉田采取综合土壤水分和气象信息的灌溉决策方式。

关键词：棉花南疆灌溉决策土壤水分气象信息

基于ET和水量平衡的日光温室实时精准灌溉决策及控制系统

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农业工程学报 2018年第23期34卷 101-108页

作者：顾哲袁寿其齐志明王新坤蔡彬郑珍江苏大学流体机械工程技术研究中心镇江212013 加拿大麦吉尔大学生物资源工程系

为提高日光温室的灌溉水利用效率,充分发挥现有灌溉决策理论的指导作用,该文构建了基于ET和水量平衡方法的实时精准灌溉决策及控制系统。以句容布戴庄村樱桃番茄温室为试验对象,给出了利用ET和水量平衡方法的灌溉决策实施过程,即当田间... 详细信息

为提高日光温室的灌溉水利用效率,充分发挥现有灌溉决策理论的指导作用,该文构建了基于ET和水量平衡方法的实时精准灌溉决策及控制系统。以句容布戴庄村樱桃番茄温室为试验对象,给出了利用ET和水量平衡方法的灌溉决策实施过程,即当田间蒸发蒸腾总量大于土壤中可供作物利用水分时触发灌溉,灌水量等于自上一次灌溉起蒸散量的总和。采用Java语言开发了灌溉决策软件ETSch,可实现以温室内气象数据为基础对不同地点的灌溉决策项目进行管理;设计了温室精准滴灌系统并研制了基于单片机的灌溉控制器软硬件,通过ETSch软件与控制器的连接,建立了从田间气象信息获取到灌溉决策软件运行,再到灌溉及控制系统的集成化自动精准灌溉模式。试验结果表明,该实时精准灌溉决策及控制系统的平均灌水总量控制平均误差为1.1%,系统运行稳定,节约人工;尽管采用ET和水量平衡方法低估了实际土壤含水率,但总体趋势一致,能实现合理有效的灌溉决策。该研究可为实现灌溉决策和控制系统的集成提供参考,为进一步提高灌溉效果和用水效率提供借鉴。

关键词：灌溉控制土壤水分实时精准灌溉灌溉决策灌溉控制系统水量平衡决策软件

基于水分、电导率传感器的黄瓜有机栽培灌溉决策研究

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农业机械学报 2017年第6期48卷 263-270页

作者：李友丽郭文忠赵倩李银坤杨子强薛绪掌北京农业智能装备技术研究中心北京100097 宁夏吴忠国家农业科技园区管理委员会吴忠751100

以时序灌溉决策为对照(CK),设置基于水分传感器的单因子灌溉决策处理T1和基于水分、电导率传感器的双因子灌溉决策处理T2,监测基质含水率及灌溉液、回液的电导率决策灌溉量,测量黄瓜生长指标、叶片SPAD值、气孔导度和光合速率日变化以... 详细信息

以时序灌溉决策为对照(CK),设置基于水分传感器的单因子灌溉决策处理T1和基于水分、电导率传感器的双因子灌溉决策处理T2,监测基质含水率及灌溉液、回液的电导率决策灌溉量,测量黄瓜生长指标、叶片SPAD值、气孔导度和光合速率日变化以及果实品质、产量和灌溉量,分析灌溉液生产效率,研究黄瓜椰糠有机栽培的营养液灌溉决策。结果表明:不同灌溉决策下黄瓜的生长发育和品质产量差异不明显;处理T2的总灌溉量较CK、T1减少了49.08%和31.85%,灌溉液生产效率与CK、T1相比分别提高了103.92%和60.59%。基于水分、EC传感器的双因子灌溉决策为黄瓜椰糠有机栽培提供了较合理的营养液灌溉制度,适用于设施黄瓜椰糠有机栽培的营养液自动灌溉管理。

关键词：黄瓜灌溉决策水分传感器电导率传感器有机栽培有机营养液

基于冠层温度和土壤墒情的实时监测与灌溉决策系统

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农业机械学报 2015年第12期46卷 133-139页

作者：蔡甲冰许迪司南魏征中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100038 国家节水灌溉北京工程技术研究中心北京100048 山东农业大学水利土木工程学院泰安271018

设计了一个可以在线连续监测田间作物冠层温度、环境信息和土壤墒情的实时灌溉决策系统,并将其安装于农田进行了1 a实际运行和观测。系统采用太阳能供电和微处理器进行数据采集和管理,为野外的实际应用提供了保障。系统配置了红外温度... 详细信息

设计了一个可以在线连续监测田间作物冠层温度、环境信息和土壤墒情的实时灌溉决策系统,并将其安装于农田进行了1 a实际运行和观测。系统采用太阳能供电和微处理器进行数据采集和管理,为野外的实际应用提供了保障。系统配置了红外温度、空气温/湿度、土壤水分/水势等传感器,能够及时采集田间全面的同步数据,排除了异地观测所形成的数据误差。采用悬臂式多点采集下垫面红外温度检测方法,可以快速采集更多和更高精度的数据,避免单点测量的人为误差。系统配备的快速锁紧装置,能够根据下垫面作物的生长情况进行传感器位置高度调节,使检测数据更符合田间实际情况。通过运行管理和监测数据分析可见,所监测数据能够很精细的刻画田间作物实际生长状况,可以用于灌区综合灌溉决策,实现田间精量灌溉管理和控制,为灌溉管理的精量化和智能化提供数据支持。

关键词：冠层温度土壤墒情空气温度空气湿度实时监测灌溉决策

遗传算法在河西绿洲菘蓝灌溉决策优化中的应用

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农业工程 2023年第6期13卷 53-59页

作者：陈传阳王玉才史桓瑜石辉煌庞凯甘肃农业大学水利水电工程学院甘肃兰州730070

为缓解河西绿洲菘蓝种植水资源供需矛盾,解决灌溉过程中存在的灌溉决策粗放问题,提高灌溉水利用效率,参照Jensen模型、水量平衡方程等,根据河西绿洲干旱少雨的环境特征及菘蓝种植过程中各生育期耗水强度不同的生长规律,构建了菘蓝灌溉... 详细信息

为缓解河西绿洲菘蓝种植水资源供需矛盾,解决灌溉过程中存在的灌溉决策粗放问题,提高灌溉水利用效率,参照Jensen模型、水量平衡方程等,根据河西绿洲干旱少雨的环境特征及菘蓝种植过程中各生育期耗水强度不同的生长规律,构建了菘蓝灌溉决策模型并利用遗传算法对有限水资源在菘蓝灌溉中的合理分配进行求解。同时综合考虑各生育期灌溉水量约束条件、有效降水量、灌溉成本和产量等因素,在非充分灌溉理论指导下,利用遗传算法结合现有菘蓝种植数据对灌溉决策进行优化,以达到节水、高效、高产的目的。优化结果显示,肉质根轻度水分亏缺可以显著提高灌溉水利用效率,同实际种植灌溉情况相符。

关键词：河西绿洲菘蓝非充分灌溉遗传算法灌溉决策

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基于基质水分的多因素樱桃番茄灌溉决策研究

农学学报 2023年第2期13卷 43-49页

作者：岳焕芳李超安顺伟孟范玉胡潇怡张海芳张宁宁王猛北京市农业技术推广站北京100029 北京市大兴区农业技术示范站北京102615

为实现精准智能水肥管理,减少灌溉施肥量,提高果实品质,本研究构建基于光照、基质水分和回液电导率的灌溉决策和控制系统,以樱桃番茄作为试验对象,设置3个田间应用参数,对决策系统进行应用效果验证,对樱桃番茄的生物量、产量和品质进行... 详细信息

为实现精准智能水肥管理,减少灌溉施肥量,提高果实品质,本研究构建基于光照、基质水分和回液电导率的灌溉决策和控制系统,以樱桃番茄作为试验对象,设置3个田间应用参数,对决策系统进行应用效果验证,对樱桃番茄的生物量、产量和品质进行综合评价。试验结果表明,该灌溉决策控制系统在樱桃番茄生长期间运行正常,可以有效代替人工进行水肥管理,当苗期、开花期、结果期光辐射分别达到200、400、100 J/cm^(2)时启动灌溉,由基质相对含水量上限80%与实时相对含水量差值计算单次灌溉量,当灌溉液与回液EC差值大于1.0 mS/cm时,灌溉量上调1.3倍。该处理番茄植株较为粗壮,灌溉施肥量最少,提高了水肥生产效率,果实品质得到提升,适宜椰糠栽培樱桃番茄田间应用。

关键词：光辐射水分回液灌溉决策樱桃番茄品质