西南水稻主产区用水现状与绿色高效灌排技术

西南水稻主产区面临季节性干旱、工程性缺水等生产问题,绿色高效灌排技术是该区域实现节水稳产增效的关键举措,对保障国家粮食安全具有重要意义。本文系统梳理了包括云南省、贵州省、四川省、重庆市在内的西南地区水稻生产用水现状和灌排技术现状,阐述了西南水稻主产区绿色高效灌排体系的基本特征、绿色高效灌排的具体技术类型,提出了由稻田精准需水预报、灌区精量配水管理、田间高效用水管理、田间高效排水管理构成的绿色高效灌排技术模式。研究发现,西南水稻主产区水资源丰富但时空分布不均,节水灌溉和排水技术落后且对各地区气候条件、水资源量、地形的适用性有较大差异。建议研发稻田灌排高效协同调控新技术、推广绿色高效灌排技术体系、优化稻田水肥运筹模式、开发稻田智能灌排与信息化管理系统、构建水稻绿色高效灌排技术多维推广体系,据此推动西南水稻主产区节水提质增效与绿色减污降排多赢。

基于AquaCrop模型的水稻多目标灌溉制度优化研究

【目的】优化现有水稻灌溉制度,节约灌溉用水量,减少稻田氮磷流失量以降低面源污染风险。【方法】构建了基于AquaCrop模型和NSGA-Ⅱ算法的水稻灌溉制度模拟优化模型,利用水稻田间试验数据,开展以产量最大、氮磷流失量最小、灌水次数最少的3种目标组合(产量-氮磷流失量(Y-TNP)、产量-灌水次数(Y-N)、产量-氮磷流失量-灌水次数(Y-TNP-N))下的灌溉制度优化模型研究,提出适应不同生育期降水年型的稳产-控污-提效灌溉制度。【结果】(1)与常规灌溉相比,Y-TNP灌溉制度优化水稻产量下降2.14%,氮磷流失量减少23.09%;Y-N灌溉制度优化水稻产量下降1.76%,灌水次数减少53%;Y-TNP-N灌溉制度优化水稻产量下降2.64%,氮磷流失量减少22.83%,灌水次数减少2次。(2)不同典型年以Y-TNP-N为目标优化的稳产-控污-提效灌溉制度水稻产量介于7.74~7.78 t/hm^(2),同时大幅度减少灌水量进而降低氮磷流失量。【结论】AquaCrop模型可模拟试验区水稻的生长发育过程,本文构建的模拟-优化耦合模型可用于优化不同生育期降水年型下稳产-控污-提效的灌溉制度。

大语言模型赋能场景生成和双层优化的多农业园区供电-灌溉-蓄水耦合运行

传统农灌负荷的使用具有集中性和无序性,显著加剧电力系统的供需不平衡与运行成本。为提升农业园区运行的经济性和光伏资源的消纳能力,通过刻画农灌负荷特性,结合作物生长用能需求,提出一种基于大语言模型(largelanguagemodel,LLM)场景生成和双层优化的多农业园区优化调度模型。该模型利用LLM时序分析能力进行光伏短期发电功率预测,然后通过LLM知识推理能力构建农业用水知识图谱,知识图谱中丰富的语义关系辅助LLM推理和预测,生成更符合实际情况的农业供电-灌溉-蓄水场景。双层优化调度模型在生成场景基础上,以园区经济运行为优化目标,对多农业园区供电-灌溉-蓄水进行耦合优化调度。最后,通过仿真验证,本文所提出的方法显著提升了农业园区电力系统运行稳定性,并有效降低了系统运行成本。

基于Power Bus总线技术的智能灌溉系统

以进一步提升智能灌溉系统的运行作业效率为目标,选取Power Bus总线技术作为优化原理,针对灌溉系统的通信控制展开设计。考虑灌溉系统的核心组成与功能配置,搭建网络通信能耗控制模型,对灌溉系统的网络节点进行最优化布局,形成以Power Bus总线为控制主线的系统运行模式,展开灌溉作业通信控制试验。结果表明:基于Power Bus总线技术的灌溉系统设计方案正确可行,有效降低了数据丢包率,系统通信成功率相对可提升6.75%,整体系统的综合灌溉效率可达96.61%,满足智能灌溉的设计指标要求;系统运行稳定率保持在95%以上,系统各组件响应及时稳定,具有高度的可用性与可靠性,且灌溉水资源得到最大化与均匀化的运用。

基于GA-Fuzzy-PID算法的棉田施肥灌溉系统研究

在水肥一体控制器中,PID控制算法易引起超调,产生振荡;Fuzzy-PID控制算法由于参数基于人为经验设定,控制欠细腻。针对上述问题,研究并设计了一种基于GA-Fuzzy-PID算法的控制器,以期实现施肥灌溉系统的精准控制。在不同目标EC设定值下,对PID算法、Fuzzy-PID算法和GA-Fuzzy-PID算法进行仿真对比。结果表明:基于GA-Fuzzy-PID的控制器具有优异的控制效果,更能满足施肥灌溉系统精准控制的要求。

滴灌棉田节水灌溉系统控制策略研究

针对传统棉田节水灌溉系统灌溉精度低、运行稳定性差的问题,设计了一种基于Fuzzy-PID控制的棉田节水灌溉控制系统。系统通过土壤湿度传感器采集棉田的实时土壤湿度作为控制决策依据,结合专家经验制定模糊控制规则,设计了Fuzzy-PID控制器,并在Simulink中对系统进行建模与仿真试验,对Fuzzy-PID控制方法和常规的PID控制方法进行仿真分析。仿真曲线表明:与传统PID控制器相比,Fuzzy-PID控制的稳态时间减少了约7.3 s,超调量减少了5.65%。试验结果表明:模糊PID控制方式调节精度和稳态性能更好,可及时调整土壤湿度,进行适时、适量的灌溉,一定程度上提高了系统灌溉精度,可以满足大田棉花灌溉需求。

中国农业节水十年:成就、挑战及对策

水是农业的命脉。在水资源紧缺形势下,保障国家食物安全和农产品有效供给,必须实施农业节水,发展高水效农业。在系统总结过去10年我国农业节水在保障国家食物安全和农产品有效供给、促进区域农业可持续发展和生态环境改善、促进现代农业转型升级和提质增效以及带动农业节水产业发展等方面取得的巨大成就基础上,分析了当前我国农业节水与国际先进水平的差距,以及在农业节水相关基础数据观测和长期积累、节水评价指标体系和考核标准、灌溉面积盲目扩张与农业适水发展、灌区续建配套节水改造和高标准农田建设衔接、高效节水灌溉与农艺技术配套、农业水价综合改革与节水灌溉工程设施可持续运行机制和政策、农业节水科技创新与节水产业发展等方面面临的问题和挑战,提出了促进农业节水高质量发展的建议。

咸水灌溉下设施番茄水盐生产函数构建及产量预测

以新疆南部地区设施番茄品种“秦岭蔬越”为研究对象开展咸水灌溉试验,设置4个咸水矿化度,分别为T1(2 g·L^(-1))、T2(4 g·L^(-1))、T3(6 g·L^(-1))和T4(8 g·L^(-1)),以淡水灌溉为对照(CK),采用修正后的Jensen模型构建咸水灌溉条件下设施番茄水盐生产函数,估算不同矿化度咸水灌溉番茄产量。结果表明,连续灌溉高矿化度咸水导致番茄减产,初始灌溉矿化度为2~4 g·L^(-1)咸水可确保番茄产量和IWUE。大于4g·L^(-1)咸水灌溉抑制作物生长且减产严重。土壤含水率和盐分随土层深度逐渐降低,40 cm深处达到含水率峰值,盐分主要聚集在浅层且盐分含量随咸水矿化度增高;番茄耐盐能力早期较弱而后期增强,番茄不同生育期盐分敏感指数σ为苗期>开花结果期>结果盛期>结果末期。开花结果期对水分敏感性最强,水分敏感指数λ依次为开花结果期>结果盛期>苗期>结果末期;基于Jensen模型构建设施番茄水盐生产函数对产量估算精度较高,R2>0.96,可用于指导新疆南部地区设施番茄咸水灌溉管理。综合考虑咸水灌溉对番茄产量及土壤水盐变化,建议新疆南部地区设施番茄微咸水滴灌最优方案为:在非连续咸水灌溉条件下,苗期、开花结果期采用淡水充分灌溉,结果盛期、结果末期采用亏缺灌溉和咸水矿化度为2~4g·L^(-1)的微咸水灌溉组合。通过构建咸水灌溉条件下设施番茄水盐生产函数,为作物水盐精准管理及咸水资源安全利用提供理论依据。

基于Sentinel-2的青铜峡灌区水稻和玉米种植分布早期识别

及时准确地掌握灌区内作物种植分布对于灌溉水资源高效配置、农田精准管理具有重要指导意义。以宁夏青铜峡灌区为研究对象,利用多时相Sentinel-2卫星数据,通过水稻和玉米早期特征分析,提取关键的“水淹”信号和“植被”信号,构建时序归一化差异水体指数(MNDWI)和归一化植被指数(NDVI)特征值数据集,并通过样本分析关键特征阈值,构建水稻和玉米早期种植分布决策树模型,提取2022年宁夏青铜峡灌区水稻和玉米种植的空间分布。结果表明(:1)玉米和水稻苗期的后半段5月15—31日,水淹信号和植被信号是区分二者关键时期。(2)基于早期作物物候特征的方法,在5月16—31日获取的水稻和玉米图像制图精度高于90%,用户精度超过91%,总体精度超过90%,Kappa系数高于0.88,明显高于同时期随机森林方法的分类精度。(3)本研究提出的方法在早期水稻和玉米种植分布提取方面具有较强的适用性,并且能够在时空尺度上以较少的实地样本进行延展,同时在时间上也更有优势。因此,该方法为青铜峡灌区水稻和玉米种植分布早期调查提供了重要的方法支撑。

不同时期水分胁迫对大豆根系特性及产量的影响

为揭示抗旱基因型大豆根系应答干旱胁迫的响应机制,于2020年在辽宁省沈阳市开展盆栽试验,以抗旱基因型和干旱敏感型大豆为试材,探讨干旱(W1,土壤含水量为田间持水量的50%)、轻度干旱(W2,土壤含水量为田间持水量的60%)、适宜水分(W3,土壤含水量为田间持水量的80%)对大豆根系特性和产量的影响。结果表明:同一时期控水,W1和W2条件下,抗旱品种“辽豆14”的总根长和根表面积优于干旱敏感型品种“辽豆21”。一般情况下,平均根直径为0~0.5 mm的根长比例表现为:“辽豆21”>“辽豆14”,而平均根直径为0.5~1.0 mm的根长比例却表现为:“辽豆14”>“辽豆21”。随着生育进程的推进,大豆地上部鲜重、地上部干重、根干重逐渐累积,鼓粒期达最大值;一般情况下,同一控水时期,随着土壤含水量的增加,同一品种地上部鲜重、根鲜重、地上部干重、根干重值逐渐增加,但抗旱品种“辽豆14”的值一般优于干旱敏感型品种“辽豆21”。随着生育进程的推进,根冠比鲜重和根冠比干重值降低;土壤干旱提高了植株的根冠比。各个时期控水,品种和水分均显著影响了大豆的单株产量,干旱(W1)和轻度干旱(W2)均降低了2品种的单株产量,但抗旱品种“辽豆14”引起产量下降的值更低。干旱胁迫条件下,抗旱基因型大豆在总根长、根表面积、地上部干重、根干重、产量以及平均根直径为0.5~1.0 mm的根长比例方面,表现出优于干旱敏感型品种的优势。

农田灌溉排水机械系统设计与性能分析

灌溉与排水是调节农田水分供给的有效手段,是促进农作物良好生长的前提,为解决传统灌溉模式用水量大、水资源浪费、有效利用率低的问题,以及优化农田抗涝排水性能,针对农田灌溉排水机械系统进行优化分析与功能升级,分析了现阶段的灌溉排水机械应用情况与典型不足,对排水机械、灌溉机械的设备及附属设施进行设计和优化,并提供了性能分析参考建议,以期为农田合理用水提供参考借鉴。

黄河南岸灌区玉米根系吸水来源研究

【目的】明晰玉米根系吸水来源。【方法】采用液态水稳定氢氧同位素技术,通过监测黄河南岸灌区上、中、下游灌域的分层土壤水和玉米根系土壤水中的氢氧稳定同位素组成,结合直观图法和MIXSIAR模型确定玉米根系吸水来源,分析各供给水源的贡献比例。【结果】拔节期玉米生长较快,需水量较大,灌区上、中、下游干旱程度不同,导致玉米根系主要吸水深度也不同。上游主要吸收0~20 cm土层的土壤水,其水源贡献率为38.1%,20~40cm土层贡献率为23.7%;中游主要吸收20~40 cm土层的土壤水,贡献率为43.6%,0~20 cm土层贡献率为27.4%;下游主要吸收20~40 cm土层的土壤水,贡献率为63%,0~20 cm土层贡献率为20%。【结论】干旱环境下玉米会改变根系吸水深度,整个生育期内玉米根系吸水深度由浅入深再变浅;且玉米对各潜在水源的利用比例与其根系吸水深度以及不同水源对土壤水的补给密切相关。

基于电机控制的智能灌溉系统设计研究

水泵电机作为农田灌溉系统中的关键设备,其性能好坏直接影响着农田灌溉的质量和效率。为此,针对传动水泵控制方式单一、控制精度差等问题,采用永磁同步电动机,引入SVPWM技术进行矢量控制,完成了基于电机控制的智能灌溉系统设计,并分析了永磁同步电动机结构和工作原理,建立了电动机在三维坐标下的数学模型,通过矢量控制技术实现对电机的转速和转矩的控制。同时,完成了智能灌溉系统的总体方案和硬件电路设计,并通过模拟仿真实验完成对基于电机控制的智能灌溉系统的性能验证。结果表明:系统能够精确控制电机转速、转矩和转矩电流等参数,达到了设计目的。

一种农业自动化灌溉系统的高效能设计研究

以进一步提升农业自动化灌溉系统的作业效率为研究目标,选取其核心结构组件布局作为研究对象,基于通信控制优化理念展开高效能设计研究。结合自动化灌溉系统的运行机理,从通信网络架构分层角度入手,建立灌溉系统参数计算处理模型。针对系统软件控制和硬件配置完成优化,选定灌溉作物进行灌溉试验,结果表明:此通信网络架构理念下的控制优化布局,可实现灌溉系统的响应准确率与决策准确率同步提升,系统运行稳定有效;整体系统的灌溉效率可达94.55%,满足智能化灌溉控制设计要求,具有很好的应用推广价值。研究结果对于灌溉系统向智能化精准化提升有较好的启示意义。

京郊山区果园高效灌溉技术研究与应用

北京地区有大量的山区果园,分布在京郊西南部、北部与东北部,与平原区果园相比,山区果园的地形一般较为复杂,地形存在落差,存在大量的坡地且坡度较大,果园灌溉的供水条件较差等特征。文章结合切身的技术服务工作,以房山区佛子庄乡东班各庄村北山坡苹果园为对象,通过采集果园地理信息数据,现场踏勘,工程测绘,结合果树生长状况及实际管理措施等,从果园高效节水灌溉技术适宜性选配出发,应对山坡地形变化引起压力不均匀变异进行压力补偿,面向复杂地形地质条件,开展水肥药一体化灌溉系统集成,是山坡高效灌溉技术推广的关键。

智慧农业灌溉控制系统的电路设计研究

文章设计了基于ZigBee技术、STM32F103微控制器的智慧农业灌溉控制系统,该系统主要由主控电路、土壤湿度传感器电路、喷灌电机的驱动电路及供电电路组成,可实现土壤湿度的精准控制及远程监测。通过灌溉系统精准控制试验,验证了本系统对土壤湿度的控制准确度、稳定性和灌溉效率都比较高,可为我国智能化节水灌溉装备的发展提供一定参考。

微喷限水灌溉对冬小麦产量及水氮利用效率的影响

为探究微喷限水灌溉对冬小麦产量及水氮利用效率的影响,在山西南部麦区设置正常微喷(S_(0))、限水微喷(S_(1))、过量微喷(S_(2))、漫灌(F_(0))4个灌溉处理,比较分析不同灌溉水平下麦田土壤贮水耗水特性、籽粒产量构成因素、植株氮素分配及水氮利用的差异化表现规律。结果表明,过量灌溉(S_(2)、F_(0))处理0~200 cm土层贮水量显著高于S_(0)、S_(1)处理,而S_(0)和S_(1)处理间无显著差异;不同处理各土层贮水量均随灌水量增加而增加,0~100 cm土层贮水量低于100~200 cm。4种灌溉方式下麦田0~200 cm土壤水耗水量在生育期总耗水量的占比区间为8.95%~48.48%,该比例随灌水量增加而减小;0~200 cm土壤水耗水最高处理为S_(1),而灌溉水耗水最高处理为F_(0);F_(0)、S_(2)处理的100~200 cm土层耗水量显著低于S_(0)和S_(1)。在产量构成因素中,F_(0)、S_(2)处理的穗数显著低于S_(0)和S_(1),而千粒重高于S_(0)和S_(1);各处理冬小麦籽粒产量S_(0)>S_(1)>S_(2)>F_(0),S_(0)和S_(1)处理间产量差异较小,均显著高于F_(0)和S_(2)。各处理水分利用效率随灌水量增多而降低,限水微喷S_(1)处理水分利用效率较其余灌溉处理高1.39~7.36 kg hm–2 mm–1。与正常微喷S_(0)相比,S_(1)处理的氮素吸收效率、氮素收获指数分别高1.64%和1.91%,氮肥偏生产力略低(P>0.05),但两处理氮肥偏生产力均显著高于F_(0)和S_(2)。S_(1)处理的土壤氮素表观盈余量较其余灌溉处理低2.46%~21.01%,而籽粒氮素积累量较其余处理高3.64%~31.39%。综上所述,限水微喷灌溉能促进冬小麦对深层土壤水分的吸收和籽粒氮素积累,优化灌溉制度,提高水氮利用效率,稳产增效,同时可减少麦田土壤氮素盈余,降低无机氮向下淋溶风险,推进节水农业可持续健康发展。

两种覆盖方式下灌水定额对土壤温度变化、棉花产量及水分利用效率的影响

【目的】探究不同覆盖方式和灌水定额对棉花生产的影响。【方法】于2017―2019年在新疆阿拉尔市开展大田试验,其中,2017―2018年膜下滴灌试验以新陆中46号为供试材料,设置24 mm(M1)、30 mm(M2)和36 mm(M3)3个灌水定额;2018―2019年无膜滴灌试验以中棉619为供试材料,设置36 mm(W1)、45 mm(W2)和54 mm(W3)3个灌水定额;分析不同处理对10 cm、20 cm、40 cm土层土壤温度和土壤含水量、籽棉产量以及灌溉水利用效率的影响。【结果】2种模式下棉田10 cm、20 cm和40 cm土层土壤含水量和籽棉产量均随灌水定额的增大呈增加趋势。M2、M3处理的籽棉产量分别较M1处理显著增加8.82%~11.47%和14.24%~18.96%;W2、W3处理的籽棉产量分别较W1处理显著增加15.18%~22.61%和32.53%~46.29%。土壤温度和灌溉水利用效率均随灌水定额的增大呈降低趋势。M2、M3处理的灌溉水利用效率分别较M1处理显著降低10.82%~12.94%和20.70%~23.84%;W2、W3处理的灌溉水利用效率分别较W1处理降低1.91%~7.85%和2.47%~11.65%。2018年灌水定额相同时,M3处理的土壤含水量、0~40 cm土层土壤温度、籽棉产量和灌溉水利用效率均高于W1处理。基于逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to ideal solution, TOPSIS)的综合评价表明,膜下滴灌处理配套30 mm灌水定额,无膜滴灌处理配套54 mm灌水定额可取得较好的效果。【结论】提高灌水定额可以在一定程度上弥补无膜种植模式引起的籽棉产量降低,但会降低灌溉水利用效率。研究结果可为无膜滴灌植棉技术在当地的推广提供参考。

大中型灌区量测控设施整体规划与总体布局探讨

大中型灌区供水服务应全面考虑水资源的流动性、循环性、系统性等自然属性,从系统治理的视角,统筹考虑灌区上下游、左右岸、地表地下等水流全过程的配置效率。针对目前大中型灌区量测水设施在建设布局中的常见问题,提出了灌区量测控设施整体规划要点,研究了灌区量测控设施总体布局考量因素,提炼了渠道量测控设施现场布置模式,以期实现灌区灌溉用水的高效配置和节约集约利用,可为大中型灌区量测控设施建设整体规划和总体布局提供参考。

水库正常蓄水位选择技术要点探讨

正常蓄水位选择是可行性研究阶段的重要工作内容,其成果直接影响工程规模、投资和效益的合理性。文章以承担供水和灌溉任务的水库工程正常蓄水位选择为研究对象,重点对该类型水库工程正常蓄水位方案拟定、技术经济比选和方案选定等问题进行了深入分析和总结,提出了主要工作思路和方法。