大數(shù)據(jù)在人工草地管理上的應用初探

景 文，王保林，樊俊梅

(內蒙古蒙草生態(tài)環(huán)境(集團)股份有限公司，內蒙古呼和浩特 010030)

1 研究背景及意義

優(yōu)質高產(chǎn)的人工草地，是草地農業(yè)現(xiàn)代化的必要條件和重要標志。不僅可以有效提供足量的優(yōu)質牧草，有利于畜牧業(yè)生產(chǎn)方式的轉變和草原畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，也在環(huán)境保護與環(huán)境產(chǎn)業(yè)中起到十分重要的作用〔1〕。要使得人工草地大力發(fā)展，可通過一系列有效的技術或管理方式實現(xiàn)整個人工牧草生產(chǎn)系統(tǒng)內的物能良性轉化，以獲得較高的生產(chǎn)效益〔2〕。如實施灌溉，能夠對半干旱地區(qū)人工優(yōu)質飼草產(chǎn)量的提高和品質改善起到重要的調控作用，但需加強灌溉管理(如灌溉方式、灌水量、灌水時間/頻次等)〔3〕，通過摸清植物的耗水規(guī)律，掌握其各個物候期土壤水分控制指標，形成準確的灌溉制度，為科學灌溉及種植管理提供技術支撐，這對人工牧草產(chǎn)業(yè)發(fā)展是極為重要的〔4〕。當然，除了人工牧草領域相關技術不斷創(chuàng)新優(yōu)化外，還要依靠信息技術〔5〕。近年來，隨著現(xiàn)代農牧業(yè)自動化需求的不斷增長和信息技術的發(fā)展，農牧業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在物理感知、數(shù)據(jù)傳輸、智能處理、應用服務等領域取得了重要進展〔6〕。我國作為一個農牧業(yè)大國，應結合實際情況，研究開發(fā)出順國情、合地情的農牧業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術和設備，努力擴展農牧業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術在我國的試點應用。

本研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術，對人工草地的微氣象和土壤的溫濕度進行監(jiān)測，分析土壤中水分的含量變化規(guī)律，以此作為判定人工草地灌溉正確時機的依據(jù)，從水分診斷與灌溉決策方面，實現(xiàn)人工草地生產(chǎn)的智能管理。

2 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于內蒙古自治區(qū)赤峰市阿魯科爾沁旗(以下簡稱“阿旗”)，屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū)，四季比較分明。年均氣溫5.5℃，極端最高氣溫40.6℃，極端最低氣溫-32.7℃，全年10℃以上積溫1900-3100℃，從南向北遞減。年日照時數(shù)2767.3-3034.4小時。無霜期95-140天。年均降水量300-400mm，多集中在7-8月份。年均蒸發(fā)量1958.1-2259.0mm。年風速3.1-2.7m/s，冬春季節(jié)多大風，全年8級以上大風日有20-35天。地帶性植被由北向南主要有山地草甸草原植被、沙地植被二種類型。土壤主要以黑鈣土、栗鈣土和風沙土等為主。水資源豐富，總量3.73億m3，其中可利用水資源2.41億m3〔7〕。

3 試驗研究方法

研究對象屬性：赤峰市阿魯科爾沁旗蒙草基地人工牧草生產(chǎn)單元。

研究設備名稱及監(jiān)測采集數(shù)據(jù)時間范圍：“天圻”(2017.5.4-9.27)、“智墑”(2017.5.4-2018.12.31)。

研究設備監(jiān)測采集數(shù)據(jù)指標(節(jié)點數(shù)量，步長)：降雨量(1，1h)、風速(1，1h)、風向(1，1h)、土壤水分含量(10，1h)。

研究監(jiān)測采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件：Excel。

4 結果與分析

4.1 降雨量分析

由表1顯示，2017年6-9月間阿旗降雨主要集中在8月，8月降雨量總和占總降雨量的58.33%。

表1 2017年6-9月阿旗降雨量月份統(tǒng)計表

2017年6月1日-9月27日，119天內，降雨出現(xiàn)10天，暴雨出現(xiàn)1天，在8月9日(54.676mm/d)，中雨出現(xiàn)1天，小雨出現(xiàn)8天。中、小雨出現(xiàn)天數(shù)占降雨出現(xiàn)天數(shù)90%。

表2 2017年6月1日-9月27日阿旗日降雨量統(tǒng)計表

4.2 風速分析

2017年5月4日-9月27日，147天內，六級風(10.8-13.9m/s)出現(xiàn)2天，分別在5月5、6日(西北風)，五級風(8-10.8m/s)出現(xiàn)8天，分別在5月4日(西南風)、5月5-7、11、28日(西北風)、7月8日(西南風)、9月5日(西北風)，四級風(5.5-8m/s)出現(xiàn)36天，三級風(3.4-5.5m/s)出現(xiàn)72天，三四級風出現(xiàn)天數(shù)占比為73.47%。

4.3 風向分析

由表3顯示，2017年5-9月間阿旗風向數(shù)據(jù)檢測采集15089次，主導風向為西南風和西北風，兩者發(fā)生的頻率分別為34.64%和24.06%。

表3 2017年5月4日-9月27日阿旗風向統(tǒng)計表

4.4 土壤凍融過程分析

通過2018年的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，試驗區(qū)土壤從3月13日開始進入融化過程，從12月1日開始進入冰凍過程，且上層土壤最先進入融凍過程。

圖1 土壤融化過程(上)和土壤冰凍過程(下)圖

4.5 土壤十層水分分析

從圖2可看出，1-4月上旬土壤處于冰凍階段，從4月中旬至10月為種植、收割階段，從11月中旬開始土壤逐漸又進入冰凍階段。

圖2 2017年5月20日-11月7日(上)和2018全年(下)十層水分波動圖

4.6 土壤分層水分分析

4.6.1 土壤水分分析——10cm

10cm土層水分變化直接直觀反映出降雨或灌溉頻次和程度，每一波峰反映一次降雨或者灌溉。2017年10cm土層歷史最高含水量26.71%，出現(xiàn)在6月7日；歷史最低含水量5.67%，出現(xiàn)在7月16日。2018年10cm歷史最高含水量26.58%，發(fā)生在8月12日；歷史最低含水量4.36%，發(fā)生在8月6日。

圖3 2017年(上)和2018年(下)10cm土層水分波動圖

4.6.2 土壤水分分析——20cm、30cm、40cm、50cm、60cm

由植物ET根系分布/分層耗水比例圖分析，在植物關鍵需水生育期內，ET根系分布在地表至60cm左右的土層間，相對應的耗水量總和為100%。植物ET根系分布/分層耗水量在地表至60cm土層隨土層深度增大而逐層減小。推測試驗區(qū)最深植物ET根系為60cm。

圖4 2017年(左)和2018年(右)ET根系分布/分層耗水量比例圖

以下著重對20-60cm水分進行分析。如圖5所示，2017年20cm土層歷史最高含水量21.84%，出現(xiàn)在9月14日；歷史最低含水量5.46%，出現(xiàn)在7月16日。2018年20cm歷史最高含水量21.27%，發(fā)生在4月25日；歷史最低含水量3.98%，發(fā)生在8月7日。

圖5 2017年(上)和2018年(下)20cm土層水分波動圖

圖6所示，2017年30cm土層歷史最高含水量22.76%，出現(xiàn)在8月10日，歷史最低含水量6.11%，出現(xiàn)在7月17日。2018年30cm歷史最高含水量22.47%，發(fā)生在4月25日；歷史最低含水量4.85%，發(fā)生在8月6日。

圖6 2017年(上)和2018年(下)30cm土層水分波動圖

圖7所示，2017年40cm土層歷史最高含水量20.16%，出現(xiàn)在5月22日，歷史最低含水量5.55%，出現(xiàn)在7月20日。2018年40cm歷史最高含水量19.59%，發(fā)生在4月25日；歷史最低含水量5.06%，發(fā)生在8月7日。

圖7 2017年(上)和2018年(下)40cm土層水分波動圖

圖8所示，2017年50cm土層歷史最高含水量21.97%，出現(xiàn)在5月22日，歷史最低含水量6.82%，出現(xiàn)在7月21日。2018年50cm歷史最高含水量21.23%，發(fā)生在4月25日；歷史最低含水量6.82%，發(fā)生在8月6日。

圖8 2017年(上)和2018年(下)50cm土層水分波動圖

圖9所示，2017年60cm土層歷史最高含水量21.06%，出現(xiàn)在5月22日，歷史最低含水量7.24%，出現(xiàn)在7月21日。2018年60cm歷史最高含水量21.19%，發(fā)生在4月25日；歷史最低含水量9.46%，發(fā)生在8月5日。

圖9 2017年(上)和2018年(下)60cm土層水分波動圖

由以上分層水分波動曲線可知，每一層的歷史最低含水量均發(fā)生在植物刈割前期的控水階段，且相對上層的根系先進入水分脅迫狀態(tài)，每層根系進入脅迫狀態(tài)的時間均集中在2017年7月16日-7月21日和2018年8月5日-8月7日中間，隨著時間推移逐層根系進入水分脅迫狀態(tài)。

4.6.3 不同月份土層水分分析

以13#噴灌圈(種植燕麥)為例，根據(jù)2017年“智墑”監(jiān)測數(shù)據(jù)，逐月判斷灌溉是否合理。

(1)6月十層水分之和分析與分層分析

由圖10可知，最后一次灌溉為6月20日，在此之前土壤總水分增加約16mm；由于噴灌機控制的面積較小，每次灌溉基本都能到達50cm深度，較為合理；6月25日之后主要根系的活躍程度才逐漸提升，反映出之前灌溉過于頻繁，土壤水分偏高。

圖10 2017年6月土壤水分波動圖

(2)7月十層水分之和分析與分層分析

圖11顯示出7月追加了灌溉，十層水分之和達到181mm；7月7日前無灌溉，結合6月數(shù)據(jù)可知，活躍“ET”根系已經(jīng)均在脅迫狀態(tài)，因此判斷灌溉不合理；7月7日-16日無灌溉，判斷為收割期；7月16日之后灌溉開始頻繁，出現(xiàn)了一天之中多次水分上升的情形，需結合現(xiàn)場分析原因。

圖11 2017年7月土壤水分波動圖

(3)8月十層水分之和分析與分層分析

圖12顯示，8月十層水分總計減少了11mm，8月9日有效降雨為35mm，占總降雨量的64%；10cm水分曲線多次上升，且出現(xiàn)每天多次灌溉的情況，需結合現(xiàn)場分析原因；在10cm根系最活躍的情況下，對應的水分值區(qū)間為11-16，而土壤大部分時間的水分值高于該區(qū)間上限；100cm曲線有三次上升，其中一次是降雨影響，另外兩次都是灌溉過于頻繁導致的；根據(jù)“智墑”分析，“ET”根系已經(jīng)發(fā)展至90cm，但主要部分還是集中在40cm以上。

圖12 2017年8月土壤水分波動圖及YH圖及ET根系分布

(4)9月十層水分之和分析與分層分析

圖13顯示，9月十層水分總計增加了11mm；依然出現(xiàn)每天多次灌溉的情況，比8月還要頻繁，需結合現(xiàn)場分析原因；8月11-19日以及9月2日前后，作物處于較為舒服的狀態(tài)，9月2日之后，灌溉頻繁、土壤水分偏高，“ET”根系反而不活躍。

圖13 2017年9月土壤水分波動圖

(5)10月十層水分之和分析

圖14顯示，整個10月沒有灌溉，十層水分總計減少了35mm。

圖14 2017年10月土壤水分波動圖

4.7 活動溫度分析

“智墑”除了監(jiān)測地下十層的土壤水分外，還可監(jiān)測地表溫度。某一段時間內逐日平均溫度≥10℃持續(xù)期間日平均氣溫的總和，即活動溫度總和，簡稱積溫。在其他環(huán)境條件基本滿足的前提下，在一定的溫度范圍內，溫度與生物有機體發(fā)育速度之間呈正相關。表4顯示，平均、最高和最低地表溫度隨月份的推移順序均呈現(xiàn)出先增加后逐漸降低，2017年9月26日地表均溫為10.19℃，2018年9月29日地表均溫為10.03℃，此后接近或低于10℃。降雨量和地表溫度在時間維度分布呈現(xiàn)不一致，水熱條件不是同期出現(xiàn)。

表4 地表空氣溫度月均溫統(tǒng)計表

13#圈的地表溫度在夜間-凌晨時間段頻繁出現(xiàn)低于零下的情況；10cm位置晝夜溫差也比較大，均在2℃以上；100cm位置溫度晝夜溫差極小，且溫度下降極為緩慢。

圖15 10月份地表、10cm、100cm溫度曲線

5 初步結論

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，初步總結出能代表該地生產(chǎn)單元的降雨量、風向、風速、植物ET根系分布/分層耗水量、土層水分、地表積溫等指標數(shù)據(jù)的客觀實際和變化規(guī)律：

(1)降雨主要集中在8月，多出現(xiàn)三四級風，且主導為西南風和西北風。

(2)1-4月上旬土壤處于冰凍階段，4月中旬到10月為種植收割階段，從11月中旬開始土壤逐漸又進入冰凍階段。

(3)植物ET根系分布/分層耗水量在地表至60cm土層隨深度增大而逐層減小，其活躍程度僅能對灌溉管理起到一定程度的指導作用，還需結合植物生育期需求進行生產(chǎn)管理。

(4)6-9月灌溉量基本合理，能灌溉到牧草活躍“ET”根系位置，但普遍存在灌溉周期過短、頻繁灌溉的問題，導致et數(shù)據(jù)偏高，無法得出科學的作物系數(shù)，造成水肥浪費。灌溉建議是，增大灌溉周期，即4天灌溉一次，增加灌溉量，保證每次灌溉至40cm深度。刈割后進入10月中旬開始澆越冬水，需關注冬灌與溫度的關系。

通過對現(xiàn)存指標數(shù)據(jù)分析，探討式分析了降雨量、土壤墑情、植物ET根系分布/分層耗水量等指標的關聯(lián)關系。進一步對影響植物生長相關的氣象、土壤指標數(shù)據(jù)模擬分析，增加對太陽輻射強度、地上生物量等指標監(jiān)測采集，綜合數(shù)學、統(tǒng)計學等對數(shù)據(jù)進行跨學科分析，建立模擬地上生物量預測模型，指導以管控灌溉、施肥為核心的人工牧草生產(chǎn)管理，預測以水熱條件影響為主的天然草產(chǎn)量。為實現(xiàn) “智能管控”和“智慧草業(yè)”建立一定的理論、實踐基礎。