馬鈴薯智能滴灌增產(chǎn)機(jī)理初探

(雪川農(nóng)業(yè)發(fā)展股份有限公司，河北 張家口 076481)

馬鈴薯是世界上第四大糧食作物，在糧食安全中占有重要的戰(zhàn)略地位。河北省是我國(guó)馬鈴薯的種植大省，張家口壩上及承德壩上地區(qū)是馬鈴薯的主產(chǎn)區(qū)，種植面積占河北省總面積的78%左右，產(chǎn)量占總產(chǎn)量的80%。但該區(qū)域整體屬于干旱地區(qū)，馬鈴薯的種植需要大量的水分，因此有效合理利用水資源是保證馬鈴薯種植業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的首要條件。

自動(dòng)化指針式噴灌系統(tǒng)比傳統(tǒng)漫灌可以減少對(duì)水資源的浪費(fèi)，但隨著馬鈴薯種植業(yè)的優(yōu)化升級(jí)，自動(dòng)化指針式噴灌系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。滴灌技術(shù)是植物實(shí)用、方便、可靠的補(bǔ)水措施，具有節(jié)水、節(jié)肥、省工、增產(chǎn)、增收的綜合效果[1]。智能滴灌是一種高度自動(dòng)化的滴灌技術(shù)，可滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求。

本試驗(yàn)主要就馬鈴薯智能滴灌與自動(dòng)化指針噴灌系統(tǒng)在用水、用肥、產(chǎn)量等方面做了對(duì)比。陳青春等研究歸一化植被指數(shù)(NDVI)與馬鈴薯病斑面積呈負(fù)相關(guān)[2]，李峰等人利用AISA-Eagle機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)獲取遙感圖像，建立了植被指數(shù)與葉片氮素含量之間的相關(guān)關(guān)系[3]。但鮮有研究把獲取遙感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為指數(shù)圖來(lái)解釋智能滴灌節(jié)水節(jié)肥的原理。在本試驗(yàn)中，利用無(wú)人機(jī)技術(shù)獲取遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)PIX 4 D軟件分析獲取指數(shù)圖，對(duì)智能滴灌的節(jié)水節(jié)肥機(jī)理進(jìn)行了初步探索，為今后進(jìn)一步推廣智能滴灌技術(shù)提供了理論依據(jù)。

表1 不同處理施肥

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地

位于張家口市察北管理區(qū)雪川農(nóng)業(yè)發(fā)展股份有限公司種薯基地。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為馬鈴薯雪川4號(hào)，種薯級(jí)別是原種一代，大小均勻一致，由雪川農(nóng)業(yè)發(fā)展股份有限公司提供。

1.3 試驗(yàn)方法

小區(qū)設(shè)計(jì)：試驗(yàn)設(shè)2個(gè)處理即智能滴灌灌溉處理(SDS)和自動(dòng)化指針噴灌灌溉處理(APS)，以APS處理作為對(duì)照，試驗(yàn)不設(shè)重復(fù)，共2個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為0.22 hm2，小區(qū)相鄰種植，小區(qū)間設(shè)5 m的灌機(jī)維修道，小區(qū)行距90 cm，株距24 cm，機(jī)械播種，試驗(yàn)于2018年4月底播種，2018年9月上旬收獲。智能滴灌灌溉與自動(dòng)化指針噴灌灌溉施肥記錄見(jiàn)表1。

歸一化植被指數(shù)測(cè)定：通過(guò)搭載多光譜相機(jī)的無(wú)人機(jī)測(cè)定。

用水量記載：智能滴灌灌溉處理的用水量通過(guò)智能滴灌儀器的顯示屏獲得，自動(dòng)化指針噴灌灌溉處理在出水口安裝水表，通過(guò)水表讀取用水量。

馬鈴薯產(chǎn)量：SDS和APS處理分別進(jìn)行收獲，分別計(jì)算入庫(kù)噸數(shù)，然后除以小區(qū)面積，計(jì)算得到每公頃的產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)Excel 2010軟件處理。NDVI指數(shù)通過(guò)PIX 4 D軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 水資源使用

在表2中，智能滴灌系統(tǒng)用水量總計(jì)為24 282.83 m3，傳統(tǒng)指針式噴灌為42 257.27 m3，智能滴灌要比傳統(tǒng)噴灌節(jié)約17 974.44 m3，節(jié)水百分率為42.53%。

表2 智能滴灌與噴灌用水量對(duì)比

2.2 肥料使用

馬鈴薯種植過(guò)程中所施肥的種類(lèi)和使用量見(jiàn)表3，氧化鋅的用量2種處理一樣，其他化肥SDS所使用的肥料總量為2 795.1 kg/hm2，而APS處理共用肥料3 156.6 kg/hm2，節(jié)肥率為11.45%，可見(jiàn)智能滴灌比指針式噴灌的肥料利用效率要高。

表5 隨時(shí)間變化NDVI指數(shù)各段所占面積(%)

表3 各處理肥料使用量

2.3 產(chǎn)量比較

由表4可以看出SDS處理的產(chǎn)量為60.75 t/hm2，APS處理的產(chǎn)量為54.15 t/hm2，SDS處理高于APS處理，且增產(chǎn)比率為12.32%，但是SDS處理的商品率略低于對(duì)照APS。

表4 各處理產(chǎn)量

2.4 智能滴灌節(jié)水原理初探

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)智能滴灌在水肥上都比指針式噴灌要節(jié)約，就節(jié)約原理進(jìn)行初步探索。

6月25日到7月13日，APS(ck)使用硫酸銨75 kg/hm2，尿素270 kg/hm2，硝酸鉀165 kg/hm2，總肥用量為515 kg/hm2；SDS使用硫酸銨150 kg/hm2，尿素109.5 kg/hm2，硝酸鉀171 kg/hm2，有機(jī)肥150 kg/hm2，總肥用量為580.5 kg/hm2。SDS在7月13日測(cè)定的NDVI指數(shù)在0.85～0.95段的占有百分比為88.61%，在0.75～0.85段占有的百分比為11.39%。APS在7月13日測(cè)定的NDVI指數(shù)在0.85～0.95段的占有百分比是91.29%，在0.75～0.85段占有的百分比是6.55%，在0.64～0.75段占有百分比是2.15%。在這一時(shí)間段發(fā)現(xiàn)SDS在比APS用肥量高的情況下，SDS的NDVI指數(shù)在高值段所占比例要低于APS。

在7月13日到7月18日2處理都沒(méi)有使用任何化肥，SDS在7月18日測(cè)定的NDVI指數(shù)在0.85～0.95段的占有百分比是97.35%，在0.75～0.85段占有的百分比是2.65%。APS在7月18日測(cè)定的NDVI指數(shù)在0.85～0.95段的占有百分比是95.86%，在0.75～0.85段占有的百分比是4.14%。在這一時(shí)期，SDS在高值段所占比例要高于APS。

在7月18日到7月30日，APS的使用尿素是195 kg/hm2，硝酸鉀270 kg/hm2，硫酸銨78 kg/hm2，多元微肥0.6 kg/hm2，氧化鈣3 kg/hm2，氧化鋅0.6 L/hm2，總用肥量是546.6 kg/hm2+0.6 L/hm2；SDS的使用硝酸鉀是136.5 kg/hm2，硫酸銨是100.5 kg/hm2，多元微肥0.6 kg/hm2，氧化鈣3 kg/hm2，氧化鋅0.6 L/hm2，總用肥量是240.6 kg/hm2+0.6 L/hm2。SDS在7月30日測(cè)定的NDVI指數(shù)在0.85～0.95段的占有百分比是98.14%，在0.75～0.85段占有的百分比是1.86%。APS在7月30日測(cè)定的NDVI指數(shù)在0.85～0.95段的占有百分比是92.91%，在0.75～0.85段占有的百分比是7.09%。在這一時(shí)期，SDS在高值段所占比例要高于APS。

在7月30日到8月9日，APS的使用硝酸鉀是75 kg/hm2，硫酸銨120 kg/hm2，總用肥量是195 kg/hm2；SDS的使用硝酸鉀是69 kg/hm2，硫酸銨是105 kg/hm2，總用肥量是174 kg/hm2。SDS在8月9日測(cè)定的NDVI指數(shù)在0.85～0.95段的占有百分比是80.21%，在0.75～0.85段占有的百分比是18.74%，在0.64～0.75段占有的百分比是1.05%。APS在8月9日測(cè)定的NDVI指數(shù)在0.85～0.95段的占有百分比是55.71%，在0.75～0.85段占有的百分比是39.40%，在0.64～0.75段占有的百分比是4.89%。在這一時(shí)期，SDS在高值段所占比例要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于APS。

圖1 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)綜合分析示意(L：智能滴灌區(qū)域SDS，R：指針式噴灌區(qū)域APS)

綜上所述，智能滴灌在馬鈴薯的生長(zhǎng)后期可以在肥料使用量少的情況下仍能維持馬鈴薯良好的生長(zhǎng)勢(shì)。這種效果可以在圖1中更加明顯的顯示出來(lái)，在7月13日和18日2區(qū)域的灰色部分分布都比較均勻，沒(méi)有明顯差異，隨著時(shí)間的推移，在7月30日SDS區(qū)域的灰色面積明顯大于APS，這一現(xiàn)象在8月9日更加突出。從NDVI指數(shù)方面看出智能滴灌方式明顯優(yōu)于指針式噴灌，在節(jié)水、節(jié)肥方面優(yōu)勢(shì)非常凸顯。

3 討 論

歸一化植被指數(shù)(NDVI)又稱標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)，是植物生長(zhǎng)狀態(tài)以及植被空間分布密度的最佳指示因子，與植被分布密度呈線性相關(guān)，長(zhǎng)期以來(lái)被用來(lái)監(jiān)測(cè)植被變化情況[4]。無(wú)人機(jī)軟件PIX 4 D農(nóng)業(yè)版可以將多光譜圖像轉(zhuǎn)換為精確的指數(shù)圖(NDVI)，指數(shù)圖結(jié)合來(lái)自反射圖的信息，可以突出與缺水，營(yíng)養(yǎng)缺乏，害蟲(chóng)等直接影響植物健康差異的問(wèn)題。試驗(yàn)中利用無(wú)人機(jī)獲取馬鈴薯地塊的多光譜圖像，利用軟件PIX 4 D農(nóng)業(yè)版把獲取的多光譜圖像轉(zhuǎn)換為精確的指數(shù)圖(NDVI)，得到了馬鈴薯的生長(zhǎng)健康差異。試驗(yàn)結(jié)果中SDS灌溉方式比APS灌溉方式節(jié)水，節(jié)肥，同時(shí)產(chǎn)量也要高。通過(guò)不同時(shí)期的指數(shù)圖對(duì)比，發(fā)現(xiàn)SDS灌溉方式優(yōu)于APS灌溉方式的主要原因是SDS灌溉方式下馬鈴薯的生長(zhǎng)勢(shì)要強(qiáng)于APS。SDS灌溉方式下的馬鈴薯生長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng)于APS的原因可能是滴灌方式將作物需要的水分和養(yǎng)分，均勻而又緩慢地滴入作物根區(qū)土壤中，有利于馬鈴薯根系的快速吸收，而噴灌是借助水泵和管道系統(tǒng)，把具有一定壓力的水噴到空中，散成小水滴或形成彌霧降落到植物上和地面上，這種方式不利于馬鈴薯的根系的吸收，同時(shí)消耗更多的農(nóng)業(yè)資源。

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)在我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也非常廣泛，有的用于土壤濕度檢測(cè)，有的用于植被覆蓋度監(jiān)測(cè)，還有將無(wú)人機(jī)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)賠付中等各方面[5]。與傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感、航空航天遙感相比，無(wú)人機(jī)遙感操作簡(jiǎn)單，非專(zhuān)業(yè)人士均可操作，作業(yè)和維修成本低，飛行高度和航線均可人為控制，靈活性強(qiáng)，設(shè)備體積小，易攜帶和運(yùn)輸[6]。借助無(wú)人機(jī)獲取遙感圖像，在結(jié)合相關(guān)軟件分析得到NDVI指數(shù)，就可以獲取植物的生長(zhǎng)勢(shì)等相關(guān)狀況。在未來(lái)可以利用無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)勢(shì)等狀態(tài)，及時(shí)采取相關(guān)措施，達(dá)到省時(shí)省力，節(jié)省成本的目的，是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

滴灌具有節(jié)水、節(jié)能、省工、灌水均勻、環(huán)境濕度低，病蟲(chóng)害發(fā)生率低、增加作物產(chǎn)量、提高產(chǎn)量品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)[7]。在本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)智能滴灌的節(jié)水率可以達(dá)到42.53%，節(jié)肥率達(dá)到11.47%，增產(chǎn)比率為12.32%。王亞蘭[8]研究發(fā)現(xiàn)，滴灌技術(shù)可以提高馬鈴薯產(chǎn)量，增幅達(dá)到16.41%。在陳慧的研究中[9]發(fā)現(xiàn)，采用滴灌和普通灌溉方式相比馬鈴薯每公頃實(shí)際產(chǎn)量增加了11.7 t。高國(guó)權(quán)[10]就指針式噴灌與滴灌在馬鈴薯種植中進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)滴灌增產(chǎn)14.4%，節(jié)水38%。王官茂等就滴灌與半固定式噴灌2種灌溉進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)滴灌灌溉方式可使馬鈴薯極顯著增產(chǎn)，增產(chǎn)率14.86%，大薯率顯著提高7%[11]。

這些研究都表明，滴灌與普通灌溉方式相比確實(shí)可以在節(jié)水節(jié)肥的前提下提高馬鈴薯的產(chǎn)量，與本試驗(yàn)結(jié)果相符。

李井會(huì)等[12]探索數(shù)字圖像技術(shù)和馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)診斷之間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)分析冠層G/B值與馬鈴薯氮素營(yíng)養(yǎng)狀況的指標(biāo)均有良好的相關(guān)關(guān)系。黃思宇初步研究了基于EVI數(shù)據(jù)的馬鈴薯生長(zhǎng)進(jìn)度遙感監(jiān)測(cè)方法，監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合[13]。于靜等人利用GreenSeeker對(duì)馬鈴薯各生育時(shí)期讀取了NDVI值，建立了NDVI值與地上部植株氮濃度以及整株吸氮量的關(guān)系[14]。阿茹娜基于多源遙感數(shù)據(jù)建立了馬鈴薯線性回歸估產(chǎn)模型，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證基于遙感技術(shù)的回歸模型估產(chǎn)是可行的[15]。以上研究把NDVI指數(shù)和遙感數(shù)據(jù)用于馬鈴薯研究的各方面，但是鮮有人把馬鈴薯遙感數(shù)據(jù)分析獲得指數(shù)圖用于解釋智能滴灌灌溉方式優(yōu)于其他灌溉方式的原因。在本研究中，明確了馬鈴薯生產(chǎn)上智能滴灌比噴灌節(jié)水、節(jié)肥、增產(chǎn)的比例，并就原因進(jìn)行了首次探究。但是在本研究中存在不足現(xiàn)象，無(wú)人機(jī)獲取遙感數(shù)據(jù)會(huì)受天氣影響，由于試驗(yàn)區(qū)域位于壩上地區(qū)，風(fēng)力比較大，所以導(dǎo)致試驗(yàn)采集日期不均一。未來(lái)研究應(yīng)該增加其他區(qū)域的試驗(yàn)，進(jìn)一步論證試驗(yàn)結(jié)果。另一方面，研究結(jié)果只得到了智能滴灌即使在少肥、少水的條件下，維持強(qiáng)的生長(zhǎng)勢(shì)來(lái)達(dá)到增產(chǎn)的效果，未來(lái)應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)研究，量化指標(biāo)，建立生產(chǎn)模型，精確指導(dǎo)馬鈴薯生產(chǎn)。