劉 麗, 張玉翠,2, 張小帥, 黃欣莉, 黃彩霞
(1.甘肅農業(yè)大學水利水電工程學院,甘肅 蘭州 730070; 2.中國科學院農業(yè)水資源重點實驗室,河北省節(jié)水農業(yè)重點實驗室,中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農業(yè)資源研究中心,河北 石家莊 050022; 3.張家口市農業(yè)高效節(jié)水研究所,河北 張家口 076450)
水資源供需矛盾問題長期制約我國經濟建設與農業(yè)發(fā)展,人口增長與城市化發(fā)展加劇了我國資源與環(huán)境壓力。我國作為農業(yè)大國,農業(yè)耗水量占總耗水量70%,農業(yè)活動對水資源的影響已難以忽視。氣候、人口、耕地和經濟等多種因素使北方地區(qū)面臨更加嚴重的水資源短缺問題,水資源可持續(xù)化發(fā)展形勢日益嚴峻,嚴重制約人們的生產和生活[1]。智慧灌溉系統(tǒng)是當前農業(yè)發(fā)展先進國家為推進農業(yè)現(xiàn)代化,最大限度降低農業(yè)灌溉水資源浪費的科學技術手段[2]。節(jié)水灌溉是解決北方水資源危機的根本出路,而節(jié)水灌溉系統(tǒng)自動化已經成為農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展趨勢。因此,推進智慧灌溉技術的應用,對農田灌溉進行科學管理和精確實施,對農業(yè)生產提質增效、提高水肥利用效率和推動節(jié)約型農業(yè)發(fā)展具有重要意義[3]。
智慧灌溉通過對農田實時監(jiān)測所得數(shù)據(jù)的傳輸和分析,遠程控制灌溉設備進行精準灌水,從而降低灌溉水資源無效損耗[4]。為提高智慧灌溉系統(tǒng)的精確度和實時性,研究人員進行了多種系統(tǒng)控制技術研究,在不同類型的農田中得到有效運用[2]。然而我國智慧灌溉技術起步較晚,尤其北方地區(qū)由于地域廣闊,不同區(qū)域之間相關設備的應用及節(jié)水灌溉的發(fā)展水平不均,智慧灌溉的推廣與應用也面臨不同問題[4]。為了在北方缺水地區(qū)因地制宜制定灌溉制度,進一步改進和推廣智慧灌溉系統(tǒng),本研究綜述北方缺水地區(qū)節(jié)水灌溉的發(fā)展現(xiàn)狀,總結北方缺水地區(qū)智慧灌溉發(fā)展存在問題,提出北方缺水地區(qū)智慧灌溉今后發(fā)展方向。
我國70%以上的種植業(yè)產品來自灌溉耕地,農業(yè)是我國的用水大戶,其用水量占全國用水總量的62.3%,部分地區(qū)農業(yè)灌溉用水占比超過90%,而發(fā)達國家農業(yè)用水比例<50%[1]。我國干旱和半干旱地區(qū)占國土面積的65%、耕地面積的56%。受水資源空間分布不均的影響,北方水資源量相對匱乏(占全國總量<20%)[2]。如黃土高原丘陵溝壑區(qū)作為典型半干旱地區(qū),其灌溉面積<10%,單產僅為全國平均的1/3;華北平原作為我國糧食主產區(qū)之一,其耕地面積約占全國的40%,但水資源量僅占6%。整個黃河流域農業(yè)灌溉耗水量占總用水量的90%[3]。水資源短缺是制約北方農業(yè)發(fā)展的重要因素,發(fā)展農業(yè)節(jié)水意義重大。
北方缺水地區(qū)農業(yè)灌溉效率可以通過兩條途徑得到大幅提高。一是改造灌溉渠道,從灌水率、灌溉設計保證率、灌溉流量及實際灌溉渠道等方面進行綜合分析,對灌溉渠道進行優(yōu)化改造[4]。二是改進農作物灌溉技術,如管灌、噴灌和微灌等。其中,管灌是通過布置在地表或地下的低壓管道將水直接輸送到田間的技術,優(yōu)勢是減少了水分運輸途中因地面徑流造成的損失,可節(jié)水15%~30%[4]。噴灌是將水加壓后經管道由噴水嘴噴灑到作物上的技術,具有灌溉區(qū)域大、少占耕地、節(jié)省人力和應用范圍廣的特點,可節(jié)水30%~50%[2]。微灌包括微噴灌、地面滴灌和地下滴灌,是灌溉水經過不同層次管道和灌溉設備直接灌溉于作物根系的技術,具有良好的節(jié)水增產效果,可節(jié)水50%~80%[5]。
節(jié)水灌溉技術可以最大限度地實現(xiàn)水資源的高效利用,但是不同的節(jié)水灌溉技術都存在各自的優(yōu)勢與劣勢,應該根據(jù)不同的實際應用環(huán)境選擇適合的灌溉方式,同時要推進節(jié)水灌溉技術的創(chuàng)新與應用,實現(xiàn)水資源高效利用的可持續(xù)發(fā)展[6]。與傳統(tǒng)灌溉相比,智慧灌溉系統(tǒng)可以根據(jù)作物生長所需要的灌水指標制定閾值,實時監(jiān)測并分析環(huán)境信息,精準控制灌溉用水,與不同灌溉技術相結合,提高水分利用效率和灌溉質量,是節(jié)水灌溉自動化和智能化的體現(xiàn)[7]。在智慧灌溉系統(tǒng)后臺可以直接查詢觀測數(shù)據(jù),通過自動裝置控制灌水時間、灌水量和灌水周期,有效提高了管理水平,降低了農業(yè)生產成本。研究表明,智慧灌溉系統(tǒng)可以實現(xiàn)農業(yè)增產增效,提高作物質量[8]。
我國北方不同區(qū)域之間智慧灌溉的發(fā)展水平并不均衡。華北地區(qū)節(jié)水灌溉工程面積比例較大,技術投入、人才引進更多,智慧灌溉技術應用更加廣泛。而西北地區(qū)雖然面積廣闊,但是經濟較落后,水資源短缺嚴重,相對于華北地區(qū)節(jié)水灌溉發(fā)展水平較差,智慧灌溉的發(fā)展也面臨更多困難[9]。
我國西北地區(qū)占國土面積的38.4%,包含甘肅省、陜西省、寧夏回族自治區(qū)(簡稱寧夏)、新疆維吾爾自治區(qū)(簡稱新疆)和青海省,以及內蒙古自治區(qū)(簡稱內蒙古)和山西省部分地區(qū),水資源極度匱乏,供需矛盾突出[10]。西北地區(qū)降水少,灌溉農業(yè)主要分布在有河流水和高山冰雪融水的地方,比較典型的灌區(qū)主要處于寧夏平原、河套平原、河西走廊及新疆高山山麓的綠洲。其中,甘肅省和陜西省由于水資源緊缺,灌溉管理更加精細,技術引進和智能化研究投入多,智慧灌溉的應用比例高于西北其他省份,灌溉用水有效利用系數(shù)較高[11]。寧夏和內蒙古的農業(yè)發(fā)展主要依賴黃河水灌溉,寧夏大型灌區(qū)占灌溉面積比例最高,達到90%左右;內蒙古大型灌區(qū)占灌溉面積50%左右[10]。近年來,黃河流域水資源開發(fā)利用率遠超40%的生態(tài)警戒線,流域內農田灌溉水利用程度低,節(jié)水灌溉工程面積占有效灌溉面積的比例不高,農田組織化程度低,智慧灌溉的發(fā)展存在很多阻礙[12]。新疆高山山麓地區(qū)和河西走廊位于干旱地區(qū),農業(yè)發(fā)展依賴祁連山和天山高山上的冰雪融水灌溉。新疆生產建設兵團在灌區(qū)信息化建設方面取得了重大進展,2019 年,兵團水利信息化系統(tǒng)在線率由20%提高到了90%,其灌溉用水有效利用系數(shù)處于中等偏上水平,并且大中型灌區(qū)的建立使該地更具發(fā)展智慧灌溉的優(yōu)勢[13]。但是,由于新疆的氣候、地理條件等原因,在運輸過程中,水源易于揮發(fā),并且管道長度過長,日常的防滲防堵工作難以進行,節(jié)水項目資金投入巨大。
西北地區(qū)經濟落后,節(jié)水灌溉受地域、資金和技術等制約,存在著以下4 個問題。一是需將現(xiàn)有水資源合理開發(fā)、高效利用、優(yōu)化配置,保護脆弱的生態(tài),推動農田優(yōu)質高效可持續(xù)發(fā)展。二是不同地區(qū)設施配置程度差別大,并且配置的硬件設施并沒有得到及時維護,老化嚴重[10]。三是政府節(jié)水灌溉技術宣傳推廣不夠,農民的參與意識比較淡薄。四是西北地區(qū)早期農業(yè)科技投入不足,灌區(qū)節(jié)水灌溉技術與信息化技術結合程度較低,計算機應用和智能化控制、自動化管理方面還亟待提高[14]。
與西北地區(qū)截然不同,華北地區(qū)人口密集、經濟發(fā)達、土地資源相對較好、土地平整及灌溉管理水平較高,是全國重要的糧食主產區(qū)和蔬菜供應基地,灌溉需求量大。華北地區(qū)從20 世紀70 年代起大規(guī)模開采地下水,從200 億m3增至2017 年363 億m3,最高年2001 年511 億m3,是全球范圍最大、規(guī)模最大、強度最高的區(qū)域[15]。近些年來,國家和各部門在灌區(qū)進行了大規(guī)模的智能化節(jié)水改造,使灌區(qū)內的基礎建設得到了較好的改善,節(jié)水灌溉工程面積占有效灌溉面積的比例顯著提高,農業(yè)智慧灌溉擁有更高的發(fā)展前景[16]。
華北高效灌溉發(fā)展仍面臨以下問題。一是農戶的節(jié)水觀念十分淡薄,華北部分農村地區(qū)還在使用大水漫灌的灌溉方式,對節(jié)約用水的重視程度不夠,造成了嚴重的水資源浪費。二是農業(yè)節(jié)水型技術引入量大、工業(yè)化水平低、總體配合水平低,實際需要難以實現(xiàn)。三是缺乏統(tǒng)一用水管理機構,管理體系不夠健全[17]。
智慧灌溉系統(tǒng)主要思路:實時采集和監(jiān)測土壤水分、溫度信息,將數(shù)據(jù)傳輸給控制中心,由控制中心依據(jù)事先設定的灌水參數(shù)對灌水量進行判決,通過輸出信號對灌水設備閥門和水泵進行控制。智慧灌溉系統(tǒng)的研究方向為在傳感器的精確度與實時性、無線遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控、無線數(shù)據(jù)傳輸及計算機技術等進行智能化控制灌溉等方面[18]。
3.1.1 無線傳感網絡技術
無線傳感網絡技術是指將智能傳感器按特定的布局布置在灌區(qū)內,并利用無線通信實時監(jiān)測、感知和采集網絡所涵蓋的范圍和監(jiān)測目標信息,并將其傳輸至數(shù)據(jù)采集站或灌水控制中心的一系列方法,可解決灌溉現(xiàn)場布線易于損壞、缺乏靈活性等諸多問題[19]。無線傳感網絡技術與GPRS 網絡、迭代學習控制算法或者GIS 等技術相結合,利用終端節(jié)點讀取作物環(huán)境信息,可以通過多種移動端全天候地掌握作物及環(huán)境的實時變化,確定作物灌溉精準需求,提高灌溉控制過程的精確度,開發(fā)形成精準灌溉控制系統(tǒng),滿足農田灌溉遠程監(jiān)控需要,有效地提高作物產量[19-21]。
3.1.2 模糊控制技術
在智慧灌溉系統(tǒng)中,基于農民多年的耕作與灌溉實踐的經驗,結合該領域專家的知識,建立了一套基于模糊邏輯、用自然語言表達灌溉策略的模糊控制技術。這種技術與常規(guī)的控制方式相比,其最大的區(qū)別是不必了解受控目標的數(shù)學模型[22]。劉宇琦等[22]設計了一種基于模糊控制技術的自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng),對各參數(shù)進行了優(yōu)化,從而提高了對農業(yè)灌溉的可控性和精確性。針對優(yōu)化寒地水稻智慧灌溉系統(tǒng),通過調虧理論和模糊控制技術相結合的方法,建立多因素控制規(guī)則庫,達到對灌區(qū)灌溉時間和灌溉量的模糊調節(jié),使節(jié)水率達20.5%[23]。模糊PID 是PID 算法與模糊控制相結合的一種控制理論,這種算法應用于節(jié)水灌溉系統(tǒng)能有效抑制超調現(xiàn)象并縮短系統(tǒng)的響應時間,經過后期優(yōu)化其在農田灌溉時控制精度與抗干擾能力也得到了顯著的改善[24-26]。
3.1.3 神經網絡技術
人工神經網絡技術本質上是利用特定網絡拓撲結構而構造出的一套智能農田環(huán)境信息處理系統(tǒng)。智慧灌溉中,人工神經網絡技術主要應用于通過計算機語言模擬人腦神經的決策方式來實現(xiàn)對灌水量的預測。WANG X 等[27]根據(jù)多層BP 神經網絡計算、分析傳感器收集到的數(shù)據(jù)信號,最終得到一種具有較高精準度與節(jié)水能力的控制器。BRUTON J M 等[28]研究結果表明,利用作物自身的物理變量和環(huán)境參數(shù)對神經網絡加以訓練,使所設計的控制器能夠更加準確地確定作物所需灌水量。多位研究人員通過將遺傳算法用于神經網絡技術的參數(shù)優(yōu)化,表明遺傳算法可以有效優(yōu)化灌溉計劃[29-31]。
3.1.4 專家系統(tǒng)控制技術
專家系統(tǒng)控制技術是將不同專家在某一領域的經驗進行分類,儲存在一個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中,引導計算機進行推理、判斷,從而實現(xiàn)專家系統(tǒng)與監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能交互,形成指導和處理技術難題的決策[32]。如基于農業(yè)物聯(lián)網,使用信息采集監(jiān)測精度較高的終端模塊進行多參數(shù)決策與開發(fā)的智能灌溉專家決策系統(tǒng)結合,可將荔枝園的灌溉預測準確率提高到75%[33]。將智能灌溉專家系統(tǒng)、實時監(jiān)控系統(tǒng)和人機交互界面等功能在農田灌溉自動化控制系統(tǒng)的中央控制器中進行集成與優(yōu)化,最終實現(xiàn)實時監(jiān)控及作物種植的科學管理,在西北黃土高原地區(qū)和河南鄭州園區(qū)的應用中都取得較理想的成效[34-35]。
3.2.1 糧食作物農田
近年來,我國糧食生產重心全面北移,北方地區(qū)糧食生產長期穩(wěn)定地發(fā)展對于全國糧食安全意義重大。水分管理對糧食作物的生長發(fā)育有非常重要的影響,作物生育期內的灌水量、灌溉周期和灌溉時間需要考慮的因素有很多,如天氣情況和土壤墑情等。目前糧食作物的灌溉方式大多依靠人工判斷,應用智慧灌溉系統(tǒng)能有效提高其最終產量與品質。根據(jù)作物不同生育時期及實際環(huán)境情況進行灌溉的專家決策系統(tǒng),可以通過監(jiān)測灌溉各種重要指標,把農業(yè)灌溉經驗和計算機技術相結合進行合理有效地灌溉[36-37]。
3.2.2 果樹類農田
我國北方地區(qū)果樹類農田大多處在丘陵山區(qū),地形條件多樣并且季節(jié)性強,人工不便于觀測,將智慧灌溉應用于果樹栽培,通過技術手段監(jiān)測影響果樹生長的因素,可以實現(xiàn)最大化的有效灌溉,減少氣候條件與自然環(huán)境對水果質量與產量的不良影響。在果園灌溉中,利用基于物聯(lián)網包含信息處理和專家決策等模塊的智慧灌溉系統(tǒng),可以提高果園管理的精準性和科學性[38-41]。如通過藍莓園的智慧灌溉決策系統(tǒng),可以預測藍莓園的灌溉量和蒸騰量,控制不同物候期藍莓的濕度范圍[42]。MASON B 等[43]為了城市果園適應都市與農村不同的氣候,開發(fā)了智慧城市果園灌溉系統(tǒng),系統(tǒng)能有效節(jié)約水資源,并為智慧灌溉技術的改進提供了參考。
3.2.3 蔬菜農田
蔬菜相較于其他作物根系分布淺,應當少量多次灌溉,為此,在蔬菜生產上開展精準自動灌溉技術的應用顯得更為必要。孫靜[44]將模糊控制技術應用于黃瓜智慧灌溉系統(tǒng),能夠根據(jù)黃瓜的生長發(fā)育規(guī)律進行高效灌溉。高曉紅等[45]設計了一種智慧節(jié)水灌溉系統(tǒng),可以根據(jù)作物葉片、莖稈和果實的水分虧缺反應進行精準灌溉。陳輝[46]針對北方溫室番茄智慧灌溉系統(tǒng)難以建立精確的數(shù)學模型的問題,根據(jù)溫室番茄生長特性,設計了一種基于模糊邏輯推理的溫室番茄智慧灌溉系統(tǒng)。
在我國北方地區(qū),農田灌溉由于灌溉效率低、水資源利用率低等原因,導致了巨大的水資源損失,嚴重制約現(xiàn)代農業(yè)高產、高效的可持續(xù)發(fā)展。發(fā)展節(jié)水灌溉是解決水資源危機的根本出路,隨著智慧灌溉技術的逐步普及,北方缺水地區(qū)農業(yè)正在向精準化、信息化和智能化的方向推進。
(1)信息技術與農作物節(jié)水灌溉相結合,利用信息化手段進行水資源的管理。通過信息技術的有效運用可以顯著提升農業(yè)節(jié)水灌溉的自動化效率,在進行灌溉工作時,要利用先進的信息化設備調節(jié)農田灌溉的流量與流速[47]。整個階段越智能化,便捷性就越高,越能降低農戶支出成本與承擔的風險[48]。
(2)我國北方缺水地區(qū)面積相對較大,不同地區(qū)自然環(huán)境及地貌特征也迥然不同,在進行實際應用智慧灌溉的過程中,應該多種影響因素綜合考慮,因地制宜地制定灌溉策略,以期最大化滿足當?shù)氐纳a需要。
(3)北方智慧灌溉通常與施肥技術結合起來,集成水肥一體化技術,這項技術是未來智慧農業(yè)的發(fā)展趨勢。水肥一體化技術推進將會極大提高水肥利用率、降低農業(yè)污染及改善作物產量與品質,大力推進節(jié)約型農業(yè)發(fā)展,滿足農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求[49]。
(1)提高智慧灌溉系統(tǒng)的監(jiān)測精度。需要基于物聯(lián)網和互聯(lián)網+整合氣象儀器觀測的田間微氣候數(shù)據(jù)及土壤墑情監(jiān)測數(shù)據(jù),對不同作物生育期需水量進行分析,制定因地制宜的灌水方案,確定灌水時間、灌水量和灌水周期,實現(xiàn)最佳灌溉效果和增產效果。并利用無人機遙感搭載微型傳感器,借助人工神經網絡等算法反演土壤旱情和作物長勢,監(jiān)測病蟲害侵擾狀況,建立天-空-地一體化立體檢測系統(tǒng),提高智慧灌溉系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,加強節(jié)水灌溉技術的維護等后期保障。
(2)提高智慧灌溉系統(tǒng)的管理服務水平。在智慧灌溉系統(tǒng)構建完成之后,需要增加技術培訓的力度,提升科技服務人員專業(yè)技能水平,為農戶提供專門的技術咨詢服務平臺,保證項目正常運轉,增強節(jié)水灌溉長久運行的能力和節(jié)約用水效益[49]。
(3)加大對智慧灌溉技術推廣與政策扶持。需要制定相應的優(yōu)惠政策支持措施,如給予進行智能化節(jié)水灌溉推廣的地區(qū)資金補貼、扶持智慧灌溉重點研究項目等,同時監(jiān)督執(zhí)行;幫助農戶建立完善的信息交流網,豐富先進灌溉技術的推廣方式和政策信息的宣傳途徑,提高農民決策能力。
我國北方農田面積廣闊,土壤肥沃,但存在灌溉水利用系數(shù)低、農田管理水平不健全等諸多問題。農業(yè)智慧灌溉技術是一項具有精準性與高效性的農業(yè)技術,未來,移動網絡技術、物聯(lián)網、自動化技術和其他計算機技術將充分應用于農業(yè)生產管理,通過構建完善的灌溉用水決策支持系統(tǒng),結合自動監(jiān)測的作物生理生態(tài)數(shù)據(jù),針對各種作物需水情景,系統(tǒng)可自動調整灌溉時間、灌水量和灌溉周期,通過智能管理進行灌溉決策和預測[48]。智慧灌溉技術的應用將減少農業(yè)水資源的消耗、提升作物品質,并且降低農業(yè)化肥面源污染,為農業(yè)和水資源可持續(xù)發(fā)展提供保障。我國北方缺水地區(qū)未來智慧農業(yè)發(fā)展應因地制宜地制定灌溉策略、提高智慧灌溉系統(tǒng)的監(jiān)測精度和管理服務水平、加大對智慧灌溉技術的推廣與政策扶持。