精準(zhǔn)灌溉技術(shù)在干旱區(qū)水資源高效利用中的評估

摘要：干旱區(qū)水資源短缺問題日益突出，傳統(tǒng)灌溉方式存在用水效率低與管理粗放等問題。精準(zhǔn)灌溉技術(shù)通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器實時監(jiān)測土壤墑情，結(jié)合智能決策系統(tǒng)實現(xiàn)灌溉過程的精準(zhǔn)控制。研究采用隨機(jī)區(qū)組對比試驗方法，對精準(zhǔn)灌溉技術(shù)在干旱區(qū)的應(yīng)用效果進(jìn)行系統(tǒng)評估。結(jié)果表明，該技術(shù)顯著提高了水分利用效率，灌溉均勻系數(shù)達(dá)到87.5%，節(jié)水率達(dá)18.5%，作物產(chǎn)量提升8.5%。經(jīng)濟(jì)效益分析顯示，系統(tǒng)年均增益5 280元/hm2，投資回收期4.5年。研究為推廣精準(zhǔn)灌溉技術(shù)與提高干旱區(qū)水資源利用效率提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)灌溉；水資源利用效率；智能決策；變量控制；經(jīng)濟(jì)效益

干旱區(qū)氣候特征決定了該區(qū)域水資源短缺的基本面貌，年降水量低于400 mm，蒸發(fā)量為降水量的3～5倍，水資源時空分布極不均勻，傳統(tǒng)灌溉方式存在灌溉均勻度低和水分利用效率差等問題，難以適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需求，精準(zhǔn)灌溉技術(shù)通過整合物聯(lián)網(wǎng)，傳感器和智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)灌溉過程的智能化和精準(zhǔn)化，為解決干旱區(qū)水資源高效利用問題提供了新思路，深入評估精準(zhǔn)灌溉技術(shù)的應(yīng)用效果，對于推進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水增效與保障糧食安全具有重要意義。

1 干旱區(qū)水資源現(xiàn)狀概述

干旱區(qū)水資源現(xiàn)狀深刻體現(xiàn)了資源匱乏與分布不均的特征，區(qū)域年降水量普遍低于400 mm，蒸發(fā)量為降水量的3～5倍，導(dǎo)致地表水系呈現(xiàn)斷流性質(zhì)，河流補(bǔ)給以冰雪融水和地下水為主，徑流量年際變化顯著，枯水期和豐水期水量差異巨大[1]，地下水資源補(bǔ)給率低下，水質(zhì)呈弱堿性，礦化度偏高，多數(shù)地區(qū)面臨地下水超采問題，水位持續(xù)下降趨勢明顯，土壤水分動態(tài)變化劇烈，表層土壤蒸發(fā)損失量大，保水性能不佳，區(qū)域土壤質(zhì)地以砂壤土為主，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易形成板結(jié)層，影響水分入滲和儲存效果，土壤含鹽量偏高，水鹽運移規(guī)律復(fù)雜，灌溉過程中容易引發(fā)次生鹽漬化現(xiàn)象，傳統(tǒng)灌溉方式存在灌溉均勻度低、定額確定缺乏科學(xué)依據(jù)等問題，造成水資源利用效率低下，灌溉基礎(chǔ)設(shè)施落后，渠系防滲措施不完善，輸水損失嚴(yán)重，渠系水利用系數(shù)普遍在0.5以下，灌溉自動化程度不足，人工管理方式導(dǎo)致灌溉過程控制精度低，缺乏實時監(jiān)測和反饋機(jī)制，難以及時掌握土壤墑情變化，影響灌溉決策的準(zhǔn)確性[2]。

2 精準(zhǔn)灌溉技術(shù)的水資源調(diào)控機(jī)制

2.1 土壤墑情監(jiān)測技術(shù)

土壤墑情監(jiān)測技術(shù)是精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，通過多類型傳感器組網(wǎng)布設(shè)實現(xiàn)土壤水分的動態(tài)監(jiān)測，時域反射測量（TDR）和頻域反射測量（FDR）是主要的土壤含水量監(jiān)測方法，這些傳感器基于電磁波在土壤中的傳播特性測定介電常數(shù)，進(jìn)而換算土壤含水量，土壤水分監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采用分層布設(shè)方案，在作物根系主要分布層按20 cm間隔埋設(shè)傳感器，實現(xiàn)剖面水分的精準(zhǔn)監(jiān)測[3]，土壤含水量θv與介電常數(shù)Ka之間存在顯著相關(guān)性，其關(guān)系可表達(dá)為：

θv=a×Ka+b×Ka0.5+c （1）

式中：θv為土壤體積含水量（cm3/cm3）；Ka為土壤介電常數(shù)；a，b，c為土壤類型相關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)，土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)用于計算作物根區(qū)土壤水分虧缺量，其計算公式為：

D=（θFC-θi）×Zr×ρ （2）

式中：D為土壤水分虧缺量（mm）；θFC為田間持水量（%）；θi為土壤當(dāng)前含水量（%）；Zr為作物有效根系層深度（mm）；ρ為土壤容重（g/cm3）。

2.2 智能決策技術(shù)

精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的智能決策技術(shù)基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)實現(xiàn)（如圖1所示），系統(tǒng)通過布設(shè)在田間的土壤墑情傳感器與氣象站等設(shè)備采集土壤水分與溫度以及降雨量等環(huán)境參數(shù)，數(shù)據(jù)經(jīng)由NB-IoT和LoRa網(wǎng)關(guān)傳輸至云平臺，云服務(wù)器依據(jù)多源數(shù)據(jù)建立智能灌溉決策模型，綜合分析作物需水特性，土壤墑情狀況和氣象預(yù)報信息，生成最優(yōu)灌溉方案。

智能決策系統(tǒng)采用深度學(xué)習(xí)算法，通過歷史灌溉數(shù)據(jù)訓(xùn)練建立作物需水量預(yù)測模型，系統(tǒng)根據(jù)坡度和土壤質(zhì)地等地理信息，將農(nóng)田劃分為若干管理分區(qū)，實現(xiàn)差異化灌溉控制，在陡坡地帶開啟50%灌溉量，平地區(qū)域保持60%灌溉量，確保灌溉均勻性，灌溉執(zhí)行指令通過PC/APP遠(yuǎn)程下達(dá)至電磁閥控制器，驅(qū)動噴頭精準(zhǔn)施水，智能水閥具備故障自診斷功能，系統(tǒng)實時監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，保障灌溉系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2.3 變量式灌溉控制技術(shù)

變量式灌溉控制技術(shù)通過精確控制不同區(qū)域的灌溉參數(shù)，實現(xiàn)農(nóng)田灌溉的空間差異化管理，系統(tǒng)基于土壤-作物-大氣連續(xù)體原理，建立田間土壤含水量與作物蒸散量的動態(tài)平衡方程，灌溉控制系統(tǒng)根據(jù)作物需水規(guī)律和土壤水分狀況，動態(tài)調(diào)整灌溉定額，確保作物在不同生育期獲得最適宜的水分供給[4]，變量灌溉定額計算采用修正的Penman-Monteith公式：

ETc=Kc×ETo×Ks （3）

式中：ETc為作物需水量（mm/d）；Kc為作物系數(shù)；ETo為參考作物蒸散量（mm/d）；Ks為土壤水分脅迫系數(shù)，變量灌溉控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)噴灌機(jī)流量來實現(xiàn)精準(zhǔn)供水，其流量計算公式為：

式中：Q為灌溉流量（m3/h）；K為安全系數(shù)；A為灌溉面積（m2）；θFC為田間持水量（%）；θi為當(dāng)前土壤含水量（%）；T為設(shè)計灌溉時間（h），系統(tǒng)依據(jù)計算結(jié)果，通過變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，精確控制噴頭出水量，實現(xiàn)農(nóng)田不同區(qū)域的按需供水。

3 田間試驗與效果評價

3.1 試驗設(shè)計方案

試驗設(shè)計采用隨機(jī)區(qū)組對比試驗方法，在典型干旱區(qū)農(nóng)田選取3 hm2試驗地塊，試驗地塊按地形條件和土壤質(zhì)地劃分為6個均勻區(qū)組，每個區(qū)組內(nèi)設(shè)置精準(zhǔn)灌溉處理（T1），常規(guī)灌溉處理（T2）和農(nóng)民習(xí)慣灌溉處理（CK）三種處理，小區(qū)面積為500 m2，精準(zhǔn)灌溉處理采用物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)，常規(guī)灌溉處理使用定時定量灌溉系統(tǒng)，農(nóng)民習(xí)慣灌溉處理按照當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)灌溉方式進(jìn)行水分管理，試驗期間在各處理小區(qū)安裝土壤水分傳感器，埋設(shè)深度分別為20 cm與40 cm以及60 cm，監(jiān)測土壤含水量動態(tài)變化，氣象監(jiān)測設(shè)備布設(shè)于試驗區(qū)中心位置，實時采集溫度，濕度，風(fēng)速，降雨量等氣象要素[5]，作物生長期內(nèi)定期測定株高與葉面積指數(shù)以及地上部生物量等生長指標(biāo)，收獲期測定產(chǎn)量構(gòu)成因素和籽粒產(chǎn)量，灌溉用水量通過智能水表記錄，計算不同灌溉處理的耗水量和水分利用效率。

3.2 水分利用效率評價

水分利用效率評價采用多維指標(biāo)體系，從作物生產(chǎn)效率和灌溉系統(tǒng)效率兩個層面進(jìn)行綜合評估，田間試驗數(shù)據(jù)顯示，精準(zhǔn)灌溉處理的土壤含水量始終維持在適宜范圍內(nèi)，作物根層水分虧缺率控制在15%以下，相比傳統(tǒng)灌溉方式，精準(zhǔn)灌溉技術(shù)顯著提高了作物產(chǎn)量，降低了灌溉用水量，水分生產(chǎn)效率提升了35.6%，灌溉系統(tǒng)運行過程中，管道輸水效率達(dá)到95%，田間水分利用系數(shù)提高至0.82，作物水分利用效率（WUE）計算公式為：

式中：WUE為水分利用效率（kg/m3）；Y為作物產(chǎn)量（kg/hm2）；P為生育期降雨量（mm）；I為灌溉水量（mm）；ΔS為土壤貯水量變化（mm），試驗結(jié)果表明，精準(zhǔn)灌溉處理的水分利用效率達(dá)到2.15 kg/m3，顯著高于常規(guī)灌溉處理的1.58 kg/m3和農(nóng)民習(xí)慣灌溉處理的1.42 kg/m3，通過水分生產(chǎn)函數(shù)分析，精準(zhǔn)灌溉技術(shù)在干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中表現(xiàn)出明顯的節(jié)水增產(chǎn)效應(yīng)。

3.3 灌溉均勻度評價

溉均勻度評價采用克里斯琴森均勻系數(shù)法，通過布設(shè)網(wǎng)格采樣點測定田間水分分布狀況，試驗區(qū)按照10 m×10 m的間距均勻布設(shè)100個采樣點，采用TDR水分儀測定土壤含水量，測定時間選擇在灌水結(jié)束后24 h，避免土壤水分運移對測定結(jié)果的影響，采樣深度設(shè)定在作物主要根系分布層0～60 cm，分層采集土壤樣品測定剖面水分分布特征，灌溉均勻系數(shù)（Cu）計算公式為：

式中：Cu為克里斯琴森均勻系數(shù)（%）；Xi為各測點含水量（%）；為平均含水量（%）；n為測點數(shù)量，精準(zhǔn)灌溉處理的均勻系數(shù)達(dá)到87.5%，顯著高于常規(guī)灌溉處理的75.8%和農(nóng)民習(xí)慣灌溉處理的68.3%，通過GIS空間分析技術(shù)繪制土壤水分等值線圖，精準(zhǔn)灌溉處理表現(xiàn)出較好的水分分布均勻性，田間水分變異系數(shù)控制在15%以內(nèi)，有效改善了作物生長條件的空間一致性。

4 綜合效益分析

4.1 投入成本分析

精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的投入成本主要包括設(shè)備購置，安裝施工和運行維護(hù)三個方面（如表1所示），系統(tǒng)初始投資較大，設(shè)備投入約8.2萬元/hm2，設(shè)備使用壽命在5～7年，年均折舊成本約1.4萬元/hm2，智能控制系統(tǒng)的引入減少了人工管理成本，運行維護(hù)費用較常規(guī)灌溉系統(tǒng)降低25%，經(jīng)濟(jì)效益分析表明，精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)投資回收期為4.5年，具有一定的經(jīng)濟(jì)可行性。

4.2 節(jié)水效益分析

精準(zhǔn)灌溉技術(shù)通過優(yōu)化灌溉制度和提高水分利用效率，實現(xiàn)明顯的節(jié)水效益（如表2所示），試驗數(shù)據(jù)顯示，與常規(guī)灌溉相比，精準(zhǔn)灌溉處理在作物全生育期節(jié)水量達(dá)到1 250 m3/hm2，節(jié)水率18.5%，灌溉水利用系數(shù)提升至0.75，較傳統(tǒng)灌溉提高0.15，基于當(dāng)?shù)厮Y源費0.8元/m3計算，年節(jié)約水資源費1 000元/hm2，同時，由于灌溉均勻度提高，作物產(chǎn)量增加8.5%，年均增收1 850元/hm2。

5 結(jié)語

精準(zhǔn)灌溉技術(shù)通過智能決策和變量控制實現(xiàn)了灌溉過程的精準(zhǔn)化管理，顯著提高了干旱區(qū)水資源利用效率，試驗結(jié)果表明，該技術(shù)在節(jié)水增效方面具有顯著優(yōu)勢，投資回收期合理，具有良好的推廣價值，未來應(yīng)著重優(yōu)化智能決策算法，降低系統(tǒng)成本，完善配套政策，促進(jìn)精準(zhǔn)灌溉技術(shù)在干旱區(qū)的規(guī)?；瘧?yīng)用，同時加強(qiáng)技術(shù)本土化改造提升系統(tǒng)適應(yīng)性，為實現(xiàn)干旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

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