应用电导法实时测定磷酸氢二铵和氯化钾混合肥液浓度

【目的】通过电导率(EC)准确反应水肥一体化条件下磷酸氢二铵和氯化钾不同配比值的肥液质量浓度。【方法】测定了一定质量浓度范围(2～10 g/L)和温度范围(20～45℃)内不同磷酸氢二铵和氯化钾配比混合肥液的EC值,并基于灰色关联分析(GRA)法研究了质量浓度rf、温度T和配比值rv对磷酸氢二铵、氯化钾混合溶液电导率的影响。【结果】磷酸氢二铵、氯化钾混合肥液电导率(EC)随质量浓度rf和温度T的升高而增大,随配比值rv的增大而减小;3个因素对混合液EC影响的大小顺序为:质量浓度rf温度T配比值rv;基于拟合优度评价指标对比3次样条插值和3次B样条插值后的数据分别优选混合溶液质量浓度-EC、温度-EC、配比值-EC单因素曲线模型,构建了以磷酸氢二铵、氯化钾混合肥液EC、温度T、配比值rv为自变量的质量浓度预测模型。【结论】该模型预测精度为97.53%,满足实际使用要求,可用于水肥一体化灌溉过程中的肥液浓度的实时监测。     

智慧农业下的水肥一体机精准化作业研究

针对我国农业水资源和化肥资源的利用率较低的问题,在智慧农业下对水肥一体机的精准化作业进行了研究。水肥一体机的主要组成包括控制系统、监测系统、灌溉施肥系统、网络传输系统和数据中心。将粒子群算法与PID控制算法结合,对粒子群-模糊PID控制器进行设计,并对水肥溶液的EC值和pH值进行控制,提高了水肥一体机的控制精度,减少了控制时间。为了验证水肥一体机的性能,进行了数据采集准确性分析试验和精准化作业控制试验,结果表明：数据采集较为准确,且可以精准地配比水肥溶液,满足作物的灌溉要求。     

基于计算机网络的水肥一体机监控作业研究

针对我国传统的灌溉和施肥技术的水分利用率较低、农田管理效率低下的问题,基于计算机网络技术对水肥一体机的监控作业进行研究。该水肥一体机的主要组成包括设备模块、通信模块、数据模块、接口模块和用户模块。农作物生长状态主要受电导率(EC)和酸碱度(pH值)的影响,为了实现对这两项指标的控制和调节,对水肥一体机的监控软件进行设计,采用模糊控制器进行控制,以保证农作物的生长。为了验证水肥一体机的性能,对设备进行参数监控测试和仿真试验。试验结果表明:系统的监测精度较高,控制效果良好,可以满足用户的使用需求。     

远程无线传感器技术在智能灌溉监控中的应用

随着我国实现农业现代化建设步伐的加快,远程无线传感器(网络)技术与计算机科学技术的结合应用,在农业、工业及其它相关行业的自动化检测、监测、控制中正越来越受到重视,得到逐步推广。为此,从目前花卉种植温室大棚水肥精细灌溉技术对植物的生长和管理成本控制起着重要作用的影响考虑,根据花卉种植管理实际情况,提出在花卉种植精细灌溉系统中,利用远程无线传感器(网络)技术与计算机技术组成智能灌溉监测系统,在动态中自动调控水肥中的EC(电导率)、pH(酸碱度)值或监测其它环境参数,解决花卉种植中精细、精准灌溉和自动监测、调控等问题。同时,设计安装了一套花卉种植精细、精准灌溉水肥、远程无线(可达8～12km)监测调控EC和pH值的动态管理系统,对水肥EC及pH值等参数实施自动监测、动态调控。该系统监控距离远,控制范围大,为其在现代农业设施中的广泛应用,提供了技术支撑。     

灌溉方式、水肥用量和EM菌剂对铁皮石斛生长及品质的影响

【目的】确定铁皮石斛人工大批量种植高效水肥管理模式。【方法】在降低水肥供应至当地施肥水平的75%和55%,且添加EM菌剂条件下,比较了喷灌和滴灌2种灌溉方式对铁皮石斛组培苗生长及品质的影响。【结果】在外源EM菌剂作用下,合理的灌溉方式与适当的水肥供应量能显著促进铁皮石斛的生长及品质的提高。在相同水肥供给条件下,滴灌处理除总生物碱量外,其他各指标均显著优于喷灌处理;在滴灌条件下,当水肥供应量减少到75%时,铁皮石斛具有更高的产量和更优的品质,尤其在添加了EM菌剂后,各指标最优,综合效果最好;当水肥供应量降低到55%时,显著抑制了铁皮石斛的生长,降低了其产量和品质,且添加EM菌剂后改善效果不显著,比100%水肥供应时效果差。【结论】使用滴灌、75%水肥供应及添加EM菌剂是一种高效的水肥管理方法。     

基于混合蚁群算法和变论域模糊控制的混肥系统设计

为使水肥溶液更好满足果树养分需求,设计一个果园水肥一体化混肥系统。系统采用液位传感器、pH值传感器和EC值传感器检测水肥溶液参数,采用逻辑控制调节水、肥量和溶液EC值,通过基于混合蚁群算法的变论域模糊控制调节水肥溶液pH值。系统仿真及运行试验表明,该算法能够实时调节伸缩因子,将水肥溶液的pH值保持在7.0,实现水肥溶液pH值的精准调节,满足果树生长需要。     

非垂直拍摄获取细叶作物覆盖度优化算法研究

【目的】探究非垂直拍摄获取细叶作物覆盖度优化算法以及非垂直拍摄对作物覆盖度计算结果的影响。【方法】在北京市小汤山基地草业研究中心露天环境下,以青绿薹草、结缕草为试验对象,获取45°、60°、90°(与地面夹角)3种拍摄角度下的图像,采用基于自适应权重粒子群改进K-means的图像分割方法,分析不同拍摄角度对青绿薹草覆盖度测量精度的影响,研究非垂直拍摄与垂直角度下覆盖度的关系曲线。首先将草RGB图像转化成HSV颜色空间,在HSV颜色空间利用自适应权重PSO算法向全局像素解的子空间搜寻,通过迭代搜寻到全局最优解,确定最佳初始聚类中心;其次利用K-means算法对不同角度图像像素进行聚类划分,从而得到草冠层区域分割结果,最后采用形态学滤波方法对分割结果进行优化。【结果】垂直拍摄时,传统K-means算法计算的2个品种的覆盖度总体相对误差分别为32.89%和34.37%,而本文算法下2个品种总体相对误差分别为11.23%和15.85%。相比于K-means算法,本文算法环境适应性好,算法精度高。非垂直拍摄条件下,本文算法能够克服多角度拍摄导致图像色彩分布不均匀的问题,有效分割出草冠层区域,90°覆盖度估测值与真实值平均误差为3.27%,60°二者平均误差为4.61%,45°平均误差为5.70%,随着拍摄角度的减小,平均误差略有增大,但均小于6%。非垂直角度下计算的覆盖度与垂直角度覆盖度呈显著地线性关系。【结论】采用本文方法可以提高非垂直拍摄获取作物覆盖度的精度。     

基于“互联网+”模式的水肥一体机智能终端设计

以水肥一体机灌溉过程为研究对象,对农业生产自动灌溉和施肥控制方式进行分析,采用“互联网+”模式建立水肥一体机智能控制终端系统。系统通过传感器进行土壤湿度和肥力采集,形成土壤墒情监测控制模块,并采用数据分析的方式进行传感数据分析处理,生成系统灌溉施肥控制指令。系统测试结果表明：水肥一体智能终端能够有效地进行数据采集与传输,在灌溉控制过程中水肥一体机自动生成的灌溉控制指令与计算结果相符,系统具有较高的可靠性。     

水肥耦合模式下沙颍河农业非点源污染模拟研究

【目的】通过研究不同水肥组合对农田氮磷污染负荷输出量的影响,确定最佳水肥耦合方案。【方法】使用验证后的SWAT模型,以2008—2015年为例,模拟计算了沙颍河流域农田非点源污染TN和TP负荷的时空分布特征,并综合考虑不同灌水和施肥量情景下污染物输出负荷的变化规律。【结果】通过对设置的16种情景下的氮磷负荷变化进行比较得出:污染负荷的削减率与施肥量的减少量呈正相关,且在S4模式下,污染负荷削减效果最佳;污染负荷的削减率与灌水的减少量呈负相关,且在S8模式下,污染负荷削减效果最佳;当同时耦合灌水和施肥时,总氮的削减趋势随着灌水施肥的降低有所减缓,总磷的削减趋势在不同情景下变化不同。【结论】施肥量和灌水量各减少30%或40%时,农业污染削减效果最好。     

地下滴灌条件下不同水肥处理对苜蓿生长和产量的影响

【目的】优化滴灌条件下苜蓿的水肥供应制度,提出节约、高效的水肥技术方案。【方法】以地下滴灌苜蓿为研究对象,进行水肥二因素完全随机试验,试验设置4个灌水水平(1 950、2 400、2 850、3 300 m3/hm~2)和3个施肥水平(225、285、345 kg/hm~2),探索了水肥交互作用对不同茬次苜蓿株高、茎叶比及干草产量的影响。【结果】对于同一茬次苜蓿,株高随灌水量和施肥量增加而增高且逐渐趋于稳定,其中灌水水平为主要影响因素。茎叶比随灌水量及施肥量增加均呈现先减小后增加趋势,其中灌水水平为主要影响因素,其次为水肥交互作用因素,最后为施肥水平因素。不同水肥处理下的干草产量总体上随灌水量及施肥量增加呈先上升后下降趋势,其中在灌水水平2 850 m3/hm~2、施肥水平285 kg/hm~2时产量最高,为20 989.75 kg/hm~2。水肥互作对干草产量影响显著,在低水、低肥处理下,增加施肥量(灌水量)的增产效应较小,而适度的水肥增产效应显著。【结论】本试验中,灌水水平2 850 m3/hm~2、施肥水平285 kg/hm~2组合为最优水肥供应方案。     

基于AGREE算法与BURN-IN算法的平原灌区DEM河网提取问题剖析

基于数字高程模型(DEM)的区域水系提取应用较为广泛,当提取对象为平原灌区时存在突出问题,如河道断裂、平行河道的出现以及末端支流的提取未果等造成的子流域划分结果与实际轨迹不符等现象,数字化河网的精确程度直接影响后续的区域水文分析,故该问题值得关注。【目的】优化DEM河网提取结果。【方法】基于Agree算法和Burn-in算法下的提取河网,并从浅表、DEM因子与河网提取的相关关系等方面进行原因分析,进一步提出解决方法。【结果】2种算法下平原灌区河网提取问题的主要原因是DEM离散误差、栅格像元值的真实程度、栅格像元的精度以及地表的无渗漏假设;提出的解决方法为栅格像元水平分辨率的提高与主河道断裂部分的栅格重计算。对于坡度范围为0°～10°的平原灌区,坡度对地表水流方向的形成影响较小,不具备影响河网提取问题的能力;栅格像元水平分辨率提高10 m×10 m时,平原灌区2种算法下数字河道提取首要问题成功解决;主河道断裂部分的栅格重计算虽成功提取原断裂部分河道,但有新的断裂部分生成,未从根本解决。【结论】Agree算法和Burn-in算法下的基于DEM的平原灌区河网提取问题,经一系列原因剖析和解决方法的提出与应用,提取结果较为满意,提倡学者能够结合2种方法思路作为解决类似平原灌区的提取数字河网出现的问题。     

黑土区坡耕地几种耕作措施水土保持效益研究

我国东北黑土区作为全国水土流失重点区域,其坡耕地的水土流失问题早已备受关注。【目的】采取保护性耕作措施可以大大降低坡耕地的水土流失强度,起到保水保肥的作用。【方法】在10°坡径流小区上,对比分析了黑土区不同耕作措施对坡耕地坡面产流、土壤侵蚀以及土壤养分的影响。【结果】竹节垄Ⅱ与横坡耕作相比,产流起始时间延长38 min,单次降雨径流量减少57.1%,产沙量减少51.9%;0～20 cm土层土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾平均质量分数分别提高5.89%、11.48%、16.54%、21.75%。【结论】在相同降雨条件下,横坡耕作、竹节垄Ⅰ、竹节垄Ⅱ较顺坡耕作均有不同程度的减流减沙作用,竹节垄Ⅱ效果最为明显。     

渐缩式比例施肥器的设计与试验

【目的】解决压差施肥罐施肥质量浓度随时间衰减的问题。【方法】采用在压力罐中设置可变形的肥袋,压力罐、肥袋与主管连接点中间设置减压阀的方法,研制了一种通过压力罐向管道注肥的渐缩式比例施肥器,实现了比例施肥。理论分析了其并联特性,在此基础上试制了样机,开展了性能试验,测试了4种管道工况下施肥质量浓度变化。【结果】可变形肥袋起到了水肥分隔、水肥等量置换作用,其水力系统为并联管道系统,当结构形式一定时,施肥比例是常数,其仅与2个支路管径以及局部损失系数有关,不受来水管道压力、流量变化影响,同一工况、不同时刻出水管道肥液质量浓度最大偏差为4.7%,来水管道工况变化时平均质量浓度最大偏差为3.5%,属于均匀施肥,施肥器的最大水头损失为0.47 m,施肥比例可在0～10%范围内调节。【结论】研制的渐缩式比例施肥具有施肥质量浓度稳定、水头损失小,适合各种管道压力的特点,可应用于设施农业喷灌、滴灌系统加药、施肥。     

插板式叶轮排肥器安装角度的优化与试验

为改进插板式叶轮排肥器的肥料填充性能,针对插板式叶轮排肥器的安装角度,采用离散元仿真技术进行了试验研究。以体积确定的叶轮槽轮单圈排肥量作为基准,在叶轮转速30r/min、开度40mm的条件下,对安转角度从0°~90°开展7组离散元仿真试验。结果表明:安装倾角为36.4°时,排肥器单圈排肥量与基准值一致,且在该角度±10°范围内均满足相对误差小于5%的施肥要求。在该安装角度下开展了3种肥料的验证试验,结果表明:安装角度为36.4°时,不同肥料单圈排肥量与开度呈线性关系,开度全调节范围内单圈排肥量线性回归的R 2为0.995以上,满足插板对工作长度调节的需求,与仿真结果基本吻合。本研究为插板式叶轮排肥器的设计优化提供了参考和理论依据。     

滴灌施肥下水氮供应对夏玉米产量、硝态氮和水氮利用效率的影响

【目的】寻找滴灌夏玉米最佳施氮量。【方法】本试验在测坑-防雨棚设施条件下进行,试验设置2个灌水定额,分别为50 mm(WH为充分灌溉)25 mm(WL为限水灌溉);4个氮肥水平,即0、90、180、270 kg/hm~2,分别以N0、N1、N2和N3表示。采用完全区组设计,共计8个处理,3次重复。研究了滴灌施肥条件下,灌水定额和氮肥互作对土壤水分消耗、NO3--N运移积累以及夏玉米产量和水氮利用效率的影响。【结果】灌水、氮肥及其交互作用均显著影响夏玉米地上部干物质量、籽粒产量和水氮利用效率。限水灌溉条件下,玉米拔节期—灌浆初期发生中轻度水分亏缺,对后期产量形成产生显著影响,但限水灌溉显著提高了土壤贮水的消耗量和水分利用效率。在2种灌溉水平下,施氮量与产量均成抛物线关系,充分灌溉条件下施氮量264.3 kg/hm~2时为转折点,限水灌溉条件下施氮量176.9 kg/hm2为转折点。充分灌溉条件下,随着施氮量的增加氮肥农学利用率呈增加趋势;但在限水灌溉条件下,随着施氮量的增加氮肥农学利用率表现出降低的趋势。随着施氮量增加,各土层土壤硝态氮量显著增加,且60～100 cm土层硝态氮累积所占比例增加。与充分灌溉相比,限水灌溉作物吸氮量降低,各生育期土壤中硝态氮残留增加。【结论】玉米产量对氮素的响应与供水量相关,水分亏缺下,产生最大产量需要的氮素用量随之降低。因此,生产中应根据土壤含水率调整施氮量,以实现最高产量和水肥利用效率。     

秸秆还田与氮肥运筹对水稻产量及氮素利用的影响

【目的】明确秸秆还田条件下水稻生产合理的氮肥运筹模式,为实现水稻可持续生产提供技术支撑。【方法】以水稻品种吉粳88为试验材料,采用裂区试验设计,主区为秸秆还田(S)和秸秆不还田(S0);副区为氮肥运筹处理,在总施纯氮量为200 kg/hm~2下,设置基肥、分蘖肥、穗肥质量比分别为7∶2∶1(N1)、6∶3∶1(N2)、5∶3∶2(N3)、4∶3∶3(N4)4种氮肥运筹比例,以不施氮肥为对照(CK),研究了秸秆还田与氮肥运筹对群体干物质积累量、水稻产量及产量构成因素及氮素利用效率的影响。【结果】秸秆还田结合适宜的氮肥运筹能够有效增加水稻产量。在秸秆还田条件下,随着基肥占总施氮量比例的降低,水稻产量呈现逐渐降低趋势,N1处理下水稻每穗粒数显著提高,增加有效穗数和结实率,提高水稻产量,且其产量最高比秸秆不还田条件下产量最高的N3处理高7.50%。在同一氮肥运筹模式下,秸秆还田处理水稻分蘖至拔节阶段的群体干物质积累量均低于不还田处理,拔节至抽穗阶段的群体干物质积累量均高于不还田处理,而在抽穗至成熟阶段,只有高基肥处理(N1、N2)的阶段干物质积累量高于不还田处理。在秸秆还田条件下,不同氮肥运筹间表现为随基肥占总施氮质量比例的降低,拔节至抽穗、抽穗至成熟阶段的群体干物质积累量呈逐渐降低趋势,N1处理水稻群体干物质积累量最高。秸秆还田处理的平均氮素积累总量高于秸秆不还田处理。在秸秆还田条件下,不同氮肥运筹间表现为随着基肥所占总施氮量比例的降低,氮肥利用效率呈逐渐降低趋势,N1处理氮肥表观利用率、农学利用率和偏生产力最高。【结论】在秸秆还田为8.0 t/hm~2条件下,氮肥运筹以基肥、蘖肥、穗肥质量比为7∶2∶1时能够有效增加各时期的干物质积累量,提高氮肥利用率及水稻产量,为最佳氮肥运筹比例。     

土壤水肥气热耦合对温室辣椒光合作用和产量的影响

【目的】探究日光温室条件下土壤水肥气热耦合对辣椒生长、光合与产量的影响规律。【方法】通过4因素3水平正交试验,利用极差分析和方差分析,研究了水肥气热影响主次顺序、显著性、各因素影响趋势及最优组合。【结果】4因素影响产量的顺序为灌水定额>施肥定额>溶解氧>地热管水温;灌水定额影响极显著,施肥定额影响显著,溶解氧和地热管水温影响不显著。综合水、肥、气、热4因素耦合对辣椒光合和产量的影响,这种组合模式下辣椒产量最高,达58 597.40 kg/hm^2。最优处理比对照CK增产45.17%。【结论】确定因素最优水平组合为:灌水定额210 m^3/hm^2、施肥定额75 kg/hm^2、溶解氧7.5 mg/L、地热管水温37℃,总灌水次数36次。     

河套灌区渠道水深对渠床土壤入渗特性的影响

【目的】探究渠道水深对渠床土壤入渗特性的影响及其变化规律。【方法】以河套灌区典型斗渠规模的渠道水深对渠床土壤入渗特性的影响为对象,采用水位下降静水法入渗试验,分析了渠道水深对累积入渗量、入渗率、渗漏强度的影响。【结果】(1)在同一渠道水深条件下,土壤累积入渗量随着渗漏用时的延长而增加;土壤入渗率和渠道渗漏强度均随渗漏用时逐渐减小并最终趋于稳定。(2)不同渠道水深条件下土壤累积入渗量、土壤入渗率和渠道渗漏强度均呈现出随水深的增加而增大的趋势。(3)在渠道水深作用下渠床土壤含水率动态分布受基质势梯度、土壤导水率及湿周的影响较大。【结论】渠道水深对渠床土壤入渗特性中的累积入渗量、入渗率、渗漏强度及渠床土壤含水率动态分布均有较大影响,且前三者均随水深的增加而呈现指数规律增大,并且在不同渠道水深的相近入渗特性下最优水深为70 cm。