农田土地激光平整技术应用及初步评价

平整土地是一项改进田间地面灌水质量的重要措施,作为世界上最先进的土地平整方式——激光平地技术已在欧美发达国家广泛应用。该文介绍了激光平地设备的构成和工作原理,在初步应用基础上,对激光平地效果、作业效率、平地成本等进行了分析评价。结果表明激光平地方法可以使田块平整精度指标达到小于２ｃｍ的水平,在目前华北平原井灌区内现有农田地面平整状况下,土地平整精度每改善１ｃｍ所需投入的直接平地费用约为８３ＲＭＢ元／ｈｍ^２。     

1PJY-3.0型综合激光平地机的研制

由于受土地平整机具自身缺陷和人工操作平整精度有限的制约，土地平整精度在达到一定程度后就无法继续提高。为此，设计了1PJY-3.0型综合激光平地机。该文介绍了该机的总体结构、工作原理、关键部件的设计以及试验效果。试验结果表明：该机作业后，方田面积达到0.5 hm²以上，平地精度≤±(1.5～2) cm，灌溉节水30%～45%，平整后的田块在灌水沉淀后即可进行机械插秧作业。     

激光平地乳芽直播节水效果的研究

我国水资源严重短缺，农业生态环境急剧恶化。农业是我国的用水大户，约占全国总用水量的72％；水稻生产又是农业生产中的用水大户，在东北地区平均每公顷用水7 500～9 000 m³。故此，研究水稻生产中的节约用水，保护生态环境和节本增效等问题，具有重要的经济和社会效益。该文利用自动控制理论，研究了激光平地机组的结构和工作原理；通过在辽阳市太子河区景尔屯村进行的20 hm²激光平地乳芽直播田间试验，对激光平地的作业效果和泡田过程中的节水、节地效果进行了试验研究，在测试泡田用水量的过程中，利用秒表、乒乓球等设备实时地测试了田块的进水口流量，实践证明此方法成本低，操作简单，测试结果准确可靠。结果表明，激光平地可节约泡田用水21.578％ ，节约土地 0.92％；乳芽直播可节约泡田用水25.888%。     

农田土地平整方法的组合应用及效果

采用修正平面法完成农田土地平整的工程设计,在常规平地方法和激光平地技术应用基础上对2种方法实施后的平地效果进行分析评价。激光平地精度随常规方法的平整程度下降而减小的趋势表明,激光精细平地的效应必须建立在良好的土地粗平基础上。在我国现有的常规平地机械设备条件下,粗平后地面平整精度达到4～5cm时,实施激光精平作业才能取得较好的平地效果     

激光控制平地方法的经济可行性分析

根据激光控制土地精平试验结果和不同田面平整精度处理下的田间畦灌对比试验数据,对激光控制平地成本费用和节水增产效果进行分析,完成激光控制平地方法的经济可行性分析。土地精平成本费用随田面平整绝对改善度的增加呈线性增长,节水增产效益随田面平整精度的提高明显增加。在激光精平效果3年持续期内,考虑激光控制平地设备折旧下的静态效益费用比值为1.8,动态下的相应比值为1.6。农田生产力提高带来的节水增产效益超过土地精平成本的事实表明,在我国现状条件下采用激光控制平地方法可以获得较好的收益回报。     

基于全球导航卫星系统的智能化精细平地系统优化与试验

农田土地精细平整是中国现代地面精细灌溉的重要基础,能提高农田灌溉均匀度,改良土壤水盐分布,控制杂草,达到节水增产的效果。应用GNSS(global navigation satellite system,全球导航卫星系统)技术进行土地精细平整具有不受天气影响、测量速度快、工作效率高等优点,具有广泛应用前景。该文结合中国土地平整的实际情况和前期的研究成果,开发了适合国内应用的GNSS控制平地系统,降低了研发的设备成本,优化完善了平地系统的功能。为减少分立设备数量,提高系统集成度,设计了集成控制终端,集成GNSS接收模块、差分电台模块、核心处理平台和阀控制模块,并设计了集成控制终端的外壳,通过可旋转调整支架固定在拖拉机驾驶室内,具有良好的防尘、降温和牢固等优点;为完善地形测量功能,增加了测量轨迹的实时显示,以及农田面积等地势信息的计算,便于指导后续平整作业;优化了基准设计,建立了坡面平整的数学模型,实现了任意坡度坡面平整。优化后的系统主要由集成控制终端、自主差分GNSS接收设备、液压系统以及平地铲运设备几部分构成;以Visual Studio2008为系统软件开发环境,GNSS精细平整集成软件能够实现农田地势测量、基准设计及平整作业等功能。该智能平地系统在中国农业大学上庄试验站进行了长时间平整实验,平面平整后最大高程差从20.9降到10.5 cm,高程标准差从10.6降到5.5 cm,平地误差小于5 cm的测点累积百分比从77%上升到90%左右,平整效果良好。坡面平整的坡度从0.239%降到0.120%,符合设计要求。结果表明,系统工作稳定可靠,作业精度满足土地精细平整要求,适用于在中国推广应用。     

水稻秧棚苗床精平机自动调平系统设计与试验

针对水稻棚室育秧环节中苗床平整地缺失高效作业机械的现状，结合寒区水稻标准化棚室育秧技术要求，该研究设计了一种自走式水稻秧棚苗床精平机机电液一体化的自动调平控制系统。调平系统以液压油泵及直流步进电机为动力端，融合机具作业的姿态角数据，利用自动控制策略实时驱动机电式横滚角调平机构及液力式俯仰角补偿装置进行调平作业，保证苗床平整度。采用Simulink模块对横滚角调平进行仿真，结果表明：横滚角调平时间为1.62 s，超调量为1.5%，具有良好的响应速度及精度。将自动调平控制系统嵌入1ZJP-2型苗床精平机进行田间试验，搭载自动调平系统的作业机具横滚角平均值为-1.88°，均方根误差为1.95°，平均绝对误差为1.88°；对照组作业机具横滚角平均值为-2.37°，均方根误差为2.43°，平均绝对误差为2.31°；俯仰角补偿碎土刮板油缸动作的 平均均方根误差为0.145 cm，试验结果表明自动调平系统效果良好，满足稳定控制要求。利用光学水准仪检验平地作业效果，应用自动调平控制作业后苗床高程最大平均标准差比作业前降低了1.05 cm；而无调平系统的苗床高程最大平均标准差降幅仅为0.325 cm，平地作业效率比普通作业方式提高了229%～500%，每平方米内地高程标准偏差S_d值较比常规作业方式降低了268%～384%。该系统提升了水稻棚室育秧苗床平地机械作业自动化程度。     

长江源区沱沱河流域1961-2011年径流特征及其对降水的滞后效应

[目的]分析51 a来长江源区沱沱河流域径流量在降水的年代、年代际、季节等时间尺度上的变化,以及径流对降水的滞后效应,为流域水资源管理和利用提供理论依据。[方法]利用1961-2011年长江源区沱沱河流域沱沱河水文站和气象站的径流量和降水数据,在此基础上结合累积距平、变差系数、集中度、集中期等统计方法开展分析研究。[结果]沱沱河流域51 a来年际及四季径流量均呈增加趋势,其中年际、春季、夏季增加显著,气候倾向率分别为1.00×10⁸ m³/10 a,6.00×10⁶ m³/10 a,6.30×10⁷ m³/10 a;径流量和降雨量主要集中在5-10月,尤其集中在7月下旬至8月中旬之间。径流量与降水之间存在极显著的相关性;径流对降水均具有滞后效应,多年平均滞后时间为10 d左右,且滞后天数随着时间的推移呈扩大趋势。[结论]近51 a来研究区径流量和降水量的变化趋势均呈增加趋势,径流对降水具有10 d左右的滞后效应。     

不同施肥条件下农田硝态氮迁移的试验研究

NO^-₃-N的淋失是旱地农田氮素损失的重要途径之一，也是引起地下水污染的一个主要原因。在黄土高原地区，夏玉米生长正逢雨季，是NO^-₃-N淋失的主要时期。该研究基于阻水层理论和黄土高原地区传统的垄作习惯，在手工模拟机具成垄压实施肥的基础上研究了该施肥法与传统的平地施肥、垄沟施肥(成垄不压实)条件下土壤NO^-₃-N的迁移动态，结果表明，在供水量相同条件下，由于平地和垄沟条件下水分分布的差异，导致平地土壤中的NO^-₃-N较垄沟耕作易于迁移。在生育前期，由于作物根系对NO^-₃-N的吸收和拦截，成垄压实与成垄不压实施肥对阻止NO^-₃-N随水下移差异不大；生育后期，当作物需肥量减小时，成垄压实施肥能够阻止NO^-₃-N向深层土壤迁移累积。玉米收获后，3种施肥方式下土壤NO^-₃-N迁移深度为平地(>60 cm)>垄沟施肥(>45 cm)>成垄压实施肥(＜35 cm)。     

敌草隆污染的土壤解毒试验

敌草隆为内吸传导型灭生性取代脲类除草剂,药效长,杀伤力强,通常用来防除旱地作物(如棉花)田间杂草^[1,2].然而当使用不当时,如气温、用量、施药方法、田地平整、施药时间不当等,容易对农作物造成危害,影响作物生长而且造成对土壤环境的污染¹⁾.     

水田激光平地机调平系统动力学建模

为实现基于动态过程模型的控制,提高平地机调平控制系统控制精度和稳定性,该文建立平地机调平系统动力学模型。水田激光平地机调平系统是一种典型的机械电控液压一体化结构,该文建立其从比例阀输入电流至平地铲水平倾角的动力学模型。首先根据平地机调平物理系统结构与工作原理,在简化和假定条件下,建立平地机调平系统受力分析图,以此分析和建立基于微分一代数方程的动力学模型,即DAE(differential—algebraic equations)模型。通过求解DAE模型,得出输入电流与输出平地铲角度的仿真结果,并用试验方法将仿真结果与实际结果对比来验证模型。结果表明该文提出的系统模型能较好地描述平地机调平系统动态响应。该文提出的研究方法不仅对不同机型的平地机机械设计与控制系统设计有指导意义,还对其他机电液一体的农机作业机械动力学建模与试验验证提供参考。     

农机具自动调平控制系统设计与试验

为了使农机具在田间作业时保持水平,该文设计了一种农机具自动调平控制系统。采用拖拉机横向倾角卡尔曼滤波算法融合加速度计和陀螺仪2个传感器数据获得拖拉机实时倾斜角度,直线位移传感器测量调平液压油缸伸长量并建立农机具和拖拉机的相对倾斜角度转换函数,通过控制电磁换向阀实现农机具水平控制。在三轴多功能转台上对拖拉机倾角实时测量算法进行了测试,并在田间对农机具自动调平系统进行了试验,结果表明,拖拉机横滚角传感系统能在动态条件下准确地测量拖拉机实时倾角,在转台上测量角度平均绝对误差≤0.15°,均方根误差≤0.18°,在水田激光平地机作业时测量角度平均绝对误差0.40°;自动调平控制系统能较好地实现平地铲调平控制,平地铲倾斜角度平均绝对误差0.52°,均方根误差0.24°,最大误差1.15°,相对于原水田激光平地机水平控制系统控制精度提高了0.5°。该研究为农机具水平自动调平提供了方法,能够提升农机具作业质量。     

Evaluation of precision land leveling and double zero-till systems in the rice–wheat rotation: Water use, productivity, profitability and soil physical properties

In recent years conventional production technologies in the rice–wheat (RW) system have been leading to deterioration of soil health and declining farm profitability due to high inputs of water and labour. Conservation agriculture (CA)-based resource-conserving technologies (RCTs) vis-à-vis zero-till (ZT), raised-bed planting and direct-seeded rice (DSR) have shown promise as alternatives to conventional production technologies to overcome these problems. The integration of CA-based RCTs with precision agriculture (PA)-based technologies in a systems perspective could provide a better option for sustainable RW production systems. In this study we attempted to evaluate conservation and precision agriculture (CPA)-based RCTs as a double-ZT system integrated with laser-assisted precision land leveling (PLL) in the RW system. A field experiment was conducted in the western IGP for 2 years to evaluate various tillage and crop establishment methods under PLL and traditional land leveling (TLL) practices to improve water productivity, economic profitability and soil physical quality. Irrespective of tillage and crop establishment methods (TCE), PLL improved RW system productivity by 7.4% in year 2 as compared to traditional land leveling. Total irrigation water savings under PLL versus TLL were 12–14% in rice and 10–13% in wheat. PLL improved RW system profitability by US$113 ha⁻¹ (year 1) to $175 ha⁻¹ (year 2). Yields were higher in conventionally transplanted rice followed by direct-drill-seeded rice after ZT. In wheat, yields were higher in ZT when followed by DSR than in the conventional-till (CT) system. RW system productivity under double ZT was equivalent to that of the conventional method. Among different TCE, conventional puddled-transplanted rice-CT wheat required 12–33% more water than other TCE techniques. Compared with CT systems, double ZT consumed 12–20% less water with almost equal system productivity and demonstrated higher water productivity. The CT system had higher bulk density and penetration resistance in 10–15 and 15–20 cm soil layers due to compaction caused by the repeated wet tillage in rice. The steady-state infiltration rate and soil aggregation (>0.25 mm) were higher under permanent beds and double ZT and lower in the CT system. Under CT, soil aggregation was static across seasons, whereas it improved under double no-till and permanent beds. Similarly, mean weight diameter of aggregates was higher under double ZT and permanent beds and increased over time. The study reveals that to sustain the RW system, CPA-based RCTs could be more viable options: however, the long-term effects of these alternative technologies need to be studied under varying agro-ecologies.     

果园升降平台自动调平控制系统设计与试验

为提高果园升降平台调平精度和稳定性,设计了一种自动调平控制系统。通过调平机构动力学分析,建立了调平控制系统数学模型;利用融合卡尔曼滤波的模糊PID控制电磁阀驱动油缸伸缩调整工作台姿态,实现其自动调平。对控制系统进行仿真,结果表明:模糊PID控制较PID控制性能好,峰值时间缩短47.82%,调节时间缩短48.10%,最大超调量减小52.78%,经卡尔曼滤波后控制误差降低44.57%;对系统响应时间和调平效果进行测试,结果表明:自动调平控制系统响应时间为0.078 s;在平台不升降和升降2种工况下,最大坡度满载下自动调平最大误差分别为1.08°和1.74°,调平精度相对原果园升降平台调平系统分别提高了1.69°和1.91°,较好的实现了工作台自动调平控制。该研究为农业机具调平控制提供参考。     

果园高位作业平台自动调平前馈PID控制方法

为提高果园高位作业平台自动调平控制系统性能,该研究基于已开发的果园高位作业平台调平机构,提出了前馈PID控制的自动调平控制方法。首先对果园高位作业平台自动调平控制系统进行动力学分析,建立被控对象数学模型。然后在数学模型的基础上设计前馈PID控制算法,并对控制系统进行仿真分析。仿真结果表明,前馈PID较传统PID的控制性能更优,系统上升时间缩短18%,调节时间缩短19%,稳态误差控制在0.6%以内。最后,搭建果园高位作业平台自动调平控制系统,并对调平系统进行静态与动态试验。试验结果表明：前馈PID控制的调平性能优于传统PID控制,静态调平中,前馈PID上升时间平均缩短20%,调节时间平均缩短30%,稳态误差控制在0.6%以内;动态调平中,果园高位作业平台以2 km/h的速度行驶于起伏较大的路面,工作台俯仰角绝对值差最大为2.99°,平均绝对误差为0.79°,均方差误差为0.58°,工作台倾角稳定在±3°以内,较好地实现了果园高位作业平台自动调平控制,满足果园作业需求。