简要信息

【获奖类型】中国水科院应用成果一等奖

【任务来源】科技部农业科技成果转化资金项目

【课题编号】节0109182007

【课题起止时间】2007年5月～2009年12月

【完成单位】中国水利水电科学研究院    西安理工大学

【主要完成人】刘  钰、蔡甲冰、张建丰、张宝忠、刘 君、晏克俊、刘国水、赵娜娜、赵永玲、王志林

立项背景

全球性水资源供需矛盾的加剧使世界各国都把节约农业用水作为农业发展的重要任务。随着对农业节水理论的研究不断深入和相关技术水平的逐渐提高，利用高新技术与传统技术相结合的方式已成为农业节水技术发展的必然趋势，农业节水技术正日益走向精准化和可控化，以便满足现代农业发展对灌溉系统应具有灵活、准确、快捷等特点的要求。

我国农业现代化和规模化进程的加快，使喷、微灌和先进的地面灌溉技术不仅在蔬菜、花卉、果树等高价值作物中得到普遍推广，还在大田作物中也得到广泛应用。农业的工业化和规模化生产对控制灌溉水平提出更高的要求，既要做到适时适量地供水以满足作物生长需求，保证农产品高产优质，又要在结合灌溉进行施肥、施药的过程中，达到保证生态环境安全的目标，还应基于作物水分状况、土壤墒情、气象和水资源信息，通过精量灌溉提高有限水资源的利用效率。农业的规模化生产和先进灌水技术的普遍推广，即对实施精量控制灌溉提出了迫切需求，也为这一技术的实施创造了条件。因此，在资源约束和环境保护战略驱动下，开展作物精量控制灌溉研究，对于发展我国的节水农业技术体系，促进有限水资源的高效利用，加速我国农业的规模化生产和现代化进程，都具有重要意义。

详细科学技术内容

本项目的总体目标是：对“十五”期间水科院承担的国家863项目研发的“智能化精量灌溉决策与控制系统”进行改进、完善和示范应用，提高精量控制灌溉技术的可靠性和实用性，降低成本；为该技术大面积推广应用提供中试和示范，提高示范区灌溉水利用效率，减少化肥流失造成的面源污染；推动我国灌区现代化管理水平和能力的提升。

本项目主要内容包括：

（1）完善智能化精量灌溉决策与控制软件（IPIC），增强其根据不同作物类型选择不同指标进行综合模糊灌溉决策的功能，增加作物养分和盐分分析模块，解决配套传感器数据采集中难以在线实时截取与处理的问题，增加通过互联网进行远程控制的功能，提高其通用性；

（2）设计开发与智能化精量灌溉决策软件配套的田间信息采集和灌溉控制系统，配置相关软、硬件设施，实现对田间数据的采集以及灌溉水源和电磁阀的自动控制；实现多功能网络式自动灌溉与管理；

（3）灌溉远程控制系统实现总线控制，使其降低成本并易于连接；

（4）形成一套完整、有效、适于大面积推广应用的智能化灌溉决策与控制系统，在示范区推广应用，达到节水、节能、增产、增效的目标。

预期达到的技术指标如下：

（1）完善灌溉控制器的质量和性能，采用成本较低且易于安装的RS-485总线直接连接；

（2）增加经济耐用的监测传感器，增加对应单指标和多指标综合决策模型；

（3）完善和构建适宜于多种作物的通用智能化灌溉模型与软件；

（4）建设总面积1000亩的示范区，节水30％以上，提高灌溉水利用效率达到20％以上；减少化肥流失10％以上，提高作物品质和产量10％以上。

主要成果及创新点

经过两年多的研究、开发和示范区建设，项目取得了以下主要成果：

（1）开发完善了智能化精量灌溉决策模型（IPIC v3.0）。该模型以作物需水信息诊断为基础，综合考虑土壤、作物和气象等环境因子的影响，开展基于单一指标的灌溉预报决策和基于多指标的模糊决策。通过增加在线实时获取作物冠气温差信息等一系列改进，增强了模型的功能，提高了灌溉预报的准确性和模型的通用性

（2）研发了作物水分信息采集与精量控制灌溉系统。该系统以智能化灌溉决策支持系统为实时灌溉决策中枢，实现了田间水分信息采集和灌溉的自动化远程控制。系统采用先进的总线控制方式，易于连接，运行稳定，并降低了成本。

（3）分别在新疆和北京建立了精量控制灌溉示范区，将研发的灌溉决策模型和控制系统用于不同气候条件和作物类型，取得了良好的应用效果。达到了节水、增产和减少化肥流失的目标。

本研究成果的主要创新点体现在：

（1）以作物需水信息诊断为基础、综合考虑土壤和气象等环境因子的影响，采用模糊逻辑和人工神经网络技术解决灌溉决策中的复杂、模糊、高度非线性问题，克服了常规确定性模型通用性差的缺陷，提高了灌溉决策的可靠性；

（2）研发的在线式作物冠气温差监测系统可实时、连续、全方位的监测作物冠气温差的变化，为作物的精量灌溉提供准确、精细的田间实测数据；

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

精量控制灌溉是现代农田节水灌溉的前沿技术，其核心是利用计算机智能化技术控制灌溉的适时适量，从而保证作物生长的最佳环境。实现作物精量灌溉的先决条件是对作物是否缺水进行科学合理的判断，在此基础上做出何时需要灌溉及灌多少水的决策和控制。作物精量控制灌溉技术研究主要包括两部分内容，一是作物缺水诊断技术和指标研究，二是灌溉决策和控制技术研究。在这两方面国内外已开展了大量研究工作，取得了一些研究成果。

用于监测和评估农田作物和土壤水分状况的指标主要有2种类型：土壤水分指标和作物生理生态指标。前者是根据对引起作物水分胁迫的环境因子测定来间接反映作物缺水状况，而后者则是直接借助作物自身的形态或生理要素变化来反映作物水分胁迫程度。土壤含水量是最常用的作物缺水诊断指标，长期以来，世界各国在灌溉管理上大多依据作物生长与土壤含水量的关系确定灌溉控制的土壤水分指标，这方面的相关研究成果很多，在指导农作物的科学灌溉中发挥了重要作用。但是，用土壤水分作为作物缺水诊断和灌溉控制指标也存在一些弊病，适宜的土壤含水量范围因不同作物、生长阶段和土壤条件等因素而存在差异，在不同土壤水分条件下，作物自身通过调节作用，体内可呈现出相似的水分状况；而同样的土壤水分状况下，若盐分或养分含量及组成不同，反映在作物株体上的水分与生理状况也会出现差异。因此，若只考虑土壤水分状况而忽略灌溉的直接对象即作物生理生态状况，则在作物缺水诊断上会存在片面性，为此，还应根据作物自身变化状况来确定是否需要灌溉。采用红外测温法可获得冠层表面温度变化资料，通过微气象观测方法（涡度相关法、波文比法等）或利用其他资料可估算获取农田蒸散量信息。在区域尺度范围内开展农田墒情监测时，农田蒸散量和遥测冠层表面温度指标的应用具有广阔的前景。本研究在灌溉控制指标的实时监测和综合决策方面取得了突破性进展。

精量控制灌溉技术兴起于上世纪80年代后期，是伴随着一些发达国家对精准农业技术的开发而兴起的。在精准农业技术开发过程中，从事作物栽培、土壤培肥、病虫草害防治及灌溉管理的农学家们注意到农田中作物生长环境和生长状况之间存在着明显的空间差异，从而提出了对作物进行实施定位管理和按需变量投入的思路。随着现代灌水技术的发展和“3S”技术在农业领域的广泛应用，精量灌溉控制技术广泛应用于生产实践已成为可能。近10年来，精量灌溉作为精准农业的重要组成部分，已成为灌溉科学研究的热点和新的农业科技革命的重要内容。目前，在国际上通用的灌溉制度软件有很多，但纵观现有国内外有关灌溉规划与管理方面的模型软件，存在的主要缺点是：（1）灌溉决策指标大多根据SPAC系统中的某个因素，如以土壤墒情为灌溉决策依据，而有些还仅仅只是时间控制，未依据多指标进行灌溉决策的综合考虑；（2）系统自动化程度还比较低，对软件的操作需要专业人员，实时性较差，很少能达到远距离监控的目的。虽然我国已从美国、以色列、荷兰等引进了一些与精量控制灌溉相关的模型和设备，但在已建成的节水灌溉示范区中，决大多数只引进了硬件，很少引进灌溉自动监控系统。由于进口的自动监控系统价格较高，不适合我国国情，致使相关的管理技术不能有效的发挥相应的作用，而本研究开发的智能化灌溉管理系统不仅可实现远程自动控制，还具有较强的实用性。

成果应用情况及社会经济效益

（1）经济效益

利用智能化灌溉决策与控制系统，不仅能够大幅度节省人力成本，而且同时采用的高效节水的滴灌方式，能够实现节水增产。本项目两个示范区采用滴灌和精量控制灌溉技术后，平均灌水量比常规灌溉减少了30％～35％，作物产量平均提高了15～18％，灌溉水利用效率平均提高22％～24％，作物品质也有明显改善。

（2）社会与生态效益

现代农业的施肥、施药等活动越来越多的是与灌溉相结合进行，甚至就直接通过灌溉系统进行。精量灌溉不仅是保证作物生育需水、获得优质、高产重要手段，而且是提高肥效和药效、减少环境污染的重要措施。过去相当长的时间内，许多灌区由于缺水，对排水重视不够，加之灌水技术落后，地下水位上升较快，导致土壤次生盐碱化，严重影响作物产量和土地利用，采用先进的灌区用水管理技术，可以提高用水效率，减少渗漏量和弃水量，对缓解地下水位上升，减轻土壤盐碱化具有十分重要的作用，有利于这些灌区的环境可持续发展。利用智能化灌溉决策与控制系统，可实现在灌溉的同时自动配比施肥，能够减少化肥流失10％以上，具有重要的社会与生态环境效益。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

成果转化方面存在以下问题：

（1） 精量控制灌溉是现代节水灌溉发展的前沿技术，一些核心或关键技术仍然属于农业工程领域的科学难题，如气象预报与灌溉预报的结合，依据多指标的灌溉决策，不同作物缺水诊断指标的合理阈值等，因此智能化灌溉决策模型的预报精度和可靠性还需在进一步研究中提高和完善。

（2）精量灌溉控制系统的控制精度依赖于采集到的田间水分信息数量和准确性，因此，测定土壤和作物水分状况的仪器质量和传感器数量对灌溉控制效果影响很大，传感器数量少代表性不够，数量多投资增加。目前精量控制灌溉系统仍大多应用于经济作物，在农田粮食作物的推广应用还需研究解决监测设备的成本问题。

针对上述问题提出以下建议：

（1）进一步开展相关研究，在精量控制灌溉应用模式上取得突破和创新；

（2）进一步加大项目的后期效益评估和宣传工作，让更多的灌区和农民认识到该技术先进性和实用性；

（3）进一步争取国家有关部门、当地有关部门对该成果转化项目后期拓展方面上的资金、人力及政策上的支持。

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