雙季稻田智能灌溉系統應用效果初探

錢銀飛，謝江，才碩，徐濤，萬紹媛，鄧海龍，彭春瑞?

(1 江西省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所/農業部長江中下游作物生理生態與耕作重點實驗室/國家紅壤改良工程技術研究中心，江西 南昌 330200；2 江西省灌溉試驗中心站，江西 南昌 330201)

水是最寶貴的資源之一，但水稻生產中水分利用率較低[1]。中國水稻常年種植面積占糧食作物總面積的30%，而其耗水量占全國總用水量的50%左右，占農業總用水量的70%。傳統的淹水灌溉耗水量極大，達6 000～9 000 m3/hm2，浪費極其嚴重[2]。因此，發展水稻節水灌溉技術、實施科學的灌溉管理方式對保證我國糧食安全及農業可持續發展都具有重大意義。關于水稻節水灌溉技術，前人進行了大量研究，提出了諸如干濕交替灌溉[3]、間歇灌溉[4]、調虧灌溉[5]、非充分灌溉[6]等灌溉技術，大大提高了灌溉水的利用效率，但存在人工依賴性強，自動化、智能化程度不高、調控精準度差的問題，從而影響了操作效率和節水效果。隨著科學技術水平的不斷提高，灌溉設施和技術的不斷完善，人們逐漸把生物學、人工智能、微電子、遙感、信息化、互聯網＋等高新技術不斷融合到節水灌溉技術中，形成了智能節水灌溉技術[7]，并得到了越來越多的應用[8－12]，其中，美國、以色列、澳大利亞等國的智能灌溉技術尤為突出。我國北方水稻集約化生產地區和長三角經濟較發達地區的水稻智能灌溉也具有一定規模，并取得了很好的節水增產增效效果。但這些地區的水稻智能灌溉技術均以單季稻為主，而以南方雙季稻為主的智能灌溉技術研發則相對落后。雙季稻生長周期長，耗水量多，與單季稻比，存在獨特的需水規律，因此有必要開展雙季稻田智能灌溉系統的研究，以便根據雙季稻生長發育所需水分特點，以及雙季稻區的氣候特性、土壤條件、天氣預報等對稻田灌水進行智能控制，保證灌溉適時適量，用最少的水獲得最大的收益，同時減少操作者的勞動強度，提高工作效率。為此，筆者在多年的雙季稻需水規律研究基礎上，開發了基于雙季稻需水規律的雙季稻田智能灌溉系統軟件，并成功將其與現有的灌溉系統裝備、灌溉渠道等有機結合，形成了一套雙季稻田智能灌溉系統。該系統能夠實時監測土壤水分、水層及氣象數據并上傳，快速反應并執行指標操作，控制水閥的關閉，基本實現雙季稻田自動灌溉需求。為了明確其在雙季稻上的應用效果，連續開展了4 年8季的生產應用實踐，旨在探明該系統在雙季稻種植上的應用效果，為其性能評價和推廣應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用的雙季稻田智能灌溉系統由手機或電腦APP(雙季稻田智能灌溉系統V1.0，2017SR491568)、智能網關、無線電磁閥控制器、信息采集及輸出設備、無線控制閥門、水泵等組成，通過與田間灌溉渠道有機結合實現智能化控制，具體運行流程見圖1。信息采集裝置(土壤水分采集器、田面無線水層雷達等)將實時監測的稻田水分和土壤墑情等灌溉狀況反饋到手機或電腦APP，當稻田土壤水分達到APP 預先設定的下限值時，系統向操作用戶發出警報，用戶可以依據田間情況結合氣象信息做出判斷，開啟電磁閥，打開水泵和閘門；當監測的土壤含水量及液位達到APP預設的灌水定額后，可以自動關閉電磁閥系統和閥門。試驗水稻品種為早稻品種淦鑫203 與晚稻品種五豐優T025，均為超級稻品種，由江西農業大學育成并提供種子。

圖1 雙季稻田智能灌溉系統運行流程Fig.1 Operation flow of intelligent irrigation system for double－ cropping rice field

1.2 試驗設計

本試驗于2017—2020 年在江西省灌溉試驗中心站進行。該站地處贛江下游、鄱陽湖畔，地理位置為東經116°4′～116°10′、北緯28°50′～29°3′，具有亞熱帶濕潤氣候特點，氣候溫和，雨量充沛，冬暖夏熱，四季分明，年平均氣溫17.3 ℃，極端最高氣溫41.0 ℃，極端最低氣溫－8.5 ℃，活動積溫5 760 ℃?d，年平均降水量1 609.8 mm，年平均日照時數1 800～1 900 h，無霜期279 d。試驗田地勢平緩，地力均勻。試驗實施前土壤含有機質16.5 g/kg、全氮1.7 mg/kg、全磷0.5 mg/kg、全鉀6.2 mg/kg、堿解氮174.0 mg/kg、有效磷16.4 mg/kg、速效鉀64.0 mg/kg。2017—2020年早稻季降水量分別為505.5、513.3、394.5 和911.2 mm，晚稻季降水量分別為363.6、182.7、31.8和269.7 mm。

試驗設置2 種灌溉模式處理，分別為智能灌溉模式(T1)和常規灌溉(T0)。T1 采用自主研發的“雙季稻田智能灌溉系統V1.0”進行智能灌溉。水稻移栽—返青期設置水層上限20 mm、下限0 mm；分蘗期到80%夠苗期設置水層上限30 mm、下限0 mm；80%夠苗期到分蘗末期設置水層上限0 mm，下限為土壤含水率占土壤飽和含水率50%；分蘗末期到抽穗期設置水層上限30 mm、下限0 mm；抽穗期到收獲前7 d 設置水層上限10 mm、下限為土壤含水率占土壤飽和含水率20%。當低于預定水分下限值時，打開閥門抽水灌溉，當達到預定水分上限值時，關閉閥門，停止灌溉。水層由田面水層遙測雷達實測，土壤含水率由田間土壤水分測定裝置實測。T0 為移栽到收獲前7 d 有水層灌溉:田面一直保持有水層狀態，全生育期每次灌30～40 mm 水，在水落干前進行復水。保持土壤飽和含水率狀態，收獲前7 d 停水。每個處理設3 次重復。共計6 個小區，小區長20 m，寬5 m，面積100 m2。早稻施純N 150 kg/hm2，晚稻施純N 215 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O＝2∶1∶2。P、K 肥一次性基施，氮肥按照1∶1的比例分基肥和分蘗肥2 次施用?；试谝圃郧? d 施用，分蘗肥在移栽后7 d 施用。栽插規格為13.3 cm×25.0 cm，每蔸2 苗。早稻于3 月30 日左右播種，4 月25日左右移栽；晚稻于6 月20 日左右播種，7 月25 日左右移栽。其他田間管理措施參照當地普通生產田管理。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產量及其構成因素測定

收獲前1～2 d，每小區選取100 穴水稻調查平均有效穗數，按照平均有效穗數選取有代表性的稻株5 蔸進行考種，測定每穗粒數、結實率、千粒質量；收獲時按小區分開脫粒、揚凈、干燥并測定質量，統計產量。

1.3.2 稻米品質測定

水稻脫粒后于室內儲藏3 個月，待稻米理化性狀穩定后，按照中華人民共和國國家標準?GB/T 17891—2017 優質稻谷?測定糙米率、精米率、整精米率、堊白率、堊白度、膠稠度等；采用瑞典FOSS 公司生產的1241 近紅外快速品質分析儀測定蛋白質和直鏈淀粉含量。

1.3.3 水量平衡要素及計算

采用水量平衡法計算耗水量ET(mm)。計算公式為:

式中:Pr為有效降水量(mm)；I為灌水量(mm)；U為地下水補給量(mm)；R為徑流量(mm)；D為深層滲漏量(mm)；ΔW為試驗初期和末期0～100 cm 土壤水分變化量(mm)。由于稻田大部分土壤水分飽和，地下水位高，土壤水分變化小，因此水量平衡只考慮灌水、降水和徑流流失。因此可將計算公式簡化為:

式中:灌水量(I)根據灌水前后田間水表差值計算得出；排水量(R)通過水位測針觀測稻田排水前后的田面水位差換算得出；降水量(Pr)由江西省灌溉試驗中心站試驗研究基地氣象場獲得。

根據產量和耗水量計算水分生產利用率。計算公式為:

1.3.4 氮磷排放量測定

于稻田排水期取水樣，測定水中總氮和總磷含量。所采水樣經普通濾紙過濾后，參照中華人民共和國國家標準?GB 11894—89?測定總氮含量；參照?GB 11893—89?測定總磷含量。每次總氮和總磷的含量乘以每次的排水量，累計相加得總氮和總磷的排放量。

1.4 數據處理

利用Excel 2016 進行數據統計和繪圖；利用SPSS 22.0 進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉方式對雙季稻產量及其產量構成的影響

4 年8 季的水稻產量結果見表1。與常規灌溉(T0)相比，智能灌溉處理(T1)早稻增產412.0～811.5 kg/hm2，平均增產532.4 kg/hm2，增產率6.4%～14.3%，平均增產率為9.2%；晚稻增產371.9～794.9 kg/hm2，平均增產641.3 kg/hm2，增產率為7.0%～10.4%，平均增產率達9.2%。除千粒質量外，灌溉方式對其他產量構成因素均有一定程度的影響。其中雙季稻的有效穗數均表現為T1處理大于T0 處理，每穗粒數和結實率也大多表現為T1 處理大于T0 處理，偶有個別稻季T0 處理大于T1 處理，如2017 年早稻季的結實率和2017 年晚稻季的每穗粒數。表明T1 處理的灌溉方式有利于促進水稻分蘗成穗。

表1 不同年份不同灌溉處理水稻產量及其構成Table 1 Yield and composition of different irrigation treatments in different years

2.2 不同灌溉方式對雙季稻稻米品質的影響

由表2 可見，與T0 處理相比，T1 處理能小幅提高稻米的加工品質(糙米率、精米率和整精米率)，還能減少直鏈淀粉含量和膠稠度，但差異未達到顯著水平。堊白粒率和堊白度是衡量稻米外觀品質的重要指標。本研究中，2018 年和2019 年晚稻季，T1處理稻米的堊白度顯著低于T0(P<0.05)，其他年份和季別雖然差異不顯著，但T1 處理的堊白粒率和堊白度均也均低于T0。

2.3 不同灌溉方式對雙季稻水分利用效率的影響

由表3 可見，早稻季由于降雨較多，灌溉用水要少于晚稻季，水分生產利用率也明顯低于晚稻季。與T0 處理相比，T1 處理早稻季減少灌水量717.5～1 430.0 m3/hm2，平均減少937.8 m3/hm2，減灌率為46.8%～90.8%，平均68.7%；晚稻季減少灌水量468.3～1 133.0 m3/hm2，平均減少737.3 m3/hm2，減灌率14.1%～22.8%，平均17.7%；排水量早稻季減少441.9～1 104.9 m3/hm2，平均減少937.4 m3/hm2；晚稻季減少0～436.1 m3/hm2，平均減少228.3 m3/hm2；水分生產利用率早稻季增加0.07～0.24 kg/m3，平均增加0.14 kg/m3；晚稻季增加0.15～0.59 kg/m3，平均增加0.28 kg/m3。

表3 不同灌溉處理的水分利用情況Table 3 Water use status under different irrigation treatments

2.4 不同灌溉方式對雙季稻總氮和總磷排放的影響

由表4 可見，除2019 年晚稻季由于降雨較少，且未有大的降雨，未能形成有效徑流，導致氮磷排放量為0 外，其余稻季T1 處理的總氮和總磷排放量均顯著低于T0 處理(P<0.05)。與T0 處理相比，早稻季T1 處理徑流水中的總氮排放量減少了19.12～25.84 kg/hm2，平均減少22.55 kg/hm2，減排率為50.9%～84.7%，平均為66.2%；晚稻季總氮減排量為0～9.38 kg/hm2，平均減少4.8 kg/hm2，減排率47.3%～100%，平均68.9%。早稻季分別減少徑流水中總磷排放量2.43～4.61 kg/hm2，平均減少3.51 kg/hm2，減排率44.5%～79.9%，平均61.0%；晚稻季減排0～2.34 kg/hm2，平均減排0.875 kg/hm2，減排率67.2%～100%，平均73.2%。

表4 不同灌溉處理的總氮和總磷排放情況Table 4 Total nitrogen and phosphorus emissions under different irrigation treatments kg?hm－2

3 討論

水稻是沼生作物，需水量多，但并不是越多越好，和其他大田作物一樣，要有良好的土壤通氣條件才能健康生長[13]，本試驗也證明了這一點。本試驗中常規有水層灌溉處理由于一直處于淹水狀態，土壤通透性不足，氧氣供給不足，導致水稻生長狀況不良，最終產量、品質等不及智能灌溉處理。國內外對智能灌溉也有不少研究報道。張伶鳦等[8]通過實時環境數據計算出農田蒸發蒸騰量和土壤滲透系數，建立土壤水分含量變化函數，預測何時需要灌溉，并根據調虧灌溉和模糊控制理論提出了寒地水稻智能灌溉策略，取得了較常規灌溉節水20.5%、增產8%和改善稻米品質的效果。魯旭濤等[9]建立通信節點最優部署模型、作物耗水預測模型、降水預測模型、最優化灌溉決策模型以及基于模糊控制理論的精準灌溉決策系統，在江蘇地區水稻田進行仿真灌溉試驗，發現精準灌溉比非精準灌溉模式的灌溉量減少40.82%，排水量減少33.89%。Tyagi 等[10]和Sharma 等[11]分別在水分傳感器和水泵等方面對智能灌溉系統的設備進行了優化。但目前以南方雙季稻為主的智能灌溉技術研發則相對落后，基于南方雙季稻田土壤水分和田面水層及氣象預報等信息建立的智能灌溉系統更是匱乏。Chen 等[12]提出了一種基于短期天氣預報的深度Q 學習(DQN)灌溉決策，與常規灌溉決策相比，DQN 灌溉利用了不必要灌溉的水源涵養，減少了灌溉水量和排水量，同時沒有顯著減產。本研究采用的是從水稻的需水規律出發，集稻田土壤水分環境和天氣預報共同決策的智能灌溉系統。該系統可依據雙季稻不同生育期需水規律來確定田間干、濕、曬、淹的時間和程度，既滿足雙季稻對田間水分的要求，又可使土壤有良好的透氣性和充足的氧氣，為雙季稻生長發育創造良好條件，從而減少了雙季稻無效分蘗的發生，改善雙季稻群體通風透光環境，保障了雙季稻養分的吸收與利用，從而提高成穗數量與質量，最終提高雙季稻的產量和品質。同時本研究中所用的雙季稻田智能灌溉系統按照雙季稻不同生育時期的需水規律進行灌溉，從而最大限度地減少雙季稻田土壤水分蒸發、淋溶和地表徑流造成的損失，因此節水減排效果明顯。同時本系統還能基于土壤水分和田面水層及氣象預報等信息以及雙季稻需水規律做出決策，用戶可以隨時觀察到本地的天氣動向，并利用本系統的灌溉技術進行決策。該系統操作簡單，人機交互性好，易于推廣應用。但仍有很多不足之處，如對傳感器的精度和布點要求高，地勢平坦田塊應用效果好，地勢不平田塊應用效果差，過于依賴天氣預報等問題，仍需進一步優化。

4 結論

4 年8 季的水稻生產應用表明，雙季稻田智能灌溉系統能提高雙季稻產量6.4%～14.3%，減少稻米中的堊白，改善稻米品質，同時還能大幅減少灌水量和排水量，提高水分利用效率0.07～0.59 kg/m3，減少徑流水中總氮排放47.3%～100%，減少徑流水中總磷排放44.5%～100%，經濟效益、生態效益和社會效益顯著，值得推廣應用。