双季稻田智能灌溉系统应用效果初探

钱银飞，谢江，才硕，徐涛，万绍媛，邓海龙，彭春瑞∗

(1 江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所/农业部长江中下游作物生理生态与耕作重点实验室/国家红壤改良工程技术研究中心，江西 南昌 330200；2 江西省灌溉试验中心站，江西 南昌 330201)

水是最宝贵的资源之一，但水稻生产中水分利用率较低[1]。中国水稻常年种植面积占粮食作物总面积的30%，而其耗水量占全国总用水量的50%左右，占农业总用水量的70%。传统的淹水灌溉耗水量极大，达6 000～9 000 m3/hm2，浪费极其严重[2]。因此，发展水稻节水灌溉技术、实施科学的灌溉管理方式对保证我国粮食安全及农业可持续发展都具有重大意义。关于水稻节水灌溉技术，前人进行了大量研究，提出了诸如干湿交替灌溉[3]、间歇灌溉[4]、调亏灌溉[5]、非充分灌溉[6]等灌溉技术，大大提高了灌溉水的利用效率，但存在人工依赖性强，自动化、智能化程度不高、调控精准度差的问题，从而影响了操作效率和节水效果。随着科学技术水平的不断提高，灌溉设施和技术的不断完善，人们逐渐把生物学、人工智能、微电子、遥感、信息化、互联网＋等高新技术不断融合到节水灌溉技术中，形成了智能节水灌溉技术[7]，并得到了越来越多的应用[8－12]，其中，美国、以色列、澳大利亚等国的智能灌溉技术尤为突出。我国北方水稻集约化生产地区和长三角经济较发达地区的水稻智能灌溉也具有一定规模，并取得了很好的节水增产增效效果。但这些地区的水稻智能灌溉技术均以单季稻为主，而以南方双季稻为主的智能灌溉技术研发则相对落后。双季稻生长周期长，耗水量多，与单季稻比，存在独特的需水规律，因此有必要开展双季稻田智能灌溉系统的研究，以便根据双季稻生长发育所需水分特点，以及双季稻区的气候特性、土壤条件、天气预报等对稻田灌水进行智能控制，保证灌溉适时适量，用最少的水获得最大的收益，同时减少操作者的劳动强度，提高工作效率。为此，笔者在多年的双季稻需水规律研究基础上，开发了基于双季稻需水规律的双季稻田智能灌溉系统软件，并成功将其与现有的灌溉系统装备、灌溉渠道等有机结合，形成了一套双季稻田智能灌溉系统。该系统能够实时监测土壤水分、水层及气象数据并上传，快速反应并执行指标操作，控制水阀的关闭，基本实现双季稻田自动灌溉需求。为了明确其在双季稻上的应用效果，连续开展了4 年8季的生产应用实践，旨在探明该系统在双季稻种植上的应用效果，为其性能评价和推广应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用的双季稻田智能灌溉系统由手机或电脑APP(双季稻田智能灌溉系统V1.0，2017SR491568)、智能网关、无线电磁阀控制器、信息采集及输出设备、无线控制阀门、水泵等组成，通过与田间灌溉渠道有机结合实现智能化控制，具体运行流程见图1。信息采集装置(土壤水分采集器、田面无线水层雷达等)将实时监测的稻田水分和土壤墒情等灌溉状况反馈到手机或电脑APP，当稻田土壤水分达到APP 预先设定的下限值时，系统向操作用户发出警报，用户可以依据田间情况结合气象信息做出判断，开启电磁阀，打开水泵和闸门；当监测的土壤含水量及液位达到APP预设的灌水定额后，可以自动关闭电磁阀系统和阀门。试验水稻品种为早稻品种淦鑫203 与晚稻品种五丰优T025，均为超级稻品种，由江西农业大学育成并提供种子。

图1 双季稻田智能灌溉系统运行流程Fig.1 Operation flow of intelligent irrigation system for double－ cropping rice field

1.2 试验设计

本试验于2017—2020 年在江西省灌溉试验中心站进行。该站地处赣江下游、鄱阳湖畔，地理位置为东经116°4′～116°10′、北纬28°50′～29°3′，具有亚热带湿润气候特点，气候温和，雨量充沛，冬暖夏热，四季分明，年平均气温17.3 ℃，极端最高气温41.0 ℃，极端最低气温－8.5 ℃，活动积温5 760 ℃•d，年平均降水量1 609.8 mm，年平均日照时数1 800～1 900 h，无霜期279 d。试验田地势平缓，地力均匀。试验实施前土壤含有机质16.5 g/kg、全氮1.7 mg/kg、全磷0.5 mg/kg、全钾6.2 mg/kg、碱解氮174.0 mg/kg、有效磷16.4 mg/kg、速效钾64.0 mg/kg。2017—2020年早稻季降水量分别为505.5、513.3、394.5 和911.2 mm，晚稻季降水量分别为363.6、182.7、31.8和269.7 mm。

试验设置2 种灌溉模式处理，分别为智能灌溉模式(T1)和常规灌溉(T0)。T1 采用自主研发的“双季稻田智能灌溉系统V1.0”进行智能灌溉。水稻移栽—返青期设置水层上限20 mm、下限0 mm；分蘖期到80%够苗期设置水层上限30 mm、下限0 mm；80%够苗期到分蘖末期设置水层上限0 mm，下限为土壤含水率占土壤饱和含水率50%；分蘖末期到抽穗期设置水层上限30 mm、下限0 mm；抽穗期到收获前7 d 设置水层上限10 mm、下限为土壤含水率占土壤饱和含水率20%。当低于预定水分下限值时，打开阀门抽水灌溉，当达到预定水分上限值时，关闭阀门，停止灌溉。水层由田面水层遥测雷达实测，土壤含水率由田间土壤水分测定装置实测。T0 为移栽到收获前7 d 有水层灌溉:田面一直保持有水层状态，全生育期每次灌30～40 mm 水，在水落干前进行复水。保持土壤饱和含水率状态，收获前7 d 停水。每个处理设3 次重复。共计6 个小区，小区长20 m，宽5 m，面积100 m2。早稻施纯N 150 kg/hm2，晚稻施纯N 215 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O＝2∶1∶2。P、K 肥一次性基施，氮肥按照1∶1的比例分基肥和分蘖肥2 次施用。基肥在移栽前1 d 施用，分蘖肥在移栽后7 d 施用。栽插规格为13.3 cm×25.0 cm，每蔸2 苗。早稻于3 月30 日左右播种，4 月25日左右移栽；晚稻于6 月20 日左右播种，7 月25 日左右移栽。其他田间管理措施参照当地普通生产田管理。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量及其构成因素测定

收获前1～2 d，每小区选取100 穴水稻调查平均有效穗数，按照平均有效穗数选取有代表性的稻株5 蔸进行考种，测定每穗粒数、结实率、千粒质量；收获时按小区分开脱粒、扬净、干燥并测定质量，统计产量。

1.3.2 稻米品质测定

水稻脱粒后于室内储藏3 个月，待稻米理化性状稳定后，按照中华人民共和国国家标准«GB/T 17891—2017 优质稻谷»测定糙米率、精米率、整精米率、垩白率、垩白度、胶稠度等；采用瑞典FOSS 公司生产的1241 近红外快速品质分析仪测定蛋白质和直链淀粉含量。

1.3.3 水量平衡要素及计算

采用水量平衡法计算耗水量ET(mm)。计算公式为:

式中:Pr为有效降水量(mm)；I为灌水量(mm)；U为地下水补给量(mm)；R为径流量(mm)；D为深层渗漏量(mm)；ΔW为试验初期和末期0～100 cm 土壤水分变化量(mm)。由于稻田大部分土壤水分饱和，地下水位高，土壤水分变化小，因此水量平衡只考虑灌水、降水和径流流失。因此可将计算公式简化为:

式中:灌水量(I)根据灌水前后田间水表差值计算得出；排水量(R)通过水位测针观测稻田排水前后的田面水位差换算得出；降水量(Pr)由江西省灌溉试验中心站试验研究基地气象场获得。

根据产量和耗水量计算水分生产利用率。计算公式为:

1.3.4 氮磷排放量测定

于稻田排水期取水样，测定水中总氮和总磷含量。所采水样经普通滤纸过滤后，参照中华人民共和国国家标准«GB 11894—89»测定总氮含量；参照«GB 11893—89»测定总磷含量。每次总氮和总磷的含量乘以每次的排水量，累计相加得总氮和总磷的排放量。

1.4 数据处理

利用Excel 2016 进行数据统计和绘图；利用SPSS 22.0 进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式对双季稻产量及其产量构成的影响

4 年8 季的水稻产量结果见表1。与常规灌溉(T0)相比，智能灌溉处理(T1)早稻增产412.0～811.5 kg/hm2，平均增产532.4 kg/hm2，增产率6.4%～14.3%，平均增产率为9.2%；晚稻增产371.9～794.9 kg/hm2，平均增产641.3 kg/hm2，增产率为7.0%～10.4%，平均增产率达9.2%。除千粒质量外，灌溉方式对其他产量构成因素均有一定程度的影响。其中双季稻的有效穗数均表现为T1处理大于T0 处理，每穗粒数和结实率也大多表现为T1 处理大于T0 处理，偶有个别稻季T0 处理大于T1 处理，如2017 年早稻季的结实率和2017 年晚稻季的每穗粒数。表明T1 处理的灌溉方式有利于促进水稻分蘖成穗。

表1 不同年份不同灌溉处理水稻产量及其构成Table 1 Yield and composition of different irrigation treatments in different years

2.2 不同灌溉方式对双季稻稻米品质的影响

由表2 可见，与T0 处理相比，T1 处理能小幅提高稻米的加工品质(糙米率、精米率和整精米率)，还能减少直链淀粉含量和胶稠度，但差异未达到显著水平。垩白粒率和垩白度是衡量稻米外观品质的重要指标。本研究中，2018 年和2019 年晚稻季，T1处理稻米的垩白度显著低于T0(P<0.05)，其他年份和季别虽然差异不显著，但T1 处理的垩白粒率和垩白度均也均低于T0。

2.3 不同灌溉方式对双季稻水分利用效率的影响

由表3 可见，早稻季由于降雨较多，灌溉用水要少于晚稻季，水分生产利用率也明显低于晚稻季。与T0 处理相比，T1 处理早稻季减少灌水量717.5～1 430.0 m3/hm2，平均减少937.8 m3/hm2，减灌率为46.8%～90.8%，平均68.7%；晚稻季减少灌水量468.3～1 133.0 m3/hm2，平均减少737.3 m3/hm2，减灌率14.1%～22.8%，平均17.7%；排水量早稻季减少441.9～1 104.9 m3/hm2，平均减少937.4 m3/hm2；晚稻季减少0～436.1 m3/hm2，平均减少228.3 m3/hm2；水分生产利用率早稻季增加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 不同灌溉处理的水分利用情况Table 3 Water use status under different irrigation treatments

2.4 不同灌溉方式对双季稻总氮和总磷排放的影响

由表4 可见，除2019 年晚稻季由于降雨较少，且未有大的降雨，未能形成有效径流，导致氮磷排放量为0 外，其余稻季T1 处理的总氮和总磷排放量均显著低于T0 处理(P<0.05)。与T0 处理相比，早稻季T1 处理径流水中的总氮排放量减少了19.12～25.84 kg/hm2，平均减少22.55 kg/hm2，减排率为50.9%～84.7%，平均为66.2%；晚稻季总氮减排量为0～9.38 kg/hm2，平均减少4.8 kg/hm2，减排率47.3%～100%，平均68.9%。早稻季分别减少径流水中总磷排放量2.43～4.61 kg/hm2，平均减少3.51 kg/hm2，减排率44.5%～79.9%，平均61.0%；晚稻季减排0～2.34 kg/hm2，平均减排0.875 kg/hm2，减排率67.2%～100%，平均73.2%。

表4 不同灌溉处理的总氮和总磷排放情况Table 4 Total nitrogen and phosphorus emissions under different irrigation treatments kg•hm－2

3 讨论

水稻是沼生作物，需水量多，但并不是越多越好，和其他大田作物一样，要有良好的土壤通气条件才能健康生长[13]，本试验也证明了这一点。本试验中常规有水层灌溉处理由于一直处于淹水状态，土壤通透性不足，氧气供给不足，导致水稻生长状况不良，最终产量、品质等不及智能灌溉处理。国内外对智能灌溉也有不少研究报道。张伶鳦等[8]通过实时环境数据计算出农田蒸发蒸腾量和土壤渗透系数，建立土壤水分含量变化函数，预测何时需要灌溉，并根据调亏灌溉和模糊控制理论提出了寒地水稻智能灌溉策略，取得了较常规灌溉节水20.5%、增产8%和改善稻米品质的效果。鲁旭涛等[9]建立通信节点最优部署模型、作物耗水预测模型、降水预测模型、最优化灌溉决策模型以及基于模糊控制理论的精准灌溉决策系统，在江苏地区水稻田进行仿真灌溉试验，发现精准灌溉比非精准灌溉模式的灌溉量减少40.82%，排水量减少33.89%。Tyagi 等[10]和Sharma 等[11]分别在水分传感器和水泵等方面对智能灌溉系统的设备进行了优化。但目前以南方双季稻为主的智能灌溉技术研发则相对落后，基于南方双季稻田土壤水分和田面水层及气象预报等信息建立的智能灌溉系统更是匮乏。Chen 等[12]提出了一种基于短期天气预报的深度Q 学习(DQN)灌溉决策，与常规灌溉决策相比，DQN 灌溉利用了不必要灌溉的水源涵养，减少了灌溉水量和排水量，同时没有显著减产。本研究采用的是从水稻的需水规律出发，集稻田土壤水分环境和天气预报共同决策的智能灌溉系统。该系统可依据双季稻不同生育期需水规律来确定田间干、湿、晒、淹的时间和程度，既满足双季稻对田间水分的要求，又可使土壤有良好的透气性和充足的氧气，为双季稻生长发育创造良好条件，从而减少了双季稻无效分蘖的发生，改善双季稻群体通风透光环境，保障了双季稻养分的吸收与利用，从而提高成穗数量与质量，最终提高双季稻的产量和品质。同时本研究中所用的双季稻田智能灌溉系统按照双季稻不同生育时期的需水规律进行灌溉，从而最大限度地减少双季稻田土壤水分蒸发、淋溶和地表径流造成的损失，因此节水减排效果明显。同时本系统还能基于土壤水分和田面水层及气象预报等信息以及双季稻需水规律做出决策，用户可以随时观察到本地的天气动向，并利用本系统的灌溉技术进行决策。该系统操作简单，人机交互性好，易于推广应用。但仍有很多不足之处，如对传感器的精度和布点要求高，地势平坦田块应用效果好，地势不平田块应用效果差，过于依赖天气预报等问题，仍需进一步优化。

4 结论

4 年8 季的水稻生产应用表明，双季稻田智能灌溉系统能提高双季稻产量6.4%～14.3%，减少稻米中的垩白，改善稻米品质，同时还能大幅减少灌水量和排水量，提高水分利用效率0.07～0.59 kg/m3，减少径流水中总氮排放47.3%～100%，减少径流水中总磷排放44.5%～100%，经济效益、生态效益和社会效益显著，值得推广应用。