太倉市農(nóng)田環(huán)境要素在線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用

李 梅 左其東 沈文忠 張緒美 胡青青 楊小麗 趙偉榮

（1江蘇省太倉市土壤肥料站 215400；2江蘇省太倉市氣象局 215400）

農(nóng)田環(huán)境要素在線監(jiān)測系統(tǒng)主要是由土壤環(huán)境因子和地面氣象因子相關(guān)的傳感器集成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確掌握地面氣象要素和土壤墑情等數(shù)據(jù)，如能全面、真實(shí)地監(jiān)測作物生長發(fā)育期內(nèi)的土壤水分盈虧，從而能確定合理的灌水時(shí)間和灌水量，對做出科學(xué)的灌溉決策具有重要意義[1]，從而達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)本增收的目的。2017年江蘇省太倉市通過構(gòu)建農(nóng)田環(huán)境要素在線監(jiān)測系統(tǒng)，對當(dāng)?shù)氐孛鏆庀笠睾屯寥缐勄榈葦?shù)據(jù)進(jìn)行收集，并在此基礎(chǔ)上分析了當(dāng)?shù)剞r(nóng)田環(huán)境要素的變化規(guī)律，以期為科學(xué)安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

農(nóng)田環(huán)境要素在線監(jiān)測點(diǎn)位于江蘇省太倉市城廂鎮(zhèn)東林村合作農(nóng)場內(nèi)（北緯31°31′30″，東經(jīng)121°5'6″），海拔高度接近海平面。該地區(qū)主要土壤類型為沙夾垅，耕作方式為稻麥輪作。在該區(qū)域布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)可反映周邊2 040 hm2農(nóng)田的土壤墑情和氣象條件變化情況。

1.2 監(jiān)測平臺(tái)設(shè)置

農(nóng)田環(huán)境要素在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要監(jiān)測內(nèi)容包括空氣溫度、空氣相對濕度、降雨量等地面氣象要素，以及土壤溫度、土壤含水量等土壤墑情狀況，具體的平臺(tái)設(shè)置主要參考沈文忠于2015年構(gòu)建的太倉市物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)[2-3]。

1.2.1 地面氣象要素監(jiān)測

農(nóng)田環(huán)境要素在線監(jiān)測系統(tǒng)主要利用小型氣象站進(jìn)行地面氣象要素監(jiān)測。該小型氣象站由氣象傳感器（主要監(jiān)測空氣溫度及相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等）、翻斗式雨量桶、多通道數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)傳輸線和計(jì)算機(jī)5個(gè)部分組成，并安裝于監(jiān)測點(diǎn)附近平坦、開闊的地面上，設(shè)備的架設(shè)、使用與維護(hù)參照《地面氣象觀測規(guī)范》進(jìn)行操作。測定的氣象數(shù)據(jù)經(jīng)多通道數(shù)據(jù)采集器導(dǎo)入計(jì)算機(jī)整理并儲(chǔ)存。

1.2.2 土壤墑情監(jiān)測

土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)主要由土壤水分傳感器、數(shù)據(jù)傳輸線、多通道數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)4個(gè)部分組成。在設(shè)定的監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)4個(gè)土壤墑情傳感器，分別監(jiān)測土層深度20、40、60、80 cm處的土壤溫度和土壤含水量。各傳感器與多通道數(shù)據(jù)采集器連接，測定的數(shù)據(jù)會(huì)通過傳輸線傳輸?shù)蕉嗤ǖ罃?shù)據(jù)采集器，然后導(dǎo)入計(jì)算機(jī)整理并儲(chǔ)存。

1.3 數(shù)據(jù)分析處理

地面氣象要素和土壤墑情的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)出，并利用Microsoft Excel 2010進(jìn)行整理，再利用Matlab R2014a進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨量

自然降水是土壤水分的主要來源，因此降雨量是土壤墑情變化的決定因素。由圖1可知，2017年太倉市降雨日共有144 d，總降雨量達(dá)843 mm，單日最高降雨量達(dá)105.2 mm。太倉市全年主要降雨時(shí)間集中在春夏秋三季，其中6月—9月降雨較多，除7月外，6月、8月、9月的降雨量均超過100 mm，其中9月降雨量達(dá)254.21 mm。

圖1 2017年太倉市降雨量分析

2.2 土壤溫度和空氣溫度

由圖2可知，各土層土壤溫度與空氣溫度之間的差異不大，1月—6月監(jiān)測點(diǎn)的土壤溫度和空氣溫度總體呈逐漸上升趨勢，至7月中下旬土壤溫度和空氣溫度均開始下降。監(jiān)測點(diǎn)全年各土層的土壤溫度均在5 ℃以上，冬季土壤溫度降低，夏季土壤溫度有所升高；空氣溫度除在3月前及12月后偶有低于0 ℃的情況出現(xiàn)，其余時(shí)間均在0 ℃以上，其中日平均氣溫≥10 ℃的天數(shù)有245 d，≥10 ℃的積溫約5 122.38 ℃。比較各土層的土壤溫度可發(fā)現(xiàn)，土層越深土壤溫度越高且變化越小。另外，土壤溫度隨空氣溫度的變化而變化，但土壤溫度變化有明顯的滯后性，且土層越深，滯后性越明顯。

圖2 2017年監(jiān)測點(diǎn)土壤溫度和空氣溫度的變化

2.3 土壤含水量

由圖3可知，1月下旬、4月上中旬、6月—10月、11月下旬至12月上旬，監(jiān)測點(diǎn)的土壤含水量均維持在較高的水平，同時(shí)這些時(shí)段內(nèi)的土壤含水量變化較小，數(shù)值穩(wěn)定。太倉市水稻種植一般于5月—6月進(jìn)行土壤耕翻曬垡，導(dǎo)致這期間各土層土壤含水量明顯較低，尤其是表層土壤含水量下降至近10%，而深層土壤含水量則維持在較高水平（土層深度80 cm的土壤含水量達(dá)40%左右）。6月初水稻播種，播前1～15 d需對秧田進(jìn)行耕翻曬垡，播前2～3 d需對秧田進(jìn)行整平整細(xì)，并多次放水耙平大田，此期間各土層土壤含水量迅速升高，達(dá)40%～50%。6月—11月水稻種植，此期間各土層土壤含水量變化不大，且隨土層深度的增加，土壤含水量明顯增大。11月水稻收獲至翌年5月種植小麥，此期間土層深度80 cm的土壤含水量仍維持在40%左右，而土層深度60 cm以上的土壤含水量則降至30%左右。

圖3 2017年監(jiān)測點(diǎn)土壤含水量變化

3 小結(jié)與討論

2017年太倉市構(gòu)建了農(nóng)田環(huán)境要素在線監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測結(jié)果表明，2017年太倉市全年總降雨量約843 mm，單日最高降雨量達(dá)105.2 mm，日平均氣溫≥10 ℃的天數(shù)有245 d，≥10 ℃的積溫約5 122.38 ℃；全年各土層土壤溫度均在5 ℃以上，且土層越深土壤溫度越高變化越小；在水稻種植期間，土壤含水量達(dá)40%～50%，且隨土層深度的增加土壤含水量明顯增大。

利用農(nóng)田環(huán)境要素在線監(jiān)測系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地獲取農(nóng)田土壤墑情信息，能科學(xué)地指導(dǎo)農(nóng)田灌溉，確定合理的灌水時(shí)間和灌水量，從而提高水資源利用效率[4]，同時(shí)也能準(zhǔn)確地掌握相關(guān)地面氣象要素信息，從而能提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收。從2017年太倉市應(yīng)用農(nóng)田環(huán)境要素在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)果來看，應(yīng)用農(nóng)田環(huán)境要素在線監(jiān)測系統(tǒng)后，每667 m2可節(jié)本增效約50元，若推廣覆蓋全市1×104hm2的農(nóng)田，可節(jié)本增效750萬元。因此，可推廣該系統(tǒng)在全市其他地區(qū)應(yīng)用。