基于蒸散量的宁夏半干旱区枸杞高效节水智能灌溉决策研究

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枸杞是宁夏支柱性区域特色农业的代表,总种植面积占全国33%,出口量占全国90%。针对当前以单一指标和经验为主的枸杞智能灌溉管理问题,本研究在现代化节水农业发展的背景下,结合人工智能、物联网技术与灌溉技术,构建了宁夏中部干旱区枸杞智能、精准的高效节水灌溉方案,期望能够加快推动枸杞种植实现高效节水的智能农业新模式。主要研究工作和结论如下:(1)2018~2020年在宁夏中部干旱区同心县润德枸杞种植庄园开展了枸杞高效节水田间试验。以当地常规水肥管理为对照(CK),灌水量以参考作物蒸散量(ET0)为基础,设计三个灌水量:65%ET0、85%ET0和105%ET0,施肥处理按枸杞种植庄园的种植规范进行,共计3个处理。结果表明,85%ET0处理下枸杞的生长、生理指标、产量和品质均为最优,3年枸杞干果产量的最大值分别为2456.22、2367.52和2592.4 kg/hm2;水分利用效率的最大值分别为0.63、0.55、0.68 kg/m3;枸杞果实品质达到特优等级,其他水分处理的果实品质达到特级水平。(2)根据3年田间试验数据的模拟分析,推荐采用Jenson模型模拟不同生育期枸杞水分-产量关系,建立了枸杞水分-产量模型;采用层次分析法和熵权法相融合的综合评价方法对枸杞各品质指标进行综合评价,优选出粒度、总糖和百粒重3项指标代表枸杞品质,建立了枸杞水分-品质模型。(3)结合宁夏中部干旱区3个典型气象站点2006~2018年的逐日气象数据,建立并验证了以最高气温、最低气温和日照时长为输入的基于混合双向长短时网络(Bi-LSTM)的参考蒸散量预测模型在该地区的适用性和准确性。同时,根据田间试验数据推求出枸杞作物系数,利用单作物系数法构建了枸杞需水量预测模型。验证结果显示,整个生育期的预测需水量与实测需水量的平均误差为11.53 mm,较实测值高了 2.69%,达到了为枸杞智能灌溉决策系统制定准确灌溉计划的精度要求。(4)根据不同种植目标,建立了枸杞水分-产量灌溉优化决策模型和枸杞水-产-品多目标灌溉优化决策模型。根据实际应用,设计了二次判断智能灌溉决策策略。通过验证,根据枸杞水分-产量灌溉优化决策模型制定的灌溉方案,得到的枸杞干果产量为2714.30 kg/hm2,较85%ET0处理增产121.90 kg/hm2,节水1.36%;较CK增产290.68 kg/hm2、节水23.56%。根据枸杞水-产-品多目标灌溉优化决策模型制定的灌溉方案,较85%ET0处理的枸杞果实品质平均提高了0.67%,产量仅降低69.90 kg/hm2、节水6.85%;较CK的枸杞果实品质平均提高了 9.58%、增产98.88 kg/hm2、节水27.81%,达到了枸杞高效节水的智能化灌溉管理目的。另外,根据3年试验区数据,建立了基于贝叶斯网络的枸杞产量预测模型。通过独立性分析后得知,依据施氮量和株高即可准确地预测枸杞的产量,并以此为依据进行施肥管理。(5)采用B/S架构,轻量级MQTT物联网智能监控通信控制协议,按LNME(Linux,Niginx,Mysql,PHP)体系构建了枸杞灌溉智能决策系统。该系统实现了枸杞灌溉智能决策、统计分析、灌溉计划管理、知识库等功能,提高了枸杞智能灌溉决策系统的准确性和科学性,达到了高效节水的目的。
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