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灌溉农业是最大的用水产业,占总用水量的约70%。水资源日益紧缺要求灌溉农业提高用水效率。精量灌溉不仅保证作物生育需水、获得优质、高产,而且是提高肥效和药效从而实现水资源的高效利用的一种途径。采用多指标决策和实时参照腾发量预报,对于冬小麦的精确灌溉决策和水资源的高效利用具有重要的理论意义和实用价值。
本研究在参阅大量的国内外文献的基础上,阐述了精量灌溉的重要意义和决策方法;通过冬小麦田间试验,确定了冬小麦灌溉决策指标的敏感性和取值范围;提出利用公共天气预报信息估算参照腾发量方法和计算过程;建立了基于模糊逻辑的多指标灌溉决策模型,并且开发了基于Webservice和SQLserver的智能化精量灌溉控制软件IPIC。从而形成了一套基于模糊逻辑进行多指标灌溉决策的体系。本文的研究结论和创新点在于:
1)利用通径分析这一数学工具,将土壤水分含量、作物生理生态和气象三种指标对作物干物质产量和作物叶片水分利用效率WUE进行了通径分析。可得,在考虑干物质生产和作物水分利用效率最优的目标时,灌溉决策指标要注意叶面蒸腾、光合有效辐射、叶面温度和土壤水分的变化。基于此,进行多指标精量控制灌溉决策。
2)提出用公共的天气预报信息进行参照腾发量估算的解析方法和模糊神经网络方法,并用不同的典型区数据进行了试验检验。结果表明可以利用一般天气预报信息来估算日参照腾发量ET0,达到较高精度。这种方法使用方便,少了购买气象数据或者建造自动气象站的费用,可以推广应用。解析方法在不同气候区不同经纬度的应用分析结果表明,该方法可以进行区域ET0的估算,预测精度较高,尤其更适用于湿润、半湿润地区。由实际田间作物生育期数据和实际天气预报信息及模糊神经网络方法,计算3种ET0值并进行对比,在现有预报精度的支撑下,由天气预报信息进行预测ET0的方法是可行的。
3)基于模糊逻辑,根据田间试验结果和大量的参考文献资料,建立了冬小麦多指标综合的灌溉模糊决策系统。利用MATLAB软件的FuzzyLogicToolbox,可以进行灌溉决策。模型综合考虑了作物生长的各种影响因素,利用多个指标综合评判作物的实际干旱程度,对作物是否需要灌溉进行决策,具有人工智能的优点。精量灌溉控制软件IPIC可以应用于大田作物、果树类、蔬菜等各种作物的实时灌溉预报和决策中,它提供考虑土壤水分、作物生理生态和田间小气候等多种指标的综合灌溉决策,尽可能的对作物需水和灌溉实现“适时”和“适量”。
该研究体系的意义还在于,以冬小麦为例所开展的田间试验和建立的精量灌溉模糊决策体系,在做田间试验的基础上,可以推广到其他作物;以此思路所开发的IPIC软件,是通用的灌溉决策软件,可以应用在不同地区不同作物。