干旱与水土流失并存是黄土高原生态环境建设和社会经济发展面临的一个主要问题。随着黄土高原“退耕还林(草)”工程及其他生态工程的实施,生态建设与发展农业生产用地的矛盾日益突出。目前在黄土丘陵区开展的部分水土保持高效农业模式下,暴雨径流对农田损毁仍然严重,农业生产依然受到干旱与水土流失并存问题的困扰,发展能够对水土流失进行过程治理、对农业生产进行过程控制的智慧型水土保持农业成为必然趋势。为了探究适应于黄土丘陵区农业生产特征的水土保持型智慧农业体系,本研究以马家沟梯田大棚和安塞方塔梯田果园为研究典型,通过野外监测调查、计算机软件集成,分析黄土丘陵区水土流失和水分亏缺状况,研究具有水土流失过程监测评估和作物生产过程智能控制功能的中枢处理系统搭建,探索黄土丘陵沟壑区生产条件下水土保持型智慧农业的内涵、理念以及体系结构,以期为黄土丘陵区水土流失过程保障和农业高效生产提供理论基础和体系架构。本研究的主要结论如下:1.梯田大棚、梯田果园水土保持监测表明发展水土保持型智慧农业是发展黄土丘陵区高效农业的重要途径。野外监测表明:(1)2013年暴雨,引起马家沟梯田大田水土流失可达53575.92 t/km~2,引起梯田大棚水土流失可达30982.76 t/km~2,梯田受暴雨侵蚀灾害严重;(2)1996-2017年,试验区降雨供给果树需水的多年亏缺量为果树年需水总量的13%~36%;4~9月多年平均亏缺量分别为该时段果树需水总量的4.94%、6.94%、11.98%、1.54%、0.61%、0.04%。(3)4月、6月、9月缺水严重,会导致单果重减小约16.68%,硬度增大约55.64%,果实总糖增加约26.95%,总酸增加约76.47%,解决作物生产过程中的水土流失与干旱影响作物产量和品质的问题是水土保持型智慧农业的主要任务。2.提出水土保持型智慧农业的内涵、发展理念及理论基础。所谓水土保持型智慧农业是指基于植物农业生产的能量守恒理论,利用现代传感器技术、量测技术、传输技术和能反映逻辑思维能力的中枢处理系统,建立能够实时有效防治干旱与水土流失对作物生长产生影响的高效农业生产模式,在满足作物最佳生长需要的条件下借助云计算、物联网等技术获得最大效益的农业生产方式。水土保持型智慧农业发展理念包括:(1)农业生产环节实际上是植物对光能、风能、水能、土壤势等不同能量形式进行植物转化,在植物转化能量的过程中依然遵循能量守恒定律;(2)现代传感器技术的发展,使得人们能够感知植物农业生产能量转换的各个环节和各种能量的作用形式;(3)现代计算机技术已经初步具有了人类的部分逻辑思维方式,能够接受存储逻辑判断处理反馈甚至直接操作各种感知单元,以确保植物生产达到最佳的过程;(4)在黄土高原地区,干旱与水土流失是影响农业高效生产的一个突出矛盾,解决这一矛盾的方法是降雨径流的水沙调控与通过植物的最佳生产实现水土资源的高效利用。而智慧型水土流失防治能够对水土流失的突发性过程进行有效防治,以确保农作物高效生产。构建水土保持型智慧农业的理论基础是调控水沙径流过程,高效利用水土资源,为发展高效农业服务。水土保持型智慧农业系统包括作物生产前的水土流失防治措施(梯田、水窖等),生产中的作物生长数据感知系统、中枢处理系统、反馈系统,生产后的物联网商品流转、溯源系统。3.水土保持型智慧农业的中枢处理系统。水土保持型智慧农业的关键技术主要是中枢处理系统的开发。中枢处理系统是能够对不同农作物生产涉及的物候条件、土壤水分亏缺、作物生长过程、水土流失及干旱对作物生长的影响等进行逻辑分析与判断并给出解决方案的智慧系统。中枢处理系统包括三大模拟软件的耦合:(1)本课题组与美国水质研究所基于“SWAT2009第488版”开发的梯田作物生长及水土资源高效利用模块,解决水土保持型智慧农业作物健康生长及防治水土流失的问题;(2)水分亏缺及作物生长以EPIC模型为计算模块,解决水土保持型智慧农业作物需水、耗水及其影响的问题;(3)以本课题组研发的能对灌溉系统渠系进行规划的计算机软件处理系统,解决灌溉方式的规划设计问题;(4)基于作物生长数据感知系统的信息交互理论,对以上三个系统进行有机耦合,构建水土保持型智慧农业软件模拟系统。4.针对水土保持型智慧农业数据感知端点出现的能量断点问题,提出SN-SOM算法进行故障诊断和解决。室外环境下,受环境因素的影响,水土保持型智慧农业的数据感知系统出现能量断点的情况时有发生,SN-SOM诊断方法基于智慧神经网络进行数据感知端点的能量断点自检测以及对故障进行分类。对感知数据进行特征提取与分析,找出最能体现故障的特征,利用SOM神经网络建立自组织映射地图,对数据进行诊断与分类,判断当前网络状态、端点故障类型,能够快速定位出断点原因。5.水土保持型智慧农业理论的实际应用设计。以马家沟流域梯田大棚为典型,设计黄土丘陵区智慧梯田大棚生产体系。通过研究黄土丘陵区梯田大棚生产要素监控需求,人工环境自控系统设计和集成需求,构建基于中枢处理系统的智慧水土保持梯田大棚生产系统。以安塞方塔果园示范园为典型,对山地果园“集雨系统+苹果”模式下水土保持型智慧农业体系做了创新性探索研究,对有集雨设施的山地果园实施智能灌溉的作物需水量进行智能预测及水资源的高效配置。