對于需水量較高的甘蔗來說,灌溉盡管灌溉是最重要的管理任務之一,但生產者自己決定灌溉的時間和數量并不容易。因此,在種植環境惡劣的縣上,我們設計并演示了一種智能灌溉系統,能夠高效、省力地提高甘蔗產量,利用有限的水資源而不浪費水資源,提高生產者的利潤。
甘蔗是西縣的主要農作物,對當地經濟具有重要支撐作用,但其產量受自然降雨影響較大,年度波動較大。灌溉是最重要的管理任務之一,特別是在干旱年份,因為通常是甘蔗高生長期的夏季生長受到顯著抑制。水庫、地下水壩等建設積極推進,近年來農業水源開發和田間灌溉設施開發率大幅提高。另一方面,雖然干旱期間灌溉甘蔗會增加產量是顯而易見的,但生產者很難僅憑自己的經驗和直覺來決定灌溉的時間和水量,也很難確定灌溉水量。灌溉需要大量的水和勞動力,而且還存在由于預算限制而無法在需要時進行灌溉的問題。因此,在我們目前正在進行甘蔗智能農業項目研究了一種高效灌溉系統,該系統可以在需要時提供必要的水量,我們將在本文中對此進行介紹。

項目的主要舉措之一是安裝和運行微氣象站,在當地收集溫度、濕度、風速和太陽輻射等數據。覆蓋全縣的9個地點(,每10分鐘收集一次微氣象數據和周邊甘蔗圖像數據。此外,我們還構建了一個系統,可以使用計算機或智能手機實時查看這些數據,目前我們正在向縣上的生產商提供該系統。該系統還可以回溯過去的數據,使得微氣象站運行后能夠獲得相當準確的縣上天氣信息。植物通過葉子表面的氣孔吸收光合作用的底物二氧化碳,并通過蒸騰作用釋放水蒸氣。當土壤干燥且植物面臨水分脅迫時,它們的氣孔往往會關閉,從而降低光合作用的速率,但這也減少了通過蒸騰作用損失的水量。如上所述,植物的光合作用速率和蒸騰速率,即生長量和消耗水量之間一般存在比例關系。蒸散量是土壤表面蒸發量和植物蒸騰量的總和,可以根據氣象數據進行估算。因此,如果獲得某一點和某一段時間的天氣數據,就可以估計該植物消耗的水量,進而估計生長量。
首先,為了了解大東縣甘蔗田的水平衡特征,氣象數據(降水量、溫度、濕度、風速和太陽輻射)。我們計算了每個季節的正常水平衡,“潛在蒸散量”是指在假設甘蔗不受任何水分脅迫的情況下,在氣象條件下可以獲得的最大蒸散量,“實際蒸散量”是指甘蔗接受的最大蒸散量。考慮到因水分脅迫而減少的蒸騰量的蒸散量。換句話說,甘蔗受到的水分脅迫越強,實際蒸散量越低,與潛在蒸散量的差距越大。首先,如果我們看一下降水量的趨勢,我們可以看到從5月中旬到6月中旬降水量有所增加,但這是由于雨季降雨所致。 6月下旬雨季結束時,氣溫達到全年最低點,直到7月中旬仍保持相對較低水平。其次,從潛在蒸散量來看,播種后4月和5月潛在蒸散量較低,但此后繼續線性增加,7月初達到最大值。直到九月左右,價格仍然很高,但隨后繼續逐漸下降,直至收獲。另一方面,直到6月下旬,實際蒸散量與潛在蒸散量幾乎持平,但在7月初迅速減少。這是因為,隨著7月氣溫和日照的上升,甘蔗生長更加活躍,與達到峰值的潛在蒸散量相比,降雨量遠遠不足,導致水分脅迫。此后,雖然實際蒸散量略有增加,但降水量仍然不足,潛在蒸散量與實際蒸散量存在較大差異。 11月以后,氣候轉暖,潛在蒸散量減少,與實際蒸散量的差異逐漸縮小。由上可見,從雨季末到10月左右,大東縣的甘蔗很可能出現水分脅迫,因此這段時間的水分管理尤為重要。
了解了大東縣水平衡的特征后,我們想分析水平衡如何影響生長和產量。近13年(2006-2018年)大東縣甘蔗田逐月實際蒸散量與甘蔗伸長量的關系。此外,由于臺風帶來強降雨,對甘蔗造成嚴重損害,為保持數據分析的準確性,明年起風暴地區的指導原則中最大風速每秒25米或以上的臺風將被省略。除11月份外,所有月份的實際蒸散量與伸長率均呈高度正相關,這表明在降雨量較多、水分脅迫較小的年份甘蔗生長較快。特別是6月和8月的相關系數極高,達到0.96,因此可以毫不夸張地說,水決定了甘蔗的大部分生長。之所以在11月份沒有出現這樣的趨勢,是因為即使是亞熱帶氣候,氣溫和太陽輻射也逐漸開始下降,很難看出實際蒸散量的同比差異。用于糖分積累而不是莖伸長。這樣,發現水平衡與生長之間的關系在六月至十月期間更強,此時甘蔗生長活躍。接下來6-10月實際蒸散量積分值與甘蔗產量的關系。省略了臺風襲擊后一年的數據。累計實際蒸散發值每年變化較大,為269~566毫米,產量為每10公畝3.68~8.24噸,兩者呈高度正相關關系。由于該關系的線性回歸方程為y = 0.0137 x – 0.2227,因此可以看出,如果實際蒸散量能增加100毫米,則產量可增加1.37噸。該分析的結果還表明,夏季水平衡對甘蔗生長和產量有很大影響,在干旱時期,可以通過灌溉增加蒸散量來增加產量。
試驗田為未安裝滴灌管的非灌溉田、所有溝間均安裝滴灌管的灌溉田、每溝均安裝滴灌管且水量減半的節水灌溉田。與灌溉地塊一樣,每個重復兩次。灌溉處理期為8月1日至11月3日,灌水至灌區甘蔗出現水分脅迫前達到田間持水量。試驗場旁邊安裝了一個微氣象站,從那里獲得計算水平衡所需的氣象數據。此外,還使用遙控發動機泵進行灌溉。甘蔗產量的增加和單產的穩定是生產者和制糖行業參與者的巨大努力的結果,包括新品種的引進和管理任務的及時落實。我們希望這項研究成果能夠促進島上甘蔗產業的進一步發展。
研究中使用的實際蒸散量能夠納入目前分布的微氣象信息系統,將有助于生產者決定灌溉的時間和水量。此外,對于希望這樣做的生產者,我們還安裝了警報功能,當甘蔗即將遭受水分脅迫時,該功能會向您的智能手機或計算機發送通知,以及讓您可以隨時隨地使用遙控器自由灌溉的系統控制泵。