太仓市农田环境要素在线监测系统的构建与应用

李 梅 左其东 沈文忠 张绪美 胡青青 杨小丽 赵伟荣

（1江苏省太仓市土壤肥料站 215400；2江苏省太仓市气象局 215400）

农田环境要素在线监测系统主要是由土壤环境因子和地面气象因子相关的传感器集成的系统，该系统能准确掌握地面气象要素和土壤墒情等数据，如能全面、真实地监测作物生长发育期内的土壤水分盈亏，从而能确定合理的灌水时间和灌水量，对做出科学的灌溉决策具有重要意义[1]，从而达到农业生产节本增收的目的。2017年江苏省太仓市通过构建农田环境要素在线监测系统，对当地地面气象要素和土壤墒情等数据进行收集，并在此基础上分析了当地农田环境要素的变化规律，以期为科学安排农业生产活动提供依据。

1 材料与方法

1.1 监测点布设

农田环境要素在线监测点位于江苏省太仓市城厢镇东林村合作农场内（北纬31°31′30″，东经121°5'6″），海拔高度接近海平面。该地区主要土壤类型为沙夹垅，耕作方式为稻麦轮作。在该区域布设监测点可反映周边2 040 hm2农田的土壤墒情和气象条件变化情况。

1.2 监测平台设置

农田环境要素在线监测系统的主要监测内容包括空气温度、空气相对湿度、降雨量等地面气象要素，以及土壤温度、土壤含水量等土壤墒情状况，具体的平台设置主要参考沈文忠于2015年构建的太仓市物联网智能监测预警平台[2-3]。

1.2.1 地面气象要素监测

农田环境要素在线监测系统主要利用小型气象站进行地面气象要素监测。该小型气象站由气象传感器（主要监测空气温度及相对湿度、风速、风向等）、翻斗式雨量桶、多通道数据采集器、数据传输线和计算机5个部分组成，并安装于监测点附近平坦、开阔的地面上，设备的架设、使用与维护参照《地面气象观测规范》进行操作。测定的气象数据经多通道数据采集器导入计算机整理并储存。

1.2.2 土壤墒情监测

土壤墒情监测系统主要由土壤水分传感器、数据传输线、多通道数据采集器和计算机4个部分组成。在设定的监测点埋设4个土壤墒情传感器，分别监测土层深度20、40、60、80 cm处的土壤温度和土壤含水量。各传感器与多通道数据采集器连接，测定的数据会通过传输线传输到多通道数据采集器，然后导入计算机整理并储存。

1.3 数据分析处理

地面气象要素和土壤墒情的数据通过网络导出，并利用Microsoft Excel 2010进行整理，再利用Matlab R2014a进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 降雨量

自然降水是土壤水分的主要来源，因此降雨量是土壤墒情变化的决定因素。由图1可知，2017年太仓市降雨日共有144 d，总降雨量达843 mm，单日最高降雨量达105.2 mm。太仓市全年主要降雨时间集中在春夏秋三季，其中6月—9月降雨较多，除7月外，6月、8月、9月的降雨量均超过100 mm，其中9月降雨量达254.21 mm。

图1 2017年太仓市降雨量分析

2.2 土壤温度和空气温度

由图2可知，各土层土壤温度与空气温度之间的差异不大，1月—6月监测点的土壤温度和空气温度总体呈逐渐上升趋势，至7月中下旬土壤温度和空气温度均开始下降。监测点全年各土层的土壤温度均在5 ℃以上，冬季土壤温度降低，夏季土壤温度有所升高；空气温度除在3月前及12月后偶有低于0 ℃的情况出现，其余时间均在0 ℃以上，其中日平均气温≥10 ℃的天数有245 d，≥10 ℃的积温约5 122.38 ℃。比较各土层的土壤温度可发现，土层越深土壤温度越高且变化越小。另外，土壤温度随空气温度的变化而变化，但土壤温度变化有明显的滞后性，且土层越深，滞后性越明显。

图2 2017年监测点土壤温度和空气温度的变化

2.3 土壤含水量

由图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，监测点的土壤含水量均维持在较高的水平，同时这些时段内的土壤含水量变化较小，数值稳定。太仓市水稻种植一般于5月—6月进行土壤耕翻晒垡，导致这期间各土层土壤含水量明显较低，尤其是表层土壤含水量下降至近10%，而深层土壤含水量则维持在较高水平（土层深度80 cm的土壤含水量达40%左右）。6月初水稻播种，播前1～15 d需对秧田进行耕翻晒垡，播前2～3 d需对秧田进行整平整细，并多次放水耙平大田，此期间各土层土壤含水量迅速升高，达40%～50%。6月—11月水稻种植，此期间各土层土壤含水量变化不大，且随土层深度的增加，土壤含水量明显增大。11月水稻收获至翌年5月种植小麦，此期间土层深度80 cm的土壤含水量仍维持在40%左右，而土层深度60 cm以上的土壤含水量则降至30%左右。

图3 2017年监测点土壤含水量变化

3 小结与讨论

2017年太仓市构建了农田环境要素在线监测系统。监测结果表明，2017年太仓市全年总降雨量约843 mm，单日最高降雨量达105.2 mm，日平均气温≥10 ℃的天数有245 d，≥10 ℃的积温约5 122.38 ℃；全年各土层土壤温度均在5 ℃以上，且土层越深土壤温度越高变化越小；在水稻种植期间，土壤含水量达40%～50%，且随土层深度的增加土壤含水量明显增大。

利用农田环境要素在线监测系统可以动态、实时地获取农田土壤墒情信息，能科学地指导农田灌溉，确定合理的灌水时间和灌水量，从而提高水资源利用效率[4]，同时也能准确地掌握相关地面气象要素信息，从而能提高农业生产的稳定性，促进农业增产、农民增收。从2017年太仓市应用农田环境要素在线监测系统的结果来看，应用农田环境要素在线监测系统后，每667 m2可节本增效约50元，若推广覆盖全市1×104hm2的农田，可节本增效750万元。因此，可推广该系统在全市其他地区应用。