马铃薯智能滴灌增产机理初探

(雪川农业发展股份有限公司，河北 张家口 076481)

马铃薯是世界上第四大粮食作物，在粮食安全中占有重要的战略地位。河北省是我国马铃薯的种植大省，张家口坝上及承德坝上地区是马铃薯的主产区，种植面积占河北省总面积的78%左右，产量占总产量的80%。但该区域整体属于干旱地区，马铃薯的种植需要大量的水分，因此有效合理利用水资源是保证马铃薯种植业稳定发展的首要条件。

自动化指针式喷灌系统比传统漫灌可以减少对水资源的浪费，但随着马铃薯种植业的优化升级，自动化指针式喷灌系统已经不能满足马铃薯产业的发展。滴灌技术是植物实用、方便、可靠的补水措施，具有节水、节肥、省工、增产、增收的综合效果[1]。智能滴灌是一种高度自动化的滴灌技术，可满足农业发展的需求。

本试验主要就马铃薯智能滴灌与自动化指针喷灌系统在用水、用肥、产量等方面做了对比。陈青春等研究归一化植被指数(NDVI)与马铃薯病斑面积呈负相关[2]，李峰等人利用AISA-Eagle机载高光谱成像系统获取遥感图像，建立了植被指数与叶片氮素含量之间的相关关系[3]。但鲜有研究把获取遥感数据转化为指数图来解释智能滴灌节水节肥的原理。在本试验中，利用无人机技术获取遥感数据，经过PIX 4 D软件分析获取指数图，对智能滴灌的节水节肥机理进行了初步探索，为今后进一步推广智能滴灌技术提供了理论依据。

表1 不同处理施肥

1 材料与方法

1.1 试验地

位于张家口市察北管理区雪川农业发展股份有限公司种薯基地。

1.2 试验材料

试验材料为马铃薯雪川4号，种薯级别是原种一代，大小均匀一致，由雪川农业发展股份有限公司提供。

1.3 试验方法

小区设计：试验设2个处理即智能滴灌灌溉处理(SDS)和自动化指针喷灌灌溉处理(APS)，以APS处理作为对照，试验不设重复，共2个小区，小区面积为0.22 hm2，小区相邻种植，小区间设5 m的灌机维修道，小区行距90 cm，株距24 cm，机械播种，试验于2018年4月底播种，2018年9月上旬收获。智能滴灌灌溉与自动化指针喷灌灌溉施肥记录见表1。

归一化植被指数测定：通过搭载多光谱相机的无人机测定。

用水量记载：智能滴灌灌溉处理的用水量通过智能滴灌仪器的显示屏获得，自动化指针喷灌灌溉处理在出水口安装水表，通过水表读取用水量。

马铃薯产量：SDS和APS处理分别进行收获，分别计算入库吨数，然后除以小区面积，计算得到每公顷的产量。

1.4 数据处理

试验数据通过Excel 2010软件处理。NDVI指数通过PIX 4 D软件处理。

2 结果与分析

2.1 水资源使用

在表2中，智能滴灌系统用水量总计为24 282.83 m3，传统指针式喷灌为42 257.27 m3，智能滴灌要比传统喷灌节约17 974.44 m3，节水百分率为42.53%。

表2 智能滴灌与喷灌用水量对比

2.2 肥料使用

马铃薯种植过程中所施肥的种类和使用量见表3，氧化锌的用量2种处理一样，其他化肥SDS所使用的肥料总量为2 795.1 kg/hm2，而APS处理共用肥料3 156.6 kg/hm2，节肥率为11.45%，可见智能滴灌比指针式喷灌的肥料利用效率要高。

表5 随时间变化NDVI指数各段所占面积(%)

表3 各处理肥料使用量

2.3 产量比较

由表4可以看出SDS处理的产量为60.75 t/hm2，APS处理的产量为54.15 t/hm2，SDS处理高于APS处理，且增产比率为12.32%，但是SDS处理的商品率略低于对照APS。

表4 各处理产量

2.4 智能滴灌节水原理初探

经过试验发现智能滴灌在水肥上都比指针式喷灌要节约，就节约原理进行初步探索。

6月25日到7月13日，APS(ck)使用硫酸铵75 kg/hm2，尿素270 kg/hm2，硝酸钾165 kg/hm2，总肥用量为515 kg/hm2；SDS使用硫酸铵150 kg/hm2，尿素109.5 kg/hm2，硝酸钾171 kg/hm2，有机肥150 kg/hm2，总肥用量为580.5 kg/hm2。SDS在7月13日测定的NDVI指数在0.85～0.95段的占有百分比为88.61%，在0.75～0.85段占有的百分比为11.39%。APS在7月13日测定的NDVI指数在0.85～0.95段的占有百分比是91.29%，在0.75～0.85段占有的百分比是6.55%，在0.64～0.75段占有百分比是2.15%。在这一时间段发现SDS在比APS用肥量高的情况下，SDS的NDVI指数在高值段所占比例要低于APS。

在7月13日到7月18日2处理都没有使用任何化肥，SDS在7月18日测定的NDVI指数在0.85～0.95段的占有百分比是97.35%，在0.75～0.85段占有的百分比是2.65%。APS在7月18日测定的NDVI指数在0.85～0.95段的占有百分比是95.86%，在0.75～0.85段占有的百分比是4.14%。在这一时期，SDS在高值段所占比例要高于APS。

在7月18日到7月30日，APS的使用尿素是195 kg/hm2，硝酸钾270 kg/hm2，硫酸铵78 kg/hm2，多元微肥0.6 kg/hm2，氧化钙3 kg/hm2，氧化锌0.6 L/hm2，总用肥量是546.6 kg/hm2+0.6 L/hm2；SDS的使用硝酸钾是136.5 kg/hm2，硫酸铵是100.5 kg/hm2，多元微肥0.6 kg/hm2，氧化钙3 kg/hm2，氧化锌0.6 L/hm2，总用肥量是240.6 kg/hm2+0.6 L/hm2。SDS在7月30日测定的NDVI指数在0.85～0.95段的占有百分比是98.14%，在0.75～0.85段占有的百分比是1.86%。APS在7月30日测定的NDVI指数在0.85～0.95段的占有百分比是92.91%，在0.75～0.85段占有的百分比是7.09%。在这一时期，SDS在高值段所占比例要高于APS。

在7月30日到8月9日，APS的使用硝酸钾是75 kg/hm2，硫酸铵120 kg/hm2，总用肥量是195 kg/hm2；SDS的使用硝酸钾是69 kg/hm2，硫酸铵是105 kg/hm2，总用肥量是174 kg/hm2。SDS在8月9日测定的NDVI指数在0.85～0.95段的占有百分比是80.21%，在0.75～0.85段占有的百分比是18.74%，在0.64～0.75段占有的百分比是1.05%。APS在8月9日测定的NDVI指数在0.85～0.95段的占有百分比是55.71%，在0.75～0.85段占有的百分比是39.40%，在0.64～0.75段占有的百分比是4.89%。在这一时期，SDS在高值段所占比例要远远高于APS。

图1 无人机数据综合分析示意(L：智能滴灌区域SDS，R：指针式喷灌区域APS)

综上所述，智能滴灌在马铃薯的生长后期可以在肥料使用量少的情况下仍能维持马铃薯良好的生长势。这种效果可以在图1中更加明显的显示出来，在7月13日和18日2区域的灰色部分分布都比较均匀，没有明显差异，随着时间的推移，在7月30日SDS区域的灰色面积明显大于APS，这一现象在8月9日更加突出。从NDVI指数方面看出智能滴灌方式明显优于指针式喷灌，在节水、节肥方面优势非常凸显。

3 讨 论

归一化植被指数(NDVI)又称标准化植被指数，是植物生长状态以及植被空间分布密度的最佳指示因子，与植被分布密度呈线性相关，长期以来被用来监测植被变化情况[4]。无人机软件PIX 4 D农业版可以将多光谱图像转换为精确的指数图(NDVI)，指数图结合来自反射图的信息，可以突出与缺水，营养缺乏，害虫等直接影响植物健康差异的问题。试验中利用无人机获取马铃薯地块的多光谱图像，利用软件PIX 4 D农业版把获取的多光谱图像转换为精确的指数图(NDVI)，得到了马铃薯的生长健康差异。试验结果中SDS灌溉方式比APS灌溉方式节水，节肥，同时产量也要高。通过不同时期的指数图对比，发现SDS灌溉方式优于APS灌溉方式的主要原因是SDS灌溉方式下马铃薯的生长势要强于APS。SDS灌溉方式下的马铃薯生长势强于APS的原因可能是滴灌方式将作物需要的水分和养分，均匀而又缓慢地滴入作物根区土壤中，有利于马铃薯根系的快速吸收，而喷灌是借助水泵和管道系统，把具有一定压力的水喷到空中，散成小水滴或形成弥雾降落到植物上和地面上，这种方式不利于马铃薯的根系的吸收，同时消耗更多的农业资源。

近年来，无人机在我国农业领域的应用范围也非常广泛，有的用于土壤湿度检测，有的用于植被覆盖度监测，还有将无人机应用到农业保险赔付中等各方面[5]。与传统的卫星遥感、航空航天遥感相比，无人机遥感操作简单，非专业人士均可操作，作业和维修成本低，飞行高度和航线均可人为控制，灵活性强，设备体积小，易携带和运输[6]。借助无人机获取遥感图像，在结合相关软件分析得到NDVI指数，就可以获取植物的生长势等相关状况。在未来可以利用无人机监测植物生长势等状态，及时采取相关措施，达到省时省力，节省成本的目的，是未来发展的趋势。

滴灌具有节水、节能、省工、灌水均匀、环境湿度低，病虫害发生率低、增加作物产量、提高产量品质等优点[7]。在本试验中发现智能滴灌的节水率可以达到42.53%，节肥率达到11.47%，增产比率为12.32%。王亚兰[8]研究发现，滴灌技术可以提高马铃薯产量，增幅达到16.41%。在陈慧的研究中[9]发现，采用滴灌和普通灌溉方式相比马铃薯每公顷实际产量增加了11.7 t。高国权[10]就指针式喷灌与滴灌在马铃薯种植中进行了对比，发现滴灌增产14.4%，节水38%。王官茂等就滴灌与半固定式喷灌2种灌溉进行了比较，结果发现滴灌灌溉方式可使马铃薯极显著增产，增产率14.86%，大薯率显著提高7%[11]。

这些研究都表明，滴灌与普通灌溉方式相比确实可以在节水节肥的前提下提高马铃薯的产量，与本试验结果相符。

李井会等[12]探索数字图像技术和马铃薯营养诊断之间的关系。试验结果发现分析冠层G/B值与马铃薯氮素营养状况的指标均有良好的相关关系。黄思宇初步研究了基于EVI数据的马铃薯生长进度遥感监测方法，监测结果与实际情况基本吻合[13]。于静等人利用GreenSeeker对马铃薯各生育时期读取了NDVI值，建立了NDVI值与地上部植株氮浓度以及整株吸氮量的关系[14]。阿茹娜基于多源遥感数据建立了马铃薯线性回归估产模型，经过验证基于遥感技术的回归模型估产是可行的[15]。以上研究把NDVI指数和遥感数据用于马铃薯研究的各方面，但是鲜有人把马铃薯遥感数据分析获得指数图用于解释智能滴灌灌溉方式优于其他灌溉方式的原因。在本研究中，明确了马铃薯生产上智能滴灌比喷灌节水、节肥、增产的比例，并就原因进行了首次探究。但是在本研究中存在不足现象，无人机获取遥感数据会受天气影响，由于试验区域位于坝上地区，风力比较大，所以导致试验采集日期不均一。未来研究应该增加其他区域的试验，进一步论证试验结果。另一方面，研究结果只得到了智能滴灌即使在少肥、少水的条件下，维持强的生长势来达到增产的效果，未来应继续加强研究，量化指标，建立生产模型，精确指导马铃薯生产。