水稻数字灌溉节水技术创建与示范应用

陈晓玲，陈 阳，崔腾腾，李学红，王善荣

（1.滨海县农业干部学校，江苏 滨海 224500；2.滨海朗坤农业发展有限公司，江苏 滨海 224500）

0 引言

水稻数字灌溉技术是在水稻栽培过程中，依托数字化智能管理平台和物联网技术，根据不同地块土壤湿度、水稻生长周期等因素决定灌溉时间、灌水量，以满足水稻生长发育过程中对水分的生理需水和生态需水的灌溉技术。水稻数字灌溉技术的技术路径是通过土壤湿度传感器、液位探测仪和田边的5G 监控系统，采用“互联网+”的智能新模式自动计算水稻各生育期对水分的需求量并进行灌水，实现水稻水浆管理的精准灌溉[1]。节水灌溉技术是以节水为目的灌溉，以根层土壤含水率或适宜水深作为水稻田灌溉控制指标，在充分拦蓄降雨的基础上，合理确定灌水时间、灌水次数和灌水量的灌溉技术[2]。随着数字技术在农业生产各方面应用，水稻数字灌溉是集自动控制技术、专家系统技术、传感器技术、通信技术和计算机技术于一体的灌溉管理系统。通过现代科技手段，水稻水浆管理由过去的传统型、粗放型、经验型转向根据水稻生长过程中各生育期对水分的生态需水和生理需水规律，探索出标准化、智能化、绿色化的灌溉方式，从而实现水稻的因需灌溉、智能灌溉、节能节水灌溉[3-4]。

1 试验基地建设基本概况及目标

本文涉及的水稻数字灌溉试验基地位于滨海县现代农业产业园套稍村内“滨海农旅+朗坤农科园”，由盐城朗坤数字乡村科技有限公司、滨海农旅集团、滨海县现代农业产业园、滨海县农业干部学校共同联合创建。其建设目标是通过该园区基地建设，实现集稻麦栽培技术示范、农业物联网技术、农产品电商、农业农村大数据及农民培训、休闲观光为一体的复合型综合农业科技示范基地。建设项目包括3 个部分：①示范区基本农田建设。标准化基本农田建设面积23.34 hm2，其中18.00 hm2是以稻麦为主的标准化示范区，4.00 hm2的新品种展示示范区，5.34 hm2的水肥一体化智能灌溉系统，数字农场示范区。滨海县朗坤农业园示范区位于废黄河下游沙土冲积区，海拔高度1.2 m，土壤质地为淤土，土壤有机质含量23.5 g/kg。②所需的仪器设备。田间气象台（用于测量降雨量、温度、湿度、光照等数据）、土壤墒情传感器、土壤温度传感器、液位探测仪和田边5G 监控系统等仪器设备。③数字指挥中心。数字农场的数据存储和技术服务处理指挥中心，利用已建成的华为朗坤三农云大数据中心服务器和网络资源，同时配建育苗和数据指挥中心等生产车间1 栋。

本次数字灌溉技术示范基地建设，以朗坤农业园为核心，在朗坤农业园周边选择天场镇秦桥村农户和八巨镇雄大家庭农场设对照，考察灌溉效能、产量结构及产量水平。水稻数字灌溉技术试验区为机插秧，工厂化室内育秧，移栽期6 月20～22 日；天场镇秦桥村农户，栽培方式为直播稻，播种期6月20 日，种植面积0.5 hm2，灌溉方式为常规的干湿交替、淹水灌溉；八巨镇雄大家庭农场的栽培方式为机插秧和直播稻，播插期为6 月20～25 日，示范区面积21.3 hm2，灌溉方式为常规浅水灌溉。通过朗坤农业园和“田间学堂”实习基地的融合创建，开发培训基地资源、拓展培训内容，实现教、学、用理论和实践相结合，探索开发水稻田间水浆管理系统的技术指标阈值及手机应用App 软件系统，实现简单、便利的水稻数字灌溉软件系统，逐步实现数字灌溉在水稻生产中应用推广，实现农业智能化生产。

2 农田基础建设标准化

水稻智能化灌溉系统的建设基础是农田标准化建设，农田“三沟”沟系配套系统标准化，沟、渠、路、涵、洞、闸、泵配套建设标准化，农田地面平整度标准化，基地水稻田平整通过激光平田技术，平整度误差值2.0～3.0 cm。

3 水稻数字灌溉技术应用

3.1 育苗期

水稻育苗实施工厂化室内育苗，在准备好种子、苗床（塑盘+基质），机械化一体播种，上架摆盘，覆盖无纺布。温度控制值：播种至出苗30±2℃、1.0～2.5 叶25±2℃、2.5 叶至移栽前20±2℃。水分控制阈值：播种至出苗基质湿度80±5%、出苗至1 叶1 心基质湿度75%，喷灌补水、移栽前7 天（1.5～2.5 叶）基质湿度60%，2.5 叶至移栽，温度20±2℃[5-6]。温度仪、土壤湿度传感仪、摇感器将数字传输到控制中心，自动实现育苗温湿度控制，实现工厂化标准化育秧。

3.2 移栽期（直播稻播种期）

水稻机插秧田灌溉的原则是“深水活棵”。水稻智能化灌溉必须在农田建设标准化基础上实施，移栽前耕、耙、整达到栽插田间标准，开沟、灌水泡田，灌水深度阀值2.0～5.0 cm，时间12～24 h。移栽时，田间水层深度阈值0.0～1.0 cm，移栽后至活棵，水层深度阈值3.0±0.5 cm。

直播稻田数字灌溉原则是“湿润灌溉，出苗立苗”。我县直播稻主要采用旱直播模式，播种前耕、耙、整达到播种田间标准，进行播种、开沟、上水。首次灌溉水层深阈值3.0±1.0 cm；首次灌溉后至3叶1 心，灌溉原则是“跑马灌水”。灌溉时间在下午16 时后起动，灌溉水层深阈值1.0±0.5 cm，至土壤湿度传感器阈值80±0.5%，再次灌溉。

3.3 分蘖期

水稻分蘖期数字灌溉的原则是“浅水分蘖”[7]。水稻移栽活棵后或直播稻田生长至3 叶1 心后进入分蘖期。分蘖期灌溉时水层深阈值2.0±0.5 cm，自然落干至土壤湿度传感器阈值90±0.5%，再次灌溉，期间若气象台预报在24 h 内有中到大雨，传输到数据处理中心，可自动调节推迟灌溉时间24 h，当实际降雨量导致田间水层深度超过5.0 cm 时，由排水沟闸阀自动调节排水。水稻生长期间有短期淹水能力，可充分利用自然降雨的储蓄，实现节水；连续降雨，也可排空再蓄积再排，对盐碱地可起到洗盐作用。

3.4 拔节孕穗期

水稻拔节期搁田对水稻中后期病虫害发生程度、调节分蘖的有效成穗、提高水稻中后期抗倒能力有较大影响，因此，此阶段的灌溉需要考察分析田间水稻的长势长相、生育进程，以此决定和控制灌溉时间，搁田的原则是“苗到不等时、时到不等苗”[8]，在遥感数据传输自动调节基础上，必须配以技术人员的田间调查、苗情考察，进行人工调节搁田时间，实现效能最佳化。搁田期间除自然降雨外，田间土壤墒情阈值在60±0.5%，起动灌溉1 次。达到搁田标准时至抽穗，此时为幼穗分化期，灌溉的原则是“前水不干后水不进，足水养胎”。分蘖期灌溉时水层深阈值3.0±0.5 cm，自然落干至土壤湿度传感器阈值90±0.5%，再次灌溉，期间若气象台预报在24 h 内有中到大雨，传输到数据处理中心，可自动调节推迟灌溉时间24 h，实际降雨量导致田间水层深度超过灌溉阈值，由排水沟闸阀自动调节排水。

3.5 灌浆结实期

水稻灌浆结实期灌溉的原则是“干干湿湿、湿润灌溉”[9]，同时注意后期“寒露风”对水稻灌浆的影响[10]。灌浆结实期灌溉时水层深阈值2.0±0.5 cm；自然落干至土壤湿度传感器阈值80±0.5%；再次灌溉，期间若气象台预报在24 h 内有“寒潮”（最低气温临界值17 ℃），起动灌溉保温防青枯。在水稻成熟时到收获前7～10 天进行断水。

4 数字灌溉与大田生产的灌溉效能对比分析

通过对朗坤农业园数字灌溉基地、天场镇秦桥村农户直播种植基地、八巨镇雄大家庭农场机插秧示范基地这3 个基地的水稻栽培、灌溉的数据跟踪统计分析，水稻从移栽期（直播稻从播种期）6 月15 日起至收获期10 月31 日止，3 个基地灌溉次数与灌水量如下：①朗坤农业园数字灌溉从栽播至成熟全生长周期，计灌溉16 次，平均灌水量2 970 m3/hm2；②天场镇秦桥村种植农户，直播稻从播种至成熟，全生长周期，灌溉14 次，因统一集中提水灌溉、每次灌水时间长、灌水量大，平均灌水量5 200 m3/hm2；③八巨镇雄大家庭农场机插秧示范基地，全生长周期，灌溉16 次，平均灌水量4 150 m3/hm2。

4.1 灌水量差异分析

4.1.1 种植户直播田灌溉灌水大

全生长周期间，天场镇秦桥村农户种植基地为粗放型淹水灌溉模式，灌溉时以感观经验确定灌溉时间和灌水量，灌溉过程受田间平整度的影响，对水稻生育进程、气象预报降雨、灌溉水位深度等精准定位效果差，灌溉时间和灌溉水量未能按照水稻生态需水和生理需水精准确定灌溉，所以，全生长周期间灌溉量较大，比数字灌溉灌水量增加54.88%，灌溉效能未得到有效利用。

4.1.2 机插秧示范基地灌溉灌水量适中

八巨镇雄大家庭农场机插秧示范基地实施节水灌溉，田间平整度较好，灌溉渠防渗，基本按照水稻生长期生态需水和生理需水灌溉，但精准程度不高，比数字灌溉灌水量增加39.73%，灌溉效能基本得到有效利用。

4.1.3 数字灌溉基地灌水量少

朗坤农业园数字灌溉基地实施数字灌溉，灌溉时间、灌水量根据水稻生长期生态需水和生理需水，实施精准调节灌溉，减少灌溉次数和灌水量，充分发挥了灌溉的效能，实现精准化节约化灌溉。

4.2 灌溉效能对比分析

表1为2021年滨海县水稻全生育期降雨量≥100 mm 中雨以上量级的统计日期及降雨量，数字灌溉通过气象预报系统的数字系统决定是否延迟灌溉和实际降雨量决定减少灌溉次数和灌水量，实现有效灌溉指标；降雨量<100 mm 未统计在表中，降雨量<100 mm 小雨量级主要对生态需水的蒸发量及土壤墒情影响，通过灌溉阈值数字处理系统传导自动调节，灌溉时调节灌水量，实现有效灌溉指标。

表1、表2 数据表明，2021 年水稻全生长周期，降雨量比较常年分蘖期、孕穗期降雨日、降雨量少，拔节期、抽穗扬花期、灌浆期降雨日、降雨量多。实施数字灌溉系统，在移栽期（直播稻播种期）、分蘖期、孕穗期进行有效灌溉，其它时段自然降雨量都达到或超过灌溉需求量，在其它时段仅灌溉4 次，节约了灌溉水量。

表2 2021年6月21日—10月30日降雨量及和常年对比表 单位：mm

4.3 倒伏与产量对比分析

表1、表2 数据表明，2021 年水稻拔节期主要在7 月25 日—8 月3 日，而这期间7 月26—29 日连续4 日降雨，降雨量1 249 mm，我县水稻生长过程中，拔节期搁田未能有效实施，未能控制基部第1、2 节间的长度，成熟水稻性状及产量结构考察结果也证明，株高偏高、基部节间偏长（内因），加之2021年水稻成熟前，10 月7—8 日、9—10 日、14—15 日，降雨量分别是260、843、397 mm，最大风力均在4 级以上，3 次暴风雨过程气象因素（外因），导致我县水稻生产面上的75%左右田块倒伏。

表3 数据表明，天场镇秦桥村农户田倒伏面积80%，八巨镇雄大农场倒伏面积30%，朗坤农业园数字灌溉基地未出现倒伏。成熟时对3 个基地进行理论测产和实产验收。数字灌溉的示范区朗坤农业园，由于灌溉按照设定阈值灌溉，尤其在拔节期，虽然自然降雨不利于搁田，但其标准化农田排水系统通畅，能有效排除田间积水，结果未出现倒伏，实收产量10 375 kg/hm2，实现稳产丰收。天场镇秦桥村农户的直播田块倒伏严重，理论测产减产达11.23%，实收产量8 975 kg/hm2，实收减产13.49%。八巨镇雄大家庭农场机插秧示范基地收割时因部分倒伏，理论测产减产达4.43%，实收产量9 870 kg/hm2，实收减产4.87%。可见因倒伏导致的减产率较高。

表3 各基地产量结构统计表

5 结果与讨论

1）经过一季的水稻数字灌溉系统实施与探索，通过田间土壤墒情检测传输及土壤墒情阀值、灌水水位检测传输及灌溉水位阈值、预报降雨时间及量级等数据传输及灌溉时间的数字中心整合处理，以及水稻节水灌溉数字软件系统应用，试验结果比对表明，示范区数字灌溉用水平均2 970 m3/hm2，比周边天场镇秦桥村种植农户灌溉用水平均5 200 m3/hm2节水42.9%，比雄大家庭农场灌溉用水平均4 600 m3/hm2节水35.4%。数字灌溉可有效实现节能节水，提高灌溉用水效能。

2）试验过程中发现数字灌溉的控制阈值有待进一步优化。在今后示范推广中，进一步探索不同的土壤质地、地下水位等因素对水分渗漏量的影响，光照时数、日平均温度等气候因素对生态蒸发量的影响，品种类型生理需水等因素对灌溉阀值的影响，进一步探索绿色高效高产的节水数字灌溉指标阈值及配套软件的开发应用。

3）培育优质秧苗和建设高标准农田是实现高产的基础，合理移栽密度是实现高产的前提，因此应进一步探索绿色高效配套农艺栽培技术，以实现合理产量结构的有效穗数和穗粒数目标值，配合后期适度灌水，增加千粒重，实现目标产量。