無人機(jī)遙感監(jiān)測現(xiàn)場。
汽車顛簸在陜北黃土高原的溝溝峁峁，透過車窗，路兩旁連片的蘋果園不斷向后退去，望不見盡頭。中國西北這塊干旱的黃土地，已經(jīng)發(fā)展成集中連片蘋果種植的全球最大區(qū)域，而且規(guī)模還在進(jìn)一步擴(kuò)大。一株株充滿生機(jī)的蘋果樹，也成為給果農(nóng)帶來希望的“搖錢樹”。
然而，在生機(jī)的背后，卻隱藏著潛在危機(jī)。同行的西北農(nóng)林科技大學(xué)教授李軍告訴記者：“通過0-15米土壤深層次水分監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，很多地方土壤含水量很低，土干燥得就像沙子一樣。這是由于黃土高原蘋果帶地處干旱地區(qū)，降雨量少于果樹的需水量，導(dǎo)致果樹需要通過吸收深層土壤水分來維持生長。長此以往，隨著對深層土壤水分的過度消耗，也會影響到果樹的持續(xù)生長，導(dǎo)致蘋果樹早衰，本來30年的果樹可能15-20年就不行了。”
如何提高黃土高原蘋果產(chǎn)區(qū)降水的高效利用成為推動蘋果產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要科研命題。放眼整個旱區(qū)，旱作農(nóng)業(yè)高效用水技術(shù)創(chuàng)新也是挖掘旱作農(nóng)業(yè)潛力，推動旱區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要科研命題。近日，記者來到西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，一探旱作農(nóng)業(yè)高效用水技術(shù)創(chuàng)新有哪些“新式武器”。
果樹下“大坑套小坑”
陜西是我國主要的蘋果主產(chǎn)區(qū)，栽培面積居全國第一，蘋果產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為促進(jìn)該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，種植蘋果已經(jīng)成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的主要經(jīng)濟(jì)來源之一。然而，由于缺乏充足的水資源，再加上水資源不足導(dǎo)致的肥料吸收率低，限制了蘋果產(chǎn)業(yè)的高效、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展。
針對這一問題，西北農(nóng)林科技大學(xué)研究員吳淑芳專門研發(fā)了一種針對山地蘋果園的技術(shù)——肥水坑制備。“這種山地蘋果園肥水坑，既能夠培肥地力、增加土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤水分、減少無機(jī)化肥使用量，又能夠充分利用降雨，保證蘋果樹的穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)。”吳淑芳說。
在陜西省延安市寶塔區(qū)萬莊村雨養(yǎng)山地蘋果園試驗(yàn)地記者看到，這種新型的肥水坑是一種“大坑套小坑”的結(jié)構(gòu)。外邊的大坑是傳統(tǒng)的“魚鱗坑”，在果樹樹冠地面投影處挖的一個半圓形淺坑，主要用來集雨。
魚鱗坑中央的“小坑”才是這項(xiàng)技術(shù)的核心——肥水坑。這是一個長寬80厘米、深度40厘米的深坑，首先，肥水坑的上部鋪著一個凹狀的塑料膜，這是“大坑套小坑”的最低點(diǎn)，以便于雨水都流向集雨坑內(nèi)，能夠及時補(bǔ)充果樹所需水分。其次，底部鋪有防水材料，能防止水分滲漏。第三，坑里有引流管，管上有不少小孔，能讓水更有效地流到蘋果樹的根部。第四，引流管四周用擴(kuò)蓄增容肥分層填壓充實(shí)。
這種土壤擴(kuò)蓄增容肥主要是由油渣、秸稈等材料制備而成，不僅能更好地蓄水保墑，而且能夠?yàn)楣麡涮峁┧璧牡?、可溶性磷、可溶性鉀等速效養(yǎng)分，其中的油渣等還能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤肥力，有效提高果樹產(chǎn)量，增加農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入，能夠很好地解決陜北黃土高原山地果園水肥問題。
“有了這個集雨坑，在果樹整個生育期內(nèi)，水分利用效率提高20%以上，蘋果產(chǎn)量提高30%以上，同時也可減少無機(jī)化肥的使用，減少坡面徑流，保持水土，減輕黃土高原土壤干層等生態(tài)問題。這項(xiàng)技術(shù)可以在黃土高原蘋果園生產(chǎn)中廣泛推廣應(yīng)用。”吳淑芳介紹說。
蘋果園用上“共享設(shè)備”
在提高有效降水利用效率的同時，如何高效地灌溉成為山地蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中首要解決的問題之一。陜北蘋果大多種在山上，而山坡地不利于降水的存留，且半干旱黃土丘陵區(qū)降水量不夠，都需要補(bǔ)充灌溉。
針對山地蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展急需高效灌溉，而剛建園的果農(nóng)沒有收益、不愿購置灌溉設(shè)施的問題，中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院科研人員提出一種新的滴灌水肥一體化技術(shù)推廣模式——移動共享山地蘋果滴灌系統(tǒng)。
記者了解到，這一系統(tǒng)主要包括“移動共享首部”和“滴灌管道”兩部分。其中，共享的主要是滴灌系統(tǒng)的首部，即施肥裝置、過濾裝置、進(jìn)排氣部件、流量壓力計(jì)量控制部件等，將其從滴灌系統(tǒng)中分離出來，能夠便捷地移動、快速地連接、低成本地共享。
操作移動共享設(shè)備的是技術(shù)能手、農(nóng)民專業(yè)合作社成員，通過技術(shù)培訓(xùn)，讓他們成為保管維護(hù)操作移動共享首部的專業(yè)人員，為種植戶提供灌溉服務(wù)。而滴灌管和支管等“滴灌管道”則固定鋪設(shè)在果園里，需要灌溉的時候只需要接入“移動共享首部”即可。
這種移動共享的山地蘋果滴灌系統(tǒng)，將高科技的水肥精量控制技術(shù)便捷地應(yīng)用到蘋果產(chǎn)業(yè)中，并將灌溉設(shè)施畝均投入降低到300元以下，應(yīng)用面積迅速擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)了山地蘋果產(chǎn)業(yè)的高科技普惠。
無人機(jī)繪出“水肥診斷圖”
在中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院的精準(zhǔn)灌溉實(shí)驗(yàn)室里，不同規(guī)格的無人機(jī)停放在實(shí)驗(yàn)臺上。無人機(jī)與節(jié)水農(nóng)業(yè)有什么關(guān)系?研究員韓文霆沒有直接回答，而是先向記者展示了一張西安市楊凌匯承果業(yè)揉谷基地的“水肥診斷圖”，上邊可以清晰地看出哪些區(qū)域?qū)儆谒窟^多區(qū)、水量適宜區(qū)、水量不足區(qū)以及干旱區(qū)。他這才回答了記者的疑問：“這張‘診斷圖’就是利用無人機(jī)拍攝的圖像分析出來的，對指導(dǎo)作物精準(zhǔn)灌溉具有重要意義。”
精準(zhǔn)灌溉是世界灌溉技術(shù)發(fā)展的趨勢和研究熱點(diǎn)，而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉的前提是獲取和評估作物缺水信息的空間變異性。目前，大部分精準(zhǔn)灌溉信息的獲取主要依靠地面監(jiān)測系統(tǒng)，地面布點(diǎn)繁雜，監(jiān)測效率低，而且衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在時間分辨率和空間分辨率上都很難達(dá)到要求。發(fā)展精準(zhǔn)灌溉技術(shù)，迫切需要一種高精度高效率的大范圍農(nóng)田土壤和作物水分信息快速感知技術(shù)。而無人機(jī)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，為適度規(guī)模經(jīng)營條件下的農(nóng)田信息獲取提供了一種新手段。
近年來，韓文霆研究團(tuán)隊(duì)對無人機(jī)遙感、變量灌溉等新興學(xué)科的前沿技術(shù)進(jìn)行了深入研究，通過無人機(jī)成功獲取了大面積農(nóng)田作物的可見光、近紅外、熱紅外遙感圖像，具有超高時空分辨率，結(jié)合衛(wèi)星遙感和地面數(shù)據(jù)同化技術(shù)，建立了區(qū)域種植結(jié)構(gòu)監(jiān)測模型、作物缺水診斷模型、作物缺水空間分布和變量灌溉處方圖生成模型，創(chuàng)新研發(fā)出作物需水無人機(jī)遙感監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)灌溉。
“作物需水無人機(jī)遙感監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了‘天、空、地’一體化的先進(jìn)監(jiān)測預(yù)警，形成高中低平臺結(jié)合、粗中細(xì)分辨率互補(bǔ)的全天候、全天時、全覆蓋、全自動立體監(jiān)測系統(tǒng)。”韓文霆說。他們開發(fā)的無人機(jī)多光譜航拍系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)信息感知模型，可獲取作物長勢、土壤養(yǎng)分、病蟲害等信息，通過數(shù)據(jù)解析，指導(dǎo)農(nóng)戶達(dá)到精準(zhǔn)灌溉、變量施肥、減少農(nóng)藥化肥使用等目的，不僅對山地蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)作用明顯，還有利于解決我國耕地面積少、水資源短缺、環(huán)境壓力大等問題。
太陽能為噴灌設(shè)備“加油”
灌溉設(shè)備的發(fā)展是促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展、提高作物產(chǎn)量的保障因素之一。然而隨著能源和淡水資源的日益短缺，灌溉已受到水和能源的雙重制約。在節(jié)水的同時節(jié)約能源進(jìn)行灌溉，已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水發(fā)展的必然趨勢。
在中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院的試驗(yàn)田里，記者看到一個大型噴灌設(shè)備在農(nóng)田里自動行走噴灌。這是西北農(nóng)林科技大學(xué)研究人員研發(fā)出來的太陽能驅(qū)動噴灌機(jī)組。
在眾多灌溉設(shè)備中，移動式噴灌機(jī)組因自動化程度高、人工投入少、移動方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。然而，國內(nèi)目前使用較多的移動式噴灌機(jī)組多為進(jìn)口，雖然效率較高，但結(jié)構(gòu)較大，與國內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式不相符。而且需要電網(wǎng)或者發(fā)電機(jī)進(jìn)行電力供應(yīng)，這在一些偏遠(yuǎn)缺電地區(qū)難以得到保障，制約了移動噴灌設(shè)備的推廣。
而太陽能作為清潔環(huán)保的新型能源，取之不盡用之不竭。太陽能驅(qū)動噴灌機(jī)組以太陽能供電的電機(jī)驅(qū)動，替代傳統(tǒng)的水渦輪驅(qū)動方式，克服了水渦輪能量傳遞效率低的缺點(diǎn)，降低了機(jī)組整體能耗。而且配備有速度實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，可對PE軟管的回收速度實(shí)施無級調(diào)速，保證收管過程始終保持勻速，避免了管道回卷過程中因分層造成的速度差異，確保噴灑水量的均勻分布，較好解決了現(xiàn)有卷盤式噴灌機(jī)能耗高、設(shè)備笨重、噴灑水量分布不均等缺陷。
有了這種“新式武器”，更多的傳統(tǒng)農(nóng)田灌溉轉(zhuǎn)變成移動式噴灌，不僅節(jié)約能源，而且灌溉均勻度高，節(jié)水效果顯著，有效解決了水資源匱乏、灌溉電力短缺、電力傳輸困難、灌溉效率低下等問題。
