(雪川農(nóng)業(yè)發(fā)展股份有限公司，河北 張家口 076481)

馬鈴薯是世界上第四大糧食作物，在糧食安全中占有重要的戰(zhàn)略地位。河北省是我國馬鈴薯的種植大省，張家口壩上及承德壩上地區(qū)是馬鈴薯的主產(chǎn)區(qū)，種植面積占河北省總面積的78%左右，產(chǎn)量占總產(chǎn)量的80%。但該區(qū)域整體屬于干旱地區(qū)，馬鈴薯的種植需要大量的水分，因此有效合理利用水資源是保證馬鈴薯種植業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的首要條件。

自動化指針式噴灌系統(tǒng)比傳統(tǒng)漫灌可以減少對水資源的浪費，但隨著馬鈴薯種植業(yè)的優(yōu)化升級，自動化指針式噴灌系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。滴灌技術是植物實用、方便、可靠的補水措施，具有節(jié)水、節(jié)肥、省工、增產(chǎn)、增收的綜合效果[1]。智能滴灌是一種高度自動化的滴灌技術，可滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求。

本試驗主要就馬鈴薯智能滴灌與自動化指針噴灌系統(tǒng)在用水、用肥、產(chǎn)量等方面做了對比。陳青春等研究歸一化植被指數(shù)(NDVI)與馬鈴薯病斑面積呈負相關[2]，李峰等人利用AISA-Eagle機載高光譜成像系統(tǒng)獲取遙感圖像，建立了植被指數(shù)與葉片氮素含量之間的相關關系[3]。但鮮有研究把獲取遙感數(shù)據(jù)轉化為指數(shù)圖來解釋智能滴灌節(jié)水節(jié)肥的原理。在本試驗中，利用無人機技術獲取遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)過PIX 4 D軟件分析獲取指數(shù)圖，對智能滴灌的節(jié)水節(jié)肥機理進行了初步探索，為今后進一步推廣智能滴灌技術提供了理論依據(jù)。

表1 不同處理施肥

1 材料與方法

1.1 試驗地

位于張家口市察北管理區(qū)雪川農(nóng)業(yè)發(fā)展股份有限公司種薯基地。

1.2 試驗材料

試驗材料為馬鈴薯雪川4號，種薯級別是原種一代，大小均勻一致，由雪川農(nóng)業(yè)發(fā)展股份有限公司提供。

1.3 試驗方法

小區(qū)設計：試驗設2個處理即智能滴灌灌溉處理(SDS)和自動化指針噴灌灌溉處理(APS)，以APS處理作為對照，試驗不設重復，共2個小區(qū)，小區(qū)面積為0.22 hm2，小區(qū)相鄰種植，小區(qū)間設5 m的灌機維修道，小區(qū)行距90 cm，株距24 cm，機械播種，試驗于2018年4月底播種，2018年9月上旬收獲。智能滴灌灌溉與自動化指針噴灌灌溉施肥記錄見表1。

歸一化植被指數(shù)測定：通過搭載多光譜相機的無人機測定。

用水量記載：智能滴灌灌溉處理的用水量通過智能滴灌儀器的顯示屏獲得，自動化指針噴灌灌溉處理在出水口安裝水表，通過水表讀取用水量。

馬鈴薯產(chǎn)量：SDS和APS處理分別進行收獲，分別計算入庫噸數(shù)，然后除以小區(qū)面積，計算得到每公頃的產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)通過Excel 2010軟件處理。NDVI指數(shù)通過PIX 4 D軟件處理。

2 結果與分析

2.1 水資源使用

在表2中，智能滴灌系統(tǒng)用水量總計為24 282.83 m3，傳統(tǒng)指針式噴灌為42 257.27 m3，智能滴灌要比傳統(tǒng)噴灌節(jié)約17 974.44 m3，節(jié)水百分率為42.53%。

表2 智能滴灌與噴灌用水量對比

2.2 肥料使用

馬鈴薯種植過程中所施肥的種類和使用量見表3，氧化鋅的用量2種處理一樣，其他化肥SDS所使用的肥料總量為2 795.1 kg/hm2，而APS處理共用肥料3 156.6 kg/hm2，節(jié)肥率為11.45%，可見智能滴灌比指針式噴灌的肥料利用效率要高。

表5 隨時間變化NDVI指數(shù)各段所占面積(%)

表3 各處理肥料使用量

2.3 產(chǎn)量比較

由表4可以看出SDS處理的產(chǎn)量為60.75 t/hm2，APS處理的產(chǎn)量為54.15 t/hm2，SDS處理高于APS處理，且增產(chǎn)比率為12.32%，但是SDS處理的商品率略低于對照APS。

表4 各處理產(chǎn)量

2.4 智能滴灌節(jié)水原理初探

經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)智能滴灌在水肥上都比指針式噴灌要節(jié)約，就節(jié)約原理進行初步探索。

6月25日到7月13日，APS(ck)使用硫酸銨75 kg/hm2，尿素270 kg/hm2，硝酸鉀165 kg/hm2，總肥用量為515 kg/hm2；SDS使用硫酸銨150 kg/hm2，尿素109.5 kg/hm2，硝酸鉀171 kg/hm2，有機肥150 kg/hm2，總肥用量為580.5 kg/hm2。SDS在7月13日測定的NDVI指數(shù)在0.85～0.95段的占有百分比為88.61%，在0.75～0.85段占有的百分比為11.39%。APS在7月13日測定的NDVI指數(shù)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%。在這一時間段發(fā)現(xiàn)SDS在比APS用肥量高的情況下，SDS的NDVI指數(shù)在高值段所占比例要低于APS。

在7月13日到7月18日2處理都沒有使用任何化肥，SDS在7月18日測定的NDVI指數(shù)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日測定的NDVI指數(shù)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%。在這一時期，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，硝酸鉀270 kg/hm2，硫酸銨78 kg/hm2，多元微肥0.6 kg/hm2，氧化鈣3 kg/hm2，氧化鋅0.6 L/hm2，總用肥量是546.6 kg/hm2+0.6 L/hm2；SDS的使用硝酸鉀是136.5 kg/hm2，硫酸銨是100.5 kg/hm2，多元微肥0.6 kg/hm2，氧化鈣3 kg/hm2，氧化鋅0.6 L/hm2，總用肥量是240.6 kg/hm2+0.6 L/hm2。SDS在7月30日測定的NDVI指數(shù)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日測定的NDVI指數(shù)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%。在這一時期，SDS在高值段所占比例要高于APS。

在7月30日到8月9日，APS的使用硝酸鉀是75 kg/hm2，硫酸銨120 kg/hm2，總用肥量是195 kg/hm2；SDS的使用硝酸鉀是69 kg/hm2，硫酸銨是105 kg/hm2，總用肥量是174 kg/hm2。SDS在8月9日測定的NDVI指數(shù)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日測定的NDVI指數(shù)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%。在這一時期，SDS在高值段所占比例要遠遠高于APS。

圖1 無人機數(shù)據(jù)綜合分析示意(L：智能滴灌區(qū)域SDS，R：指針式噴灌區(qū)域APS)

綜上所述，智能滴灌在馬鈴薯的生長后期可以在肥料使用量少的情況下仍能維持馬鈴薯良好的生長勢。這種效果可以在圖1中更加明顯的顯示出來，在7月13日和18日2區(qū)域的灰色部分分布都比較均勻，沒有明顯差異，隨著時間的推移，在7月30日SDS區(qū)域的灰色面積明顯大于APS，這一現(xiàn)象在8月9日更加突出。從NDVI指數(shù)方面看出智能滴灌方式明顯優(yōu)于指針式噴灌，在節(jié)水、節(jié)肥方面優(yōu)勢非常凸顯。

3 討 論

歸一化植被指數(shù)(NDVI)又稱標準化植被指數(shù)，是植物生長狀態(tài)以及植被空間分布密度的最佳指示因子，與植被分布密度呈線性相關，長期以來被用來監(jiān)測植被變化情況[4]。無人機軟件PIX 4 D農(nóng)業(yè)版可以將多光譜圖像轉換為精確的指數(shù)圖(NDVI)，指數(shù)圖結合來自反射圖的信息，可以突出與缺水，營養(yǎng)缺乏，害蟲等直接影響植物健康差異的問題。試驗中利用無人機獲取馬鈴薯地塊的多光譜圖像，利用軟件PIX 4 D農(nóng)業(yè)版把獲取的多光譜圖像轉換為精確的指數(shù)圖(NDVI)，得到了馬鈴薯的生長健康差異。試驗結果中SDS灌溉方式比APS灌溉方式節(jié)水，節(jié)肥，同時產(chǎn)量也要高。通過不同時期的指數(shù)圖對比，發(fā)現(xiàn)SDS灌溉方式優(yōu)于APS灌溉方式的主要原因是SDS灌溉方式下馬鈴薯的生長勢要強于APS。SDS灌溉方式下的馬鈴薯生長勢強于APS的原因可能是滴灌方式將作物需要的水分和養(yǎng)分，均勻而又緩慢地滴入作物根區(qū)土壤中，有利于馬鈴薯根系的快速吸收，而噴灌是借助水泵和管道系統(tǒng)，把具有一定壓力的水噴到空中，散成小水滴或形成彌霧降落到植物上和地面上，這種方式不利于馬鈴薯的根系的吸收，同時消耗更多的農(nóng)業(yè)資源。

近年來，無人機在我國農(nóng)業(yè)領域的應用范圍也非常廣泛，有的用于土壤濕度檢測，有的用于植被覆蓋度監(jiān)測，還有將無人機應用到農(nóng)業(yè)保險賠付中等各方面[5]。與傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感、航空航天遙感相比，無人機遙感操作簡單，非專業(yè)人士均可操作，作業(yè)和維修成本低，飛行高度和航線均可人為控制，靈活性強，設備體積小，易攜帶和運輸[6]。借助無人機獲取遙感圖像，在結合相關軟件分析得到NDVI指數(shù)，就可以獲取植物的生長勢等相關狀況。在未來可以利用無人機監(jiān)測植物生長勢等狀態(tài)，及時采取相關措施，達到省時省力，節(jié)省成本的目的，是未來發(fā)展的趨勢。

滴灌具有節(jié)水、節(jié)能、省工、灌水均勻、環(huán)境濕度低，病蟲害發(fā)生率低、增加作物產(chǎn)量、提高產(chǎn)量品質(zhì)等優(yōu)點[7]。在本試驗中發(fā)現(xiàn)智能滴灌的節(jié)水率可以達到42.53%，節(jié)肥率達到11.47%，增產(chǎn)比率為12.32%。王亞蘭[8]研究發(fā)現(xiàn)，滴灌技術可以提高馬鈴薯產(chǎn)量，增幅達到16.41%。在陳慧的研究中[9]發(fā)現(xiàn)，采用滴灌和普通灌溉方式相比馬鈴薯每公頃實際產(chǎn)量增加了11.7 t。高國權[10]就指針式噴灌與滴灌在馬鈴薯種植中進行了對比，發(fā)現(xiàn)滴灌增產(chǎn)14.4%，節(jié)水38%。王官茂等就滴灌與半固定式噴灌2種灌溉進行了比較，結果發(fā)現(xiàn)滴灌灌溉方式可使馬鈴薯極顯著增產(chǎn)，增產(chǎn)率14.86%，大薯率顯著提高7%[11]。

這些研究都表明，滴灌與普通灌溉方式相比確實可以在節(jié)水節(jié)肥的前提下提高馬鈴薯的產(chǎn)量，與本試驗結果相符。

李井會等[12]探索數(shù)字圖像技術和馬鈴薯營養(yǎng)診斷之間的關系。試驗結果發(fā)現(xiàn)分析冠層G/B值與馬鈴薯氮素營養(yǎng)狀況的指標均有良好的相關關系。黃思宇初步研究了基于EVI數(shù)據(jù)的馬鈴薯生長進度遙感監(jiān)測方法，監(jiān)測結果與實際情況基本吻合[13]。于靜等人利用GreenSeeker對馬鈴薯各生育時期讀取了NDVI值，建立了NDVI值與地上部植株氮濃度以及整株吸氮量的關系[14]。阿茹娜基于多源遙感數(shù)據(jù)建立了馬鈴薯線性回歸估產(chǎn)模型，經(jīng)過驗證基于遙感技術的回歸模型估產(chǎn)是可行的[15]。以上研究把NDVI指數(shù)和遙感數(shù)據(jù)用于馬鈴薯研究的各方面，但是鮮有人把馬鈴薯遙感數(shù)據(jù)分析獲得指數(shù)圖用于解釋智能滴灌灌溉方式優(yōu)于其他灌溉方式的原因。在本研究中，明確了馬鈴薯生產(chǎn)上智能滴灌比噴灌節(jié)水、節(jié)肥、增產(chǎn)的比例，并就原因進行了首次探究。但是在本研究中存在不足現(xiàn)象，無人機獲取遙感數(shù)據(jù)會受天氣影響，由于試驗區(qū)域位于壩上地區(qū)，風力比較大，所以導致試驗采集日期不均一。未來研究應該增加其他區(qū)域的試驗，進一步論證試驗結果。另一方面，研究結果只得到了智能滴灌即使在少肥、少水的條件下，維持強的生長勢來達到增產(chǎn)的效果，未來應繼續(xù)加強研究，量化指標，建立生產(chǎn)模型，精確指導馬鈴薯生產(chǎn)。