《小麦冠层-土壤信息快速获取与水氮智能调控关键技术研究与应用》

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河南是中国重要的小麦主产区,在小麦规模化生产过程中,存在水氮管理粗放、利用率低、经济效益差等问题。该项目围绕小麦生长信息大面积快速获取、水氮动态精准调控、水氮智能控制系统等关键技术,及技术推广与应用等方面,以小麦冠层-土壤信息快速获取和水氮智能调控技术为切入点,经过10年联合攻关,突破了系列关键技术,主要创新点如下:

1、突破了基于高分一号多光谱反演土壤空间变异制图和小麦长势实时监测的水氮决策关键技术,构建了土壤有机质和叶面积指数反演模型,为小麦规模化生产精确管理提供了技术支撑。(1)突破了土壤高光谱数据和遥感多光谱数据相融合的土壤有机质定量反演技术,率先建立了土壤有机质高分一号(GF-1)多光谱预测模型,实现了土壤有机质大面积高效快速监测。(2)突破了GF-1数据与小麦冠层高光谱数据、土壤高光谱数据耦合的技术难题,首次构建了基于GF-1多光谱的河南省不同生态类型区小麦LAI监测模型,实现了小麦LAI大范围快速动态监测。(3)突破了小麦生长模型与土壤墒情数据同化的技术难题,创建了基于土壤墒情实时监测的小麦水分调控技术,实现了土壤水分和小麦需水量的动态预报。(4)突破了小麦生长模型与土壤有机质、LAI同化的技术难题,创建了基于土壤有机质空间制图和LAI动态的小麦氮肥调控技术,实现了小麦播前氮肥总量和播后氮肥精确追施量的模拟。

2、研发了麦田感知与肥水智能管理云平台和小麦水氮智慧管理一体机,为小麦大田精准灌溉与施肥提供了软硬件产品。(1)针对小麦规模化生产灌溉面积大、麦田环境信息复杂和实时传输难等问题,采用分布式系统架构,研制了可组网的麦田环境信息远程感知物联网平台,实现了小麦苗情、墒情等信息的实时采集与传输;基于WEBGIS和云架构,构建了小麦肥水智能管理云平台,具有土壤有机质、水分、小麦长势等信息管理功能及灌溉施氮处方生成等决策功能。(2)针对田间地头电力供应难、线路敷设麻烦等问题,利用低压输水管道内的压力差,研制了电磁阀自供电控制模块;集成电磁阀控制模块和水氮智能决策等技术,研制出小麦水氮智慧管理一体机,具有鲁棒性高、扩展性强、控制精度高、电气隔离性好、安全可靠、灌溉施肥控制方式多样等特点;该一体机按照小麦灌溉制度和施氮方案,将氮肥用量同微喷灌的灌水时间和次数合理调配,实现了小麦水氮精准调控。

3、建立了高效实用的小麦生长水氮智能调控技术体系及推广应用模式。(1)建立了以麦田感知与肥水智能管理云平台和小麦水氮智慧管理一体机为载体的小麦生长水氮智能调控技术体系,制定了土壤有机质空间变异制图、LAI多光谱反演、水氮调控等技术规程,编制了云平台和一体机的操作规程。(2)创新了“1+n”和“云+端”相结合的新型推广模式。以麦田感知与肥水智能管理云平台为应用平台,以水氮智慧管理一体机为应用终端,建立“1+n”服务模式,实现了不同区域应用终端的统一管理;采用“平台即服务”架构,构建了小麦水氮智能调控技术信息服务云平台,建立“云+端”的服务模式,为涉农企业、种植大户等新型农业经营主体主动推送水氮调控技术及产品;将“1+n”和“云+端”相结合,实现了小麦水氮智能调控技术“云-机-人”协同推广应用。

项目实施以来,登记软件著作权6项,发表论文19篇,其中SCI收录2篇。获河南省农业科研系统成果一等奖2项。该成果已在河南、山东、河北等省应用,累计推广面积1415万亩,获得经济效益4.69亿元,节本增效总计15.13亿元,取得了显著的社会、经济和生态效益。

成果说明

该项目整合产、研、推各方面的资源,坚持边研究、边应用、边推广的原则,及时将研发成熟的相关技术与产品应用到生产中。本项目取得的成果已在河南、山东、河北等省大面积推广应用,获得了显著的经济、社会和生态环境效益。应用本成果后,平均亩增产15公斤,亩节氮肥18元,亩节水20元,亩节约人工成本34元。通过本成果的应用,节约了灌溉用水,减少了氮肥投入,实现了小麦节本增效。 从2009年至2018年,项目相关技术已在河南省南阳市、驻马店市、周口市、商丘市、许昌市、开封市、安阳市、濮阳市、新乡市、鹤壁市、焦作市、济源市

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