基于作物生境与生理大数据应用的水肥一体化决策系统设计.pdf

44 现代农业装备 2023年 基于作物生境与生理大数据应用的水肥 一体化决策系统设计 谭剑锋 1 张丽慧 1 刘海峰 1 2 谢秋波 1 2 陈万云 1 1 广州市健坤网络科技发展有限公司 广东 广州 510630 2 广东省现代农业装备研究所 广东 广州 510630 摘 要 水肥一体化是设施农业的关键应用 是实现作物栽培管理的水肥供给精准化 少人化 甚至无人化的重 要措施 决策型水肥一体化应用系统的研发及应用较少 本研究以作物的产量为导向 阐述了一种利用大数据分 析技术 以采集作物生境与生理大数据为关键途径 融合农艺理论数据 综合多元数据耦合分析利用的水肥一体 化决策系统设计 该系统通过部署大数据算法技术 构建作物栽培模型 驱动栽培管理调控决策形成 最终通过 在线式水肥一体化施肥设备实施调控操作的综合应用 旨在推动水肥一体化技术提升 把决策机制从 理论导 向 经验指导 定值调控 升级为以大数据分析研判为基准 实现水肥一体化的实时精准调控 关键词 大数据技术 水肥一体化 作物生境与生理 多元数据耦合 中图分类号 S224 2 TP273 文献标识码 A 文章编号 1673 2154 2023 02 0044 07 收稿日期 2023 02 24 作者简介 谭剑锋 1989 男 硕士 农艺师 主要从事智慧农业技术应用研究 E mail 195542339 通讯作者 陈万云 1974 男 本科 工程师 主要从事农业信息化研究 E mail 113174615 现代农业装备第44卷 第2期 2023年4月 Vol 44 No 2 Apr 2023Modern Agricultural Equipment 0 引言 作物生境 即作物生长所依赖的环境 作物生 理 即作物生长时因环境影响或自身代谢活动发生 的生理变化 两者是作物生长 外在与内在 的重 要参数 也是对作物产量有直接影响的重要因子 随着物联网 IOT 技术在农业生产过程中的应用和 发展 针对作物生境与生理的信息数据采集手段已 日渐成熟 其中包括温度 湿度 光照 营养元素 光合作用情况等数据采集 1 3 基于物联网技术的水 肥一体化应用系统在我国现代农业种植上应用已初 具规模 但大部分系统的设计思路是部署物联网设 备 进行数据的采集 通过开发赋值 与采集数据 进行简单比对后 通过系统控制实现水肥一体化化 灌溉的自动化 4 该模式下 只实现作物生境与生理 数据的表层应用 在一定程度上实现了广义的精准 水肥供给 但未实现作物大数据对作物产量提质增 产的价值挖掘 大数据是涵盖规模 类型 价值 速度 精度 和复杂度等基本特征的数据集及其相关的一系列技 术体系 5 物联网技术结合大数据技术 精确计算最 优化配置模式 帮助作物水肥管理 实现生产需求变 化与资源变化的深度耦合 做到作物生产的 全要素 全过程 全系统 综合分析应用 依靠数据驱动是水 肥一体化的精准调控机制升级的必然趋势 6 本系统聚焦作物产量 通过建立作物生境与关 键生理态势感知体系 构建作物实时数据与农艺理 论数据结合的数据资源池 并配备可实现高精度调 控的在线式水肥一体化施肥设备等硬件设备 融合 硬 软件同步开发 设计一套新型的水肥一体化决 策系统应用 为水肥一体化技术应用的数字化 信 息化提升提供借鉴 1 作物生境与生理的关键参数 作物生长环境关键因素有环境温度 湿度 光 照 根际环境等 其中 根际环境 root zone RZ 是指作物生长 吸收 分泌过程中形成的物理 化 学 生物学性质不同于土体的 复杂的 动态的微 45 谭剑锋 等 基于作物生境与生理大数据应用的水肥一体化决策系统设计第2期 型生态系统 光合作用活动是影响作物产量的最为 关键生理活动 同时生境的变化也时刻影响着作物 生理代谢的进程变化 1 1 作物生境的关键参数 作物生长环境因素主要包括环境温度 湿度 根际环境 其中 根际环境涵盖基质含水量 pH 电导率 EC N P K Ca 元素含量等重要参数 1 1 1 温度 湿度 温度是影响植物生长发育 作物产量和品质的 主要环境因素之一 高温直接影响光合作用的进行 主要表现为气孔限制和非气孔限制 气孔限制主要 表现在由于高温胁迫条件下 作物气孔导度受限 从而导致 CO 2 供应不足 光合速率降低 非气孔限制 则是在高温胁迫下 参与光合作用的关键酶活性受 到抑制 叶肉细胞的气体吸收扩散受阻 CO 2 溶解量 下降 光合作用场所稳定性下降 最终导致光合作 用活动减缓 7 空气湿度对作物在逆境环境下的适应性调节尤 为重要 在高温胁迫下 提高空气湿度可明显提高 番茄叶片的气孔导度 从而提高番茄的耐热性 因 为随着湿度的升高 SOD 活性增强 从而可缓解高 温胁迫对番茄植株的伤害 8 1 1 2 光照 作物的生物量积累主要依靠光合作用产生 通 过固定 CO 2 实现碳的积累 光照的强弱直接影响作 物对 CO 2 固定及营养元素吸收利用 从而影响作物 的产量和品质 持续的弱光环境会导致果蔬类作物 初花期推迟 开花高峰期延迟 开花指数下降 最 终出现减产降质等现象 9 过强的光照会导致植株叶 片光合速率下降 是非气孔限制因素导致的结果 10 1 1 3 根际环境 根系是作物进行营养吸收的重要器官 根际环 境是根系进行营养吸收 转运输送的主要场所 根 际环境中含水量高 直接影响作物器官的组成细胞 渗透压以及呼吸作用的进行 从而影响作物生长的 异化与同化的发生过程 pH EC 的失衡 影响根系 对营养元素吸收 N P K Ca 等元素的含量变化 引起根际环境的 EC pH 发生变化 根际环境的改 变也同步导致作物各器官的酶活性发展变化 从而 引起作物生理活动的变化 1 2 作物生理的关键参数 光合作用所产生的有机物 即作物积累的生物 量 通过不同的同化反应 最终成为作物产量积累 蒸腾作用影响着光合作用的进行 其中关键因素是 叶片蒸腾速率 气孔导度 叶绿素含量等 其作用 机理为 叶片蒸腾作用 是水分从活的植物体表面 主要是叶片 以水蒸汽状态散失到大气中的过程 水分经历过程一般为根际环境中水分经过根器官中 的根毛吸收并经根内导管运输到茎器官 再由茎内 导管运输到叶内导管 最后通过叶片中气孔散发到 大气中 其中蒸腾作用带动水分的运输 从而带动 部分离子态矿质元素吸收与运输 11 如香紫苏在生 长过程中 光照强度和叶温与蒸腾速率之间均呈 现明显的正相关 12 蒸腾速率直接反映作物蒸腾 作用的强弱 气孔是植物叶片与外界进行气体 交换的主要通道 它在控制水分损失和获得碳素 即生物量产生之间的平衡中起着关键的作用 气 孔导度反映气孔的开度 直接与蒸腾作用成正比 叶绿素是光合作用的重要场所 叶绿素的含量 高低 可以反映作物光合作用的进程速度 量级 变化 在作物栽培管理上 叶绿素的含量直接反 映植物的健康状况 叶绿素含量非生理性整体降 低一般认为代表植物发生病变 叶绿素解体导致 出现黄化现象 2 系统设计 综合作物生境与生理对作物产量的影响 系统 充分考虑多元信息采集 操作执行设备等硬件 大 数据分析技术等软件技术 进行一体化通盘考虑 对系统进行整体部署 分部细化的设计工作 基于作物生境与生理大数据应用的水肥一体化 决策系统组成如图 1 所示 由硬件设备和应用软 件系统组成 硬件设备主要由物联网传感器 作 物生理感知设备 在线式水肥一体化设备组成 物 联网传感器与作物生理感知设备完成作物生境与 生理参数的信息数据采集 在线式水肥一体化设 备构成大数据决策的执行硬件机构 精准调控水 肥供应的频次和量级 应用软件主要包括 3 大核 心组件 数据资源库 大数据分析运算 可视化操 作前端 46 现代农业装备 2023年 图 1 基于作物生境与生理大数据应用的水肥 一体化决策系统结构图 2 1 物联网感知 针对基质栽培 其需重点部署的物联网设备包 括但不限于 可采集环境的温度 湿度 风速 光照 强度 降雨量等多参数的气象站 基质含水量传感 器 光合有效辐射传感器 可采集根际环境的温度 含水量 EC pH 有效钾 有效磷 有效氮等参数 的根际综合传感器 可实现作物所需营养液元素含 量检测 并可自动上存数据的监测装置等 2 1 1 多参数气象站 气象站是一种集气象数据采集 存储 传输和 管理于一体的无人值守的气象数据采集设备 它可 根据监测类别的需求进行选型配置 以同时监测大 气温度 风向 风速 大气压 雨量 光照 日照 时数 太阳总辐射 紫外线辐射等诸多外部大环境 气象要素 是一种多应用集成终端 同时 气象站 中集成物联网传输网络中继器模块 提供无线物联 网设备的网络接入支撑 2 1 2 基质含水量传感器 基质栽培有别于土壤栽培 其含水量与土壤有 较大差异 常用于无土栽种的泥炭土 是一种由大 量分解不充分的植物残体积累并形成泥炭层的土壤 常作为栽培用介质使用 具备吸水保水的特性 含 水率 质量比 可高达 700 13 常规应用于土壤的 墒情传感器无法正确测量基质含水量 基质含水量 传感器一般采用电容检测法 即将电容接入电路中 电容变化引起频率变化 通过测定频率的变化值得 到基质含水量 14 传感器在使用起始时必须依据栽 种基质的类别进行标定 2 1 3 光合有效辐射传感器 太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱成分称 为光合有效辐射 波长范围 380 710 nm 光合有 效辐射平均约占太阳总辐射的 50 15 光合有效辐 射是影响光合作用的关键因子 光合有效辐射传感 器能直接测量作物对光照的利用情况 同时传感器集 可集成物联网数据传输模块 实现数据的连续在线监 测 为后续的数据统计分析提供数据源采集保障 2 1 4 根际环境传感器 光谱检测技术应用在检测领域已经较为成熟 检测样品基本在某一光谱段中有一个吸收峰或者反 射峰 且斜率较大 光谱采集设备具有高灵敏探测 能力 通过系统的分析比对 能准确检测出样品中 相关成分的含量 3 根际环境传感器是多项关键因素检测术的集成 其集成了特殊发光特性 OLED 材料 实现全光谱激 发 高精度光谱感知元件可采集被测对象在全光谱 照射下的反射特性 并利用微电脑控制器进行电信 号的去杂 借助机器学习等算法工具自校正 最终 完成数据的测量 同时 为确保数据的准确性 针 对同一被测数据需要做理化试验来标定曲线图 目 的是分析某些物质是否只在某个波段下有光反应或 者在多个波段下均有光反应 通过机器学习的方法 拟合出此物质含量和光谱图的线性关系 由此构建 出一个可预测物质含量的模型 最终可通过光谱图 无损探测出样品中物质的 含量 应用于根际环境的 光谱应用传感器可对根际 环境中的温度 EC pH 含水量 有效钾 有效磷 有效氮等进行连续在线式 监测 多光谱技术 根际 环境传感器设备实物如图 2 所示 2 2 作物生理感知 作物的生理活动是一个持续发展的过程 通过 检测仪器进行定时检测 获取可靠的生理进程关键 参数指标 并通过设备集成的无线数据通讯模块 图 2 多光谱技术 根际环境传感器 47 谭剑锋 等 基于作物生境与生理大数据应用的水肥一体化决策系统设计第2期 实现数据的汇集 2 2 1 植物营养元素检测仪 植物营养元素检测仪可实现土壤 基质 营养 液中矿质元素含量 其主要利用基于Android 系统 的便携式分光光度检测设备 通过生物化学方式方 法进行矿质元素的测定 其中包括铵态氮 速效磷 有效钾 有机质 pH 等含量测定 同时支持测试数 据的记录 并可实现数据的自动上存到系统 2 2 2 植物蒸腾速率测定仪 植物蒸腾速率可用于测量作物叶片中不同时间段 的叶片蒸腾速率 空气温度 空气湿度 光合有效辐射 叶片温度等相关数据 其中光合有效辐射测量范围应满 足0 3 000 nullmol mm 2 s 精度 5 nullmol m 2 s 通过 连续测量样品叶片蒸腾速率并计算出平均值 最终 输出可靠的检测结果 2 2 3 叶绿度检测仪 常规的叶绿素含量测量方法是采用化学 物理 综合方法进行测定 其测量步骤繁琐 且属于有损 检测方式 本系统应用叶绿度检测仪进行评估叶片 叶绿素含量 叶绿度 SPAD 检测仪是利用叶片中 叶绿素对红光 峰波长为 650 nm 红外线 峰波 长为 940 nm 2 种不同波长光线吸收不相同的原理 通过 2 种波长范围内的透光系数来确定叶片当前叶绿 素的相对数量 从而评估当前叶片中叶绿素的相对含 量 该传感器的优点是无损检测 快速高效 2 3 在线式水肥一体施肥设备 在线式水肥一体化施肥设备的整体结构包括注 肥系统 混肥系统 控制系统 检测系统和其他配 件等 设备基于大数据技术 为满足作物生境与生 理的实时数据采集和运算分析 以及对肥料浓度调 节的精准化执行要求 采用通用智能模块化设计及 逻辑化关联处理 组件间可相互兼容 即插即用 且对施肥设备中的文丘里管合适的流量和压力 吸 肥效率和稳定性 灵敏度 控制精度等方面进行了 优化 最终设备如图 3 所示 同时 系统集成了各 类传感器 包括阀门状态传感器 水泵状态传感器 控制器状态传感器等元件 可对整体运行状态进行 感知 设备运行是通过文丘里吸肥器作为吸肥动力 联通多个营养液原液通道 通过其高精度控制阀门 高灵敏度传感器 实现水肥施用控制的快速响应 并可通过应用软件模块实现设备的可视化操作 图 3 在线式水肥一体化施肥设备 2 4 大数据分析应用 基于温度 湿度 光照等关键因素开展水肥一 体化调控的相关研究及应用的报道较多 但主要集 中在 1 个或 2 个因素对作物生长的影响 缺乏综合 考虑多因素及其耦合作用 多项试验结果表明作物 生境与生理的各项因素之间存在两两交互 多方交 互 拮抗作用等影响关系 16 作物的产量受到环境 生理变化的多方共同影响 利用大数据运输技术 对作物生长关键参数进行分析 是对作物生长规律 及其后续发展预测的关键 本系统设计主要包括 3 部分 即数字资源库 大数据分析运算及可视化操 作前端应用 2 4 1 数据资源库 本系统大数据分析应用的数据资源库包括 2 大 核心组成 作物生境与生理参数数据资源和农艺理论 数据资源 作物生境与生理参数数据资源主要包括以下作 物关键参数 作物生境关键因素 环境温度 相对湿度 光照有效辐射量 W m 2 营养 液 有效氮含量 mg L 有效磷含量 mg L 有效 钾含量 mg L EC ms cm pH 根际环境 有 效氮含量 mg L 有效磷含量 mg L 有效钾含 量 mg L EC ms cm pH 生理参数 叶绿度 蒸腾速率 g m h 同时 基于作物基质栽培的研究及应用已达到一 定的水平 整合前期理论研究数据 构建作物农艺数据 资源库 可为大数据分析运算提供重要的数据支撑 48 现代农业装备 2023年 2 4 2 大数据分析运算 利用建设的物联网感知和作物生理感知硬件设 备采集样本庞大的生境与生理数据 通过大数据分 析技术 建立多因素耦合模型 全面考虑因素间交 叉相互影响等 同时结合农艺理论数据 综合研判 输出具备相对实体性的水肥一体化精准调控决策 基于以上的思路 系统的设计核心要点是对作物感 知 大数据运算 决策输出以及水肥供给需求的快 速响应 系统设计应用逻辑体系见图 4 系统设计特 点如下 物联网感知应由物联传感器 生理或生 境检测仪器的数据采集 能实现采集数据的自动化 根据对样本密度的要求 甚至可以按秒级别进行数 据采集 并采用无线网络实现数据的传输 提高部署 的便捷性 建立数据标准 其中包括统一的数据 采集规范 表结构 加快全量数据处理速度 运 用 R 语言 Python 语言等建立数据分析模块 具有 较高实用性 通过大数据分析法 对庞大的数据 进行综合运算 模拟出基于作物生境与生理的栽培 管理模型 并通过新型在线式水肥一体化施肥设备 实现水肥变量的可控可调 图 4 作物生境与生理大数据应用的水肥一体化决策系统 大数据分析运算应用图 49 谭剑锋 等 基于作物生境与生理大数据应用的水肥一体化决策系统设计第2期 2 4 3 可视化操作前端 为 了提高应用的普遍适用性和使用的便捷性 本 系统同步设计可直观操作 查看运行状态的可视化 前端应用 如图 5 所示 通过简洁的大屏显示 实现 一屏感知与调控 其特点包括 把物联网感知数据 的数值与变化趋势进行展示 通过建立 3D 模型实现设 备部署的可视化 在 3D 模型的基础上集成设备的远程 调控 极大提高了操作的便捷性 图 5 作物生境与生理大数据应用的水肥一体化决策 系统 可视化操作前端 本系统针对在线式水肥一体化施肥设备的操作 开发可视化操作界面 如图 6 所示 可视化操作前 端应用具有较高便捷性 可对水肥一体化系统的各 个部件的运行情况实时掌握 可通过界面对在线式 水肥一体化施肥设备进行控制 操作 对综合大数 据分析下形成的灌溉策略 可进行快速响应 图 6 作物生境与生理多因子耦合的水肥一体化灌溉 调控应用平台可视化图 3 结语 水 肥一体化技术应用是设施农业的关键应用 是作物栽培管理中解决灌溉 营养供给 同时实现 精准化 少人化甚至无人化的关键技术 随着大数 据对农业产业发展影响的逐步加深 建立物联网感 知 作物生理感知 农艺理论数据等海量数据的汇 集 依靠数据驱动 利用大数据技术 深挖数据的 价值 构建作物栽培模型 驱动栽培管理调控决策 形成是水肥一体化技术应用进行数字化 信息化革 新的关键途径 不断深化大数据技术在农业生产上 的应用及推广 强化数据驱动决策的作用 才能推 动现代农业往 数量 质量 效益 并重的集约化 发展方向 才能走上高效 安全 资源节约 环境友 好的现代农业发展道路 参考文献 1 董怡青 赵芷岚 范伟 等 基于便携式近红外光 谱技术的茯苓粉真实性无损检测研究 J 食品安全 质量检测学报 2022 13 22 7210 7217 2 李玉霖 崔建垣 苏永中 不同沙丘生境主要植 物比叶面积和叶干物质含量的比较 J 生态学报 2005 2 304 311 3 蒲高斌 刘世琦 刘磊 等 不同光质对番茄幼苗 生长和生理特性的影响 J 园艺学报 2005 3 420 425 4 胡萱萱 基于 PLC 的农业种植水肥一体化自动控 制系统 J 现代农机 2023 1 73 75 5 许世卫 王东杰 李哲敏 大数据推动农业现代 化应用研究 J 中国农业科学 2015 48 17 3429 3438 6 牛寅 设施农业精准水肥管理系统及其智能装备技 术的研究 D 上海 上海大学 2016 7 李佳佳 杨再强 韦婷婷 等 高温与空气湿度交 互对番茄叶片气孔特性的影响 J 北方园艺 2020 6 23 31 8 王姗姗 干热胁迫下增加空气湿度对缓解温室番茄 高温危害的效果 D 太古 山西农业大学 2015 9 王克磊 基质含水量和光照强度对番茄植株生长发 育及生理特性的影响 D 南京 南京农业大学 2009 10 路涛 亚高温强光胁迫下番茄幼苗光抑制及光保护 机制研究 D 沈阳 沈阳农业大学 2016 11 施卫明 李光杰 艾超 等 中国植物营养生物 学研究重要进展和展望 J 植物营养与肥料学报 2022 12 2310 2323 12 栗茂腾 刘建民 余龙江 等 香紫苏在不同发育 阶段的蒸腾作用与环境因子之间关系的研究 J 农 业环境科学学报 2006 2022 S1 290 294 13 孙壮 王荣 林立宏 等 超高含水率泥炭土力 学特性的试验研究 J 科技与创新 2022 10 119 121 14 高照阳 张红梅 常明勋 等 国内外土壤水分监 测技术 J 节水灌溉 2004 2 28 29 15 张璟 谢亚楠 汪鸣泉 等 基于遥感数据的植 被吸收光合有效辐射估算研究 J 辽宁林业科技 2020 2 1 7 16 CHENG Z CHEN X LAI L et al Relationship between tomato fruit growth and environmental factors under protected facility cultivation J Acta Ecologica Sinica 2011 31 3 742 748 50 现代农业装备 2023年 Design of Integrated Decision System of Irrigation and Fertilization for Based on the Application of Big Data of Environments and Physiology Tan Jiangfeng 1 Zhang Lihui 1 Liu Haifeng 1 2 Xie qiubo 1 2 Chen Wanyun 1 1 Guangzhou Joinken Network Technology Development Co Ltd Guangzhou 510630 China 2 Guangdong Institute of Modern Agricultural Equipment Guangzhou 510630 China Abstract Irrigation and fertilization was the important application of agriculture The research and application of decision making integrated irrigation and fertilization system are few This study was oriented to the yield of crops and expounds a system which used big data analysis technology to analysis data of environments and physiology also the agronomic theory By the system constructs crop cultivation model drives the formation of cultivation management regulation decision and finally implements comprehensive application technology of regulation operation through fertilizer applicator This system purpose was to promote the regulation strategy mechanism of irrigation and fertilization from theoretical guidance experience guidance and fixed value regulation to the technical improvement based on comprehensive analysis and judgment of big data and real time accurate regulation Key words big data technology integration of water and fertilizer crop physiology and crop hobitat multifactorial coupling algorithm Development Status and Expectation of the Fertilizer Machinery Hu Xianwei Mao Wei College of Mechanical and Electronic Engineering Xinjiang Vocational University Urumqi 830013 China Abstract Fertilization is an important link in the production process of agricultural products which needs to be completed by fertilization machinery Aiming at domestic and foreign solid fertilizer machinery liquid fertilizer machinery and variable rate fertilizer machinery this paper summarizes and analyzes the principles advantages and disadvantages of disc centrifugal blade hammer and chain finger fertilizer machinery and based on the market production limitations of China s fertilizer machinery the lack of organic integration of agricultural machinery and agronomy and the slow development of supporting institutions provides three suggestions for the development of China s fertilizer machinery That is the government should introduce relevant policies to guarantee enterprise production and encourage universities and enterprises to jointly research and develop high tech Secondly it is suggested to concentrate small scale land and promote the formation of large scale fertilization operation mode Finally in combination with the actual operating conditions gradually improve and optimize the relevant parts of machines and tools to improve the guarantee for achieving variable precision fertilization Key words fertilization machinery centrifugal agronomy precision fertilization 上接第29页