無人機遙感監(jiān)測現場。

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)模還在進一步擴大。一株株充滿生機的蘋果樹，也成為給果農帶來希望的“搖錢樹”。

然而，在生機的背后，卻隱藏著潛在危機。同行的西北農林科技大學教授李軍告訴記者：“通過0-15米土壤深層次水分監(jiān)測發(fā)現，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區(qū)降水的高效利用成為推動蘋果產業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要科研命題。放眼整個旱區(qū)，旱作農業(yè)高效用水技術創(chuàng)新也是挖掘旱作農業(yè)潛力，推動旱區(qū)農業(yè)產業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要科研命題。近日，記者來到西北農林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農業(yè)研究院，一探旱作農業(yè)高效用水技術創(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區(qū)，栽培面積居全國第一，蘋果產業(yè)已經成為促進該區(qū)域經濟發(fā)展的支柱產業(yè)，種植蘋果已經成為當地農民的主要經濟來源之一。然而，由于缺乏充足的水資源，再加上水資源不足導致的肥料吸收率低，限制了蘋果產業(yè)的高效、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展。

針對這一問題，西北農林科技大學研究員吳淑芳專門研發(fā)了一種針對山地蘋果園的技術——肥水坑制備。“這種山地蘋果園肥水坑，既能夠培肥地力、增加土壤有機質，改善土壤水分、減少無機化肥使用量，又能夠充分利用降雨，保證蘋果樹的穩(wěn)產和增產。”吳淑芳說。

在陜西省延安市寶塔區(qū)萬莊村雨養(yǎng)山地蘋果園試驗地記者看到，這種新型的肥水坑是一種“大坑套小坑”的結構。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”才是這項技術的核心——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，以便于雨水都流向集雨坑內，能夠及時補充果樹所需水分。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，引流管四周用擴蓄增容肥分層填壓充實。

這種土壤擴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，而且能夠為果樹提供所需的氮素、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構，提升土壤肥力，有效提高果樹產量，增加農民經濟收入，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，水分利用效率提高20%以上，蘋果產量提高30%以上，同時也可減少無機化肥的使用，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。這項技術可以在黃土高原蘋果園生產中廣泛推廣應用。”吳淑芳介紹說。

蘋果園用上“共享設備”

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，都需要補充灌溉。

針對山地蘋果產業(yè)發(fā)展急需高效灌溉，而剛建園的果農沒有收益、不愿購置灌溉設施的問題，中國旱區(qū)節(jié)水農業(yè)研究院科研人員提出一種新的滴灌水肥一體化技術推廣模式——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、進排氣部件、流量壓力計量控制部件等，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。

操作移動共享設備的是技術能手、農民專業(yè)合作社成員，通過技術培訓，讓他們成為保管維護操作移動共享首部的專業(yè)人員，為種植戶提供灌溉服務。而滴灌管和支管等“滴灌管道”則固定鋪設在果園里，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便捷地應用到蘋果產業(yè)中，并將灌溉設施畝均投入降低到300元以下，應用面積迅速擴大，實現了山地蘋果產業(yè)的高科技普惠。

無人機繪出“水肥診斷圖”

在中國旱區(qū)節(jié)水農業(yè)研究院的精準灌溉實驗室里，不同規(guī)格的無人機停放在實驗臺上。無人機與節(jié)水農業(yè)有什么關系?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)域屬于水量過多區(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’就是利用無人機拍攝的圖像分析出來的，對指導作物精準灌溉具有重要意義。”

精準灌溉是世界灌溉技術發(fā)展的趨勢和研究熱點，而實現精準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，大部分精準灌溉信息的獲取主要依靠地面監(jiān)測系統(tǒng)，地面布點繁雜，監(jiān)測效率低，而且衛(wèi)星遙感數據在時間分辨率和空間分辨率上都很難達到要求。發(fā)展精準灌溉技術，迫切需要一種高精度高效率的大范圍農田土壤和作物水分信息快速感知技術。而無人機在農業(yè)上的應用，為適度規(guī)模經營條件下的農田信息獲取提供了一種新手段。

近年來，韓文霆研究團隊對無人機遙感、變量灌溉等新興學科的前沿技術進行了深入研究，通過無人機成功獲取了大面積農田作物的可見光、近紅外、熱紅外遙感圖像，具有超高時空分辨率，結合衛(wèi)星遙感和地面數據同化技術，建立了區(qū)域種植結構監(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)出作物需水無人機遙感監(jiān)測技術，實現了精準灌溉。

“作物需水無人機遙感監(jiān)測技術，實現了‘天、空、地’一體化的先進監(jiān)測預警，形成高中低平臺結合、粗中細分辨率互補的全天候、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)的無人機多光譜航拍系統(tǒng)和農業(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，通過數據解析，指導農戶達到精準灌溉、變量施肥、減少農藥化肥使用等目的，不僅對山地蘋果產業(yè)發(fā)展推進作用明顯，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。

太陽能為噴灌設備“加油”

灌溉設備的發(fā)展是促進農業(yè)發(fā)展、提高作物產量的保障因素之一。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)約能源進行灌溉，已成為現代農業(yè)節(jié)水發(fā)展的必然趨勢。

在中國旱區(qū)節(jié)水農業(yè)研究院的試驗田里，記者看到一個大型噴灌設備在農田里自動行走噴灌。這是西北農林科技大學研究人員研發(fā)出來的太陽能驅動噴灌機組。

在眾多灌溉設備中，移動式噴灌機組因自動化程度高、人工投入少、移動方便等諸多優(yōu)點，被廣泛應用。然而，國內目前使用較多的移動式噴灌機組多為進口，雖然效率較高，但結構較大，與國內農業(yè)發(fā)展模式不相符。而且需要電網或者發(fā)電機進行電力供應，這在一些偏遠缺電地區(qū)難以得到保障，制約了移動噴灌設備的推廣。

而太陽能作為清潔環(huán)保的新型能源，取之不盡用之不竭。太陽能驅動噴灌機組以太陽能供電的電機驅動，替代傳統(tǒng)的水渦輪驅動方式，克服了水渦輪能量傳遞效率低的缺點，降低了機組整體能耗。而且配備有速度實時監(jiān)測系統(tǒng)，可對PE軟管的回收速度實施無級調速，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，較好解決了現有卷盤式噴灌機能耗高、設備笨重、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)農田灌溉轉變成移動式噴灌，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。