黄土丘陵区水土保持型智慧农业研究

　　摘要：干旱与水土流失并存是黄土高原生态环境建设和社会经济发展面临的一个主要问题。随着黄土高原“退耕还林(草)”工程及其他生态工程的实施，生态建设与发展农业生产用地的矛盾日益突出。目前在黄土丘陵区开展的部分水土保持高效农业模式下，暴雨径流对农田损毁仍然严重，农业生产依然受到干旱与水土流失并存问题的困扰，发展能够对水土流失进行过程治理、对农业生产进行过程控制的智慧型水土保持农业成为必然趋势。为了探究适应于黄土丘陵区农业生产特征的水土保持型智慧农业体系，本研究以马家沟梯田大棚和安塞方塔梯田果园为研究典型，通过野外监测调查、计算机软件集成，分析黄土丘陵区水土流失和水分亏缺状况，研究具有水土流失过程监测评估和作物生产过程智能控制功能的中枢处理系统搭建，探索黄土丘陵沟壑区生产条件下水土保持型智慧农业的内涵、理念以及体系结构，以期为黄土丘陵区水土流失过程保障和农业高效生产提供理论基础和体系架构。

　　关键词：水土保持；智慧农业；水沙调控；黄土丘陵区

　　第一章绪论

　　1．1研究背景与意义

　　1．1．1研究背景黄土丘陵区农业用地多山地、坡耕地，降雨集中，旱季缺水，农作物需水供应不足，7、8月雨季水多，大雨冲刷侵蚀土地造成水土流失，水资源利用率大大降低，在缺乏有效的径流调控的条件下，形成作物缺水与水分大量流失的矛盾局面。目前，前人在黄土丘陵区降雨径流调控方面的诸多研究，为缓解黄土丘陵区农业用水紧张提供了技术支撑，但在缺乏有效及时的信息流通条件和现代化信息交汇、处理、反馈条件的情况下，传统的生产管理模式仍然对水土保持与农业生产发展形成限制【11。基于SWAT模型、EPIC作物生长模型和灌溉渠道水沙模型有机集成的水土流失与作物生产中枢处理系统应用于黄土丘陵区农业的水土流失治理和作物生产管理，将是解决该地区干旱缺水、水土流失和农业用水调控的最佳方案。本项目针对上述问题，利用动态、无延迟的水土流失监测和作物生长数据感知系统，可形成多尺度、多维度、即时的监测农作物的生长信息，调控降水径流的机制，同时可基于中枢处理系统实现智能评估水土流失过程，智能控制灌溉设备及智能监测预警病虫害灾害等，突破干旱地区干旱与水土流失并存，农田信息获取困难与智能化程度低等技术发展瓶颈。

　　1．1．2研究意义

　　黄土丘陵区干旱与水土流失并存的问题，长期困扰农业生产的高效化发展，迫切一种集水土流失防治与农业高效生产于一体的智能决策型生产方案。本文搭建的黄土丘陵区水土保持型智慧农业体系，将SWAT模型、作物生长EPIC模型与灌溉渠道水沙模型集于一体，形成该体系的核心技术，将在水土流失治理和农业高效生产方面起到及时有效的信息获取、汇总、分析、决策作用，实现黄土丘陵区水土保持与农业生产的智慧化。强化水土保持措施与农业生产之间的互联作用是要点，信息获取手段是最重要的关键技术之一。通过高度集成计算机、通信以及传感器等技术形成端点网络能够能够较为高效的获取并处理信息【2】。网络中包含诸多智能传感器端，这些端点均具有功耗低、能源低等特点可实时感知并监测、采集对象信息，同时可经处理形成准确、详尽的信息，经无线传输网络将上述信息传凝视至中枢处理系统、信息用户。此外用户还可基于网络向目标节点传递指令，执行特定任务[31。

　　1．2国内外研究进展

　　1．2．1水土流失监测监测水土流失不仅仅是水土保持事业的根本保障、基础性工作，同时也是相关部门掌握水土流失情况，合理设计水土保持方案的根本依据【41。国内外对于水土流失监测方法的研究多集中在坡耕地，目前，随着极端天气现象的频繁出现，强降雨冲刷引起水土流失较风蚀等其他形式的水土流失更普遍，己成为我国黄土丘陵区水土流失的主要类型瞪】。如何有效地开展强降雨冲刷水土流失监测，同时采取行之有效的监督防治措施至关重要。

　　1．2．2SWAT模型该模型是由美国农业部农业研究中心研发基于物理过程及连续时间模拟水流分配、污染物运移及作物生长的综合分布式水文模型【23】，在北美、欧洲及国内取得了较好的发展及模拟结果。SWAT模型侧重于水文过程的模拟【2牝51，运算步长以日为基本单位，模拟不同土壤及土地利用条件下流域水沙及化学物质的运动过程【261，其根据流域数字高程模型(DEM)及土地利用方式将流域划分为若干水文响应单元(HydrologicResponseUnits，HRUs)，HRUs是子流域(subbasin)内单一地面覆盖及单一土壤类型和管理方式下具有水文意义的地块单元。

　　第二章水土保持高效农业模式的应用监测与技术提升需求

　　梯田大棚和梯田果园为黄土丘陵区的主要农业产业形式，降雨冲刷对梯田的侵蚀和水土资源利用效率较低的问题，对农民增产增收形成限制。降雨冲刷对梯田大棚的侵蚀程度与水资源、土壤资源和果实品质的直观认识模糊，导致该地区水土资源的严重浪费。针对以上问题，本章通过对位于延安市马家沟龙泉寺村的梯田大田、大棚进行2013年极端降雨侵蚀定位监测，明确了极端降雨情形下梯田大田和梯田大棚的侵蚀状况；对位于延安市安塞区的方塔梯田果园示范园进行定位监测，明确梯田果园水资源与果实生长需水、土壤资源与果实品质之间的量化关系，监测调查分析得出，基于《黄土丘陵沟壑区水土保持与高效农业技术规范》【681，发展水土保持型智慧农业是高效应对黄土丘陵区梯田大棚和梯田果园水土流失，提高水土保持效益和水资源利用率的必然趋势。

　　第三章水土保持型智慧农业理论及体系构建

　　3．1农业起源与发展

　　3．1．1我国农业起源

　　通常意义上的农业可理解为基于动植物的特性，生长教育经人工培育而是茂产品的产业。农业通过劳作，即针对有生命的动植物进行劳作，而获得动植物。在国民经济发展中农业充分扮演着支柱性产业的作用，也是第一产业。研究农业的科学是农学。由于人与农业发展两者间具有紧密的联系。因而学术界一直孜孜不倦的探索农业的起源与发展等相关问题。我国是农业起源最早的国家，可以追溯到一万年前的河北省徐水县南庄头。在过去的几十年里，考古学界通过深入地域调查、挖掘江淮河汉诸流域等诸多流域，主要发现了如下著名的遗士。其分别是广西桂林甑皮岩‘871、江西万年仙人洞【88】这两处，距今已有按近一万年的历史了。河北武安磁山【891、河南新郑裴李岗嗍、(此两种约有7、8年千年历史)河北徐水南庄头㈨、湖南澧县彭头山【92】等地点。河北省徐水县(1968)年被发现的南庄头遗址引起了相关领域的广泛关注。虽然该遗址的总面积仅有60多平方米，但是考古学者们通过拔开草木灰层、小灰沟而发现了其中包含诸如与人类生活有关的物品，比如石料、木炭、螺壳、兽骨、木板、骨角器等等。最值得一提的是该遗址还发现了石磨棒、石磨盘这两大古代加工谷物不可或缺的物品。这可一定程度说明当时人类已经开始栽培农作物了。据碳14测定其甚至要远早于磁文化，至今约有10510年了，这一数据比桂林甑皮岩遗址、万年仙人洞也早了十多个世纪。是我国截止当前发现新石器时代遗址年代最早的，据此可推测我国早在1万多年前就已经开始发展农业了。

　　3．1．2我国农业的发展历程

　　新中国成立之前，我国农业的发展主要可细分为如下六个阶段：首先是萌芽时期。这一阶段约距现在1万年前，可归属为新石器时代。这一时期的农业是基于渔猎、采集经济而逐渐形成的；第二阶段是初步形成农业技术阶段。夏、商、财。这一时期先祖们创造了金属冶炼技术，农业生产中开始引入青铜农具：第三阶段是精耕细作阶段。熟读历史的朋友应该都知道春秋战国时期，我国科技文化、社会大变革。特别是炼铁技术技的发明，更足以充分说明新生产力的形成。这一时期先人们运用畜力、铁农具，为农业生产奠定了良好的基础；第四个阶段是北方形成旱地精耕细作技术。我国北方地区早在秦、汉南北朝时期就已经进入农业技术成熟时期。这一时期配套形成了耱、耙、耕。人类先后运用了多种复杂的大型农具。贾思勰著有《齐民要术》一书，该书较为全面的说明了大型业的发展；第五个阶段即南方形成水田精耕细作。这一时期经济发展发生了较大的转移，即逐渐以南方取代原本仅以北方为重点的经济模式，南方形成配套水田技术，这一时期普及农具发明，推广农业棉花种植。人类采取了更为丰富化的方式利用土地，应该说这一时期的南北方农业都取得了较大的成果。与此同时这一期间也形成了很多与农业有关的书籍。最后一个阶段是深入发展精耕细作的阶段。这一阶段，国人开始显现严重的地少人多的问题。因而需要进一步推进精耕化发展。这一时期我国向美洲新大陆地区引入了诸多新品种，并极大的变革了我国农作物结构。农业生产已经形成了以多熟种植、多种经营共存的模式。

　　3．2农业的分类

　　农业类型，即地域上体现出来的与农业经营、结构有关的方式。这是基于历史发展、地域范围内而形成的特殊的地域农业生产体系，具有相对稳定性。一般情况下同一类型的农业其土地利用方式、经营制度、结构特点、生产条件、发展方向等各方面具有一定相似之处。以生产对象进行分类可将农业细分为：其一畜牧业；其二种植业；其三副业；其四渔业；以投入多少则主要可分为密集型与粗放型农业；结合农业产品的用途，可以分为商品，农业以自给农业。一般认为前者属于发达国家或属于为发展中国家。性质可具体分为如下四大类。第一类是原始农业；第二类是古代农业；第三类是近代农业，第四类是现代农业。

　　第四章水土保持型智慧农业中枢处理系统

　　水土保持型智慧农业的关键技术主要是中枢处理系统的开发。中枢处理系统采用高性能服务器，负责对农业生产涉及的气候、水文、水土流失、土壤、作物种植及生产过程的数据提取、处理和存储。中枢处理系统是能够对不同农作物生产涉及的物候条件、土壤水分亏缺、作物生长过程、水土流失及干旱对作物生长的影响等进行逻辑分析与判断并给出解决方案的智慧系统。该系统的特点是能将决策方案直接传输到各种信息终端，以指导作物高效生产和水土流失与干旱的过程预防。

　　参考文献

　　[1]李壁成小流域水土流失与综合治理遥感监测[M】．科学出版社，1995．

　　【2]许峰，曾大林．地球信息技术在水土保持生态环境监测中的应用[J]．中国水土保持，2001(8)：32．33．

　　[3】唐强，鲍玉海，贺秀斌，等．土壤侵蚀监测新方法和新技术[J]．中国水土保持科学，2011，09(2)：11．18．

　　[4]赵军，雷廷武，张晴雯，等．激光微地貌扫描仪的开发研制及在坡面侵蚀研究应用初步[J】．山东农业大学学报(自然科学版)，2001，32(2)：201—206．

《黄土丘陵区水土保持型智慧农业研究》

上一篇：基层农业技术推广服务体系的构建与实施

下一篇：贵州省发展智慧农业的优劣势分析