黃土丘陵區(qū)水土保持型智慧農(nóng)業(yè)研究

　　摘要：干旱與水土流失并存是黃土高原生態(tài)環(huán)境建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的一個(gè)主要問題。隨著黃土高原“退耕還林(草)”工程及其他生態(tài)工程的實(shí)施，生態(tài)建設(shè)與發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的矛盾日益突出。目前在黃土丘陵區(qū)開展的部分水土保持高效農(nóng)業(yè)模式下，暴雨徑流對(duì)農(nóng)田損毀仍然嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依然受到干旱與水土流失并存問題的困擾，發(fā)展能夠?qū)λ亮魇нM(jìn)行過程治理、對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行過程控制的智慧型水土保持農(nóng)業(yè)成為必然趨勢(shì)。為了探究適應(yīng)于黃土丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特征的水土保持型智慧農(nóng)業(yè)體系，本研究以馬家溝梯田大棚和安塞方塔梯田果園為研究典型，通過野外監(jiān)測(cè)調(diào)查、計(jì)算機(jī)軟件集成，分析黃土丘陵區(qū)水土流失和水分虧缺狀況，研究具有水土流失過程監(jiān)測(cè)評(píng)估和作物生產(chǎn)過程智能控制功能的中樞處理系統(tǒng)搭建，探索黃土丘陵溝壑區(qū)生產(chǎn)條件下水土保持型智慧農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵、理念以及體系結(jié)構(gòu)，以期為黃土丘陵區(qū)水土流失過程保障和農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)和體系架構(gòu)。

　　關(guān)鍵詞：水土保持；智慧農(nóng)業(yè)；水沙調(diào)控；黃土丘陵區(qū)

　　第一章緒論

　　1．1研究背景與意義

　　1．1．1研究背景黃土丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)用地多山地、坡耕地，降雨集中，旱季缺水，農(nóng)作物需水供應(yīng)不足，7、8月雨季水多，大雨沖刷侵蝕土地造成水土流失，水資源利用率大大降低，在缺乏有效的徑流調(diào)控的條件下，形成作物缺水與水分大量流失的矛盾局面。目前，前人在黃土丘陵區(qū)降雨徑流調(diào)控方面的諸多研究，為緩解黃土丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)用水緊張?zhí)峁┝思夹g(shù)支撐，但在缺乏有效及時(shí)的信息流通條件和現(xiàn)代化信息交匯、處理、反饋條件的情況下，傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理模式仍然對(duì)水土保持與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展形成限制【11。基于SWAT模型、EPIC作物生長模型和灌溉渠道水沙模型有機(jī)集成的水土流失與作物生產(chǎn)中樞處理系統(tǒng)應(yīng)用于黃土丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)的水土流失治理和作物生產(chǎn)管理，將是解決該地區(qū)干旱缺水、水土流失和農(nóng)業(yè)用水調(diào)控的最佳方案。本項(xiàng)目針對(duì)上述問題，利用動(dòng)態(tài)、無延遲的水土流失監(jiān)測(cè)和作物生長數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)，可形成多尺度、多維度、即時(shí)的監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的生長信息，調(diào)控降水徑流的機(jī)制，同時(shí)可基于中樞處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能評(píng)估水土流失過程，智能控制灌溉設(shè)備及智能監(jiān)測(cè)預(yù)警病蟲害災(zāi)害等，突破干旱地區(qū)干旱與水土流失并存，農(nóng)田信息獲取困難與智能化程度低等技術(shù)發(fā)展瓶頸。

　　1．1．2研究意義

　　黃土丘陵區(qū)干旱與水土流失并存的問題，長期困擾農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效化發(fā)展，迫切一種集水土流失防治與農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)于一體的智能決策型生產(chǎn)方案。本文搭建的黃土丘陵區(qū)水土保持型智慧農(nóng)業(yè)體系，將SWAT模型、作物生長EPIC模型與灌溉渠道水沙模型集于一體，形成該體系的核心技術(shù)，將在水土流失治理和農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)方面起到及時(shí)有效的信息獲取、匯總、分析、決策作用，實(shí)現(xiàn)黃土丘陵區(qū)水土保持與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智慧化。強(qiáng)化水土保持措施與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之間的互聯(lián)作用是要點(diǎn)，信息獲取手段是最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過高度集成計(jì)算機(jī)、通信以及傳感器等技術(shù)形成端點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)能夠能夠較為高效的獲取并處理信息【2】。網(wǎng)絡(luò)中包含諸多智能傳感器端，這些端點(diǎn)均具有功耗低、能源低等特點(diǎn)可實(shí)時(shí)感知并監(jiān)測(cè)、采集對(duì)象信息，同時(shí)可經(jīng)處理形成準(zhǔn)確、詳盡的信息，經(jīng)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將上述信息傳凝視至中樞處理系統(tǒng)、信息用戶。此外用戶還可基于網(wǎng)絡(luò)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳遞指令，執(zhí)行特定任務(wù)[31。

　　1．2國內(nèi)外研究進(jìn)展

　　1．2．1水土流失監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)水土流失不僅僅是水土保持事業(yè)的根本保障、基礎(chǔ)性工作，同時(shí)也是相關(guān)部門掌握水土流失情況，合理設(shè)計(jì)水土保持方案的根本依據(jù)【41。國內(nèi)外對(duì)于水土流失監(jiān)測(cè)方法的研究多集中在坡耕地，目前，隨著極端天氣現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)，強(qiáng)降雨沖刷引起水土流失較風(fēng)蝕等其他形式的水土流失更普遍，己成為我國黃土丘陵區(qū)水土流失的主要類型瞪】。如何有效地開展強(qiáng)降雨沖刷水土流失監(jiān)測(cè)，同時(shí)采取行之有效的監(jiān)督防治措施至關(guān)重要。

　　1．2．2SWAT模型該模型是由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心研發(fā)基于物理過程及連續(xù)時(shí)間模擬水流分配、污染物運(yùn)移及作物生長的綜合分布式水文模型【23】，在北美、歐洲及國內(nèi)取得了較好的發(fā)展及模擬結(jié)果。SWAT模型側(cè)重于水文過程的模擬【2牝51，運(yùn)算步長以日為基本單位，模擬不同土壤及土地利用條件下流域水沙及化學(xué)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)過程【261，其根據(jù)流域數(shù)字高程模型(DEM)及土地利用方式將流域劃分為若干水文響應(yīng)單元(HydrologicResponseUnits，HRUs)，HRUs是子流域(subbasin)內(nèi)單一地面覆蓋及單一土壤類型和管理方式下具有水文意義的地塊單元。

　　第二章水土保持高效農(nóng)業(yè)模式的應(yīng)用監(jiān)測(cè)與技術(shù)提升需求

　　梯田大棚和梯田果園為黃土丘陵區(qū)的主要農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)形式，降雨沖刷對(duì)梯田的侵蝕和水土資源利用效率較低的問題，對(duì)農(nóng)民增產(chǎn)增收形成限制。降雨沖刷對(duì)梯田大棚的侵蝕程度與水資源、土壤資源和果實(shí)品質(zhì)的直觀認(rèn)識(shí)模糊，導(dǎo)致該地區(qū)水土資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。針對(duì)以上問題，本章通過對(duì)位于延安市馬家溝龍泉寺村的梯田大田、大棚進(jìn)行2013年極端降雨侵蝕定位監(jiān)測(cè)，明確了極端降雨情形下梯田大田和梯田大棚的侵蝕狀況；對(duì)位于延安市安塞區(qū)的方塔梯田果園示范園進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)，明確梯田果園水資源與果實(shí)生長需水、土壤資源與果實(shí)品質(zhì)之間的量化關(guān)系，監(jiān)測(cè)調(diào)查分析得出，基于《黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持與高效農(nóng)業(yè)技術(shù)規(guī)范》【681，發(fā)展水土保持型智慧農(nóng)業(yè)是高效應(yīng)對(duì)黃土丘陵區(qū)梯田大棚和梯田果園水土流失，提高水土保持效益和水資源利用率的必然趨勢(shì)。

　　第三章水土保持型智慧農(nóng)業(yè)理論及體系構(gòu)建

　　3．1農(nóng)業(yè)起源與發(fā)展

　　3．1．1我國農(nóng)業(yè)起源

　　通常意義上的農(nóng)業(yè)可理解為基于動(dòng)植物的特性，生長教育經(jīng)人工培育而是茂產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)。農(nóng)業(yè)通過勞作，即針對(duì)有生命的動(dòng)植物進(jìn)行勞作，而獲得動(dòng)植物。在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中農(nóng)業(yè)充分扮演著支柱性產(chǎn)業(yè)的作用，也是第一產(chǎn)業(yè)。研究農(nóng)業(yè)的科學(xué)是農(nóng)學(xué)。由于人與農(nóng)業(yè)發(fā)展兩者間具有緊密的聯(lián)系。因而學(xué)術(shù)界一直孜孜不倦的探索農(nóng)業(yè)的起源與發(fā)展等相關(guān)問題。我國是農(nóng)業(yè)起源最早的國家，可以追溯到一萬年前的河北省徐水縣南莊頭。在過去的幾十年里，考古學(xué)界通過深入地域調(diào)查、挖掘江淮河漢諸流域等諸多流域，主要發(fā)現(xiàn)了如下著名的遺士。其分別是廣西桂林甑皮巖‘871、江西萬年仙人洞【88】這兩處，距今已有按近一萬年的歷史了。河北武安磁山【891、河南新鄭裴李崗嗍、(此兩種約有7、8年千年歷史)河北徐水南莊頭㈨、湖南澧縣彭頭山【92】等地點(diǎn)。河北省徐水縣(1968)年被發(fā)現(xiàn)的南莊頭遺址引起了相關(guān)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。雖然該遺址的總面積僅有60多平方米，但是考古學(xué)者們通過拔開草木灰層、小灰溝而發(fā)現(xiàn)了其中包含諸如與人類生活有關(guān)的物品，比如石料、木炭、螺殼、獸骨、木板、骨角器等等。最值得一提的是該遺址還發(fā)現(xiàn)了石磨棒、石磨盤這兩大古代加工谷物不可或缺的物品。這可一定程度說明當(dāng)時(shí)人類已經(jīng)開始栽培農(nóng)作物了。據(jù)碳14測(cè)定其甚至要遠(yuǎn)早于磁文化，至今約有10510年了，這一數(shù)據(jù)比桂林甑皮巖遺址、萬年仙人洞也早了十多個(gè)世紀(jì)。是我國截止當(dāng)前發(fā)現(xiàn)新石器時(shí)代遺址年代最早的，據(jù)此可推測(cè)我國早在1萬多年前就已經(jīng)開始發(fā)展農(nóng)業(yè)了。

　　3．1．2我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展歷程

　　新中國成立之前，我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展主要可細(xì)分為如下六個(gè)階段：首先是萌芽時(shí)期。這一階段約距現(xiàn)在1萬年前，可歸屬為新石器時(shí)代。這一時(shí)期的農(nóng)業(yè)是基于漁獵、采集經(jīng)濟(jì)而逐漸形成的；第二階段是初步形成農(nóng)業(yè)技術(shù)階段。夏、商、財(cái)。這一時(shí)期先祖?zhèn)儎?chuàng)造了金屬冶煉技術(shù)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中開始引入青銅農(nóng)具：第三階段是精耕細(xì)作階段。熟讀歷史的朋友應(yīng)該都知道春秋戰(zhàn)國時(shí)期，我國科技文化、社會(huì)大變革。特別是煉鐵技術(shù)技的發(fā)明，更足以充分說明新生產(chǎn)力的形成。這一時(shí)期先人們運(yùn)用畜力、鐵農(nóng)具，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)；第四個(gè)階段是北方形成旱地精耕細(xì)作技術(shù)。我國北方地區(qū)早在秦、漢南北朝時(shí)期就已經(jīng)進(jìn)入農(nóng)業(yè)技術(shù)成熟時(shí)期。這一時(shí)期配套形成了耱、耙、耕。人類先后運(yùn)用了多種復(fù)雜的大型農(nóng)具。賈思勰著有《齊民要術(shù)》一書，該書較為全面的說明了大型業(yè)的發(fā)展；第五個(gè)階段即南方形成水田精耕細(xì)作。這一時(shí)期經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)生了較大的轉(zhuǎn)移，即逐漸以南方取代原本僅以北方為重點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)模式，南方形成配套水田技術(shù)，這一時(shí)期普及農(nóng)具發(fā)明，推廣農(nóng)業(yè)棉花種植。人類采取了更為豐富化的方式利用土地，應(yīng)該說這一時(shí)期的南北方農(nóng)業(yè)都取得了較大的成果。與此同時(shí)這一期間也形成了很多與農(nóng)業(yè)有關(guān)的書籍。最后一個(gè)階段是深入發(fā)展精耕細(xì)作的階段。這一階段，國人開始顯現(xiàn)嚴(yán)重的地少人多的問題。因而需要進(jìn)一步推進(jìn)精耕化發(fā)展。這一時(shí)期我國向美洲新大陸地區(qū)引入了諸多新品種，并極大的變革了我國農(nóng)作物結(jié)構(gòu)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)形成了以多熟種植、多種經(jīng)營共存的模式。

　　3．2農(nóng)業(yè)的分類

　　農(nóng)業(yè)類型，即地域上體現(xiàn)出來的與農(nóng)業(yè)經(jīng)營、結(jié)構(gòu)有關(guān)的方式。這是基于歷史發(fā)展、地域范圍內(nèi)而形成的特殊的地域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系，具有相對(duì)穩(wěn)定性。一般情況下同一類型的農(nóng)業(yè)其土地利用方式、經(jīng)營制度、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、生產(chǎn)條件、發(fā)展方向等各方面具有一定相似之處。以生產(chǎn)對(duì)象進(jìn)行分類可將農(nóng)業(yè)細(xì)分為：其一畜牧業(yè)；其二種植業(yè)；其三副業(yè)；其四漁業(yè)；以投入多少則主要可分為密集型與粗放型農(nóng)業(yè)；結(jié)合農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的用途，可以分為商品，農(nóng)業(yè)以自給農(nóng)業(yè)。一般認(rèn)為前者屬于發(fā)達(dá)國家或?qū)儆跒榘l(fā)展中國家。性質(zhì)可具體分為如下四大類。第一類是原始農(nóng)業(yè)；第二類是古代農(nóng)業(yè)；第三類是近代農(nóng)業(yè)，第四類是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。

　　第四章水土保持型智慧農(nóng)業(yè)中樞處理系統(tǒng)

　　水土保持型智慧農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)主要是中樞處理系統(tǒng)的開發(fā)。中樞處理系統(tǒng)采用高性能服務(wù)器，負(fù)責(zé)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)涉及的氣候、水文、水土流失、土壤、作物種植及生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)提取、處理和存儲(chǔ)。中樞處理系統(tǒng)是能夠?qū)Σ煌r(nóng)作物生產(chǎn)涉及的物候條件、土壤水分虧缺、作物生長過程、水土流失及干旱對(duì)作物生長的影響等進(jìn)行邏輯分析與判斷并給出解決方案的智慧系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是能將決策方案直接傳輸?shù)礁鞣N信息終端，以指導(dǎo)作物高效生產(chǎn)和水土流失與干旱的過程預(yù)防。

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《黃土丘陵區(qū)水土保持型智慧農(nóng)業(yè)研究》

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