丘陵區(qū)水土保持型智慧農業(yè)研究

　　摘要：干旱與水土流失并存是黃土高原生態(tài)環(huán)境建設和社會經濟發(fā)展面臨的一個主要問題。隨著黃土高原“退耕還林(草)”工程及其他生態(tài)工程的實施，生態(tài)建設與發(fā)展農業(yè)生產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業(yè)模式下，暴雨徑流對農田損毀仍然嚴重，農業(yè)生產依然受到干旱與水土流失并存問題的困擾，發(fā)展能夠對水土流失進行過程治理、對農業(yè)生產進行過程控制的智慧型水土保持農業(yè)成為必然趨勢。為了探究適應于黃土丘陵區(qū)農業(yè)生產特征的水土保持型智慧農業(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)測調查、計算機軟件集成，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)測評估和作物生產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)生產條件下水土保持型智慧農業(yè)的內涵、理念以及體系結構，以期為黃土丘陵區(qū)水土流失過程保障和農業(yè)高效生產提供理論基礎和體系架構。

　　關鍵詞：水土保持；智慧農業(yè)；水沙調控；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)農業(yè)用地多山地、坡耕地，降雨集中，旱季缺水，農作物需水供應不足，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)降雨徑流調控方面的諸多研究，為緩解黃土丘陵區(qū)農業(yè)用水緊張?zhí)峁┝思夹g支撐，但在缺乏有效及時的信息流通條件和現代化信息交匯、處理、反饋條件的情況下，傳統(tǒng)的生產管理模式仍然對水土保持與農業(yè)生產發(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集成的水土流失與作物生產中樞處理系統(tǒng)應用于黃土丘陵區(qū)農業(yè)的水土流失治理和作物生產管理，將是解決該地區(qū)干旱缺水、水土流失和農業(yè)用水調控的最佳方案。本項目針對上述問題，利用動態(tài)、無延遲的水土流失監(jiān)測和作物生長數據感知系統(tǒng)，可形成多尺度、多維度、即時的監(jiān)測農作物的生長信息，調控降水徑流的機制，同時可基于中樞處理系統(tǒng)實現智能評估水土流失過程，智能控制灌溉設備及智能監(jiān)測預警病蟲害災害等，突破干旱地區(qū)干旱與水土流失并存，農田信息獲取困難與智能化程度低等技術發(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，長期困擾農業(yè)生產的高效化發(fā)展，迫切一種集水土流失防治與農業(yè)高效生產于一體的智能決策型生產方案。本文搭建的黃土丘陵區(qū)水土保持型智慧農業(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，將在水土流失治理和農業(yè)高效生產方面起到及時有效的信息獲取、匯總、分析、決策作用，實現黃土丘陵區(qū)水土保持與農業(yè)生產的智慧化。強化水土保持措施與農業(yè)生產之間的互聯作用是要點，信息獲取手段是最重要的關鍵技術之一。通過高度集成計算機、通信以及傳感器等技術形成端點網絡能夠能夠較為高效的獲取并處理信息【2】。網絡中包含諸多智能傳感器端，這些端點均具有功耗低、能源低等特點可實時感知并監(jiān)測、采集對象信息，同時可經處理形成準確、詳盡的信息，經無線傳輸網絡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絡向目標節(jié)點傳遞指令，執(zhí)行特定任務[31。

　　1．2國內外研究進展

　　1．2．1水土流失監(jiān)測

　　監(jiān)測水土流失不僅僅是水土保持事業(yè)的根本保障、基礎性工作，同時也是相關部門掌握水土流失情況，合理設計水土保持方案的根本依據【41。國內外對于水土流失監(jiān)測方法的研究多集中在坡耕地，目前，隨著極端天氣現象的頻繁出現，強降雨沖刷引起水土流失較風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】。如何有效地開展強降雨沖刷水土流失監(jiān)測，同時采取行之有效的監(jiān)督防治措施至關重要。

　　1．2．2SWAT模型該模型是由美國農業(yè)部農業(yè)研究中心研發(fā)基于物理過程及連續(xù)時間模擬水流分配、污染物運移及作物生長的綜合分布式水文模型【23】，在北美、歐洲及國內取得了較好的發(fā)展及模擬結果。SWAT模型側重于水文過程的模擬【2牝51，運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物質的運動過程【261，其根據流域數字高程模型(DEM)及土地利用方式將流域劃分為若干水文響應單元(HydrologicResponseUnits，HRUs)，HRUs是子流域(subbasin)內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業(yè)模式的應用監(jiān)測與技術提升需求

　　梯田大棚和梯田果園為黃土丘陵區(qū)的主要農業(yè)產業(yè)形式，降雨沖刷對梯田的侵蝕和水土資源利用效率較低的問題，對農民增產增收形成限制。降雨沖刷對梯田大棚的侵蝕程度與水資源、土壤資源和果實品質的直觀認識模糊，導致該地區(qū)水土資源的嚴重浪費。針對以上問題，本章通過對位于延安市馬家溝龍泉寺村的梯田大田、大棚進行2013年極端降雨侵蝕定位監(jiān)測，明確了極端降雨情形下梯田大田和梯田大棚的侵蝕狀況；對位于延安市安塞區(qū)的方塔梯田果園示范園進行定位監(jiān)測，明確梯田果園水資源與果實生長需水、土壤資源與果實品質之間的量化關系，監(jiān)測調查分析得出，基于《黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持與高效農業(yè)技術規(guī)范》【681，發(fā)展水土保持型智慧農業(yè)是高效應對黃土丘陵區(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。

　　第三章水土保持型智慧農業(yè)理論及體系構建

　　3．1農業(yè)起源與發(fā)展

　　3．1．1我國農業(yè)起源通常意義上的農業(yè)可理解為基于動植物的特性，生長教育經人工培育而是茂產品的產業(yè)。農業(yè)通過勞作，即針對有生命的動植物進行勞作，而獲得動植物。在國民經濟發(fā)展中農業(yè)充分扮演著支柱性產業(yè)的作用，也是第一產業(yè)。研究農業(yè)的科學是農學。由于人與農業(yè)發(fā)展兩者間具有緊密的聯系。因而學術界一直孜孜不倦的探索農業(yè)的起源與發(fā)展等相關問題。我國是農業(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，考古學界通過深入地域調查、挖掘江淮河漢諸流域等諸多流域，主要發(fā)現了如下著名的遺士。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。河北省徐水縣(1968)年被發(fā)現的南莊頭遺址引起了相關領域的廣泛關注。雖然該遺址的總面積僅有60多平方米，但是考古學者們通過拔開草木灰層、小灰溝而發(fā)現了其中包含諸如與人類生活有關的物品，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時人類已經開始栽培農作物了。據碳14測定其甚至要遠早于磁文化，至今約有10510年了，這一數據比桂林甑皮巖遺址、萬年仙人洞也早了十多個世紀。是我國截止當前發(fā)現新石器時代遺址年代最早的，據此可推測我國早在1萬多年前就已經開始發(fā)展農業(yè)了。

　　3．1．2我國農業(yè)的發(fā)展歷程新中國成立之前，我國農業(yè)的發(fā)展主要可細分為如下六個階段：首先是萌芽時期。這一階段約距現在1萬年前，可歸屬為新石器時代。這一時期的農業(yè)是基于漁獵、采集經濟而逐漸形成的；第二階段是初步形成農業(yè)技術階段。夏、商、財。這一時期先祖?zhèn)儎?chuàng)造了金屬冶煉技術，農業(yè)生產中開始引入青銅農具：第三階段是精耕細作階段。熟讀歷史的朋友應該都知道春秋戰(zhàn)國時期，我國科技文化、社會大變革。特別是煉鐵技術技的發(fā)明，更足以充分說明新生產力的形成。這一時期先人們運用畜力、鐵農具，為農業(yè)生產奠定了良好的基礎；第四個階段是北方形成旱地精耕細作技術。我國北方地區(qū)早在秦、漢南北朝時期就已經進入農業(yè)技術成熟時期。這一時期配套形成了耱、耙、耕。人類先后運用了多種復雜的大型農具。賈思勰著有《齊民要術》一書，該書較為全面的說明了大型業(yè)的發(fā)展；第五個階段即南方形成水田精耕細作。這一時期經濟發(fā)展發(fā)生了較大的轉移，即逐漸以南方取代原本僅以北方為重點的經濟模式，南方形成配套水田技術，這一時期普及農具發(fā)明，推廣農業(yè)棉花種植。人類采取了更為豐富化的方式利用土地，應該說這一時期的南北方農業(yè)都取得了較大的成果。與此同時這一期間也形成了很多與農業(yè)有關的書籍。最后一個階段是深入發(fā)展精耕細作的階段。這一階段，國人開始顯現嚴重的地少人多的問題。因而需要進一步推進精耕化發(fā)展。這一時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作物結構。農業(yè)生產已經形成了以多熟種植、多種經營共存的模式。

　　3．2農業(yè)的分類

　　農業(yè)類型，即地域上體現出來的與農業(yè)經營、結構有關的方式。這是基于歷史發(fā)展、地域范圍內而形成的特殊的地域農業(yè)生產體系，具有相對穩(wěn)定性。一般情況下同一類型的農業(yè)其土地利用方式、經營制度、結構特點、生產條件、發(fā)展方向等各方面具有一定相似之處。以生產對象進行分類可將農業(yè)細分為：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業(yè)；結合農業(yè)產品的用途，可以分為商品，農業(yè)以自給農業(yè)。一般認為前者屬于發(fā)達國家或屬于為發(fā)展中國家。性質可具體分為如下四大類。第一類是原始農業(yè)；第二類是古代農業(yè)；第三類是近代農業(yè)，第四類是現代農業(yè)。

　　參考文獻

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