景 文，王保林，樊俊梅

(内蒙古蒙草生态环境(集团)股份有限公司，内蒙古呼和浩特 010030)

1 研究背景及意义

优质高产的人工草地，是草地农业现代化的必要条件和重要标志。不仅可以有效提供足量的优质牧草，有利于畜牧业生产方式的转变和草原畜牧业的可持续发展，也在环境保护与环境产业中起到十分重要的作用〔1〕。要使得人工草地大力发展，可通过一系列有效的技术或管理方式实现整个人工牧草生产系统内的物能良性转化，以获得较高的生产效益〔2〕。如实施灌溉，能够对半干旱地区人工优质饲草产量的提高和品质改善起到重要的调控作用，但需加强灌溉管理(如灌溉方式、灌水量、灌水时间/频次等)〔3〕，通过摸清植物的耗水规律，掌握其各个物候期土壤水分控制指标，形成准确的灌溉制度，为科学灌溉及种植管理提供技术支撑，这对人工牧草产业发展是极为重要的〔4〕。当然，除了人工牧草领域相关技术不断创新优化外，还要依靠信息技术〔5〕。近年来，随着现代农牧业自动化需求的不断增长和信息技术的发展，农牧业物联网在物理感知、数据传输、智能处理、应用服务等领域取得了重要进展〔6〕。我国作为一个农牧业大国，应结合实际情况，研究开发出顺国情、合地情的农牧业物联网技术和设备，努力扩展农牧业物联网技术在我国的试点应用。

本研究基于物联网技术，对人工草地的微气象和土壤的温湿度进行监测，分析土壤中水分的含量变化规律，以此作为判定人工草地灌溉正确时机的依据，从水分诊断与灌溉决策方面，实现人工草地生产的智能管理。

2 试验区概况

试验区位于内蒙古自治区赤峰市阿鲁科尔沁旗(以下简称“阿旗”)，属中温带半干旱大陆性季风气候区，四季比较分明。年均气温5.5℃，极端最高气温40.6℃，极端最低气温-32.7℃，全年10℃以上积温1900-3100℃，从南向北递减。年日照时数2767.3-3034.4小时。无霜期95-140天。年均降水量300-400mm，多集中在7-8月份。年均蒸发量1958.1-2259.0mm。年风速3.1-2.7m/s，冬春季节多大风，全年8级以上大风日有20-35天。地带性植被由北向南主要有山地草甸草原植被、沙地植被二种类型。土壤主要以黑钙土、栗钙土和风沙土等为主。水资源丰富，总量3.73亿m3，其中可利用水资源2.41亿m3〔7〕。

3 试验研究方法

研究对象属性：赤峰市阿鲁科尔沁旗蒙草基地人工牧草生产单元。

研究设备名称及监测采集数据时间范围：“天圻”(2017.5.4-9.27)、“智墒”(2017.5.4-2018.12.31)。

研究设备监测采集数据指标(节点数量，步长)：降雨量(1，1h)、风速(1，1h)、风向(1，1h)、土壤水分含量(10，1h)。

研究监测采集数据统计软件：Excel。

4 结果与分析

4.1 降雨量分析

由表1显示，2017年6-9月间阿旗降雨主要集中在8月，8月降雨量总和占总降雨量的58.33%。

表1 2017年6-9月阿旗降雨量月份统计表

2017年6月1日-9月27日，119天内，降雨出现10天，暴雨出现1天，在8月9日(54.676mm/d)，中雨出现1天，小雨出现8天。中、小雨出现天数占降雨出现天数90%。

表2 2017年6月1日-9月27日阿旗日降雨量统计表

4.2 风速分析

2017年5月4日-9月27日，147天内，六级风(10.8-13.9m/s)出现2天，分别在5月5、6日(西北风)，五级风(8-10.8m/s)出现8天，分别在5月4日(西南风)、5月5-7、11、28日(西北风)、7月8日(西南风)、9月5日(西北风)，四级风(5.5-8m/s)出现36天，三级风(3.4-5.5m/s)出现72天，三四级风出现天数占比为73.47%。

4.3 风向分析

由表3显示，2017年5-9月间阿旗风向数据检测采集15089次，主导风向为西南风和西北风，两者发生的频率分别为34.64%和24.06%。

表3 2017年5月4日-9月27日阿旗风向统计表

4.4 土壤冻融过程分析

通过2018年的监测数据来看，试验区土壤从3月13日开始进入融化过程，从12月1日开始进入冰冻过程，且上层土壤最先进入融冻过程。

图1 土壤融化过程(上)和土壤冰冻过程(下)图

4.5 土壤十层水分分析

从图2可看出，1-4月上旬土壤处于冰冻阶段，从4月中旬至10月为种植、收割阶段，从11月中旬开始土壤逐渐又进入冰冻阶段。

图2 2017年5月20日-11月7日(上)和2018全年(下)十层水分波动图

4.6 土壤分层水分分析

4.6.1 土壤水分分析——10cm

10cm土层水分变化直接直观反映出降雨或灌溉频次和程度，每一波峰反映一次降雨或者灌溉。2017年10cm土层历史最高含水量26.71%，出现在6月7日；历史最低含水量5.67%，出现在7月16日。2018年10cm历史最高含水量26.58%，发生在8月12日；历史最低含水量4.36%，发生在8月6日。

图3 2017年(上)和2018年(下)10cm土层水分波动图

4.6.2 土壤水分分析——20cm、30cm、40cm、50cm、60cm

由植物ET根系分布/分层耗水比例图分析，在植物关键需水生育期内，ET根系分布在地表至60cm左右的土层间，相对应的耗水量总和为100%。植物ET根系分布/分层耗水量在地表至60cm土层随土层深度增大而逐层减小。推测试验区最深植物ET根系为60cm。

图4 2017年(左)和2018年(右)ET根系分布/分层耗水量比例图

以下着重对20-60cm水分进行分析。如图5所示，2017年20cm土层历史最高含水量21.84%，出现在9月14日；历史最低含水量5.46%，出现在7月16日。2018年20cm历史最高含水量21.27%，发生在4月25日；历史最低含水量3.98%，发生在8月7日。

图5 2017年(上)和2018年(下)20cm土层水分波动图

图6所示，2017年30cm土层历史最高含水量22.76%，出现在8月10日，历史最低含水量6.11%，出现在7月17日。2018年30cm历史最高含水量22.47%，发生在4月25日；历史最低含水量4.85%，发生在8月6日。

图6 2017年(上)和2018年(下)30cm土层水分波动图

图7所示，2017年40cm土层历史最高含水量20.16%，出现在5月22日，历史最低含水量5.55%，出现在7月20日。2018年40cm历史最高含水量19.59%，发生在4月25日；历史最低含水量5.06%，发生在8月7日。

图7 2017年(上)和2018年(下)40cm土层水分波动图

图8所示，2017年50cm土层历史最高含水量21.97%，出现在5月22日，历史最低含水量6.82%，出现在7月21日。2018年50cm历史最高含水量21.23%，发生在4月25日；历史最低含水量6.82%，发生在8月6日。

图8 2017年(上)和2018年(下)50cm土层水分波动图

图9所示，2017年60cm土层历史最高含水量21.06%，出现在5月22日，历史最低含水量7.24%，出现在7月21日。2018年60cm历史最高含水量21.19%，发生在4月25日；历史最低含水量9.46%，发生在8月5日。

图9 2017年(上)和2018年(下)60cm土层水分波动图

由以上分层水分波动曲线可知，每一层的历史最低含水量均发生在植物刈割前期的控水阶段，且相对上层的根系先进入水分胁迫状态，每层根系进入胁迫状态的时间均集中在2017年7月16日-7月21日和2018年8月5日-8月7日中间，随着时间推移逐层根系进入水分胁迫状态。

4.6.3 不同月份土层水分分析

以13#喷灌圈(种植燕麦)为例，根据2017年“智墒”监测数据，逐月判断灌溉是否合理。

(1)6月十层水分之和分析与分层分析

由图10可知，最后一次灌溉为6月20日，在此之前土壤总水分增加约16mm；由于喷灌机控制的面积较小，每次灌溉基本都能到达50cm深度，较为合理；6月25日之后主要根系的活跃程度才逐渐提升，反映出之前灌溉过于频繁，土壤水分偏高。

图10 2017年6月土壤水分波动图

(2)7月十层水分之和分析与分层分析

图11显示出7月追加了灌溉，十层水分之和达到181mm；7月7日前无灌溉，结合6月数据可知，活跃“ET”根系已经均在胁迫状态，因此判断灌溉不合理；7月7日-16日无灌溉，判断为收割期；7月16日之后灌溉开始频繁，出现了一天之中多次水分上升的情形，需结合现场分析原因。

图11 2017年7月土壤水分波动图

(3)8月十层水分之和分析与分层分析

图12显示，8月十层水分总计减少了11mm，8月9日有效降雨为35mm，占总降雨量的64%；10cm水分曲线多次上升，且出现每天多次灌溉的情况，需结合现场分析原因；在10cm根系最活跃的情况下，对应的水分值区间为11-16，而土壤大部分时间的水分值高于该区间上限；100cm曲线有三次上升，其中一次是降雨影响，另外两次都是灌溉过于频繁导致的；根据“智墒”分析，“ET”根系已经发展至90cm，但主要部分还是集中在40cm以上。

图12 2017年8月土壤水分波动图及YH图及ET根系分布

(4)9月十层水分之和分析与分层分析

图13显示，9月十层水分总计增加了11mm；依然出现每天多次灌溉的情况，比8月还要频繁，需结合现场分析原因；8月11-19日以及9月2日前后，作物处于较为舒服的状态，9月2日之后，灌溉频繁、土壤水分偏高，“ET”根系反而不活跃。

图13 2017年9月土壤水分波动图

(5)10月十层水分之和分析

图14显示，整个10月没有灌溉，十层水分总计减少了35mm。

图14 2017年10月土壤水分波动图

4.7 活动温度分析

“智墒”除了监测地下十层的土壤水分外，还可监测地表温度。某一段时间内逐日平均温度≥10℃持续期间日平均气温的总和，即活动温度总和，简称积温。在其他环境条件基本满足的前提下，在一定的温度范围内，温度与生物有机体发育速度之间呈正相关。表4显示，平均、最高和最低地表温度随月份的推移顺序均呈现出先增加后逐渐降低，2017年9月26日地表均温为10.19℃，2018年9月29日地表均温为10.03℃，此后接近或低于10℃。降雨量和地表温度在时间维度分布呈现不一致，水热条件不是同期出现。

表4 地表空气温度月均温统计表

13#圈的地表温度在夜间-凌晨时间段频繁出现低于零下的情况；10cm位置昼夜温差也比较大，均在2℃以上；100cm位置温度昼夜温差极小，且温度下降极为缓慢。

图15 10月份地表、10cm、100cm温度曲线

5 初步结论

根据监测数据分析，初步总结出能代表该地生产单元的降雨量、风向、风速、植物ET根系分布/分层耗水量、土层水分、地表积温等指标数据的客观实际和变化规律：

(1)降雨主要集中在8月，多出现三四级风，且主导为西南风和西北风。

(2)1-4月上旬土壤处于冰冻阶段，4月中旬到10月为种植收割阶段，从11月中旬开始土壤逐渐又进入冰冻阶段。

(3)植物ET根系分布/分层耗水量在地表至60cm土层随深度增大而逐层减小，其活跃程度仅能对灌溉管理起到一定程度的指导作用，还需结合植物生育期需求进行生产管理。

(4)6-9月灌溉量基本合理，能灌溉到牧草活跃“ET”根系位置，但普遍存在灌溉周期过短、频繁灌溉的问题，导致et数据偏高，无法得出科学的作物系数，造成水肥浪费。灌溉建议是，增大灌溉周期，即4天灌溉一次，增加灌溉量，保证每次灌溉至40cm深度。刈割后进入10月中旬开始浇越冬水，需关注冬灌与温度的关系。

通过对现存指标数据分析，探讨式分析了降雨量、土壤墒情、植物ET根系分布/分层耗水量等指标的关联关系。进一步对影响植物生长相关的气象、土壤指标数据模拟分析，增加对太阳辐射强度、地上生物量等指标监测采集，综合数学、统计学等对数据进行跨学科分析，建立模拟地上生物量预测模型，指导以管控灌溉、施肥为核心的人工牧草生产管理，预测以水热条件影响为主的天然草产量。为实现 “智能管控”和“智慧草业”建立一定的理论、实践基础。