气象数据构建智慧甘蔗灌溉系统
对于需水量较高的甘蔗来说，灌溉尽管灌溉是最重要的管理任务之一，但生产者自己决定灌溉的时间和数量并不容易。因此，在种植环境恶劣的县上，我们设计并演示了一种智能灌溉系统，能够高效、省力地提高甘蔗产量，利用有限的水资源而不浪费水资源，提高生产者的利润。
甘蔗是西县的主要农作物，对当地经济具有重要支撑作用，但其产量受自然降雨影响较大，年度波动较大。灌溉是最重要的管理任务之一，特别是在干旱年份，因为通常是甘蔗高生长期的夏季生长受到显着抑制。水库、地下水坝等建设积极推进，近年来农业水源开发和田间灌溉设施开发率大幅提高。另一方面，虽然干旱期间灌溉甘蔗会增加产量是显而易见的，但生产者很难仅凭自己的经验和直觉来决定灌溉的时间和水量，也很难确定灌溉水量。灌溉需要大量的水和劳动力，而且还存在由于预算限制而无法在需要时进行灌溉的问题。因此，在我们目前正在进行甘蔗智能农业项目研究了一种高效灌溉系统，该系统可以在需要时提供必要的水量，我们将在本文中对此进行介绍。
项目的主要举措之一是安装和运行微气象站，在当地收集温度、湿度、风速和太阳辐射等数据。覆盖全县的9个地点（，每10分钟收集一次微气象数据和周边甘蔗图像数据。此外，我们还构建了一个系统，可以使用计算机或智能手机实时查看这些数据，目前我们正在向县上的生产商提供该系统。该系统还可以回溯过去的数据，使得微气象站运行后能够获得相当准确的县上天气信息。植物通过叶子表面的气孔吸收光合作用的底物二氧化碳，并通过蒸腾作用释放水蒸气。当土壤干燥且植物面临水分胁迫时，它们的气孔往往会关闭，从而降低光合作用的速率，但这也减少了通过蒸腾作用损失的水量。如上所述，植物的光合作用速率和蒸腾速率，即生长量和消耗水量之间一般存在比例关系。蒸散量是土壤表面蒸发量和植物蒸腾量的总和，可以根据气象数据进行估算。因此，如果获得某一点和某一段时间的天气数据，就可以估计该植物消耗的水量，进而估计生长量。
首先，为了了解大东县甘蔗田的水平衡特征，气象数据（降水量、温度、湿度、风速和太阳辐射）。我们计算了每个季节的正常水平衡，“潜在蒸散量”是指在假设甘蔗不受任何水分胁迫的情况下，在气象条件下可以获得的最大蒸散量，“实际蒸散量”是指甘蔗接受的最大蒸散量。考虑到因水分胁迫而减少的蒸腾量的蒸散量。换句话说，甘蔗受到的水分胁迫越强，实际蒸散量越低，与潜在蒸散量的差距越大。首先，如果我们看一下降水量的趋势，我们可以看到从5月中旬到6月中旬降水量有所增加，但这是由于雨季降雨所致。 6月下旬雨季结束时，气温达到全年最低点，直到7月中旬仍保持相对较低水平。其次，从潜在蒸散量来看，播种后4月和5月潜在蒸散量较低，但此后继续线性增加，7月初达到最大值。直到九月左右，价格仍然很高，但随后继续逐渐下降，直至收获。另一方面，直到6月下旬，实际蒸散量与潜在蒸散量几乎持平，但在7月初迅速减少。这是因为，随着7月气温和日照的上升，甘蔗生长更加活跃，与达到峰值的潜在蒸散量相比，降雨量远远不足，导致水分胁迫。此后，虽然实际蒸散量略有增加，但降水量仍然不足，潜在蒸散量与实际蒸散量存在较大差异。 11月以后，气候转暖，潜在蒸散量减少，与实际蒸散量的差异逐渐缩小。由上可见，从雨季末到10月左右，大东县的甘蔗很可能出现水分胁迫，因此这段时间的水分管理尤为重要。
了解了大东县水平衡的特征后，我们想分析水平衡如何影响生长和产量。近13年（2006-2018年）大东县甘蔗田逐月实际蒸散量与甘蔗伸长量的关系。此外，由于台风带来强降雨，对甘蔗造成严重损害，为保持数据分析的准确性，明年起风暴地区的指导原则中最大风速每秒25米或以上的台风将被省略。除11月份外，所有月份的实际蒸散量与伸长率均呈高度正相关，这表明在降雨量较多、水分胁迫较小的年份甘蔗生长较快。特别是6月和8月的相关系数极高，达到0.96，因此可以毫不夸张地说，水决定了甘蔗的大部分生长。之所以在11月份没有出现这样的趋势，是因为即使是亚热带气候，气温和太阳辐射也逐渐开始下降，很难看出实际蒸散量的同比差异。用于糖分积累而不是茎伸长。这样，发现水平衡与生长之间的关系在六月至十月期间更强，此时甘蔗生长活跃。接下来6-10月实际蒸散量积分值与甘蔗产量的关系。省略了台风袭击后一年的数据。累计实际蒸散发值每年变化较大，为269～566毫米，产量为每10公亩3.68～8.24吨，两者呈高度正相关关系。由于该关系的线性回归方程为y = 0.0137 x – 0.2227，因此可以看出，如果实际蒸散量能增加100毫米，则产量可增加1.37吨。该分析的结果还表明，夏季水平衡对甘蔗生长和产量有很大影响，在干旱时期，可以通过灌溉增加蒸散量来增加产量。
试验田为未安装滴灌管的非灌溉田、所有沟间均安装滴灌管的灌溉田、每沟均安装滴灌管且水量减半的节水灌溉田。与灌溉地块一样，每个重复两次。灌溉处理期为8月1日至11月3日，灌水至灌区甘蔗出现水分胁迫前达到田间持水量。试验场旁边安装了一个微气象站，从那里获得计算水平衡所需的气象数据。此外，还使用遥控发动机泵进行灌溉。甘蔗产量的增加和单产的稳定是生产者和制糖行业参与者的巨大努力的结果，包括新品种的引进和管理任务的及时落实。我们希望这项研究成果能够促进岛上甘蔗产业的进一步发展。
研究中使用的实际蒸散量能够纳入目前分布的微气象信息系统，将有助于生产者决定灌溉的时间和水量。此外，对于希望这样做的生产者，我们还安装了警报功能，当甘蔗即将遭受水分胁迫时，该功能会向您的智能手机或计算机发送通知，以及让您可以随时随地使用遥控器自由灌溉的系统控制泵。
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