水稻大田土壤及环境监测与灾害预警监测系统 2.docx
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水稻大田土壤及环境监测与灾害预警监测系统2
关于小麦大田土壤及环境监测与灾害
预警监测系统的简介
水稻大田土壤及环境监测与灾害预警监测系统概述
农田生态环境对于水稻的生长有重要的影响，水稻最终的产量和质量是各个阶段农田生态环境综合影响的结果，因此，有效的监测各种农田生产环境对于保证水稻产量、提高品质、指导生产具有重要的作用。
水稻大田土壤及环境监测与灾害预警监测系统针对长期以来农田生态环境监测效率低、监测数据不准确、不全面等问题，应用无线通信、电子等技术，构建一套包括土壤温湿度、土壤电导率\空气温湿度、溶解氧、风速风向、降雨、光照、日照时数、光合有效和农田气象等信息在内的农田环境监测传感器，并集成无线通信技术，形成具有无线接口的农田环境监测传感器。
以水稻作物为应用对象，以农田土壤水分、土壤温度、水田温度、的感知为目标，针对农田生态环境监测中多点测量和区域测量等问题，构建土壤水分、土壤温度和降雨、风速风向传感器等农田生态环境监测系列传感器。
“3S”技术在农业生态环境监测中可用于土地的生产潜力评价、土地的适宜性评价、土地持续利用评价及土壤侵蚀、土地沙化和土地次生盐渍化等监测.对土地环境的监测除实地进行定位观测外,还可用不同时期的同一幅影像进行影像迭加、对比,来准确地看出土地资源的变化情况、耕地地面温度、土壤水分的旱涝状况等,环境条件以及农作物的生长状况也都可通过远红外和热红外接收的遥感影像探测到.另外,还可以建立基于“3S”技术的耕地退化定量评价模型和评价方法,定量分析土地利用与耕地退化的生态环境响应,从土地利用的角度提出解决耕地退化的调控措施、政策及建议等.
一、水稻各阶段生长环境要求
1、幼苗期：
是种子萌发到三叶期这个阶段，一般又分为种子萌发阶段和幼苗生长阶段。
浸种发芽、发芽的需要温度是秈稻为12℃，梗稻为10℃，适温30℃—32℃，最高温度可达40℃—42℃，但是在育秧期间最低不能低于5℃，或0℃，在低温下会出现烂种、烂芽和烂秧。
首先秧田要选择向阳、避风、水灌、排放等的田地块，如遇低温还可加盖薄膜等措施，避免少烂或不烂。
出苗及幼苗生长的温度比发芽高2℃，即秈稻14℃，梗稻12℃，16℃以上秈，梗都可顺利出苗。
水稻苗期管理建议如下：
苗床温度管理
（1）、播种后至1叶露尖，温度以保温为主。
棚内温度在28-30℃，最适温度25-28℃，2叶期保持25℃，3叶期保持20-22℃，最低温度不低于10℃。
夜间气温偏低，应采取大棚内开电灯或点烧稻壳等措施增温，小棚育苗的要在棚外面盖稻草或防寒被等措施增温，确保达到秧苗各叶龄所需的最低温度指标，使稻种在苗床上能正常生长发育。
（2）、苗床通风管理：
在水稻出苗绿化后，就要揭掉地膜，最好在早晨或晚上揭地膜，棚内外温差小，秧苗适应新的环境快，如果中午气温高时揭地膜，地上部秧苗水分蒸腾快，根部吸收慢，易造成秧苗生理失水。
揭地膜后就可以进行小通风，通风达到各叶龄最低温度界限，要及时闭棚。
随着叶龄的增长，通风炼苗时间相应延长，尤其在2.5叶期，温度不得超过25℃，高于25℃，要通风降温，防止出现早穗现象。
在3叶期以后逐渐大通风，棚内外温度接近一致，如果夜间没有霜冻，就不用覆膜，等待插秧。
苗床水分管理
（1）、在浇透底水的情况下，原则上在2叶前尽量不要浇水，以后浇苗床水要做到三看：
一看早晚叶尖有无露珠；二看中午高温时新展开的叶片是否卷曲；三看苗床土表面是否发白。
如果早、晚叶片不吐水，午间新展开叶片卷曲，床土表面发白，应把一上午晒温的水一次浇足、浇透，尽量减少浇水次数更不要冷水灌床，会导致冷水僵苗，影响稻苗生长发育。
（2）、尽量做到旱育壮苗，水长苗，旱长根，要想秧苗盘根好，必须控制苗床水分。
秧苗只有在旱育状态下才能促进根系发育，特别是在插秧前2-3天，最好不要浇水使秧苗根部保持旱育。
如果秧苗在插前盘根不好，可在插秧前1-2天冲施根多生，可使水稻秧苗发根多、白根多、根系长，盘根好。
2、返青期与分蘖对环境的要求：
返青期是移栽后，从秧田到本田成活的缓冲阶段太约在4天左右，要求即是浅水，因水太深，淹没了生长点（心叶），透气性不好，也会烂秧，或成活缓慢，返青后接着以分蘖为中心，生长根和叶片的营养生长期。
（1）、温度的要求：
水稻分蘖最高适温为30~32℃，最适水温为32℃~34℃。
最高气温38℃~40℃，最高水温为40℃~42℃，最低气温为15℃~16℃，最低水温16℃~17℃。
水温在22℃以下分蘖就较缓慢。
低温使分蘖延迟，且影响总分蘖的有效穗数，因此要求在15℃以上时开始插秧。
（2）、光照的要求：
在分蘖期需要充足的阳光，以提高叶片的光合强度，制造有机物，促进增加分蘖数。
在自然光照下，返青后3天就开始分蘖，若只50%自然光照时，返青13天才开始分蘖，若只有5%的自然光照，不但不产生分蘖，连秧苗也会死去。
（3）、水份的要求：
分蘖期是对水最敏感的时期，但是只要求水田水饱和状态，或浅水最有利于分蘖，在高温条件下（26℃~36℃），土壤持水量在80%时会产生分蘖最多。
如深水灌溉，水层超过田8厘米时，使分蘖节光照弱，氧气不足，温度又低的情况下，抑制分蘖。
但是田过份干，持水量在70%以下时，也会停止分蘖。
（4）、营养要求：
在分蘖需要营养多，有效分蘖也多。
营养多可促分蘖和生长快而多。
如果营养少、分蘖也少或停止。
所需的营养中是以氮、磷、钾为主，特别是氮肥最需要。
最好氮、磷、钾配合追肥最有利。
3、拔节孕穗期对外界条件的要求
拔节孕穗期是营养生长和生殖生长同时并进的时期，在这个时期水稻生长发育迅速增大，根群最大、稻株叶面积达到最大，同时稻穗开始分化，拔节孕穗是决定每穗粒数的关键时期，也是每亩有效穗数的巩固时期，及粒重的决定时期，主要因素在于外界条件影响。
养分要求：
幼穗分化过程中，水根的根群不断增加，最后3片叶相继长出，营养生长和生殖生长都需要养份的时期，如果在这时期缺乏营养，对幼穗分化会产生不利的影响。
所以在生产上要进行中耕追肥，约在抽穗前30~40天的时期，以促进颖花分化，2次枝梗数增加，这次肥也可称“促花肥”；在抽穗前10~20天可喷施肥一次，即是雌雄花芯形成期与花粉母细胞减数分裂期，最需肥防止颖花败育，确保粒多，这期追肥为“保花肥”。
2、温度要求：
幼穗分化的适温为26℃~30℃，以昼夜35℃，夜温25℃更有利于成大穗。
幼穗分化的外界温度为15℃~18℃，但最敏感时期是减数分裂期。
在减数分裂期，对高温和低温的危害，都会引起颖花的大量败育和不孕。
3、光照要求：
光照强度对幼穗分化有密切的关系，光强有利于幼穗分化，据试验证明，在幼穗分化期用两层沙布遮光（透光约为自然光的1/6~1/8），颖花退化比对照多30%。
如果阴雨天多、日照少，封行过盛，通气性不好。
所以贵阳光照时间较少，因此在水稻密度上保证合理，促使有一定的光合作物，增加有机物可生长大穗、粒多的稻谷。
4、水份要求：
幼穗分化到抽穗，是水稻一生需水最多的时期，尤其在花粉母细胞减数分裂期，需水最敏感，所以在这个时期一定要保持田间持水量在90%以上，如果缺水会影响到颖花发育。
但是水份过多受淹，也会引起不利影响，如全部淹没也会死亡。
4、抽穗结实期对环境的要求
在水稻抽穗结实期，营养生长基本停止，这时期为生殖生长占主要时期，一切任务是保持粒多，重的关键时期，主要在管理上要使水稻不早衰，也不贪青，不倒伏。
1、抽穗与开花：
（1）水稻抽穗：
水稻幼穗分化后1~2天稻穗从剑叶叶鞘中抽出，有50%抽出，为抽穗
期，有80%抽出为齐穗期。
抽穗时由于低温或肥水不足，常造成稻穗不能全部抽出，生产上把这种现象称为“包穗”或“包颈”，被包住的造成疱粒或空壳，如杂交水稻抽穗时温度低于20℃时，会造成100%产生“包穗”而无收成。
（2）开花；在正常情况下，稻穗抽出就能开花。
开花前首先是颖壳内的两个浆片吸水，体积膨大3~5倍，吸足后将外颖张开，内外颖的角度约为25℃~30℃，张开过程约为10~20分钟，全开后，角度为25℃~30℃可维持30分钟，所以整个开花过程约1~2个小时。
温度对开花时间影响较大，高温开花时间短，低温开花时间长，有时可达2个小时以上。
在内、外颖张开时，花丝伸出、花药开裂，花粉就散了出来，授粉在柱头上，授粉后约10~15分钟后花药即慢慢凋萎，同时浆水也因水份蒸发而体积缩小，内外颖重新闭合。
2、影响灌浆结实的因素：
（1）光照：
光照强度和光照时间，影响稻叶的光合作用和碳水化合物向谷粒的转运，高产水稻谷粒充实的物质，90%以上抽穗后，是叶片光合作用制造的碳水化合物供给的，因此，灌浆期的光合作用将直接影响水稻的产量。
（2）温度：
温度对灌浆结实关系密切，一般最适合灌浆气温是20℃~22℃，在灌浆前15天以后昼温29℃，夜温19℃，日均温度为24℃为宜。
后15天以昼温20℃，夜温
16℃，日均温为18℃为好。
适宜灌浆温度，有利于延长积累营养物质的时间，细胞老化慢，呼吸消化少，米质好。
高温和低温都不利于水稻籽粒正常灌浆，况且又影响稻米品质。
（3）水份：
灌浆期水份，仅次于拔节、长穗、分蘖期的水份，如水份不足会影响叶片同化能力和灌浆物质的运输，灌浆不足造成减产。
灌浆期水份不足会影响光合作用，降低物质运转效率，缩短时间，稻米的物理性状变劣。
（4）矿质营养：
在灌浆期间叶片含氮量与光合能力之间有密切关系，适当施氮，可增叶面积的光合作用，维持最大的叶面积，防止早衰，提高根系活力，对提高水稻产量影响很大，因此在生产上常用根外追肥方法。
在齐穗期可看苗补肥，或补施磷、钾肥等，以确保灌浆过程能达到正常进行。
3、影响水稻根系生长的因素
1、温度：
稻根生长的最适土温为30℃~32℃。
超过35℃生长受阻，加速衰老，吸收能力下降；超过37℃显著衰退；低于15℃，生长和吸收能力也都大大减弱；低于10℃则生长停顿。
2、光照:
光照对根系发育和吸收能力起着间接的重要作用。
因为光照充足加强了光合作用和蒸腾作用，供给根的养分增多，所以促进了根系的发育，提高了根系活力，增加了根系对无机养料的吸收。
在光照不足时，不仅影响根系发育，而且还会使根对各种无机养料的吸收明显地下降。
3、土壤养分:
肥料三要素中，氮素对根的生长和吸收能力影响最大。
适量氮素肥料能有效地增加根原基的分化和稻株的发根能力，使单株根数增多，根长变短。
缺氮或氮素供应过量，根量都小。
配合施用磷、钾肥，对根的生长促进作用更大，不论根数、根量、根长等都有所增加，根系的分布也加深了。
4、土壤的通气性:
水稻根系的发生、伸长和对养分的吸收、转化等生理活动，都要有足够的氧气。
如果缺氧就会影响根系生长和生理功能，根系活力也会丧失。
二、建设水稻大田土壤及环境监测与灾害预警监测系统的必要性
1.4EC、PH值对作物的影响
水是栽培中的重要因素，它有着参与植物新陈代谢、调节土壤和空气的温度湿度、溶解矿质养分、稀释农药等作用。
水质对栽培有关键性的作用，水质不好会使植物生理性缺素，影响农药药效、肥料肥效，伤害根系等。
而衡量土壤水的重要指标是土壤的pH、EC值。
绝大多数植物根系在pH值为5.2至6.2时，能正常活动。
土壤的pH值过低或过高都会抑制根系生长，具体表现在三个方面：
首先是根系只有在一定的pH值范围内才能进行正常的新陈代谢活动，包括呼吸、离子交换、对各种营养元素的吸收等。
一般植物根系的pH值要求在5.4—6.8之间，高于或者低于这个范围，植物根系的活动就会受到抑制，严重时根系可能坏死，从而导致整个植株的死亡；第二个方面pH值会影响土壤中营养元素的有效释放，比如钙、镁等离子如果在高pH值的环境中，会形成不溶或者微溶与水的化合物，不能被植物有效吸收；另外，pH值会影响根际微生物活动，有些有益微生物可以帮助植物吸收养分、分解有机物、分泌有机酸改善土壤环境等，而微生物活动需要在一定的pH值范围内进行。
EC值水的电导率可衡量水中可溶性矿物质总的浓度，电导率越高浓度越大。
可溶性矿物质反映土壤的矿物质含量情况，如果长时间含量过高会毒害植物，部分植物对矿物质含量比较敏感，比如红掌在高电导值环境中花会变小，产量会降低，花茎会变短。
部分作物对盐的耐受程度具体如下表1，在作物栽培时应该测定土壤的EC值，若超过作物要求的临界值时，作物的生长将受影响，具体如表2。
表1部分作物对盐的耐受程度
植物名
开始值dS/m（c）
斜度百分数（%/dS/m）
等级
黑莓
1.5
22.0
敏感
草莓
1.5
22.0
敏感
葡萄
1.5
9.6
中等敏感
柚子
1.8
16.0
敏感
柑橘
1.7
16.0
敏感
芹菜
1.8
6.2
中等敏感
小麦，甜小麦
1.7
12.0
中等敏感
黄瓜
2.5
13.0
中等敏感
茄子
1.1
6.9
中等敏感
甜马铃薯
1.5
11
中等敏感
西红柿
2.5
9.9
中等敏感
西红柿，樱桃形
1.7
9.1
中等敏感
甘蓝
0.9
9
中等敏感
萝卜
1.2
13.0
中等敏感
菠菜
2.0
7.6
中等敏感
生菜
1.3
13.0
中等敏感
甜菜
4.0
9.0
中等耐盐
椰菜
2.8
9.2
中等敏感
因而，可以通过测定土壤的pH、EC值来判断土壤、水质的安全性，为选择合适的肥料和作物做准备。
表2土壤饱和浸出液的电导率与盐分（%）和作物生长关系
饱和浸出液
EC25/（dS·m-1）
盐分/（g·kg-1）
盐渍化程度
植物反应
0～2
<1.0
非盐渍化土壤
对作物不产生盐害
2～4
1.0～3.0
盐渍化土壤
对盐分极敏感的作物产量可能受到影响
4～8
3.0～5.0
中度盐土
对盐分敏感作物产量受到影响，但对耐盐作物（苜蓿、棉花、甜菜、高梁、谷子）无多大影响
8～16
5.0～10.0
重盐土
只有耐盐作物有收成，但影响种子发芽，而且出现缺苗，严重影响产量
>16
>10.0
极重盐土
只有极少数耐盐植物能生长，如盐植的牧草、灌木、树木等。
1.5空气温湿度对水稻的影响
气候对水稻品质的影响最大，其中尤以温度和水分最为重要。
水稻开花至成熟期间是籽粒产量和品质形成的关键时期，也是温度影响水稻子粒品质的重要阶段。
温度对水稻品质的影响是多方面的：
在灌浆期间，空气湿度，水分，温度都会影响蛋白质含量，但这一时期温度是最重要的变量，如果昼/夜温度从22℃/12℃上升到27℃/12℃时，蛋白质含量从9%提高到13%，蛋白质含量明显提高，籽粒蛋白质含量与灌浆过程中的平均日均温呈正相关；相关研究指出在水稻成熟前的15-20天期间，最高气温对蛋白质影响最大，当最高温度在32℃以上，蛋白质含量反而降低，故成熟前2~3周内最高气温超过32℃对提高籽粒蛋白质反而不利；抽穗-成熟期间的平均昼夜温差与籽粒蛋白含量之间呈显著负相关。
因些观测空气温湿度，以提高预警和提前安排防治措施有着至关紧要的意义。
二、建设水稻大田土壤及环境监测与灾害预警监测系统可取得的预期效益
建设水稻大田环境监测与灾害预警监测系统，可实现高效节水，减少灌溉、排水次数，节约用水量、人工、能耗等，大幅提高水资源利用率；减少因墒改种、早种、晚种的种子、肥料、农药等损失，实现增产增收；根据墒情，农田环境及时调整产业结构，增加效益；及早采取抗旱排涝减灾措施，减少因灾损失等。
三、建设水稻大田土壤及环境监测与灾害预警监测系统目标
1、数据采集科学化。
通过水稻大田土壤及环境监测设备掌握水稻不同生育阶段的需水规律，自动采集土壤地质信息：
田间含水量、土壤干旱断裂含水量、田间降雨量、空气温度、空气温度、光照强度等数据。
2、数据分析定量化。
通过实时在线监测，收集数据，建立数据库。
通过对数据进行定量分析，达到“三个掌握”：
一是掌握水稻生长发育期的用水量；二是掌握水稻受旱极限，及时预警；三是掌握不同田间水量与水稻生长发育和旱涝现象之间的关系。
3、数据应用精准化。
通过定量分析数据，达到“三个掌握”后，可迅速判断作物受旱和受涝情况，并及时预警。
达到对受旱、受涝数据精准化。
四、水稻大田土壤及环境监测与灾害预警监测系统的组成
1、管理中心系统（软件）。
数据上传下载、数据分析、应用系统、软件二次开发、软件接口、控制系统等。
2、通讯系统。
GPRS无线通信系统。
将数据通过无线方式发送到管理中心、无线传输数据和视频。
3、数据采集。
支架、太阳能板（供电系统）、数据采集器（接收传感器采集数据）、传感器部分（采集土壤的温度、湿度、HP值，空气的温度、湿度，雨量传感器、气象传感器等）。
五、系统配置清单
2、大田土壤及环境监测
1
稻田温体传感器
TM-03
2
2
稻田湿度传感器
TM-100
4
3
稻田盐分传感器
TM-EC
1
4
稻田PH传感器
TM-PH
1
5
空气温湿度
TM-01
1
6
雨量
TM-04
1
7
太阳能供电系统
YM-200T
1
8
无线传输系统GPRS
YM-GPRS
1
9
采集器
YM-2000I
1
10
软件
YM-03M
1
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