文章信息
- 芮超杰, 丁启朔, 李毅念, 陆明洲, 薛金林, 邱威
- RUI Chaojie, DING Qishuo, LI Yinian, LU Mingzhou, XUE Jinlin, QIU Wei
- 基于单片机技术的露播种子区微气候评价
- Quantifying seed-zone microclimate of surface seeding with micro-chip technology
- 南京农业大学学报, 2016, 39(6): 1055-1061
- Journal of Nanjing Agricultural University, 2016, 39(6): 1055-1061.
- http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201511039
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文章历史
- 收稿日期: 2015-11-23
精准农业是现代信息技术发展的产物, 准确调整土壤和作物管理措施, 优化投入, 可以提高经济效益、节约土地资源和保护农业生态环境[1]。其中, 农田小气候作为影响农作物生长发育和产量的重要环境条件受到广泛关注[2], 探索各类小气候的特征, 不同农业措施的小气候变化规律、效应及其形成机制[3], 不仅为合理开发和利用小气候资源服务于农业生产提供理论依据[4], 更是“处方农作”的核心研究内容[5]。
近年来, 关于小麦生长的农田小气候特征变化规律已有大量研究, 大量学者对小麦后期生长的农田小气候进行研究探索, 如冬小麦群体冠层微气象特征的时空变化规律[6]、秸秆覆盖的农田小气候特征[7-9]、小麦灌浆期农田小气候特征[10]等, 为提高小麦产量和品质提供了科学依据。
相较于小麦后期群体的生长, 种子萌发立苗期对微气候条件的要求更为重要[11]。种子萌发期对外界环境最为敏感, 而发芽质量直接决定种群能否建植成功[12-13], 直接影响作物的产量[14]。然而, 针对田间条件的种子萌发及其对种子所处区域微气候响应研究鲜有报道。目前, 相关学者通过实验室试验进行种子萌发研究建立作物种子萌发的相关模型, 如Hydrothermal模型[15]或thermal after-ripening time模型[16]等, 通过田间种子萌发立苗的响应预测微气候的变化[11]。但是, 室内的种子萌发试验环境受人为控制, 很难以此预测在空间和时间上变异很大的田间种子所处区域的微气候[17]。因此, 在大田条件下对种子区微气候的动态特征进行监测, 了解不同农艺模式下的种子区微气候变化规律, 为种子萌发期创建合理的微气候条件以保障其成功萌发立苗, 具有重要的实际生产意义。
在南方稻麦轮作区, 露播作为免耕种植及套作的重要农艺技术模式之一, 具有省时省工减少投入的优点, 露播小麦种子贴于土表, 可以充分发挥小麦的分蘖特性[18], 但是在南方水资源丰富以及土表水分含量较高的稻麦区, 露播小麦仍出现出苗率低, 出苗变异系数大等问题[19]。因此本文拟构建种子区微气候测试系统, 对稻茬田免耕露播冬小麦种子所处的微气候进行监测, 以种子所处区域温度和相对湿度作为评价指标, 定量不同秸秆覆盖稻茬田露播小麦的种子区微气候特征, 结合种子萌发及立苗状况评价露播农艺措施的合理性, 为稻茬小麦高产高效栽培技术的完善提供理论和技术依据。
1 材料与方法 1.1 种子区微气候测试系统的设计根据种子区微气候尺度微小, 需要多点监测, 以及田间种子区微气候的复杂性等特点, 使用地面温度表、曲管地温表和阿斯曼通风干湿表等仪器并不能完全实现对种子区微气候动态特征的监测。本文以种子区微气候特点及信号的稳定传输、低成本、低功耗、高可靠性、操作维护方便等为原则构建适用于监测田间微小尺度空间的种子区微气候测试系统。
1.1.1 种子区微气候测试系统的整体构架种子区微气候测试系统由数据采集系统、DHT11温湿度传感器、数据存储记录单元以及供电模块构成, 以STC89C52RC单片机为控制核心, 对温湿度传感器实时读取内部参数, 测量结果存储在AT24C256存储芯片里, 该测试系统的主体构架如图 1所示。
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图 1 种子区微气候测试系统结构图 Figure 1 Configuration of seed-zone microclimate measurement system |
种子区微气候是种子所处的微小尺度空间内的温、湿度环境。相比农田小气候而言种子区微气候的尺度区间在mm到cm范围, 因此种子区微气候具有微小尺度空间环境变化的特点。通过对比选择, 本试验采用体积以及成本较小的DHT11数字温湿度传感器, 该传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器[20], 它采用专用数字模块采集技术和温湿度传感技术, 确保可靠性与长期稳定性。传感器包括1个电阻式感湿元件和1个NTC测温元件, 并与1个高性能8位单片机相连接。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。数据处理模块的硬件电路采用德飞莱系列的开发板, 其中心部分是STC89C52RC主控模块。
1.2 田间种植试验设计在南方稻麦区, 免耕种植得到广泛推广, 本试验设置针对四川等地常用的免耕露播稻草覆盖技术[19]进行试验处理。供试材料为冬小麦种子, 品种为‘苏科麦1号’, 种子经包衣处理。试验地点为南京农业大学六合农场, 多年稻麦轮作, 于2014-2015年度在水稻收获后种植小麦, 小区大小为3 m×5 m, 随机区组排列。小麦播种前田间灌水1次, 令苗床饱和湿润。露播前清除地表残留秸秆, 采用等间距精密播种, 即株距和行距都为50 mm的免耕均布精密播种, 播种结束后每个小区的地表放置8个传感器探头, 探头均匀排布在小区内, 8个传感器探头检测的种子区微气候数据的均值作为该小区的种子区微气候参数。露播后的地表分别采取全量稻草覆盖(M1)、半量稻草覆盖(M2)和不覆草(CK)3种处理。将播前地表秸秆收集, 待播后人工铺洒覆于各处理小区。小麦播种20 d后调查立苗情况[21-22], 在小区内各取5个点, 每个点0.5 m×0.5 m调查其出苗情况, 取其平均值作为出苗率, 使用苗龄统计幼苗整齐度。
2 结果与分析 2.1 种子区微气候测试系统的应用及其测试结果由于种子区微气候测试系统采用了微型温湿度传感器及单片机, 检测单元能够放置在种子所处位置, 直接检测种子区微气候的温、湿度动态(图 2)。测试系统每隔11 min自动读取1组数据, 将数据存储在AT24C256芯片里, 经过ComMaster软件集中读取后导入Excel表中, 输出结果为十六进制数, 将十六进制数进一步转换为十进制数(表 1)用于分析。试验表明:所开发的系统满足种子区微气候的测试要求。该测试系统具有稳定性好、成本低、体积小、性能可靠等优势, 数据记录的时间间隔可任意设置, 可长时间工作, 功能强, 数据通讯方便, 每个测试模块同时采集16个传感器数据以实现种子区微气候的多点测量。
| 时间 Time |
传感器1 Sensor No.1 | 传感器2 Sensor No.2 | 传感器3 Sensor No.3 | 传感器4 Sensor No.4 | … | |||||||
| t/℃ | 湿度/% RH | t/℃ | 湿度/% RH | t/℃ | 湿度/% RH | t/℃ | 湿度/% RH | |||||
| 14:55 | 17 | 59 | 15 | 82 | 14 | 57 | 15 | 73 | ||||
| 15:06 | 17 | 60 | 15 | 82 | 14 | 58 | 15 | 74 | ||||
| 15:17 | 16 | 60 | 15 | 82 | 13 | 59 | 15 | 75 | ||||
| 15:28 | 15 | 61 | 14 | 81 | 13 | 60 | 14 | 75 | ||||
| 15:39 | 14 | 61 | 14 | 82 | 12 | 60 | 13 | 75 | ||||
| … | … | … | … | … | … | … | … | … | ||||
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图 2 种子区微气候测试系统的田间应用状况 Figure 2 Field applications of seed-zone microclimate tester 1.数据处理模块Data processing module; 2.屏蔽线Shielding cable; 3.传感器探头Sensor probe |
由表 1可以看出:同种处理下种子区微气候存在差异, 这可能是由于试验采用人工覆盖, 存在覆盖不均匀等问题, 造成同种覆盖处理下种子区微气候差异, 因此微小的传感器检测单元可以对微小尺度空间内的种子区微气候特征进行定量描述。
2.2 稻茬田免耕覆草处理的种子区微气候变化 2.2.1 秸秆覆盖对种子区微气候温度的影响由图 3可见:秸秆覆盖的种子区微气候温度与对照温度变化趋势基本一致, 但秸秆覆盖种子区微气候温度在白天低于对照, 在夜间高于对照, 覆盖量大的白天降温作用大, 且夜间保温作用也大。图 4表明:在08:30-17:30期间秸秆覆盖的种子区微气候温度比CK普遍偏低, M1种子区微气候温度最多低了11 ℃, M2种子区微气候温度最多低了8.5 ℃。在一天的其他时间段秸秆覆盖的种子区微气候温度比CK普遍偏高, M1最多高4.6 ℃, M2最多高3.9 ℃。秸秆覆盖导致种子区微气候温度的日波动显著减小, 其中最高日波动的处理从大到小依次为CK、M2、M1。但是秸秆覆盖种子区微气候的温度相对于对照变化趋势平缓, 随着秸秆量增大其变化更加平缓, 并且微气候温度的日波动曲线也滞后于CK。
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图 3 秸秆覆盖对冬小麦种子区微气候环境日变化的影响 Figure 3 Diurnal variation of seed-zone microclimate under different treatments CK:露播免覆盖Surface seeding with no straw mulching; M1:露播全量秸秆覆盖Surface seeding with full straw mulching; M2:露播半量秸秆覆盖Surface seeding with half straw mulching |
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图 4 秸秆覆盖与CK的温度差变化 Figure 4 Temperature difference between straw mulching and CK |
由图 3可见:秸秆覆盖阻碍了土壤水分的蒸发, 减缓其向空气中扩散, 从而使种子区微气候湿度增大, 而且可以看出种子所处的相对湿度受到温度的影响; 在10:30-17:30秸秆覆盖的种子区微气候湿度大于对照, 随着覆盖的增加, 相对于CK而言日波动逐渐减小; 随着温度逐渐增大, 种子区微气候湿度逐渐减小, 当温度达到最大值时, 湿度达到最小值, 所以种子区微气候湿度变化曲线的位相也滞后于CK; 在09:00-10:00 CK种子区微气候湿度迅速减小, 由于温度的增加种子所处环境的水分被迅速蒸发扩散到空气中; 在18:00-19:00 CK的种子区微气候湿度达到最大, 这主要由于未覆盖种子所处地面热量散失很快, 地面温度迅速下降, 空气中的水蒸气凝结, 增加了种子区微气候湿度。
2.3 不同种子区微气候特征对小麦立苗的影响变异系数可用来评定试验对象的均匀性[22], 本文用小麦立苗的变异系数来评定不同种子区微气候的小麦立苗均匀性。由表 2可知, 不同处理的变异系数从大到小依次为CK、M2、M1, 无秸秆覆盖处理的立苗均匀性差于覆盖处理, 随着覆盖量的降低均匀性变差, 主要原因是低量秸秆覆盖的种子区微气候环境因子波动越趋变大, 进而导致种子所处环境温度及湿度波动过大, 造成部分种子推迟萌发甚至无法立苗。
| 处理 Treatment |
立苗(出芽)率/% Seedling (budding) rate |
变异系数/% Coefficient of variation |
幼苗整齐度/% Uniformity of wheat seedling | ||
| 2叶2L | 1叶1心1L1UL | 1叶(芽)1L (B) | |||
| M1 | 58.75a | 8.69 | 67.93 | 17.20 | 14.87 |
| M2 | 48.15b | 14.81 | 72.46 | 10.75 | 16.79 |
| CK* | 34.49c | 21.19 | 0 | 0 | 100 |
| 注:统计分析采用新复极差测验, 不同小写字母表示在0.05水平上差异显著; *表中CK出芽后由于恶劣环境种芽相继干死, 表中所示出苗率为其出芽率。L、UL分别代表展开叶和未展开叶, B代表种芽。Valued followed by different letters indicate significant difference at 0.05 probability level by Duncan′s test. *CK because of the bad environment, the seed bud die, the seeding rate is shown in its budding rate in the table. L=Leaf, UL=Un-spread leaf, B=Bud. | |||||
表 2表明:立苗率随秸秆覆盖量的减少而降低, 无秸秆覆盖(CK)的立苗率(无幼苗存活)最低, 分别较全量秸秆覆盖(M1)与半量秸秆覆盖(M2)降低24.26%和13.66%, 差异达显著水平(P < 0.05), 全量秸秆覆盖(M1)与半量秸秆覆盖(M2)差异也达显著水平。但最大秸秆覆盖量的立苗率也仅有58.75%, 远低于商品种子的标定发芽率(92%)。相关研究表明, 在通常情况下, 当种子吸水量达到自身干质量的45%~50%时, 种子就开始发芽[23]; 当相对湿度低于75%时小麦种子从周围环境吸水的能力大幅度下降, 在相对湿度为33%时, 小麦种子就几乎不能从环境中吸收水分了[24]。结合露播种子区微气候变化可见, 露播在地表的种子由于没有良好的微气候条件使种子无法快速有效地从周围环境吸水而无法满足其自身的萌发立苗, 因此可以表明露播种子区微气候是限制露播立苗稳定性的一个主导因子。秸秆覆盖处理的小麦立苗阶段的苗龄主要集中在2叶期, M2整齐度高于M1, 其中M1处理2叶龄的比例小于M2, 而M1处理1叶1心的比例大于M2, 说明全量秸秆覆盖因过厚的覆盖层反而阻碍了幼苗生长。由于CK所处微气候变化剧烈, 造成种子虽然前期萌发露芽但后期因土壤难于持续补水导致种芽相继干死(图 5)。
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图 5 立苗期露播CK处理地表种芽状况 Figure 5 State of seed bud under CK |
露播是近年保护性耕作及套作农艺探讨的重要内容, 南方稻麦轮作已形成了“稻麦双免套播”技术体系[25], 而稻茬田的免耕露播、撬窝点播、稻草覆盖等技术模式也正在多地试点应用[26-28], 露播作为一种免耕种植的新型农艺模式具有省时、省工、减少投入的优点, 露播小麦种子贴于土表, 可以充分发挥小麦的分蘖特性[18], 但是露播小麦出苗率低, 出苗变异系数大[19]。本文研究发现, 露播小麦所处区域微气候环境对小麦萌发以及立苗有显著影响, 构建合理的种子区微气候环境是保证露播小麦出苗的关键。
种子萌发所受温度、湿度等因子的影响受到了广泛关注[11]。大部分关于种子萌发的研究多在实验室进行, 通过设定不同恒温、恒湿的特定环境条件进行种子萌发率和总萌发数的统计[11]。但是, 通过室内试验很难定量在田间条件下种子萌发立苗与其所处微气候特征二者之间的相互关系[17]。相比而言, 温度、湿度等因子对作物后期生长影响的研究较为广泛, 比如小麦后期群体所处小气候特征[6-10], 然而此类研究一般仍然沿用气象台站的常规资料代表作物生长环境[29]。更为精细的农业小气候研究则集中于覆盖下的农田小气候变化以及后期小麦群体的农田小气候特征, 如韩笑等[6]研究了冬小麦群体冠层微气象特征的时空变化规律, 朱自玺等[8]、方文松等[9]研究表明农田秸秆覆盖对农田近地层气温、空气湿度和地温均产生明显影响, 但对风速的影响不甚明显。陈素英等[30]研究表明秸秆覆盖在白天具有降温效应, 在夜间具有保温效应。通过对比可以发现, 本文研究结果与前人研究秸秆覆盖对农田小气候的影响趋势趋于一致, 构建的微气候测试系统能够实现种子附近微小尺度范围的气候因子检测, 该微小尺度的气候条件在此被定义为“种子区微气候”。种子区微小尺度空间的气候具有更加微小的尺度特征, 其尺度区间在mm至cm范围, 相较于利用气象台站的资料, 以及采用前人对小麦后期生长微气候的研究方法(如地面温度表、曲管地温表和阿斯曼通风干湿表等仪器), 使用微小传感器能够更加准确定量出种子萌发期微气候的动态特征。
露播小麦种子的微气候变化影响着小麦的萌发立苗, 进而影响着小麦个体的生长、后期群体的建立以及产量和经济效益。合理的露播种子区微气候构建需要3个基本的要素:1)播前灌水, 令土壤饱和, 满足向种子持续供水的需求; 2)充分的种土接触, 避免播前地表秸秆覆盖层阻隔种子与地表土壤的直接接触; 3)合理的秸秆覆盖, 既维持种子区微气候的温、湿度稳定性, 避免过度的温、湿度波动引起种芽脱水干死, 同时又避免过量的秸秆覆盖影响幼苗的生长。
种子区微气候的研究为评价露播农艺的合理性提供更为可靠的依据, 南方稻麦轮作制条件下精准种植仍然是当前关键的瓶颈之一, 种植不精确、立苗难、群体不稳定等问题一直是限制稻麦轮作制系统产出的关键。本文仅监测了露播条件下的种子微气候变化, 对不同区域以及气候等条件下农艺技术体系的种子微气候特征仍需进一步研究探讨, 以期为南方稻麦轮作制度下精准种植提供理论依据。
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