小麦大田土壤及环境监测与灾害预警监测系统

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1、1=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小麦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小麦的生长有重要的影响，小麦最终的产量和质 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小麦产量、提高品质、指导生产具有重要的作用。 小麦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、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

2、监测传 感器。以小麦作物为应用对象，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

3、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、小麦的一生1、生育期小麦从种子萌发、出苗、生根、长叶、拔节、孕穗、 抽穗、开花、结实，经过一系列生长发育过程，到产生新的种子，叫小 麦的一生。从播种到成熟需要的天数叫生育期。2、生育时期生产上根据小麦不同阶段的生育特点，为了便于 栽培管理，可把小麦的一生划分为12个生育时期，即出苗、三叶、分蘖、 越冬、返青、起身、拔节、孕穗、抽穗、开花、灌浆、成熟期。3、生长阶段 根据小麦器官形成的特点，可将几个连续的生育 时期合并为某一生长阶段。一

4、般可分为三个生长阶段。3.1. 苗期阶段 从出苗到起身期。主要进行营养生长，即以 长根、长叶和分蘖为主。3.2. 中期阶段 从起身至开花期。这是营养生长与生殖生长 并进阶段，既有根、茎、时的生长，又有麦穗分化发育。3.3. 后期阶段 从开花至成熟期。也称子粒形成阶段，以生 殖生长为主。二、小麦各器官的构造和作用1、根小麦的根是由胚根和节根组成的。胚根也叫做种子根、初 生根。一棵幼苗通常有胚根35条，最多可达7条。大粒种子胚根多， 小粒种子胚根少。当第一1片绿价出现以后，就不再生新的胚根了。节 根也叫永久根、次生根。当麦苗生出23片绿叶的时候，节根就从茎基 部的节上长出来。小麦的分蘖多，节根也比

5、较多。根系一般入土 100 一 130厘米，最深的可达2米。根系入土越深，抗旱能力就越强。据调查， 一般约有60%的根系生长在20厘米深的土层里。小麦根的主要作用是： 从土壤中吸取水分和养分，并运送到茎叶中，进行体内有机物质的合成 和转化，源源不断地供给小麦生长发育的需要。2、茎小麦是成丛生长的，有一个主茎和几个侧茎（也叫分蘖）。小 麦的茎秆分为地上和地下两部分，地下节间不伸长，构成分蘖节，地上 节间伸长，一般有46个节间。茎的主要作用是：使水分和溶解在水 里的矿物质养分（如氮、磷等）从根部通过茎部的导管由下而上流向叶子 和穗部；把叶子光合作用制造的有机营养物质（主要是糖分），通过茎部 筛管运

6、输到根和穗子。小麦的茎又是支持器官。它使叶片有规律地分布， 以充分接受阳光，进行光合作用。此外，茎还可以贮藏养分，供小麦后 期灌浆之用。3、分蘖在正常情况下，出苗到分蘖约需15天左右。分蘖的发 生是有一定次序的：当小麦长出3片真叶时，首先从胚芽鞘腋间长出分 蘖，叫胚芽鞘分蘖。第4片叶出现时，主茎第l片叶腋芽伸长形成分蘖 叫分蘖节分蘖，也叫一级分蘖。当一级分蘖长出3片叶时，在其鞘叶腋 间长出分蘖叫二级分蘖，若条件适宜，还可长出三级分蘖。小麦的分蘖 不是都能抽穗结实的。凡能抽穗结实的叫有效分蘖，一般年前发生较早 的分蘖属有效分蘖；不能抽穗结实的分蘖叫无效分蘖。一般年后生出的 分蘖属无效分蘖。实践证

7、明，产量高的麦田与有效分蘖多有关。这就是 为什么要非常重视有效分蘖的道理。小麦分蘖有二次高峰：第一次在年 前，天津市一般在10月下旬进入第一次分蘖高峰，历时约20天；第二 次高峰在第二年返青后至起身期。小麦起身后，持续逐渐停止，并出现 两极分化，大的、壮的分蘖成穗；小的、弱的逐渐死去。4、叶小麦的叶共约12 一 13片，年前一般长出67片，年后 茎秆上一般有6片。叶的形状象带子，有平行脉。拔节以后长出的叶片 比较宽大，还有明显的叶鞘，紧包在节问外面。叶鞘和叶片相连处的薄 膜叫叶舌；两旁还有叶耳紧包着茎秆。叶是小麦植株制造有机养料的主 要器官。叶片中有叶绿体，它能利用太阳光能，把水和二氧化碳制造

8、成 有机物，并放出氧气。小麦绿叶在阳光下的这种生理活动，就是植物的 光合作用。没有光合作用，小麦和其他作物都不能生活。生产实践中常 用到叶面积系数。什么是叶面积系数呢?就是指单位土地面积上小麦植株 绿叶面积与土地面积的比值。根据天津市大面积调查证明，丰产小麦不 同阶段叶面积系数的指标大体如下：冬前为1，返青时为0.5，起身期为 2，拔节期为4，孕穗期（即最大叶面积系数）为56，灌浆期为4。通俗 地讲，就是要求小麦叶子最大时（孕穗后），一亩地小麦叶子平铺起来要 有五六亩地那么大。但也不能使时面积系数过大，若叶子太大，互相遮 荫，制造的营养物质反而会减少，还会使茎部节间软化，易引起倒伏。5、穗每个

9、麦穗由许多小穗组成。小穗一般分左右两排。一个麦 穗有1220个小穗。因此，一个麦穗是一个复穗状花序。通常情况下， 麦穗上的小穗数目越多，产量就越高。旱薄地上每个麦穗只有几个穗码， 群众叫“蝇头小穗”，这种麦田产量不高。6、花每个小穗可以生长37朵花。每朵花外面包着两个硬壳， 扣在外面的叫外颖，套在里面的叫内颖。轻轻地剥掉外颖，就露出两个 鳞被（也叫浆片），里面还有3个雄蕊和一个雌蕊。雌蕊经授粉受精后， 子房就结成果实，这就是小麦的子粒。7、种子小麦的种子表面有果皮和种皮联合在一起。这样的种子 叫颖果。麦粒里面绝大部分是白色粉状的东西，叫胚乳，是小麦的主要 贮藏物质。小麦种子成熟后，有一段休眠期

10、。一般白皮种子休眠期短， 红皮种子休眠期长，这是红皮小麦遇雨不易在穗上发芽的原因。在休眠 期里种子要完成后熟过程，以后在适宜的温度，水分和氧气条件下，才能发芽生长。三、冬小麦的阶段发育麦收时掉在麦地里的种子遇雨后迅速发芽出苗，长成一簇簇的麦苗， 尽管温高、雨多，但它不能拔节，更不能抽穗结粒。为什么?这是因为冬 小麦一生中要经过几个内部质变阶段才能完成其生长周期，最后产生种 子。这就叫做阶段发育。目前研究比较清楚的是春化阶段和光照阶段。（一）春化阶段冬小麦在种子吸水萌动后或幼苗期，需要度过一 段时间的低温，才能通过个体发育所需经历的内部变化，这种现象叫春 化现象，完成春化的一段时间叫春化阶段。根

11、据冬小麦通过春化阶段对 温度要求的差异和时间的长短，把它们分为冬性、半冬性和春性三种类 型，现分别介绍如下.1. 冬性温度为03C，天数为35天以上。2. 半冬性温度为0-7C，天数为15-35天。3. 春性温度为0 12C，天数为5 一 15天。目前天津市种植的冬小麦品种，多数是冬性的，半冬性的很少。 在天津市适期播种的冬小麦在越冬前都可以完成春化阶段。由于当时气 温较低，不能进入下一阶段，所以冬小麦可以忍受零下20C或更低的温 度。如果秋播春性品种，冬前会很快通过春化阶段，由于气温尚高麦苗 开始拔节，抗寒力降低，冬天易受冻害死苗。所以在天津市选用品种时 不能用春性品种，南部地区若选用半冬性

12、品种应适当晚播。四、小麦生长发育对环境条件的要求土壤、水分、养分、温度、光照和空气是小麦生长发育必需的环境 条件。要取得小麦高产，一方面应因地制宜地选用优良品种，另一方面 要通过田间管理创造适宜小麦生长发育的环境条件。（一）土壤农谚有“土是本，肥是劲，水是命。”说明广大农民 都非常重视创造一个适合小麦生长发育的丰产环境。一般认为，最适宜 小麦生长的土壤，应是熟土层厚、结构良好、有机质丰富、养分全面、 氮磷平衡、保水保肥力强、通透性好。此外、还要求土地平整，这样才 能确保排灌自如，使小麦生长均匀一致，达到稳产高产的目的。（二）水分在小麦的一生中起着十分重要的作用。据研究，每生 产l千克小麦约需1

13、000 一 1200千克水，其中有30% 40%是由地面蒸 发掉的。天津市在小麦生长期间，降水量只有需水量的1/4左右。所以 麦田的不同时期灌水，以及采取抗旱保墒措施，对于补充小麦对水分的 需要有十分重要的意义。试验表明，冬小麦备生育时期的耗水情况有如 下特点：1 .播种后至拔节前，植株小，温度低，地面蒸发量小，耗水量 占全生育期耗水量的35% 40%，每亩日平均耗水量为0. 4立方米左 右。2 .拔节到抽穗，进入旺盛生长时期，耗水量急剧上升。在25 一30天时间内耗水量占总耗水量的20% 25%，每亩日耗水量为2. 2 3. 4立方米。此期是小麦需水的临界期，如果缺水会严重减产。3.抽穗到成

14、熟，约3540天，耗水量占总耗水量26% 42%， 日耗水量比前一段略有增加。尤其是在抽穗前后，茎叶生长迅速，绿色 面积达一生最大值，日耗水量约4立方米。（三）温度小麦的生长发育在不同阶段有不同的适宜温度范围。 在最适温度时，生长最快、发育最好。那么，不同阶段要求的最适温度 有什么区别呢？小麦种子发芽出苗的最适温度是1520笆；小麦根系生 长的最适温度为1620，最低温度为2笆，超过30笆则受到抑制。温 度是影响小麦分蘖生长的重要因素。在24笆时，开始分蘖生长，最适 温度为1318，高于18笆分蘖生长减慢。小麦茎秆一般在10笆以上 开始伸长，在12 一 16笆形成短矮粗壮的茎，高于20笆易徒长

15、，茎秆软 弱，容易倒伏。小麦灌浆期的适宜温度为2022。如干热风多，日平 均温度高于25笆以上时，因失水过快，灌浆过程缩短，使子粒重量降低。（五）日照日照充足能促进新器官的形成，分蘖增多；从拔节到 抽穗期间，日照时间长，就可以正常地抽穗、开花；开花、灌浆期间， 充足的日照能保证小麦正常开花授粉，促进灌浆成熟。一、建设小麦大田土壤及环境监测与灾害预警监测系统的必要性1、小麦生长发育与环境条件的关系1.1 土壤温度小麦的生长发育在不同阶段有不同的适宜温度范围。在最适温度 时，生长最快、发育最好。那么，不同阶段要求的最适温度有什么区别 呢？小麦种子发芽出苗的最适温度是1520笆；小麦根系生长的最适温

16、 度为1620，最低温度为2笆，超过30笆则受到抑制。温度是影响小 麦分蘖生长的重要因素。在24笆时，开始分蘖生长，最适温度为13 18笆，高于18笆分蘖生长减慢。小麦茎秆一般在10C以上开始伸长，在 12 一 16C形成短矮粗壮的茎，高于20C易徒长，茎秆软弱，容易倒伏。 小麦灌浆期的适宜温度为2022C。如干热风多，日平均温度高于25C 以上时，因失水过快，灌浆过程缩短，使子粒重量降低。因此，对于温 度的监测至关紧要。1.2光照、日照时数光照阶段冬小麦幼苗通过春化阶段后，温度达4C以上就开始进 入光照阶段。在光照阶段要求以长日照为主的综合外界条件。根据冬小 麦通过光照阶段对日照长短的要求和

17、反应，也分为三种类型。1. 反应敏感型要求光照每日在12小时以上，天数为30-40天。2. 反应中等型要求光照每日在8 一 12小时，天数为24天左 右。3. 反应迟钝型 要求光照每日在8小时以上，天数为16天左右。冬小麦对光照的要求要高、所针对些项指标需要观测种植地区 的日照强度，及日照时长，通过监测数据选择小麦品种，以保证提高生 产能力和产量。1.3 土壤水分水分在小麦的一生中起着十分重要的作用。据研究，每生产l 千克小麦约需1000 一 1200千克水，其中有30% 40%是由地面蒸发掉 的。所以麦田的不同时期灌水，以及采取抗旱保墒措施，对于补充小麦 对水分的需要有十分重要的意义。试验表

18、明，冬小麦备生育时期的耗水 情况有如下特点：1 .播种后至拔节前，植株小，温度低，地面蒸发量小，耗 水量占全生育期耗水量的35% 40%，每亩日平均耗水量为0. 4立方 米左右。2. 拔节到抽穗，进入旺盛生长时期，耗水量急剧上升。在25 一30天时间内耗水量占总耗水量的20% 25%，每亩日耗水量为2. 2 3. 4立方米。此期是小麦需水的临界期，如果缺水会严重减产。3. 抽穗到成熟，约3540天，耗水量占总耗水量26%一 42%，日耗水量比前一段略有增加。尤其是在抽穗前后，茎叶生长迅速， 绿色面积达一生最大值，日耗水量约4立方米。监测指标。一般按020cm、2040cm、4060cm、601

19、00cm四 个层次监测土壤含水量，其中，020cm、2040cm为必测层。播种出苗 期时，加测010cm 土层。特殊作物根据其需水特性和根系分布深度确 定监测层次和深度。同时调查观测气象、作物表象、干土层厚度、田面 开裂、灌溉、农事操作等相关数据。水田淹水时监测淹水深度、排水状 况等。1.4 EC、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.

20、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5.46.8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

21、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1.522.0敏感草莓1.522.0敏感葡萄1.59.6中等敏感柚子1.816.0敏感柑橘1.716.0敏感芹菜1.86

22、.2中等敏感小麦，甜小麦1.712.0中等敏感黄瓜2.513.0中等敏感茄子1.16.9中等敏感甜马铃薯1.511中等敏感西红柿2.59.9中等敏感西红柿，樱桃形1.79.1中等敏感甘蓝0.99中等敏感萝卜1.213.0中等敏感菠菜2.07.6中等敏感生菜1.313.0中等敏感甜菜4.09.0中等耐盐椰菜2.89.2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/ （dSm-1）盐分/ (gkg-1)盐渍化程度植物反应021610.0极重盐土只有极少数耐盐植物能生长，如

23、盐 植的牧草、灌木、树木等。1.5空气温湿度对小麦的影响气候对小麦品质的影响最大，其中尤以温度和水分最为重要。小 麦开花至成熟期间是籽粒产量和品质形成的关键时期，也是温度影响小 麦子粒品质的重要阶段。温度对小麦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笆/12笆上升到27笆/12笆时，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；相关研究指出在小麦成熟前的15-20天期 间，最高气温对蛋白质影响最大，当最高温度在32笆以上，蛋白质含量 反而降低，故成熟前

24、23周内最高气温超过32笆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、建设小麦大田土壤及环境监测与灾害预警监测系统可取得的预 期效益建设小麦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、建设小麦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

25、科学化。通过小麦大田土壤及环境监测设备掌握小麦不 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”：一是掌握小麦生长发育 期的用水量；二是掌握小麦受旱极限，及时预警；三是掌握不同土壤含 水量与小麦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、小麦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

26、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土壤温体传感器TM-0322土壤湿度传感器TM-10043土壤盐分传感器TM-EC14土壤PH传感器TM-PH15空气温湿度TM-0116雨量TM-0417太阳能供电系统YM-200T18无线传输系统GPRSYM-GPRS19采集器YM-2000I110软件YM-03M1邯郸市益盟电子有限公司2014年6月