背景

美国的灌溉主要是机械化的，超过57%的灌溉土地配备了中心支点灌溉系统(美国农业部-国家统计局，2019年)。内布拉斯加州有830万英亩灌溉面积，占美国总灌溉面积的14.9%。内布拉斯加州有约90%的水用于灌溉，拥有8万多个中心枢纽灌溉系统。

虽然这些机械化系统在应用灌溉方面效率很高，但它们应该辅以科学的灌溉调度(SIS)方法，以精确计算农田不同部位的作物需水量。如果每片农田减少一英寸的季节性灌溉，这将对我们的水资源产生重大的积极影响。

不幸的是，SIS方法的采用率一直相当低(usa - nass, 2019年)。例如，只有7-12%的农田使用土壤湿度探测器，而传统的灌溉调度方法如植物和土壤外观仍然非常流行。不幸的是，这些方法让农民对作物是否有足够的水感到不确定，这导致为了保险目的而额外灌溉。

在灌溉领域采用新技术的主要障碍包括成本和易用性。这些科学方法必须具有成本效益和农民可采用的可行性。今天，使用土壤水分监测设备为农民提供了最有效的方法，以数据驱动灌溉计划决策，在实现最佳产量的同时，使用最少的水。然而，劳动力和设备的成本限制了它们的使用。因此，研究继续专注于开发低成本的灌溉计划方法，以确保注入适量的水。由于生产者没有时间对通常使用综合信息系统方法产生的大量数据进行详细的工作，综合信息系统方法的自动化可能会通过节省生产者的时间和同时减少灌溉应用和产生最佳作物产量来激励生产者。

方法

数据收集的一种方法是，中心枢轴本身可以用作安装作物冠层传感器的平台(图1)，为SIS方法提供信息。随着支点在农田周围移动，传感器可以监测作物并收集整个农田的基本数据。此外，目前市场上已经有了高速中心旋转系统，该系统能够在4小时左右的时间内完成作业(相比之下，大多数旋转系统需要8小时以上)。这种高速度使得所有数据(在整个农田)都可以在白天的高峰时段(上午11点至下午4点)收集，这是作物最可能经历压力的时候。枢轴可以自动运行，无需水应用程序进行数据采集。这可以消除对劳动力的要求，为生产者节省时间。SIS方法可以根据收集到的数据编程计算灌溉建议。然而，需要研究测试安装在支点上的不同类型的传感器，以及它们在灌溉管理中的SIS方法的使用。

为了帮助推进这种特殊的灌溉调度技术，我们在东内布拉斯加州研究、推广和教育中心的140英亩研究地里进行了一项关于玉米和大豆灌溉管理的研究。研究包括安装在中心枢轴上的红外温度计(IRTs)和多光谱传感器。该项目利用了一种灌溉管理工具，即灌溉调度监督控制和数据采集(ISSCADA)系统，该系统由美国农业部(USDA)农业研究处(Bushland, Texas)开发。该工具可以自动收集数据，解释由安装在支点上的irt收集的数据，并输出灌溉建议。

该项目由灌溉创新联盟、多尔蒂粮食用水全球研究所和瓦尔蒙特工业公司资助，将各种基于传感器的灌溉调度方法与一种“常用做法”处理方法进行了比较(使用手摸法测定土壤水分)。每种灌溉方法都应用于不同的灌溉水平:0%(雨灌)、50%(不足)、100%(满)和150%(过度灌溉)。

发现

我们发现，与现场安装在立柱上的固定传感器相比，轴轴式传感器具有较高的相关性和较低的平均误差。安装在枢轴上的多光谱传感器能够在作物接近成熟时检测到雨养作物和灌溉作物之间的生长差异。

研究发现，作物水分胁迫在降雨/灌溉事件发生后不久就变小，在湿润事件发生后3 - 4天急剧增加。例如，图2显示了2020年玉米作物水分压力数据，其中作物水分压力在所有灌溉水平下都很低，但在湿润事件发生两天后有所增加。从图中可以看出，在某一天，雨灌的水压力最大，而完全灌溉的水压力最小。

此外，充分灌溉和过度灌溉水平的irt在多个天(湿润事件后超过两天)检测到作物水分胁迫，但没有导致产量损失。在充分灌溉水平下，普通方法为四种情况中的三种规定了最大的灌溉深度，而基于传感器的方法规定了减少灌溉使用量。

2020年，旱作作物的产量明显低于灌溉处理。与2020年的充分灌溉相比，不足灌溉导致玉米产量损失5%。

需要更多的研究来得出结论，单靠热感测是否足以管理灌溉。此外，还需要在不同的地区和气候条件下进行更多的研究，以确保这些系统能够针对不同的领域和天气条件进行优化。制定天气、地点和特定作物的阈值(用于热指数)将使该系统更适应新的地点。

结论

展望未来，在中心轴上安装传感器有望成为自动化灌溉的重要组成部分。本研究所使用的支点上的传感器能够利用ISSCADA系统准确地检测不同灌溉水平下的作物水分胁迫。在枢轴上安装传感器可以很好地管理灌溉;还可以安装其他类型的传感器/成像仪，以检索与特定作物有关的数据。

与减少灌溉应用和增加作物产量所增加的利润相比，在支点上使用传感器的当前成本很高。但是，在作物生产的其他方面(例如营养管理、杂草/疾病/病虫害识别)使用枢装传感器也可以增加该系统的价值。随着用于支点自动化的传感器和软件变得更容易使用，采用的障碍可能会减少。

通过在支点的外两个跨度上安装两个IRT传感器，可以对农田进行均匀灌溉管理。由于大多数中心枢纽可以通过速度控制或区域控制来改变整个农田的灌溉应用，SIS方法可以用于在更多的系统上更有效地实施可变速率灌溉。对于可变速率灌溉的管理，支点上的两对传感器(四个传感器)将有助于感知额外的农田面积。与常规方法相比，SIS方法减少了灌溉应用，通过减少硝酸盐淋失对水质有潜在的好处。

更多的信息

巴蒂，S.，赫伦，D. M.，肖内西，S. A. O.，埃维特，S. R.，马奎尔，M. S.，卡什亚普，S. P.和尼尔，c.m.u. 2022。美国内布拉斯加州玉米和大豆固定和移动冠层传感系统的比较．农业应用工程38(2), 331 - 342。

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布朗,k . 2022。旋转的自动化。今天的灌溉6(3): 14 - 17。可以在:https://irrigationtoday.org/winter-2022-issue/．

罗，T, D. R.鲁德尼克，葛宇，D. M. Heeren, S. Irmak, J. B. Barker，乔晓霞，T. M. Shaver. 2018。农田作物的地面热感测及其与灌溉管理的相关性．NebGuide G2301内布拉斯加州扩展。