无人机遥感监测现场。
汽车颠簸在陕北黄土高原的沟沟峁峁，透过车窗，路两旁连片的苹果园不断向后退去，望不见尽头。中国西北这块干旱的黄土地，已经发展成集中连片苹果种植的全球最大区域，而且规模还在进一步扩大。一株株充满生机的苹果树，也成为给果农带来希望的“摇钱树”。
然而，在生机的背后，却隐藏着潜在危机。同行的西北农林科技大学教授李军告诉记者：“通过0-15米土壤深层次水分监测发现，很多地方土壤含水量很低，土干燥得就像沙子一样。这是由于黄土高原苹果带地处干旱地区，降雨量少于果树的需水量，导致果树需要通过吸收深层土壤水分来维持生长。长此以往，随着对深层土壤水分的过度消耗，也会影响到果树的持续生长，导致苹果树早衰，本来30年的果树可能15-20年就不行了。”
如何提高黄土高原苹果产区降水的高效利用成为推动苹果产业持续发展的重要科研命题。放眼整个旱区，旱作农业高效用水技术创新也是挖掘旱作农业潜力，推动旱区农业产业持续发展的重要科研命题。近日，记者来到西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，一探旱作农业高效用水技术创新有哪些“新式武器”。
果树下“大坑套小坑”
陕西是我国主要的苹果主产区，栽培面积居全国第一，苹果产业已经成为促进该区域经济发展的支柱产业，种植苹果已经成为当地农民的主要经济来源之一。然而，由于缺乏充足的水资源，再加上水资源不足导致的肥料吸收率低，限制了苹果产业的高效、稳定、可持续发展。
针对这一问题，西北农林科技大学研究员吴淑芳专门研发了一种针对山地苹果园的技术——肥水坑制备。“这种山地苹果园肥水坑，既能够培肥地力、增加土壤有机质，改善土壤水分、减少无机化肥使用量，又能够充分利用降雨，保证苹果树的稳产和增产。”吴淑芳说。
在陕西省延安市宝塔区万庄村雨养山地苹果园试验地记者看到，这种新型的肥水坑是一种“大坑套小坑”的结构。外边的大坑是传统的“鱼鳞坑”，在果树树冠地面投影处挖的一个半圆形浅坑，主要用来集雨。
鱼鳞坑中央的“小坑”才是这项技术的核心——肥水坑。这是一个长宽80厘米、深度40厘米的深坑，首先，肥水坑的上部铺着一个凹状的塑料膜，这是“大坑套小坑”的最低点，以便于雨水都流向集雨坑内，能够及时补充果树所需水分。其次，底部铺有防水材料，能防止水分渗漏。第三，坑里有引流管，管上有不少小孔，能让水更有效地流到苹果树的根部。第四，引流管四周用扩蓄增容肥分层填压充实。
这种土壤扩蓄增容肥主要是由油渣、秸秆等材料制备而成，不仅能更好地蓄水保墒，而且能够为果树提供所需的氮素、可溶性磷、可溶性钾等速效养分，其中的油渣等还能够改善土壤结构，提升土壤肥力，有效提高果树产量，增加农民经济收入，能够很好地解决陕北黄土高原山地果园水肥问题。
“有了这个集雨坑，在果树整个生育期内，水分利用效率提高20%以上，苹果产量提高30%以上，同时也可减少无机化肥的使用，减少坡面径流，保持水土，减轻黄土高原土壤干层等生态问题。这项技术可以在黄土高原苹果园生产中广泛推广应用。”吴淑芳介绍说。
苹果园用上“共享设备”
在提高有效降水利用效率的同时，如何高效地灌溉成为山地苹果产业发展过程中首要解决的问题之一。陕北苹果大多种在山上，而山坡地不利于降水的存留，且半干旱黄土丘陵区降水量不够，都需要补充灌溉。
针对山地苹果产业发展急需高效灌溉，而刚建园的果农没有收益、不愿购置灌溉设施的问题，中国旱区节水农业研究院科研人员提出一种新的滴灌水肥一体化技术推广模式——移动共享山地苹果滴灌系统。
记者了解到，这一系统主要包括“移动共享首部”和“滴灌管道”两部分。其中，共享的主要是滴灌系统的首部，即施肥装置、过滤装置、进排气部件、流量压力计量控制部件等，将其从滴灌系统中分离出来，能够便捷地移动、快速地连接、低成本地共享。
操作移动共享设备的是技术能手、农民专业合作社成员，通过技术培训，让他们成为保管维护操作移动共享首部的专业人员，为种植户提供灌溉服务。而滴灌管和支管等“滴灌管道”则固定铺设在果园里，需要灌溉的时候只需要接入“移动共享首部”即可。
这种移动共享的山地苹果滴灌系统，将高科技的水肥精量控制技术便捷地应用到苹果产业中，并将灌溉设施亩均投入降低到300元以下，应用面积迅速扩大，实现了山地苹果产业的高科技普惠。
无人机绘出“水肥诊断图”
在中国旱区节水农业研究院的精准灌溉实验室里，不同规格的无人机停放在实验台上。无人机与节水农业有什么关系？研究员韩文霆没有直接回答，而是先向记者展示了一张西安市杨凌汇承果业揉谷基地的“水肥诊断图”，上边可以清晰地看出哪些区域属于水量过多区、水量适宜区、水量不足区以及干旱区。他这才回答了记者的疑问：“这张‘诊断图’就是利用无人机拍摄的图像分析出来的，对指导作物精准灌溉具有重要意义。”
精准灌溉是世界灌溉技术发展的趋势和研究热点，而实现精准灌溉的前提是获取和评估作物缺水信息的空间变异性。目前，大部分精准灌溉信息的获取主要依靠地面监测系统，地面布点繁杂，监测效率低，而且卫星遥感数据在时间分辨率和空间分辨率上都很难达到要求。发展精准灌溉技术，迫切需要一种高精度高效率的大范围农田土壤和作物水分信息快速感知技术。而无人机在农业上的应用，为适度规模经营条件下的农田信息获取提供了一种新手段。
近年来，韩文霆研究团队对无人机遥感、变量灌溉等新兴学科的前沿技术进行了深入研究，通过无人机成功获取了大面积农田作物的可见光、近红外、热红外遥感图像，具有超高时空分辨率，结合卫星遥感和地面数据同化技术，建立了区域种植结构监测模型、作物缺水诊断模型、作物缺水空间分布和变量灌溉处方图生成模型，创新研发出作物需水无人机遥感监测技术，实现了精准灌溉。
“作物需水无人机遥感监测技术，实现了‘天、空、地’一体化的先进监测预警，形成高中低平台结合、粗中细分辨率互补的全天候、全天时、全覆盖、全自动立体监测系统。”韩文霆说。他们开发的无人机多光谱航拍系统和农业信息感知模型，可获取作物长势、土壤养分、病虫害等信息，通过数据解析，指导农户达到精准灌溉、变量施肥、减少农药化肥使用等目的，不仅对山地苹果产业发展推进作用明显，还有利于解决我国耕地面积少、水资源短缺、环境压力大等问题。
太阳能为喷灌设备“加油”
灌溉设备的发展是促进农业发展、提高作物产量的保障因素之一。然而随着能源和淡水资源的日益短缺，灌溉已受到水和能源的双重制约。在节水的同时节约能源进行灌溉，已成为现代农业节水发展的必然趋势。
在中国旱区节水农业研究院的试验田里，记者看到一个大型喷灌设备在农田里自动行走喷灌。这是西北农林科技大学研究人员研发出来的太阳能驱动喷灌机组。
在众多灌溉设备中，移动式喷灌机组因自动化程度高、人工投入少、移动方便等诸多优点，被广泛应用。然而，国内目前使用较多的移动式喷灌机组多为进口，虽然效率较高，但结构较大，与国内农业发展模式不相符。而且需要电网或者发电机进行电力供应，这在一些偏远缺电地区难以得到保障，制约了移动喷灌设备的推广。
而太阳能作为清洁环保的新型能源，取之不尽用之不竭。太阳能驱动喷灌机组以太阳能供电的电机驱动，替代传统的水涡轮驱动方式，克服了水涡轮能量传递效率低的缺点，降低了机组整体能耗。而且配备有速度实时监测系统，可对PE软管的回收速度实施无级调速，保证收管过程始终保持匀速，避免了管道回卷过程中因分层造成的速度差异，确保喷洒水量的均匀分布，较好解决了现有卷盘式喷灌机能耗高、设备笨重、喷洒水量分布不均等缺陷。
有了这种“新式武器”，更多的传统农田灌溉转变成移动式喷灌，不仅节约能源，而且灌溉均匀度高，节水效果显著，有效解决了水资源匮乏、灌溉电力短缺、电力传输困难、灌溉效率低下等问题。
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