一种提高大豆水分利用效率的方法和系统与流程

本发明涉及一种提高大豆水分利用效率的方法和系统，是一种节水环保的农田管理措施和系统。

背景技术：

在半干旱的旱作农业区，水资源贫乏成为限制大豆高产的主要因子，植物个体间竞争最强烈的环境资源是土壤水分，而根系是竞争水分最主要的器官。根系生长发育状况与作物产量密切相关，合理调控根系生长可以促进作物地上部与地下部的协调发展，有利于作物产量提高。

在农业生产实践中，通过合理的农艺措施促进地上、地下群体协调发展，实现作物水资源的高效利用，一直是旱地农业研究的重点。

目前，利用断根的方式，在产量变化不大的条件下，提升作物水分利用效率。然而该方法会造成断根部位“伤流”，从断根处流出的液体富含作物生长所需的养分，流失太多，会造成长势衰弱，断根后一段时间内作物长势收到影响，甚至会因为断根部位坏死造成作物减产甚至枯萎。

技术实现要素：

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种提高大豆水分利用效率的方法和系统。所述的方法和系统根据大豆前期长势和干旱评估，确定需要断根量，根据大豆根系发育情况确定断根位置、深度和角度，利用机械装置，在断根（伤根）的同时对断根部位进行加热，从而避免断根部位“伤流”，避免伤流液的蒸发以及异物的进入，减轻甚至消除断根后作物长势受到影响的情况发生，有效提升大豆的水资源利用效率和抗旱保产效益与效果。

本发明的目的是这样实现的：一种提高大豆水分利用效率的方法，所述方法的步骤如下：

农作物干旱程度评估的步骤：首先评估历史长序列条件下，作物不同生育期的干旱程度，并评估当前生育期的真实干旱程度；如果：真实干旱程度大于历史干旱程度，同时历史干旱程度的评估表明，其干旱为加强趋势，即下一个生育期干旱程度大于当前生育期，则需要根据当前生育期的真实干旱程度确定切根量；

选择断根时期的步骤：根据大豆生长过程，选定在生长至35天左右作为进行断根处理的时机；

确定切根量的步骤：根据气候和土壤的干湿程度，确定10%～40%的断根切根量；

大豆当前生育期根系空间分布计算的步骤：根据根系较完全的发育阶段的资料，利用多种函数进行拟合，根据相对误差较小、相关较显著的原则，建立的大豆根系生长模型，根据大豆根系生长模型确定大豆根系分布；

确定断根深度的步骤：根据大豆根系分布确定断根深度；

确定断根位置的步骤：根据大豆根系生长模型所确定的大豆根系分布，以主茎为中心划圆，圆内包含的根系干重占总干重比例为25%～50%，以所述圆与株行平行的切线为断根位置；

断根的步骤：按照所选择的断根时机、断根位置和断根深度，对大豆的根系进行切断作业，去掉部分次生根，在对大豆的根系切断的同时对切断部位进行凝结处理，阻止伤流，减少断根对农作物根系的伤害。

进一步的，所述的断根位置为距主茎两侧3.8cm、3.5cm、3cm、2.5cm厘米处，断根深度为：垂直下切20厘米。分别切根量定为10%、20%、30%、40%，

一种实现上述方法的提高大豆水分利用效率的系统，所述系统包括：安装在拖拉机车架上的至少一套断根刀和安装断根刀的刀架，所述的断根刀或刀架上安装有凝结器，所述的凝结器与安装在拖拉机上的凝结器电源连接。

进一步的，所述的断根刀和刀架以两套为一组，一组中两个所述的断根刀之间的距离为60-70厘米，设置2-3组断根刀和刀架通过连接架与拖拉机的车架连接。

进一步的，所述的刀架或连接架上设有切深控制机构，一组断根刀之间设有切位控制机构。

进一步的，所述的断根刀和凝结器是带有超声波换能器刀具，所述的超声波换能器与安装在拖拉机上的超声波电源连接。

进一步的，所述的带有超声波换能器的刀具是镰刀形刀具或圆盘形刀具。

进一步的，所述的断根刀是外缘有切齿的圆盘形刀具，所述的凝结器是电凝结器，所述的电凝结器与安装在拖拉机上的电凝结器电源连接。

进一步的，所述的电凝结器是沿刀盘径向开出的窄缝，所述窄缝中成对设置电极。

进一步的，所述的圆盘形刀具通过传动轴与拖拉机的动力轴连接。

本发明产生的有益效果是：本发明所述方法采用对气候和田间的湿润程度进行评估，以及根据大豆前期长势和干旱评估，确定断根量。通过建立根系分布数学模型，以判断大豆根系发育情况，由此确定断根时机、位置、深度等参数。所述的系统采用断根凝结的方法，阻止农作物根系被切断后从切断刀流出营养液体，尽量减少伤流，使断根后的农作物快速回到原有的长势，避免因为断根部位坏死造成作物减产甚至枯萎，提高了农作物生长过程中的水资源利用率，改善和保持了农田的土壤墒情和肥力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是大豆根系和本发明实施例二所述大豆植株行两侧断根切割的位置示意图；

图2是本发明的实施例二所述大豆植株行两侧断根切割的位置示意图；

图3是本发明的实施例三所述系统的结构示意图；

图4是本发明的实施例三所述系统的结构示意图，是图3中a-a剖面图；

图5本发明的实施例四所述多个断根刀组合的结构示意图；

图6是本发明的实施例九所述电凝结器的圆盘形断根刀的示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种提高大豆水分利用效率的方法。所述方法的步骤如下：

（一）农作物干旱程度评估的步骤：首先评估历史长序列条件下，作物不同生育期的干旱程度，并评估当前生育期的真实干旱程度；如果：真实干旱程度大于历史干旱程度，同时历史干旱程度的评估表明，其干旱为加强趋势，即下一个生育期干旱程度大于当前生育期，则需要根据当前生育期的真实干旱程度确定切根量。

干旱评估：可以使用帕尔默法和修正的pdsi指数的计算法。

（1）帕尔默法：帕尔默（palmer，有人译为帕默尔）认为干旱期是一个水分持续亏缺的时段，旱度可以认为是水分亏缺量及其持续时间的函数，在这个定义基础上于1965年提出了能够进行干旱程度分析的帕尔默干旱指数（有人译为“旱度模式”），并以palmer干旱指数（pdsi，palmerdroughtseverityindex）表示干旱的严重程度。该模式的建立中，palmer首次提出了有别于长期平均降水量的“当前气候适宜”（cafec，climaticallyappropriateforexistingcondition）的降水量（）的概念，即满足地区经济运行、生物生长用水所适宜的需水量称为“当前气候适宜”的降水量。

pdsi指数的计算方法：帕尔默指数的计算过程较复杂，首先计算各水分平衡分量，求出有关气候系数、蒸散系数、补水系数、径流系数和失水系数，进而得到对当前情况来说，气候上适宜的降水量。

第一步：由长期气象资料序列计算出月水分平衡各分量的实际值、可能值及平均值，包括实际蒸散量et、可能蒸散量pe、实际径流量ro、可能径流量pro、实际补水量r、可能补水量pr、实际失水量l和可能失水量pl；

第二步：α、β、γ和δ被分别称之蒸散发系数、补水系数、径流系数和失水系数，它们的计算表达式分别为；；；。

第三步：计算气候上适宜的降水量：

(1.1)

式中——气候上适宜的蒸散量，。

——气候上适宜的补水量，。

——气候上适宜的径流量，；

——气候上适宜的失水量，。

第四步：计算水分盈亏值，。

第五步：计算水分异常指数，。

为了得到一个与时、空相对独立的干旱指数，帕尔默经过多次经验处理，给出了一个反映地区供需关系的气候特征常数k作为权重因子，k的计算表达式为：

(1.2)

(1.3)

式中d为各月d的绝对值的平均。权重因子k经过修正后写为k，则最后的水分距平指数为：。

第六步：在以上基础上，进一步考虑持续时间因素建立palmer干旱指数计算公式：

(1.4)

式中：i——第i个月；xi——当月的干旱指数；xi-1——前一月的干旱指数。

（2）修正的pdsi指数的计算方法：

研究人员根据中国济南、郑州资料得到修正的pdsi指数公式：

xi=zi/57.136+0.805xi-1(1.5)

华北地区干旱级别确定：通过采用中国气象局整编的1951年～2000年中国160站气温、降雨月平均资料，计算华北地区逐月平均pdsi指数，对比palmer指数干湿等级，确定华北大部为中度干旱且旱涝的持续性非常强，特别是1999年～2000年，华北地区干旱特别严重。为了保证大豆在干旱条件下有一定产量，提出断根的方式，提高根部水分利用效率，使产量尽可能稳定。

（二）选择断根时期的步骤：根据大豆生长过程，选定在生长至35天左右为进行断根处理的时机。

大豆根系生长增重过程大致分为三个生长阶段：（1）慢增重阶段，在出苗至出苗后三周期间，此期的根重占总根重的23%左右；（2）快速增重阶段，播后20～50天，植株根系生长迅速，干重呈指数增长，绝对根重迅速增加。这一时期形成的根重占总根重的70%左右，生产上应根据这一生长特点及早地采取措施促进根系的发育，为丰产打下基础；(3)减缓至停止增长期，(播后70天)，即鼓粒期至落叶期。鼓粒期根系干重达一生的最大值，此后，由于植株衰老，一部分根系开始死亡，根系干重呈下降趋势。因此，结合大豆的生长阶段，切根时间选定在生长35天左右。

（三）确定切根量的步骤：根据气候和土壤的干湿程度，确定10%～40%的断根切根量。

切根量一般在10%～40%之间，根据华北四个干湿等级：轻微干旱、中等干旱、严重干旱和极端干旱，分别将切根量定为10%、20%、30%、40%，具体如下表所示。

（四）大豆当前生育期根系空间分布计算的步骤：根据根系较完全的发育阶段的资料，建立大豆根系生长模型，根据大豆根系生长模型确定大豆根系分布。

大豆根系分布的数学模拟方法：

大豆根系的生长函数三次多项式拟合效果：

式中g(t)—根系的各几何参数，如主根长、基根总长等；t—生长时间（以天为单位，用d表示）；a、b、c、d—多项式函数的系数，依几何参数不同而不同；t1、t2—各几何参数开始生长和停止生长的时间，t=t2-t1就是生长周期。

为方便起见，该公式可表示为g(t)={a，b，c，d，t1，t2，y(t1)，y(t2)}。根据影响大豆根系发育的积温和土壤水分、降雨等因素以及大豆品种及生育期，根据相关测定资料，确定主根长和基根总长的模型参数如下：

主根长：g(t)={0.00341，-0.526，26.98，-12.846，0，60，0，450}；

基根总长：g(t)={0.0392，-6.3311，365.12，-2162.81，0，60，0，5400}。

（五）确定断根深度的步骤：根据大豆根系分布确定断根深度；

从上述大豆根系分布可以看出，主要根系分布在0～20cm的土层内，同时为了方便断根机械设备的操作，将切割的深度定为20cm并采用垂直切割方式。

（六）确定断根位置的步骤：根据大豆根系生长模型所确定的大豆根系分布，以主茎为中心划圆，图2中以圆圈d表示，圆内包含的根系干重占总干重比例为25%～50%，以所述圆与株行平行的切线为断根位置。

由于大豆的根系分布主要集中在0～20的土层内，且距主茎5cm范围内的根系干重占总干重比例的近80%左右。故将根系主要分布视为半径r=5cm，高h=20cm的圆柱体，假设根系均匀充满圆柱体，并从距植株3.5cm处向下垂直切割20cm作为断根量20%的切割位置，其根系的体积v2=πr²h=1570cm³，故v=1963cm³。当断根率为10%时，体积v1=0.9v=1766.7cm³，对应的半径r1=3.8cm，即断根位置离大豆植株的中心距离为3.8cm;同理，根据上述方法，分别算出断根率为30%、40%时离大豆植株的中心距离为3.0cm、2.5cm。

（七）断根的步骤：按照所选择的断根时机、断根位置和断根深度，对大豆的根系进行切断作业，去掉部分次生根，在对大豆的根系切断的同时对切断部位进行凝结处理，阻止伤流，减少断根对农作物根系的伤害。

大豆的根系，属于须根系，只有许多细长像胡须的根，主根不明显，不定根发达，主要由不定根组成，它是从大豆的胚轴上长出的根，如图1所示。大豆一般在播种后1个月，根深可达50cm，成熟期达220cm。说明大豆根系庞大，可以从较深的土层中吸取水分。

大豆根系在土壤中总的分布趋势是：从垂向方向上来看，90％以上的根量分布在0～20cm，而利犁底层以下的根量不足15％。并且支根主要是从地表下5～20cm处的主根分生出来，而从20cm以下的主根分生出来的支根很少，且多为线性细根；从侧向方向上来看，根重的77.77%～82.88%都集中在离植株0～5cm的土内。因此根据干湿等级：轻微干旱、中等干旱、严重干旱和极端干旱，分别切根量定为10%、20%、30%、40%，切割深度均为20cm，离大豆植株中心位置分别为3.8cm、3.5cm、3.0cm、2.5cm。这个数值范围既保护了主要根系保证大豆生长，又达到了伤根目的。

大豆的生育期一般分为幼苗期、分枝期、开花期、结荚期、鼓粒期。大豆在进入分枝期伤根后，伤根对大豆生长的影响是先抑制后促进，伤根后初期会抑制大豆叶面积、生物量的增加，进而抑制大豆的生长；但到后期（一般伤根后20天左右），促进了主茎和有效分枝的后期生长，能够促进大豆的光合作用以及光合产物的积累，同时还可以提高叶片水平的水分利用效率，最后能够增加产量及百粒重；另一方面也说明伤根的时间不能太迟，如果太迟对大豆的生长只有抑制作用。如果大豆开花期伤根，一般开花到荚结20天左右，伤根后的恢复期正是产量形成的关键时期（结荚鼓粒期），如果此时大豆生长受到抑制，会大大降低大豆的产量及百粒重。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于断根位置的细化。本实施例所述的断根位置为距主茎两侧l1=3.8cm、l2=3.5cm、l3=3.0cm、l4=2.5cm厘米处，见图1、2，断根深度h为：垂直下切20厘米，见图1，切根量分别为10%、20%、30%、40%。

在大豆根系在土壤中总的分布趋势是：从垂向方向上来看，90％以上的根量分布在0～20cm，而利犁底层以下的根量不足15％。并且支根主要是从地表下5～20cm处的主根分生出来，而从20cm以下的主根分生出来的支根很少，且多为线性细根；从侧向方向上来看，根重的77.77%～82.88%都集中在离植株0～5cm的土内。

实施例三：

本实施例是一种实现上述方法的提高大豆水分利用效率的系统，所述系统包括：安装在拖拉机车架上的至少一套断根刀1和安装断根刀的刀架2，所述的断根刀或刀架上安装有凝结器3，所述的凝结器与安装在拖拉机4上的凝结器电源5连接，如图3、4所示。

本实施例是一种实现上述断根方法的机械化断根作业的系统。系统包括：

断根刀：可以是超声波断根刀，也可以是电凝断根刀。

刀架上可以安装定位装置：采用激光测距仪+进位步进电机+倾斜步进电机，测定中轴与植株之间的距离，调整刀具相对位置和角度。

可以在拖拉机上安装控制台：显示刀具与植株距离、刀具切入角度，以便调整。

动力装置：在凝结器需要较大功率的情况下可以采用：专用柴油发电机，并配置逆变器近似电压、电流、频率的转换。

适当的配重：用于根据切根时的土壤阻力对整个切割系统需要的自重进行增减调节。

断根刀可以采用类似镰刀那样的器具，直接插入土壤中，由拖拉机带动向前行进，利用刀锋的切割能力切断根系。也可以采用圆盘形的断根刀，并使圆盘形的边缘形成锋利的刀口，或使用超声波产生振动的道具，这样圆盘形的边缘无需过于锋利的刀锋，也可以有效地进行断根作业。还可以在圆盘形的外缘设置切齿，利用拖拉机的动力轴带动圆盘转动，用切齿切断根系。

刀架是连接拖拉机和断根刀之间的连接件，当断根刀为需要旋转运动的圆盘形断根刀时，刀架上还有安装旋转轴，当断根刀上安装有超声波换能器时，刀架还应当有隔绝振动的作用，以避免超声波振动传递到拖拉机车架上。

凝结器可以是超声波凝结器和电凝结器。超声波凝结器是利用超声波振动的作用，产生摩擦生热，使根系断口凝结。电凝结器是一种利用电极之间由于充斥液体而产生击穿生热的凝结方式。两种方式都可以十分明显的凝结效果，有其各自的优势。

当大豆处于拔节期时，植株的高度不高，可以采用多个断根刀同时作业的方式，以提高作业效率。如：采用在植株行的两侧成对设置两个断根刀的方式，将植株两侧的次生根同时切断。

实施例四：

本实施例是实施例三的改进，是实施例三的关于断根刀的细化。本实施例所述的断根刀和刀架以两套为一组，一组中两个所述的断根刀之间的距离为60-70厘米，也就是2l；设置2-3组断根刀和刀架（图5中仅画出了三组）通过连接架6与拖拉机的车架连接，如图4所示。

为提高效率，还可以在拖拉机的两侧同时安装2-3组断根刀和刀架，两边同时作业。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于连接架的细化。本实施例所述的刀架或连接架上设有切深控制机构，一组断根刀之间设有切位控制机构。

在断根作业中，各块田地的作物长势不同，植株、根系的大小有差异，因此，断根的距离和深度有需要调整，因此，本实施例设置了切位控制机构以调整切割根系的位置与植株主茎之间的距离。同时还设立了切深控制机构，以调整断根刀切入土壤的深度。

本实施例所述的切深控制机构实际是调整断根刀上下位移的机构，调整结束后就将断根刀紧固锁死，在断根作业中不能松动。

同样，切位控制机构也是调节两个断根刀之间距离的机构，调整结束后将断根刀紧固锁死，在断根作业中不能松动。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于凝结器的细化。本实施例所述的断根刀和凝结器是带有超声波换能器刀具，所述的超声波换能器与安装在拖拉机上的超声波电源连接。

本实施例所使用的凝结器是利用超声波高速震荡，促使物体表面相互摩擦生热的原理。本实施例的具体方案是，在断根刀上安装超声波换能器，是断根刀的刀面与被切断的根系断口之间互相摩擦、生热，促使断口凝结，阻止伤流。

超声波断根刀的刀具可以是刀面宽厚的镰刀形，也可以是圆盘形。

当刀具为镰刀形时，刀锋可以是锋利的，利用锋利的刀锋进行机械切割。刀锋也可以不太锋利的，即利用超声波震动进行切割，但使用超声波切割其超声波换能器所需要的能量较大，必须在拖拉机上安装带有发电机的专门超声波电源和相应的逆变设备。

当刀具是圆盘形时，可以在在圆盘形的外缘上设置切齿，利用切齿对根系进行机械切割，并利用超声波凝结。或者圆盘外缘不设置切齿，直接利用超声波震动进行切割。

使用圆盘形刀具的好处在于有刀面与断口直接由较大的接触面积，有利于根系断口的凝结。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于刀具的细化。本实施例所述的带有超声波换能器的刀具是镰刀形刀具或圆盘形刀具。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于刀具的细化。本实施例所述的断根刀是外缘有切齿的圆盘形刀具，所述的凝结器是电凝结器，所述的电凝结器与安装在拖拉机上的电凝结器电源连接。

本实施例采用的根系断口凝结方式是利用电击加热的方式，将根系断口处炙烧，阻止伤流。电极的安装可以在刀面上，也可以在当时开出窄缝，在窄缝中设置成对的设置电极。当断口经过电极时，断口流出的液体将成对安装的两个电极之间充满，由于液体的导电性，使两个电极击穿，形成火花生热，使断口凝结。

实施例九：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于电凝结器的细化。本实施例所述的电凝结器是沿刀盘径向开出的窄缝101，所述窄缝中成对设置电极102，如图6所示。

本实施例是在刀盘上多条窄缝，图6中开出了四条窄缝，在窄缝中设置电极。窄缝设置的越多则电凝效果越好，但盘形刀具的强度较差。本实施例中刀盘的边缘设有切齿103，用于对根系进行机械切割，因此，本实施例中的刀盘需要有动力带动刀盘绕旋转轴旋转104，以完成切割运动，见图6。

实施例十：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于盘形刀具传动的细化。本实施例所述的圆盘形刀具通过传动轴与拖拉机的动力轴连接。

由于带有切齿的盘形刀需要有动力带动，以完成断根的作用，因此，需要在拖拉机的动力通过传动轴传递到每个圆盘形断根刀上，因此，本实施例设置了传动轴，将各个刀具与拖拉机的动力轴连接在一起，实现动力传递。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如断根刀的形式、系统各要素之间的连接方式等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。